-
Espacializao da anomalia do ndice de Hack como
suporte a estudos morfoestruturais
dipo Henrique Cremon
Trabalho de monografia da disciplina SER-
300 Introduo ao Geoprocessamento do
Programa de Ps-graduao em
Sensoriamento Remoto.
So Jos dos Campos
2013
-
2
Resumo
Em geomorfologia, o perfil longitudinal dos cursos fluviais so
bastante
estudados para o estabelecimento de processos evolutivos, de
geometria
hidrulica e morfoestruturais. Pelas teorias clssicas de evoluo
de relevo,
espera-se que relevos evoludos apresentem rios com perfis
longitudinais com
caimento logartmico. Baseado nessa premissa, Hack (1957)
estabeleceu um
ndice relacionando a declividade e extenso dos cursos fluviais
que desde
ento vem sendo utilizado pela comunidade cientfica. Uma derivada
desse
ndice a verificao de anomalias que so relacionadas a
diferenas
litolgicas e deformaes neotectnicas na paisagem. Esse ndice de
anomalia
morfoestrutural embora seja derivado de uma geometria linear
(rede de
drenagem) com expresso pontual, alguns trabalhos tentaram
espacializ-lo
por tcnicas de interpolao para criar superfcies contnuas que
ajudassem na
interpretao de reas com maiores anomalias que podem ser
relacionadas a
diferenas litolgicas e deformaes neotectnicas. Tal recurso
interessante,
pois auxilia no estudo geomorfolgico e de geologia
morfoestrutural. O objetivo
desse trabalho foi de avaliar tcnicas de espacializao do ndice
de Hack que
melhor auxiliem no estudo morfoestrutural. A rea de estudo foi o
interflvio
dos rios Negro e Branco, no norte da Amaznia, em uma regio
conhecida
como Pantanal Setentrional. Esse trabalho contou com recursos
de
geoprocessamento de extrao automtica da rede de drenagem de
modelos
digitais de elevao para posterior aplicao do ndice de Hack e sua
anomalia.
Em seguida, mtodos de interpolao e de densidade kernel, junto
com
representao por proporo pontual foram aplicados e comparados com
uma
base cartogrfica de lineamentos morfoestruturais e pontos. Dos
mtodos
testados, o melhor resultado foi para espacializao da
anamolia
morfoestrutural por densidade kernel, sendo bastante
correspondente aos
lineamentos e pontos ssmicos.
Palavras chave: ndice de Hack, anomalia morfoestrutural,
espacializao.
-
3
1. INTRODUO
Em geomorfologia, o perfil longitudinal um dos elementos
morfomtricos mais
estudados. Este consiste na representao bivariada entre a cota
altimtrica e
o comprimento de um determinado curso fluvial de montante para
jusante.
Diversas interpretaes so feitas a partir de perfis longitudinais
de cursos
fluviais. Espera-se que o perfil longitudinal tenha declividades
maiores em
direo nascente e com valores menores para jusante
(Christofoletti, 1981).
Dada a importncia dos rios no modelado da paisagem, a anlise de
perfis
longitudinais uma antiga temtica dentro da geomorfologia
(Christofoletti,
1981). Os estudos baseados nesse tipo de perfil tm se pautado
no
estabelecimento de processos evolutivos, de geometria hidrulica
e anlises
morfoestruturais. Embora seja uma representao bivariada de cota
pelo
comprimento, implicitamente um perfil longitudinal tambm possui
coordenadas
geogrficas, logo, abordagens de anlises de modo espacializados
em
ambiente de Sistemas de Informao Geogrfica (SIG) tambm
possvel.
Dentro das inmeras abordagens de anlise de perfis longitudinais,
uma das
mais utilizadas foi desenvolvida por Hack (1957). Pelas teorias
clssicas de
evoluo de relevo, espera-se que relevos evoludos apresentem rios
com
perfis longitudinais com geometria que decrescem
logaritmicamente. Baseado
nessa premissa, Hack (1957) estabeleceu um ndice relacionando a
declividade
e extenso dos cursos fluviais que desde ento vem sendo utilizado
pela
comunidade cientfica.
Uma derivada desse ndice a verificao de anomalias que so
relacionadas
a diferenas litolgicas e deformaes neotectnicas na paisagem. Na
maioria
dos trabalhos desenvolvidos, a anlise do ndice e sua anomalia so
feitas de
forma grfica de duas dimenses. Embora seja produto de uma
geometria
linear (rede de drenagem) com expresso pontual, alguns trabalhos
tentaram
espacializ-lo para que pudessem ser utilizados na interpretao de
reas com
maiores valores de anomalia relacionadas a diferenas litolgicas
e/ou
deformaes neotectnicas (p.e. Seeber; Gornitz, 1988; Etchebehere
et al.,
2004; Troiani; Della Seta, 2008). Tal recurso interessante, pois
auxilia no
-
4
estudo geomorfolgico e de anlise morfoestrutural. Ainda que
alguns
trabalhos tenham se engajado na espacializao do ndice (p.e.
Etchebehere et
al., 2004; Vg, 2010; Fonseca; Augustin, 2011), ainda no h um
estudo
especfico sobre as vantagens e desvantagens de diferentes mtodos
de
espacializao. Esse trabalho tem por objetivo avaliar tcnicas
de
espacializao do ndice de Hack com base nas ferramentas de
geoprocessamento que melhor auxiliem no estudo
morfoestrutural.
-
5
2. O NDICE DE HACK Hack (1973) desenvolveu um mtodo para
analisar perfis longitudinais com o
qual denominou de stream-gradient index. No Brasil o ndice tem
sido chamado
de relao declividade-extenso (RDE) ou simplesmente ndice de
Hack
(Etchebehere et al., 2004).
O ndice de Hack um parmetro quantitativamente significante, pois
est
relacionado potncia do canal (stream power) para transportar
material de
dada granulometria e s caractersticas do canal com a resistncia
de fluxos. O
ndice pode ser calculado para todo o canal (Eq. 1), para
comparaes de
diferentes cursos fluviais ou por trechos (Eq. 2), este ltimo
sendo mais voltado
para anlise detalhada das variaes dos ndices.
L
.. .
H
L
L1
L2
Figura 1 Representao dos parmetros necessrios para o clculo do
ndice de Hack em perfil longitudinal.
Eq. 1
(
)
Eq. 2
Mais voltado para estudos morfoestruturais, Seeber e Gornitz
(1988)
estabeleceram uma formulao para anomalias do ndice de Hack, onde
o
valor do ndice por trecho divido pelo ndice total.
Eq. 3
-
6
Valores maiores do ndice de Hack ou de sua anomalia tm sido
interpretados
em estudos morfoestruturais por diferena litolgica do substrato
ou por
movimentaes tectnicas que deslocam o relevo, por isso a anomalia
do
ndice tambm pode ser denominada de anomalia morfoestrutural.
-
7
3. REA DE ESTUDO
A rea de estudo compreende a regio amaznica localizada no
interflvio dos
rios Negro e Branco, que vem sendo sistematicamente estudada nos
ltimos
anos. Especificamente, o estudo se concentrar numa rea
denominada de
Pantanal Setentrional (Santos et al., 1993). uma regio com
134.500 km e
pouco habitada. Possui a cidade de Barcelos como o nico centro
urbano e
algumas vilas e tribos ao longo dos maiores rios (Figura 2).
Em relao geologia, a rea de estudo est localizada no norte da
poro
ocidental da Bacia Sedimentar do Solimes (Figura 3), sendo
sobreposta s
rochas pr-cambrianas dos escudos das Guianas ao norte, e do
Brasil Central,
ao sul. A oeste e a leste, os limites da Bacia do Solimes so
dados pelos
arcos de Iquitos e Purus, respectivamente.
A regio do interflvio do mdio rio Negro com o rio Branco foi
considerada
uma extenso da Bacia do Solimes, com cerca de 100.000 km,
denominada
de Pantanal Setentrional (Santos et al., 1993). De acordo com
esses autores,
essa rea corresponde a uma bacia sedimentar continental
notavelmente
recente, originada provavelmente no Plioceno, cujo preenchimento
se deu
essencialmente por deposio de sedimentos fluviais originados por
intensa
migrao lateral dos rios.
-
8
Figura 2 A linha tracejada em preto delimita os limites do
Pantanal Setentrional.
Figura 3 - Arcabouo geolgico da rea de estudo, localizada ao
norte da poro ocidental da Bacia do Solimes, onde se localiza a
sub-bacia do Pantanal Setentrional. 1-3= arcos estruturais de
Iquitos (1), Purus (2) e Monte Alegre (3).
-
9
A proposio da sub-bacia do Pantanal Setentrional ainda informal,
no
tendo sido adota em mapeamentos geolgicos recentes (Schobbenhaus
et al.,
2004; IBGE, 2005, 2010).
-
10
4. MATERIAIS E MTODOS Para o desenvolvimento desse trabalho,
recursos de geoprocessamento para a
extrao automtica da rede de drenagem a partir de modelos
digitais de
elevao foram utilizados. Como insumo topogrfico, ser utilizado o
MDE-
SRTM o qual foi trabalhado dentro da plataforma TerraHidro que
possui
ferramentas para extrao automtica da rede de drenagem. O modelo
digital
original passa por preenchimento de sumidouros para torn-lo
hidrologicamente consistente, em seguida convertido para fluxo
acumulado e
aps esta operao, para rea de contribuio. Com um fatiamento da
rea de
contribuio possvel extrair a rede de drenagem. No caso, foi
usado um
limiar de 50000 pixels, extraindo a rede de drenagem, que foi
convertida para
linha. Esta por sua vez foi recortada dos limites do polgono do
Pantanal
Setentrional baseado em Rossetti et al. (no prelo).
Com o dado vetorial da rede de drenagem em linha, combinado com
MDE-
SRTM, no aplicativo Global Mapper, possvel extrair o perfil
(longitudinal) dos
segmentos e export-los em planilha (*.csv) com dados de x,y,z e
comprimento
para da vrtice da rede de drenagem. Em posse dos dados em
planilha foi
calculado o ndice de Hack e sua respectiva anomalia no
aplicativo Excel.
Como a planilha continha a coordenada geogrfica de cada vrtice
da rede de
drenagem extrada, os mesmos foram espacializados por dado
vetorial do tipo
ponto. A partir da informao das anomalias do ndice de Hack, trs
modos de
representao foram elaborados:
a) por proporo pontual, onde maiores valores eram representados
por
circunferncia maiores;
b) por interpolaes, onde os dados de anomalia foram divididos em
dois
conjuntos com 70% e 30% para a criao por interpolao de geo-
campos com superfcies de anomalias morfoestruturais e validao
dos
resultados obtidos quantitativamente das interpolaes, com o
clculo
da raiz quadrada do erro quadrtico mdio. Os mtodos de
interpolao
que foram testados so o inverso do quadrado da distncia, vizinho
mais
prximo, vizinho natural, TIN e topogrid.
-
11
c) Superfcies contnuas tambm foram avaliadas por densidade
Kernel. A
principal avaliao para a espacializao dos dados se deu de
modo
qualitiativo, com interpretao de intrprete com experincia no
assunto,
embora tambm foi realizado uma avaliao quantitativa dos
mtodos
de interpolao.
A avaliao qualitativa contou com o uso do mapa de
lineamentos
morfoestruturais da CPRM (Schobbenhaus et al., 2004) e base de
dados dos
registros de pontos ssmicos do Brasil. A metodologia empregada
est
expressa no fluxograma da figura 2.
Figura 4 Fluxograma metodolgico.
-
12
5. RESULTADOS
A partir do MDE-SRTM foi extrada para a regio do Pantanal
Setentrional uma
rede de drenagem com 9762.60 km de extenso.
Figura 5 Rede de drenagem extrada do MDE-SRTM para a regio do
Pantanal Setentrional (Drenagem do rio Negro e Branco do MMA
sobreposta).
O contorno da rede de drenagem apresentou-se consistente para a
maior parte
da rea de estudo. As principais drenagens esto concordantes com
a
drenagem real. Em posse dessa rede, e posterior clculo da
anomalia
morfoestrutural, estes foram espacializados. No primeiro caso,
foi usado
apenas dados pontuais proporcionais dos vrtices da rede de
drenagem para a
informao da anomalia, conforme Figura 6.
-
13
Figura 6 Representao proporcional pontual da anomalia
morfoestrutural.
A partir da informao pontual da anomalia morfoestrutural,
interpolaes
foram processadas para a criao de superfcies de anomalias
morfoestruturais. Em seguida so apresentados os resultados
das
interpolaes utilizadas. Na interpolao TIN (Triangular Irregular
Network)
possvel observar que vrias arestas so formadas com predomnio
de
anomalias maiores na borda norte do Pantanal Setentrional e ao
longo dos rios
Negro e Branco (Figura 7).
-
14
Figura 7 Superfcie de anomalia morfoestrutural da interpolao
TIN.
Com o interpolador inverso do quadrado da distncia (IQD), vrios
reticulados
radiais foram criados, com difcil definio de reas de maior
predomnio de
anomalias (Figura 8).
-
15
Figura 8 - Superfcie de anomalia morfoestrutural da interpolao
inverso do quadrado da distncia.
Com o interpolador vizinho mais prximo, as regies de maiores
anomalias
diminuram bastante em relao aos interpoladores TIN e IQD.
Pequenas
arestas tambm foram criadas ao longo dos interflvios (Figura
9).
-
16
Figura 9 - Superfcie de anomalia morfoestrutural da interpolao
vizinho mais prximo.
J com o interpolador vizinho natural, no foram criadas arestas
como nos
interpoladores anteriores. Grandes feies circulares foram
criadas
extrapolando os limites da rede de drenagem (Figura 10).
-
17
Figura 10 - Superfcie de anomalia morfoestrutural da interpolao
vizinho natural.
Por fim, o ltimo interpolador utilizado foi o topogrid, onde
feies circulares
tambm foram criadas assim como no interpolador vizinho natural,
entretanto a
proporo e distribuio dessas feies foram diferentes (Figura
11).
-
18
Figura 11 - Superfcie de anomalia morfoestrutural da interpolao
Topogrid.
Como explicado anteriormente, um conjunto independente de
amostras foi
utilizados para validao das interpolaes geradas com base no
clculo da
raiz quadrada do erro quadrtico mdio (RMSE). Os valores mais
discrepantes
foram para o TIN, com RMSE de 583,44. Os demais interpoladores
tiveram
valores prximos, com menor erro para o IQD, conforme tabela
1.
Tabela 1 RMSE das interpolaes para as superfcies de anomalia
morfoestrutural.
Interpolador RMSE
TIN 583,44
Topogrid 37,06
Vizinho mais prximo 36,63
Vizinho natural 36,62 Inverso do quadrado da distncia 34,63
A ltima representao testada foi pelo mtodo de densidade kernel,
no qual os
valores so apresentados em fatiamento de cores qualitativamente.
Nesse
caso, as anomalias tambm apresentam feies mais arredondadas e
mais
restritas rede de drenagem, conforme Figura 12.
-
19
Figura 12 Densidade Kernel das anomalias morfoestruturais.
-
20
6. Discusso
Na representao de proporo pontual, a alta densidade de pontos
dado por
trechos pequenos dos vrtices da rede de drenagem fez com que o
mapa final
ficasse com difcil interpretao de reas realmente mais anmalas.
No caso,
no foi uma boa escolha de representao, mas pode ser em casos
onde o
espaamento dos trechos da rede de drenagem so maiores, como
apresentado no trabalho de Martinez et al. (2011).
No caso das superfcies geradas por interpolao, os interpoladores
TIN e
vizinho mais prximo criaram arestas nas regies de interflvio,
cuja
interpretao em anlise morfoestrutural torna-se prejudicada. Por
sua vez, na
interpolao pelo mtodo do inverso do quadrado da distncia feies
de
arestas radiais criadas pela natureza do mtodo pode induzir
interpretaes de
cunho geolgico sobre feies anmalas e lineares que no
existem.
Os mtodos de vizinho natural e topogrid criaram superfcies mais
suaves e
melhor perceptveis para um intrprete, mas como os demais
mtodos
extrapolam bastante os limites alm da rede de drenagem, isto
pode ser
prejudicial dependendo da anlise.
A representao que visualmente apresentou melhor definio foi
por
densidade kernel, onde os contornos foram mais suaves e se
restringiram mais
s reas prximas a rede de drenagem.
A sobreposio dos lineamentos morfoestruturais mapeados pela CPRM
com
mapa de densidade kernel das anomalias possvel notar uma
concordncia
das anomalias frente s principais feies estruturais da rea de
estudo.
-
21
Figura 13 - Mapa de densidade kernel das anomalias sobreposto
aos lineamentos morfoestruturais.
Dada a falta de uma rede sismogrfica mais refinada, os dados de
pontos
ssmicos possuem escala bastante generalizada, mas conforme pode
ser
observado na Figura 14 coincidente ou muito prximo das
principais zonas de
anomalias morfoestruturais identificadas.
-
22
Figura 14 - Mapa de densidade kernel das anomalias sobreposto
aos pontos ssmicos.
Essa regio carente de estudos morfoestruturais e estudos mais
sistemticos
comearam a ser desenvolvidos h pouco tempo. Algumas pesquisas
foram
desenvolvidas ao longo do rio Negro e possvel observar que reas
anmalas
do mapa kernel so concordantes com estruturas j mapeadas em
trabalhos
anteriores (Bezerra, 2003; Latrubesse; Franzinelli, 2005).
possvel notar que a transio de padres de canal no rio Negro
demarcada por reas onde h altos valores de anomalias. De
montante para
jusante, antes de formar o arquiplago Mariu no rio Negro, uma
anomalia alta
detectada, outra prximo a foz do rio Demini e em seguida na foz
do rio
Branco (Figura 15).
-
23
Figura 15 Anomalias morfoestruturais identificadas ao longo do
mdio curso do rio Negro.
Todas essas reas correspondem a reas com falhas tectnicas j
identificadas por Latrubesse e Franzinelli (2005) e Bezerra
(2003), onde se
formam diferentes blocos estruturais, os quais possibilitaram a
criao de
espaos de acomodao para o desenvolvimento do padro de canal
anabranching na regio do arquiplago Mariu.
-
24
7. CONSIDERAES FINAIS
Aps os testes para representao da anomalia morfoestrutural
obtida pelo
ndice de Hack possvel concluir que:
A superfcie obtida por densidade kernel consistiu na melhor
representao de espacializao da anomalia morfoestrutural e se
mostrou concordante com os lineamentos morfoestruturais e os
pontos
ssmicos registrados no Brasil para essa rea de estudo;
Representaes por proporo pontual devem ser evitadas em reas
densamente amostradas, podendo ter melhor aplicao para
trechos
maiores de drenagem;
Visualmente, os mtodos de interpolao o topogrid e o vizinho
natural
foram os que tiveram contornos mais suaves e arredondados,
possveis
de ser interpretados, entretanto muitas feies diferem de bases
de
dados estruturais, como os lineamentos;
Interpolaes pelos mtodos TIN, vizinho mais prximo e inverso
do
quadrado da distncia devem ser evitadas na espacializao das
anomalias.
-
25
8. REFERNCIAS
Bezerra, P. E. L. Compartimentao morfotectnica do interflvio
Solimes-Negro. 2003. 335 p. Tese (Doutorado em Geologia e
Geoqumica) -Universidade Federal do Par, Centro de Geocincias,
Curso de Ps Graduao em Geologia e Geoqumica, Belm:UFPA, 2003.
Christofoletti, A. Geomorfologia fluvial: o canal fluvial. 2 ed.
So Paulo: Edgard Blcher, 1981.
Etchebehere, M. L.; Saad, A. R.; Fulfaro, V. J.; Perinotto, J.
A. J. Aplicao do ndice Relao Declividade-Extenso - RDE na Bacia do
Rio do Peixe (SP) para Deteco de Deformaes Neotectnicas. Geol. USP
Sr. Cient., v. 4, n. 2, p. 43-56, 2004.
Fonseca, B. M.; Augustin, C. H. R. R. Use of GIS to calculate
Hack Index as a basis for comparative geomorphologic analysis
between two drainage basins: a case study from SE-Brazil. In:
International Geographic Union Regional Geographic Conference - UGI
2011, Santiago: Military Geographic Institute of Chile(IGM), v. 1,
p. 1-12, 2011.
Hack, J.T. Stream-profile analysis and stream-gradient index.
U.S. Geol. Survey, Jour. Research, v. 1, n. 4, p.421-429, 1973.
IBGE. Geologia de Roraima. Belm: Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatstica, 2005.
IBGE. Geologia do Amazonas. Belm: Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatstica, 2010.
Latrubesse, E. M.; Franzinelli, E. The late Quaternary evolution
of the Negro River, Amazon, Brazil: Implications for island and
floodplain formation in large anabranching tropical systems.
Geomorphology, v. 70, n. 3-4, p. 372-397, 2005.
Martinez, M.; Hayakawa, E. H.; Stevaux, J. C.; Profeta, J.D.
ndice RDE como indicador de anomalias no perfil longitudinal do rio
Pirap. Geocinc. (So Paulo), vol. 30, n.1, p. 63-76, 2011.
Rossetti, D.D.; Zani, H.; Cremon, . H. Fossil megafans evidenced
by remote sensing in the Amazonian wetlands. Zeitschrift fur
Geomorphologie, no prelo.
Santos, J. O. S.; Nelson, B. W.; Giovannini, C. A. Corpos de
areia sob leitos abandonados de grandes rios. Cincia Hoje, v. 16,
n. 93, p. 22-25, 1993.
Schobbenhaus, C.; Gonalves, J. H.; Santos, J. O. S. et al. Carta
Geolgica do Brasil ao Milionsimo, Sistemas de Informaes Geogrficas
SIG -Programa Geologia do Brasil. CD-ROM ed., p.2000. Braslia:
CPRM, 2004.
Seeber, L; Gornitz, V., River profile along the Himalayan arc as
indicators of active tectonics. Tectonophysics, v. 92, p. 335-367,
1983.
-
26
Troiani F.; Della Seta, M. The use of the Stream LengthGradient
index in morphotectonic analysis of small catchments: A case study
from Central Italy. Geomorphology, v. 102, p. 159168, 2008.
Vg, J. Stream gradient investigation in the Bkkalja using
interpolated surfaces. AGD Landscape & Environment, v. 4, n. 1,
p. 23-36, 2010.