trab geoprocessamento edipo final

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 Espacialização da anomalia do índice de Hack como suporte a estudos morfoestruturais Édipo Henrique Cremon Trabalho de monografia da disciplina SER- 300 Introdução ao Geoprocessamento do Programa de Pós-graduação em Sensoriamento Remoto. São José dos Campos 2013

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  • 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.

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    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.