Jussara Alves Pinheiro Sommer a*; Dejanira Luderitz Saldanha a; Carlos Augusto Sommer b; Patrícia Pinter b



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Análise temporal para detecção de mudanças no uso e cobertura do solo dos Campos de Cima da Serra-RS com o uso de imagens multiespectrais do Sistema Landsat
Jussara Alves Pinheiro Sommer a*; Dejanira Luderitz Saldanha a; Carlos Augusto Sommer b; Patrícia Pinter b;

a Programa de Pós-Graduação em Geografia – PPGEO-IGEO – Universidade Federal do Rio Grande do Sul –UFGRS, Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia Porto Alegre, RS- Brasil. japsommer@sinos.net

b Departamento de Geodésia – IGEO- Instituto de Geociências Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia Porto Alegre, RS- *Autor para correspondência: 51 3524 7227- japsommer@sinos.net

PALAVRAS CHAVES:

Sensoriamento remoto, análise ambiental, ecossistemas, geoprocessamento, paisagem

TITULO ABREVIADO:

Mudanças nos Campos de Cima da Serra
ABSTRACT

The monitoring of the ambient changes has been a routine due to sustainable development pressures based in corrects ecologically fundaments viewing the ecosystems management and in the involving of the inserted communities. In this sense, the use of remote sensing images permits the acquisition of temporal-space information’s, which possibility the detection of soil uses and cover changes. These changes can modify the natural landscapes and can be indicative of related territorial identity changes. Satellite images obtained from the Landsat sensor in 1987 and 2007 were analyzed with the aim to investigate the landscape modifications of the native grassland in the Campos de Cima da Serra region in the northeastern part of Rio Grande do Sul (RS) state. In the digital image processing were done the images georeference and their cutting using mask. The visual analysis of these images and the collect of sample points done in a field survey permitted the identification of the different soil use places. The main result of this work was the verification of a process of changes in the natural landscape that occurred in the last twenty years in the Campos de Cima da Serra region. The native grassland is being substituted mainly by Pinnus sp. forests, besides cultivate grass planted in consortium with other agricultures. In this process of changes in the soil and cover use a survey will be necessary to identify the transformers agents, and the produced socio-ambient impact. This changes in course can be indicative of changes in the territory identity that was previously historically based in the cattle breeding.




RESUMO
O monitoramento das mudanças ambientais tem sido rotina mediante as pressões do desenvolvimento sustentável em bases ecologicamente corretas visando o manejo dos ecossistemas e o envolvimento das comunidades inseridas. Neste sentido, o uso de imagens de sensoriamento remoto propicia a obtenção de informações espaço-temporais que possibilitam a detecção de mudanças no uso e cobertura do solo. Essas mudanças, além de alterar a paisagem natural, podem ser indicativas de mudanças da identidade territorial vinculada a essa paisagem. Com o objetivo de investigar as modificações na paisagem dos campos nativos na região denominada Campos de Cima da Serra no nordeste do RS, foram analisadas imagens do Sistema Landsat, adquiridas em 1987 e 2007. No processamento dessas imagens foi realizado o georeferenciamento das mesmas e o seu recorte por meio de máscara. A análise visual destas imagens e um levantamento de campo, com coleta de pontos amostrais, permitiram definir os locais dos diversos usos do solo. O principal resultado alcançado é constatação do processo de mudanças na paisagem natural que ocorreu nestes últimos vinte anos, na região estudada. O campo nativo está sendo substituído por florestamento, principalmente de Pinnus. e por pastagens cultivadas em consórcio com o cultivo agrícola. Neste processo de mudança no uso e na cobertura do solo é necessário um levantamento para a identificação dos agentes transformadores e do impacto sócio ambiental produzido. Essas mudanças, que estão em curso, podem ser indicativas de mudanças na identidade do território, historicamente alicerçada na pecuária.

INTRODUÇÃO
O atual desenvolvimento da geotecnologia possibilita o monitoramento ambiental com maior precisão por meio da utilização de imagens de satélites em órbita na Terra. Dentro dessa perspectiva, os trabalhos voltados à pesquisa do uso e da cobertura do solo e do monitoramento de ecossistemas, que utilizam imagens orbitais, possibilitam a detecção das tendências de mudanças de forma global, regional e local.

O sensoriamento remoto permite análises multitemporais (Mesquita Jr. e Bitencourt, 2003) ou espaço-temporal (Andrade e Oliveira, 2004) que visam o acompanhamento e o monitoramento dos processos de mudanças envolvendo comparações, taxas de variação das mudanças no tempo e no espaço em estudos de crescimento urbano, de desertificação ou de desmatamento. O desenvolvimento de técnicas de processamento digital de imagens, de sistemas de georeferenciamento de informações geográficas tem contribuído para a utilização e eficácia dos sistemas sensores usados atualmente.

Todo esse arcabouço tecnológico vem ao encontro da necessidade em assegurar o desenvolvimento sustentável com práticas ecologicamente corretas, prospecção de recursos minerais, gestão e uso de recursos hídricos e a preservação dos ambientes naturais frente à pressão por novas áreas de cultivo e pastoreio.

Em ecologia da paisagem encontramos o conceito de unidade de paisagem como sendo um conjunto tangível de relacionamentos internos e externos, que fornece as bases para o estudo das inter-relações topológicas e corológicas, e teria como base as características mais óbvias ou mapeáveis dos atributos da Terra, a saber: relevo, solo e vegetação, incluindo a alteração antrópica nesses três atributos As relações existentes entre os diversos componentes do meio ambiente físico (relevo, clima, cobertura vegetal) geram determinados arranjos espaciais que, diante da percepção humana, se pode identificar como paisagem. A paisagem geográfica é o resultado da ação de fatores naturais e antrópicos, sendo que estes são os agentes modificadores mais importantes nesta modelagem.

Nas últimas três décadas a expansão da atividade econômica mundial foi muito intensa e o setor produtivo primário (agricultura) exigiu para isso, a expansão da área destinada a cultivos levando a fronteira agrícola a ocupar importantes nichos ecológicos no planeta. Assim é o caso da região de ocorrência dos Campos de Cima da Serra no Rio Grande do Sul.

METODOLOGIA
Caracterização da área de estudo
Os Campos de Cima da Serra estão localizados na região nordeste do Rio Grande do Sul formando o compartimento geomorfológico denominado Planalto Meridional. (Figura 1)



Figura 1- Imagem do RS com área dos Campos de Cima da Serra

Essa unidade do relevo é o resultado do empilhamento de camadas de sucessivos derrames de lavas que extravasaram através de fendas na crosta terrestre e que se derramaram sobre os sedimentos arenosos que formaram, no passado remoto, um gigantesco deserto na região. As maiores altitudes deste planalto podem atingir mais de mil metros a leste e decrescem lentamente em direção a oeste. A morfologia do relevo é de suaves coxilhas que são denominadas Campos de Cima da Serra. Para leste cânions e vales íngremes abrem-se em direção ao litoral onde a Planície Costeira está sendo desenvolvida.

Segundo IBGE (2004), as formações vegetais encontradas nesta região, foram definidas, em: Florestas Ombrófila Mista (Floresta com Araucária), Floresta Estacional Decidual, Floresta Estacional Semidecidual e Estepe Gramíneo-lenhosa (campos). Estes campos caracterizam-se por recobrir o relevo suavemente ondulado com capões ou árvores mais ou menos isoladas. Quando o relevo se apresenta ondulado ocorre uma mistura com elementos da Floresta Ombrófila Mista e nas áreas de ondulação suave podem ocorrer matas ripárias em faixas mais ou menos estreitas (CEPSRM-UFRGS, 2008). Nesta região do Planalto, o campo é a formação botânica dominante, ocupando os topos e as encostas superiores de morros. Os campos naturais são, em grande parte, relictos de um clima mais seco, resultante da última glaciação e estariam subordinados ao avanço das matas sobre os campos, desde que houvesse profundidade suficiente de solo (Rambo, 1956).

Segundo o levantamento realizado pelo PCMA - Projeto Conservação da Mata Atlântica (CEPSRM-UFRGS, 2008) a vegetação desses campos pode ser dividida em: a) campos baixos, com espécies entre 10 cm e 30 cm de altura, geralmente utilizados para a pastagem. Com o predomínio de Gramíneas, tais como Paspalum notatum (grama-forquilha), Axonopus sp. (grama), Andropogon lateralis (capim-caninha), Piptochaetium montevidensis (cabelo-de-porco), Aristida spp. (capim-barba-de-bode), Eragrostis sp. (capim-orvalho) e Panicum cf. sabulorum (capim). No que se refere a ervas de outras famílias, destacam-se as Leguminosas (Fabaceae), sendo comuns as espécies como Desmodium spp (pega-pega), Trifolium repens (trevo-branco), Crotalaria spp. (guizo-de-cascavel), Rhynchosia sp. e Desmanthus sp. A família Compositeae (Asteraceae), também comum, possui ervas como Aspilia cf. setosa (margarida-do-campo), Trixis stricta, Spilanthes cf. decumbens, Achyrocline satureoides (marcela), Pterocaulon sp. (quitoco), Vernonia spp., Gamochaeta spp. Eupatorium tanacetifolium, entre outras. Além dos representantes das famílias dominantes, acima citadas, ocorrem elementos de algumas outras, podendo-se salientar espécies como Eryngium sanguisorba (gravatá-fedorento, Apiaceae), Centella asiática (centela, Apiaceae), Acaena fuscescenss (carrapicho-da-serra, Rosaceae), Dichondra cf. repens (orelha-de-rato, Rosaceae); b) Os campos altos, com 0,5 m a 1,0 m de altura, ocorrem quando abandonados ou com pouco uso agropecuário. Tornam-se invadidos por ervas altas, a começar por samambaia-das-taperas (Pteridium aquilinum), típica de solos ácidos, seguida de Erianthus cf. trinii (macega-estaladeira), Eryngium horridum (gravatá-do-campo), Senecio brasiliensis (maria-mole), ou arbustos, as chamadas vassouras, como Baccharis dracunculifolia (vassoura-branca), Baccharis uncinella (vassoura-da-serra), Baccharis articulata (carquejinha), Vernonia tweediana (mata-pasto) e Buddleja brasiliensis (barbaco). Quando a vegetação arbustiva ultrapassa um (um) metro de altura, pode ser caracterizada como capoeirinha.

Atualmente este ecossistema apresenta-se bastante descaracterizado em sua constituição original evidenciando a necessidades de estudos sobre as mudanças de uso e ocupação das pastagens nativas na região dos Campos de Cima da Serra na região nordeste do RS, por atividades de agricultura e silvicultura.

Este trabalho inicialmente pretende realizar um estudo espaço-temporal para identificar alterações na paisagem de domínio de campos utilizando imagens multiespectrais do Landsat-TM. A partir da comparação entre imagens identificar quais são as principais modificações no uso e cobertura do solo nos últimos vinte anos.

Por ser um ecossistema com grande diversidade de espécies vegetais e servir de habitat para várias espécies da fauna, dispersora de sementes das matas associadas ao campo, é importante estabelecer as alterações que estão em processo na mesma.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização da investigação de mudanças no uso e na ocupação do solo na região dos Campos de Cima da Serra, os trabalhos foram divididos em etapas de laboratório e trabalho de campo. Na etapa de laboratório foram selecionadas duas imagens do LANDSAT-TM anos de 1987 e 2007, órbita 220, cenas 080 e 081, obtidas em 29/06/1987 e 29/07/2007 respectivamente. A área selecionada para este estudo está inserida em um polígono limitado pelas coordenadas 28°25S 50°18W e 28°36S 49°41W e 29°26S 50°34W e 29º25S 50°13W.

Para o processamento das imagens foi utilizado o programa ENVI 4.2 sendo realizado o georeferenciamento com base cartográfica na escala 1:50.000 das cartas do DSG das regiões de Coxilha Rica, Bom Jesus, Jaquirana, Várzea do Cedro, Tainhas, São José dos Ausentes, Vila Santana, Cambará do Sul, Aratinga, Silveira, Jacinto Machado, Praia Grande e Três Cachoeiras. Um receptor GPS foi utilizado para a localização de pontos de amostragem em campo, foi realizado o registro fotográfico das áreas amostradas. O período temporal de vinte anos entre as imagens contempla as modificações que ocorreram de forma não sazonal ou temporária na região, buscando indicativos de processos de mudanças de uso do solo na região. Na escolha das datas das imagens buscou-se a proximidade de aniversário entre elas para diminuir os efeitos causados por diferença de iluminação da cena e os períodos de cultivos agrícolas. As imagens foram referenciadas com base no datum Córrego Alegre, fuso 22 na projeção UTM. A correção geométrica da imagem Landsat do ano de 2007 foi realizada mediante a identificação dos mesmos pontos de controle e distribuídos na imagem, a partir das cartas 1:50.000 do DSG. O co-registro das imagens nos processamentos de detecção de mudanças é importante pois compara pixel a pixel e se o erro de registro for elevado pode acarretar falsas mudanças representando locais diferentes da cena (Cakir, Korram e Nelson, 2006). Após o registro, as imagens foram recortadas utilizando-se uma máscara criada a partir de um polígono vetorial na imagem base de 2007, definindo-se assim, a área de estudo.

Para a detecção de mudanças pode-se criar uma imagem contraste a partir da utilização de uma única banda selecionada das imagens com tempos distintos. A imagem mudança permite identificar as áreas onde ocorreram mudanças. Foi selecionada a banda 3 da imagens TM 1987 e 2007, pois o comportamento espectral da vegetação nesta região é de absorção enquanto que o solo reflete assim, a vegetação aparecerá escura e o solo será claro. A imagem TM/Mudança foi composta pela banda3( R ) da TM 1987 e pela banda 3 (G-B) da imagem TM 2007.

Após esses procedimentos realizou-se uma análise visual preliminar, e foram selecionadas áreas na imagem TM/2007 que apresentavam diferenças na cobertura do solo em relação à imagem TM 1987. Foram definidas classes de cobertura do solo para a investigação: florestamento, pastagem, áreas agrícolas e campos nativos. Também foram selecionadas as áreas onde havia dificuldade em discriminar o uso agrícola ou pastoril para a realização de uma investigação a campo.

A segunda etapa do trabalho foi a verificação em campo dos locais selecionados nas imagens (campo nativo, pastagem, área agrícola e florestamento), utilizando o equipamento GPS para o registro da localização geográfica e das mudanças de cobertura do solo e posterior definição de classes. Estes pontos de controle são importantes para a definição de classes a serem utilizadas na classificação digital onde os principais elementos a serem discriminados são espécies vegetais e o solo. A mistura de pixel determinada pelos diferentes estágios de crescimento da vegetação ou pelo processo fenológico das culturas pode levar a uma interpretação errônea na seleção das classes a serem utilizadas na classificação. O registro fotográfico dos pontos de amostragem também é importante na análise de características gerais e específicas da vegetação e da paisagem.
ANÁLISES E RESULTADOS
Foram selecionadas as bandas 4, 5, 3 das imagens Landsat-TM 1987 e 2007 para uma composição RGB. A análise visual destas imagens mostra uma significativa alteração na área de campos na imagem de 2007 em relação à de 1987. Na imagem TM1987 RGB (453), “Figura 2”. o campo nativo aparece na cor ciano indicando a baixa contribuição espectral da vegetação, composta por gramíneas, e a elevada contribuição do solo, de forma quase homogênea em toda a cena. São observadas algumas áreas em vermelho escuro indicando a presença de vegetação arbórea nativa e em tons de vermelho mais forte e homogêneo foram observadas muitas áreas florestadas com espécies exóticas, principalmente Pinnus, em área de campo nativo. Também houve um incremento de área agrícola sobre o campo nativo (ex: milho e maçãs) e de pastagens . Esse novo uso dos campos fica evidente na imagem TM/2007 RGB (4,5,3)“(Figura3)”. A partir dessas respostas espectrais podem ser identificados áreas de matas nativas, florestamento, áreas agrícolas e campos nativos. Nas áreas definidas como de uso agrícola ocorre uma dificuldade em separar campos com pastagem cultivada, de áreas agrícolas devido à mistura espectral causada pela contribuição do solo e das culturas. Essa dificuldade será menor dependendo estádio de desenvolvimento das culturas. As novas áreas de florestamento, também podem causar confusão espectral e serem classificadas como pastagem ou uso agrícola dependendo do estágio de desenvolvimento. Em estágios de desenvolvimento mais avançado o florestamento se destaca pela elevada resposta espectral na onda do infravermelho próximo, pela forma do cultivo e pela textura do dossel, tornando fácil sua classificação em relação aos campos nativos e áreas agrícolas.

A vegetação arbórea nativa apresenta um comportamento espectral diferenciado definido pela posição geográfica que ocupa, geralmente nas encostas íngremes, nos fundos de vale e áreas úmidas entre as ondulações suaves do relevo (coxilhas). A resposta espectral é diferenciada pela heterogeneidade de espécies que formam um dossel com estrutura variada, não homogênea, dando uma configuração diferente do florestamento.

Na imagem mudança TM87/2007 RGB(3, 3,3), as áreas que sofreram alterações no uso e cobertura do solo serão identificadas pelo registro da cores. A cor vermelha indica áreas que possuíam solo (campos) na imagem TM 1987 e estão com vegetação na imagem TM/2007. A cor ciano revela áreas que possuíam vegetação na imagem de 1987 e no ano de 2007 apresentam solo. A cor escura (preto) indica áreas que não sofreram alteração possuindo vegetação em ambas às datas. A cor clara (branco) indica áreas que eram solo em 1987 e permanecem assim no ano de 2007. “( Figura 4)”

Com esta análise pode-se selecionar áreas de amostragem para serem investigadas à campo.





Figura.2 - Imagem TM-1987 RGB(4,5,3)
O trabalho de campo realizado, na região dos Campos de Cima da Serra, no mês de julho de 2009, teve como objetivo discriminar as diferenças entre campo e áreas agrícolas e florestadas em estágio inicial de cultivo e verificar sua correspondência na imagem do ano de 2007. Visto o grande incremento de modificação nos campos nativos foram definidos os alvos que se apresentavam como cultivos agrícolas em 1987 para serem investigados.

Este trabalho preliminar mostrou que grandes áreas classificadas visualmente como áreas agrícolas atualmente são florestamento de Pinnus que à época de aquisição da imagem foi interpretado como substrato e não como vegetação. Também foi observada a confusão na imagem entre áreas agrícolas e pastagens cultivadas, pois a resposta espectral dessa última é muito semelhante às áreas agrícolas.




Figura. 3 - Imagem TM-2007 RGB(4,5,3)




Figura 4 - Imagem mudança TM1987/2007 RGB (3,3,3)
CONCLUSÕES
Este é um trabalho preliminar que busca investigar as modificações que vem ocorrendo na área ocupada pelos Campos de Cima da Serra, no Planalto Meridional na região do nordeste do RS, com relação ao uso e cobertura do solo. A utilização de imagens orbitais do sistema Landsat se mostrou bastante promissora na análise espaço-temporal na detecção de mudanças ocorridas no período entre os anos de 1987 e 2007.

Nesse primeiro estágio os trabalhos realizados serviram para comprovar a modificação da paisagem dos campos com a substituição da vegetação nativa por usos agrícolas e de silvicultura, além de introduzir o cultivo de pastagens. As alterações de uso e ocupação do solo nas áreas de campo foram identificadas na comparação entre as imagens de 1987 a 2007, quando fica definido o crescimento de áreas agrícolas e de florestamento sobre o campo nativo. Como o objetivo desse trabalho era identificar as alterações no uso e ocupação dos campos nativos na região dos Campos de Cima da Serra, nos últimos vinte anos, ficou comprovado pela análise das imagens e trabalhos de campo.

Esse estudo preliminar demonstrou a necessidade de sua continuidade visando levantamentos aprofundados sobre a quantificação de áreas de campo ocupadas com agricultura e silvicultura. Além disso serão avaliadas as condições da pecuária e do cultivo de pastagens em associação com a silvicultura e os impactos ambientais em relação à fauna e flora nativa dos campos a partir da constatação dessas mudanças. O estudo deste ecótipo do Bioma Mata Atlântica se mostrou pertinente a partir das constatações realizadas nesta investigação preliminar e que indica uma alteração no uso e na cobertura vegetal original classificada como estepe gramíneo-lenhosa, associada à mata Ombrófila Mista com Araucária, sendo esta uma espécie símbolo da região juntamente com a paisagem dos campos nativos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Rambo B. 1956. A fisionomia do Rio Grande do Sul, 2ª ed, Porto Alegre, editora Selbach, Brasil, 471p.

CEPSRM-UFRGS (Projeto de conservação da Mata Atlântica-PCMA) 2008. Monitoramento do impacto na vegetação da área de abrangência do PCMA-RS. Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia- Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS: 155 p.

IBGE ( Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) 2004. Biomas Continentais do Brasil. Mapa Temático 1:5.000.000.

Mesquita Jr. HN; Bitencourt, MD. 2003. Análise multitemporal de fragmentos de cerrado no estado de São Paulo com sensor MODIS.



http://marte.dpi.inpe.br/sbsr/2002/11.14.34.59/doc/19_213.pdf

Andrade JB; Oliveira TS. 2004 Análise espaço-temporal do uso da terra em parte do semi-árido cearense. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 28: 393-401.



Agradecimentos

À CAPES pela bolsa de doutorado; ao Instituto de Geociências pela infra-estrutura e ao Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento remoto ao acesso aos dados do PCMA


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