Por: Maria Augusta Doetzer Rosot, Marilice Cordeiro Garrastazu, Fernando Luis Dlugosz, Nelson Carlos Rosot, Yeda Maria Malheiros de Oliveira
Introdução
Nos processos de mapeamento, desde a obtenção dos dados até a geração de um mapa, fontes de erros, causados pelo observador ou pelos equipamentos de medição, podem contribuir para sua inadequação, em diferentes níveis e escalas, incluindo-se aí o processo de classificação dos diferentes usos da terra.
A qualidade da classificação em mapeamentos do uso e/ou cobertura da terra pode ser avaliada pelo parâmetro acuracidade, acurácia ou exatidão temática. A avaliação da acuracidade por meio de censo é impraticável, pois, para isso, seria necessário conhecer os valores de todos os pixels (ou conjunto de pixels ou, ainda, polígonos) da imagem utilizada no processo de mapeamento. A alternativa consiste em empregar técnicas de amostragem para a obtenção de dados de campo, denominados dados de referência ou “verdade terrestre”, a serem comparados com seus pontos correspondentes no mapa sendo avaliado.
Por incluir visitas a campo, a determinação da acuracidade temática consome grande quantidade de tempo e recursos financeiros. Além disso, áreas de difícil acesso tendem a ser menos amostradas, gerando inconsistências no processo de avaliação. Nesse sentido têm sido buscados métodos alternativos que combinem eficiência, rapidez e baixo custo na obtenção de pontos de controle (verdade terrestre).
As técnicas de levantamento aéreo, com ou sem aquisição de imagens, são reconhecidas pela sua capacidade de estabelecer um compromisso entre a superfície sobrevoada e a escala de levantamento. Nesse sentido, acredita-se que essas técnicas possam, também, ser utilizadas na avaliação da acuracidade de mapas temáticos. No entanto, é necessário investigar a factibilidade de se reconhecer as classes de legenda de uso da terra apresentadas no mapa a partir da observação aérea e, ao mesmo tempo, de se detectar as diferenças entre o mapa e a realidade de campo, usando um método eficaz para registro dessas observações. Esses procedimentos – que se assemelham ao processo conhecido na cartografia tradicional como “reambulação” – visam, também, permitir a atualização de feições no mapa que, por motivos diversos, não correspondem ao que se observa no terreno. Paralelamente, os pontos de concordância e discordância observados servem para a avaliação da acuracidade (ou exatidão) do mapa temático sendo analisado, considerando-se as observações aéreas como sendo os dados de referência que constarão da matriz de erros. A partir daí podem ser calculados outros índices de acuracidade, tais como Kappa e Tau, além dos erros específicos por classe de uso (erros de omissão e comissão).
O Levantamento Aéreo Expedito (LAE) é a ferramenta de sensoriamento remoto mais antiga e a mais comumente usada para a avaliação das condições fitossanitárias das florestas da América do Norte (CIESLA, 2000), sendo usado, há já algumas décadas, para a detecção e mapeamento de danos florestais causados por agentes bióticos (insetos, patógenos e outras pragas) e abióticos (ventos, incêndios, tempestades, furacões, granizo). O método é relativamente simples e de baixo custo, envolvendo observadores treinados que, voando em aviões de asa alta a baixa altitude (entre 300 m e 800 m acima do nível do solo), são capazes de discriminar áreas com árvores mortas ou com injúria foliar e “desenhar” esses pontos ou polígonos sobre um mapa-base ou carta-imagem, identificando-os de acordo com um código pré-estabelecido (OLIVEIRA et al., 2003a).
O método foi introduzido e adaptado para as condições brasileiras em 2001/2002, através de um programa de intercâmbio técnico entre a Embrapa Florestas e o Serviço Florestal Norte-Americano – USDA Forest Service (OLIVEIRA et al., 2004). Essa primeira fase da introdução da tecnologia no Brasil incluiu voos de demonstração, estudos de viabilidade, workshops, produção de cartas-imagem utilizadas como base nos voos, treinamento de observadores e voos operacionais para a avaliação de danos causados pela vespa-da-madeira (Sirex noctilio), macaco-prego (Cebus nigrittus), armilariose (Armillaria spp) (ROSOT et al., 2003, OLIVEIRA et al., 2003b) e outros agentes causadores de danos em reflorestamentos de Pinus spp. e Eucalyptus spp. no Sul do Brasil. Em sua fase de treinamento, as equipes da Embrapa Florestas e USDA sobrevoaram 379.200 ha em 4,5 dias, a um custo de R$ 0,06/ha. No ano de 2002, equipes da Embrapa Florestas e USDA realizaram levantamentos deste porte na região de Palmas/União da Vitória (PR), em área de aproximadamente 240.000 ha, para o levantamento de pragas em Pinus spp (OLIVEIRA et al., 2004). Como conseqüência, a técnica LAE foi lançada como tecnologia adaptada pela Embrapa Florestas em 2005, na Exposição Feira Expointer, (Esteio, RS), com a divulgação de vídeo sobre a técnica.
Outras campanhas foram realizadas, compreendendo 1.166.400 ha (cerca de 5% da área do estado do Paraná) em aproximadamente 60 horas de voo (OLIVEIRA et al., 2004). Adicionalmente, campanhas aéreas foram realizadas nos estados de Santa Catarina (classificação da vegetação) e Pará (detecção de ações antrópicas como o desmatamento ilegal, da presença de aeroportos potencialmente não autorizados, localização de garimpos em uma Floresta Nacional), com área aproximada de 540 mil hectares (OLIVEIRA et al., 2008) (Figura 1).
O monitoramento aéreo possui uma ótima relação custo-benefício, já que cobre extensas áreas florestais, a maioria delas inacessíveis. Uma equipe de dois observadores aéreos muito experientes pode cobrir 375.000 ha em apenas um dia. Considerando-se o tempo de espera com relação às condições climáticas, pode-se afirmar que uma equipe de dois observadores experientes pode mapear confortavelmente até 200.000 ha por dia considerando-se um levantamento de objetivo único; já para objetivos múltiplos consegue-se mapear em torno de 20.000 ha/dia. Em uma das campanhas aéreas realizadas no Brasil, um voo de aproximadamente uma hora permitiu mapear danos florestais em cerca de 3.985 ha, trabalho este que ocupou uma equipe de três pessoas durante três meses para sua realização via terrestre (Ciesla et al., 1999).
Ao se produzir cartas-imagem como base para o LAE, constatou-se que os voos poderiam servir como meio de verificação da acuracidade temática de mapeamentos já existentes, elaborados por meio de outras técnicas. Desta forma, a técnica foi testada com esta nova finalidade, tendo sido aprovada (OLIVEIRA et al., 2004), já que além do custo-benefício favorável, representa uma possibilidade real de integração a um sistema mais amplo de monitoramento ambiental.
Levantamentos aéreos são reconhecidamente um poderoso aliado do monitoramento, em função da rapidez com que é possível sobrevoar grandes áreas (DLUGOSZ et al., 2010). Este é um dos mais fortes argumentos para a adoção do LAE para a verificação da acuracidade temática de mapeamentos, principalmente os que envolvem grandes áreas. O acesso aos dados de referência, quando usada a técnica de LAE, não apresenta restrições no que se refere ao uso de estradas e caminhos, sendo possível acessar áreas longínquas e até mesmo inóspitas facilmente, além do fato de a técnica permitir uma avaliação na mesma perspectiva da imagem de satélite, o que não acontece com as visitas exclusivamente de campo. Por possibilitar o acesso a áreas remotas, o Levantamento Aéreo Expedito permite a verificação da acuracidade a um custo muito menor, quando comparado com o caminhamento por via terrestre (OLIVEIRA et al., 2009).
Neste trabalho é apresentado um estudo de caso concreto, onde se empregou a técnica de LAE para a obtenção de dados de referência no processo de avaliação da acuracidade temática (DLUGOSZ, 2010). Com o intuito de disponibilizar um conjunto completo de procedimentos, envolvendo desde a coleta de dados até a elaboração da matriz de erros usada na avaliação da acuracidade, optou-se por processar todas as informações nos software gvSIG e BrOffice. Dessa forma, entende-se que as técnicas propostas convergem para o objetivo de se obter baixo custo e eficácia no processo de avaliação da acuracidade, possibilitando, ao mesmo tempo, que um maior número de pessoas possa empregá-las.
Materiais e Métodos
Área de estudo
A área de estudo compreende, de forma parcial os municípios de Campo Largo, Campo Magro e Balsa Nova (Fig. 2). Corresponde à carta planialtimética denominada Campo Largo, elaborada pela Diretoria de Serviço Geográfico do Exército (DSG), identificada pela nomenclatura de articulação sistemática SG–22–X–C–III–4 e pelo código de Mapa Índice MI 2841-4 (DLUGOSZ, 2010). Nela estão inseridos dados e informações terrestres mapeados entre as coordenadas 25º00’ e 25º15’ de latitude sul, e 49º30’ e 49º45’ de longitude oeste, correspondendo à extensão de 25,20 km na latitude e 27,64 km na longitude, que totalizam 696,58 km2.
O padrão de ocupação espacial na área do levantamento não é uniforme, observando-se intensa fragmentação da cobertura da terra, que contempla as diversas atividades antrópicas exercidas nas pequenas e médias propriedades agrícolas existentes. Verifica-se a maior existência de cobertura natural nas porções de topografia acidentada.
Confecção da carta-imagem
A carta-imagem a ser utilizada no levantamento aéreo foi elaborada usando-se sub-cenas SPOT 5, fusionadas (5 m de resolução), em composição 432 (RGB), referentes ao recorte de três cenas que recobriam as coordenadas de abrangência da área de estudo, imageadas em 14/11/2005, 30/04/2006 e 28/08/2005, respectivamente. As referidas imagens foram cedidas pelo Governo do Estado do Paraná, por intermédio de convênio estabelecido entre a Universidade Federal do Paraná (UFPR) e a Secretaria do Estado do Desenvolvimento Urbano (SEDU), através do Serviço Social Autônomo PARANACIDADE.
Ainda por este convênio foram recebidos para a área de interesse os resultados do trabalho de mapeamento temático desenvolvido para todo o Estado, na escala 1:50.000, bem como os da atualização da base cartográfica referente aos temas hidrografia e rede de transportes, realizada a partir da imagem SPOT 5. Assim, os vetores utilizados consistiram nas camadas da hidrografia, uso e cobertura da terra (tema sendo avaliado), linhas de transmissão e rede viária. As legendas das classes de uso e cobertura da terra foram propositadamente omitidas na carta-imagem para evitar tendenciosidade na avaliação do observador aéreo.
As imagens e vetores foram inseridos em um projeto no gvSIG (Tab. 1) e, com a ferramenta “mapa”, elaborou-se uma carta-imagem com grid regularmente espaçado de 2 km, usando-se o sistema de projeção UTM, fuso 22 J. Cada observador aéreo recebeu uma carta-imagem impressa, em escala 1:30.000, para anotação das informações durante o voo.
Planejamento e execução do voo
Para subsidiar o planejamento do aerolevantamento, bem como conhecer as características das classes mapeadas no levantamento de uso e cobertura da terra para o Estado do Paraná, foi efetuado, na área de estudo, o reconhecimento em campo e a coleta de informações sobre as seguintes classes: agricultura anual, área urbanizada e construída, corpos d’água, floresta estágio inicial, floresta estágio médio ou avançado, pastagens e campos, reflorestamento, solo exposto ou mineração e vegetação de várzea. Em seguida, cada classe recebeu um código alfa-numérico único e exclusivo a ser empregado no levantamento aéreo (Tab. 2).
A utilização da técnica de Levantamento Aéreo Expedito (LAE) para a avaliação da acuracidade do mapeamento temático em escala 1:50.000 consistiu em usar os princípios básicos do método, tal como: a) execução do sobrevoo em grade regular;
b) construção de uma assinatura de reconhecimento para as diferentes classes de uso da terra; c) anotação das observações (classes de uso dos polígonos) sobre a carta-imagem usando os códigos de legenda previamente estabelecidos e; d) execução do processamento de dados pós-voo.
A primeira abordagem para a definição do número de pontos amostrais por classe a serem observados no sobrevoo consistiu em dividir a área em uma grade regular com intervalo de 1000 m, armazenada em formato vetor no projeto gvSIG criado para este estudo. Em seguida foi efetuada uma filtragem sobre os polígonos do mapa de uso da terra, excluindo-se aqueles com área inferior a 1 ha e 6 ha conforme pertencessem à classe “floresta” ou a outras classes de cobertura, respectivamente. Tal procedimento segue os mesmos critérios adotados para a confecção dos mapas com relação à área mínima de mapeamento (SEDU-PARANACIDADE, 2005). Dessa forma os polígonos da layer de uso da terra passaram a receber um atributo adicional (elegível ou não para a amostragem).
O sistema de amostragem adotado foi o sistemático em faixas (PÉLLICO-NETO e BRENA, 1997), com faixas de 2 km de largura em função da capacidade de observação visual dos técnicos que sobrevoariam a área. Para a definição do intervalo k entre as faixas efetuou-se uma simulação sobre as 12 faixas potenciais correspondentes à área de estudo, de modo a se obter, com o menor número de faixas possível, um número mínimo de 50 unidades amostrais por classe, conforme recomendado por Congalton (1988). Classes com pouca representatividade em termos de área ocupada constituíram exceções a essa regra, como, por exemplo, áreas de várzeas. A simulação efetuada resultou em uma intensidade amostral de 25% em relação à área total do mapa (67500 ha), equivalente à amostragem de três faixas.
Como unidade amostral assumiu-se o elemento polígono, que, segundo Congalton & Green (2009), permite que tanto o produtor quanto o usuário obtenham informações sobre o mapa temático no nível de detalhe em que estão interessados.
Assim, foi sorteada a primeira faixa – a de número 3 – e, a partir dela, foram selecionadas as outras duas (faixas 7 e 11), com um intervalo k de três faixas entre elas. Os vértices das linhas de voo foram numerados e marcados a caneta sobre o grid da carta-imagem gerando uma sequência de coordenadas inseridas no GPS empregado no voo. Esta sequencia foi usada tanto pelo piloto para seguir a rota do voo como para orientar os observadores aéreos em relação à posição dos polígonos na carta-imagem uma vez que a posição da aeronave é mostrada na tela do GPS.
O avião utilizado foi um monomotor modelo Cessna 180 asa alta, de quatro lugares, sendo os assentos dianteiro e traseiro esquerdos ocupados pelo piloto e por um observador aéreo, respectivamente, e os do lado direito por mais um observador aéreo (na frente) e um treinando. A velocidade de voo variou entre 120 e 180 km/hora, em média e a altura de voo, entre 300 e 500 metros.
A aeronave deslocou-se sobre o eixo central da faixa, no sentido Norte-Sul ao longo dos 27 km da Carta e cada um dos dois observadores aéreos responsabilizou-se pela observação dos polígonos localizados nas faixas de 1.000 m à direita e à esquerda da aeronave, respectivamente. As informações referentes aos polígonos observados foram anotadas a caneta diretamente sobre a carta-imagem.
Operações pós-voo
Após o voo todas as anotações da carta-imagem foram transferidas para um acetato (mylar), bem como pontos de cruzamento do grid com respectivas coordenadas. Em seguida o material foi escanerizado a 300 d.p.i e a imagem resultante, juntamente com outras camadas de informação (imagem SPOT, hidrografia, rede viária, classes de uso e cobertura do mapa sendo avaliado), foi inserida no projeto estruturado no gvSIG.
Usando a informação dos pontos de coordenadas transferidas para a imagem, empregou-se as rotinas de registro disponíveis no gvSIG para o seu georreferenciamento. Em seguida criou-se um novo shape de pontos para inserir a informação do aerolevantamento constante na imagem via vetorização em tela. Para cada ponto foi preenchida a tabela de atributos de acordo com o código visualizado na imagem escanerizada.
Resultados
Para a avaliação da acuracidade foram sobrevoadas duas faixas e meia, sendo as faixas 3 e 7 de forma completa e a faixa 11 apenas na sua porção leste em função de condições atmosféricas. O tempo gasto para percorrer cada faixa foi de 12 minutos (contra o vento) e de 10 minutos (a favor do vento). Considerando-se a largura de cada faixa e seu comprimento, estimou-se que o levantamento de 13500 ha (duas faixas e meia), demorou uma hora e 10 minutos, ou 70 minutos. Assim, pode-se estimar uma média de produtividade de 193 ha/minuto.
Com relação a custos – considerando o preço da hora voada igual a R$ 800 ou cerca de US$ 450.00 – pode-se afirmar que o custo de levantamento efetivo de um hectare é de R$ 0,07. Para a presente pesquisa, o custo total estimado da campanha seria de R$ 1480,00, sendo R$ 933,33 referentes ao levantamento e R$ 546,67 correspondentes à viagem de ida e volta.
Para o objetivo de avaliação da acuracidade temática foram observados os polígonos de diferentes classes de uso, distribuídos aleatoriamente dentro das três faixas selecionadas, ou seja, de acordo com a possibilidade e oportunidade de visualização e discriminação dos observadores aéreos.
A estratégia adotada para o LAE, em que não se utilizou a legenda do mapa sobreposta aos polígonos, mostrou-se bastante eficaz para o levantamento de dados de acuracidade e garantiu a não-tendenciosidade da amostra. Atribuíram-se classes de uso a 111 polígonos no total, observando-se sua correspondência no mapa em tela e no terreno. A somatória das áreas dos 111 polígonos amostrados foi igual a 3.300 ha, o que equivale a 4,74% da superfície total da área de estudo (69.658,74 ha) e a 3,40% do número total de polígonos do mapa (3261).
As rotinas para a avaliação da acuracidade temática envolveram: a) o uso das funções de seleção por camada para verificar quais polígonos das faixas haviam sido observados; b) operações de geoprocessamento (junção espacial) de pontos amostrados e polígonos do mapa temático sendo avaliado; c) operações de resumo da tabela de atributos e; d) uso de planilha eletrônica para cálculo de índices e outros parâmetros.
Com base no shape de uso da terra das faixas amostradas (polígonos) e no shape de pontos de referência (pontos) e usando as operações de “seleção por camada” (“contem/contido”), gerou-se uma nova camada contendo apenas os polígonos de uso da terra que foram considerados no levantamento.
Em seguida, por meio do geoprocesso “junção espacial”, os códigos das classes do mapa correspondentes aos polígonos amostrados foram agregados à mesma tabela que continha os pontos de referência do LAE observados no terreno e os respectivos códigos de classes.
Operações de resumo de tabelas no gvSIG permitiram obter o número de pontos de referência, ou seja, aqueles observados no levantamento, para cada classe de uso.
Usando as funções de filtro em planilha eletrônica, tal como as disponíveis no BrOffice obteve-se facilmente o número de pontos concordantes entre a verdade de campo (“CODE_referencia”) e o mapa sendo avaliado (“CLASSE_mapa”). Os cálculos foram repetidos para todas as classes de uso. Dos 30 pontos pertencentes à classe agricultura, um total de 25 foram corretamente classificados no mapa.
Da mesma forma calculou-se quantos pontos de referência deixaram de ser corretamente classificados e foram atribuídos a outras classes.
E, por fim, foi calculado o número de pontos que aparecem no mapa como pertencendo a determinada classe quando, na realidade, pertencem a outra.
Todos os cálculos efetuados geraram um conjunto de dados para a construção da matriz de confusão ou matriz de erros mostrada na Tabela 2.
A somatória de todos os pontos do mapa corretamente classificados segundo o LAE divididos pelo número total de pontos amostrados resultou no valor da acurácia geral. A acurácia do produtor para cada classe – mostrada ao final das colunas da Tabela 2 – é calculada dividindo-se o número de polígonos (mapa) corretamente classificados pelo total do número de pontos de referência (LAED) para aquela classe. A acurácia do usuário para cada classe de uso – mostrada ao final das linhas da Tabela 2 – é o resultado da divisão do número de polígonos corretamente classificados naquela classe pelo número total de polígonos que aparecem no mapa como pertencendo àquela classe.
Conclusões
A metodologia proposta e testada foi considerada eficiente, pois, além do custo-benefício favorável, representa uma possibilidade real de integração a um sistema mais amplo de monitoramento ambiental.
A coleta de pontos de controle a partir da perspectiva aérea confere maior robustez e menos tendenciosidade ao processo. Por sua vez, o emprego de software livre desde o planejamento do voo até o processamento dos dados nas operações pós-voo, aliado ao uso de funções e operações simples no gvSIG permite a obtenção rápida e confiável de dados para a avaliação da acuracidade temática.
Espera-se que o sistema evolua no sentido de se desenvolver um modelo a partir da ferramenta Sextante que permita a execução das operações de forma automatizada, principalmente no processamento pós-voo.
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