COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
BELÉM – PA, 07 A 07 DE JUNHO DE 2007
T102 – A08
APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA DE MAPEAMENTO CARTOGRÁFICO POR
RADAR INTERFEROMÉTRICO EM ESTUDOS DE INVENTÁRIO HIDRELÉTRICO
Habib SALLUM
Coordenador de Cartografia – ELETRONORTE
Flavio Ladeira LUCHESI
Coordenador dos Estudos de Inventário dos Rios Tapajós e Jamanxim – CNEC
Engenharia S.A.
Dr. Everton Valiati HEMERLY
Gerente de Controle de Qualidade – Orbisat da Amazônia Indústria e
Aerolevantamentos S/A
RESUMO
Este trabalho apresenta a utilização do Radar Interferométrico de Abertura Sintética
para o mapeamento cartográfico do Rio Tapajós, no trecho entre as cidades de
Itaituba (PA) e Jacareacanga (PA), no âmbito dos Estudos de Inventário Hidrelétrico
dos Rios Tapajós e Jamanxim, em elaboração pelas Centrais Elétricas do Norte do
Brasil S.A. – ELETRONORTE e Construções e Comércio Camargo Corrêa. Serão
apresentados os produtos gerados pelo radar: Modelo Digital de Superfície – MDS e
orto-imagem da banda X; Modelo Digital de Terreno (MDT) e orto imagem da banda
P; e uma avaliação da precisão altimétrica desses resultados por meio da
comparação com pontos de controle em campo e a aplicabilidade dessa tecnologia
para projetos hidrelétricos, especialmente em áreas com densa cobertura florestal.
ABSTRACT
This work shows the airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)
methodology to map the Tapajós’s River area, Pará, Brazil, located between the
cities of Itaituba and Jacareacanga, involving the issues related to the Tapajós and
Jamanxim Hydroelectric Inventory, elaborated by the Centrais Elétricas do Norte do
Brasil S.A. – ELETRONORTE and Construções e Comércio Camargo Corrêa. As
well, it will be presented the generated products from the radar: Digital Surface Model
– DSM, Digital Terrain Model – DTM, Orto rectified X and P band Images, and the
results of the altimetric accuracy validation, compared to the GPS ground control
points, indicating the use of the InSAR technology in hydroelectric projects, mainly in
dense forested areas.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
1
1.
INTRODUÇÃO
Um dos grandes desafios para os estudos de avaliação de potencial hidrelétrico na
Bacia Amazônica corresponde à execução de mapeamentos cartográficos que
mostrem, com a precisão desejada, a conformação efetiva do modelo do terreno,
que sirva para os estudos de implantação das obras, determinação das áreas e
volumes dos reservatórios e a avaliação das interferências ambientais. A dificuldade
dá-se por diversos motivos, dentre os quais podem ser destacados: a densa
cobertura vegetal, que pode atingir alturas superiores a 50 m e que dificulta a
observação direta da superfície do terreno; as dificuldades de acesso às áreas com
ausência de infra-estruturas, tornando mais restrita a implantação dos necessários
apoios de campo; a presença de áreas de proteção ambiental e terras indígenas
onde o acesso é negado ou de difícil viabilização; as condições climáticas, que
podem reduzir os períodos apropriados a determinados tipo de mapeamentos, face
à presença de fumaça de queimadas no período seco, e de grande quantidade de
nuvens no período chuvoso.
A busca de um mapeamento cartográfico mais rápido e preciso, e que reduza a
necessidade de interferências ambientais nas fases de estudo, possibilita um retorno
mais efetivo aos estudos hidrelétricos, garantindo uma maior confiabilidade nos
quantitativos das obras a serem promovidas, devido uma maior precisão na
determinação das interferências eventualmente causadas pelos reservatórios nos
terrenos, infra-estruturas e áreas de proteção ambiental ou terras indígenas, e
também pela melhor determinação dos volumes úteis dos reservatórios, que
representará impacto direto no benefício energético dos aproveitamentos. Sendo
assim, em países tropicais como o Brasil, entre as tecnologias de mapeamento
existentes, a mais recente e promissora tecnologia de aquisição de dados terrestres
é a por Radar Interferométrico com Abertura Sintética (InSAR), que está sendo cada
vez mais utilizada.
Os dados de sensores remotos de radar têm sido, nas últimas duas décadas,
testados como uma ferramenta com grande potencial de uso, principalmente, nas
seguintes áreas de pesquisa: cartografia, agricultura, meio ambiente, geologia e
hidrologia (Moreira, 1999). Neste trabalho, serão apresentadas as experiências
preliminares dos Estudos de Inventário Hidrelétrico do Rio Tapajós, com a execução
de mapeamento cartográfico pelo processo do radar interferométrico, e discutida a
potencialidade do método. Exemplos de produtos: Modelo Digital de Superfície MDS e Orto-imagem da banda X; Modelo Digital de Terreno – MDT e Orto-imagem
da banda P; e seus derivados: carta de sombreamento e modelo tridimensional,
gerados pelo radar serão apresentados. A capacidade de penetração dos sinais das
bandas X e P nas áreas de floresta e as validações altimétricas do MDS e do MDT,
utilizando-se pontos de controle GPS, também serão discutidas.
2.
ESTUDOS DE INVENTÁRIO DOS RIOS TAPAJÓS E JAMANXIM
Os Estudos de Inventário dos Rios Tapajós e Jamanxim, em desenvolvimento pelas
Centrais Elétricas do Norte do Brasil S.A. – ELETRONORTE e Construções e
Comércio Camargo Corrêa, englobam o Rio Tapajós, desde a sua formação na
confluência dos Rios Juruena e Teles Pires até a sua foz no Rio Amazonas, e o Rio
Jamanxim a partir da sua foz até as proximidades da cidade de Novo Progresso –
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
2
PA. Nessa área há um potencial hidrelétrico estimado em 11.000 MW, sendo cerca
de 9.000 MW no Rio Tapajós, concentrado no trecho entre as cidades de Itaituba e
Jacareacanga, ambas no Estado do Pará, e cerca de 2.000 MW no Rio Jamanxim.
Para a realização desses Estudos de Inventário foi prevista a necessidade de
cartografia para uma área de cerca de 10.000 km² e para tanto seriam necessários
levantamentos numa área de aproximadamente 30.000 km². Considerando o tipo
ocupação da região, com diversas unidades de conservação ambiental, entre elas o
PARNA – Parque Nacional da Amazônia, a cobertura vegetal densa, e a
conseqüente dificuldade para implantar o necessário apoio de campo a um
levantamento aerofotogramétrico convencional, optou-se pela utilização da
tecnologia de mapeamento por radar InSAR para o trecho do Rio Tapajós entre as
cidades de Itaituba e Jacarecanga, e o trecho de jusante do Rio Jamanxim, onde a
cobertura florestal é bastante densa.
Essa região escolhida para o mapeamento pela tecnologia InSAR engloba uma área
de 16.500 km², que serão mapeados na escala 1:25.000, com curvas de nível
eqüidistantes de 5 m, e precisão vertical de 2,5 m.
O trecho de montante do Rio Jamanxim terá seu levantamento executado pelo
método aerofotogramétrico convencional, por tratar-se de área com maior ocupação
e facilidade de execução do apoio de campo necessário.
Além disso, no Rio Jamanxim haverá um trecho de superposição das duas técnicas
de mapeamento, o que permitirá comparar os resultados obtidos entre a
aerofotogrametria convencional e os modelos de superfície e terreno do radar
interferométrico.
3.
TECNOLOGIA INSAR
O termo RADAR deriva do inglês – “RAdio Detection And Ranging”, detecção e
posicionamento usando faixas de rádio. Existem diferentes tipos de radares, desde
os de aproximação em aeroportos, vigilância do espaço aéreo, meteorológicos e
também os radares utilizados em Sensoriamento Remoto. Neste caso,
apresentaremos a tecnologia dos radares aerotransportados de abertura sintética
(SAR).
A análise do cenário de programas espaciais revela uma presença cada vez maior
de missões com radares imageadores (ERS-1, ERS-2, JERS-1, RADARSAT-1,
ENVISAT-ASAR, ALOS-PALSAR, RADARSAT-2, TerraSAR). O Brasil tem
experiência reconhecida em aplicações com radar na Amazônia (Programas
RADAMBRASIL, SAREX´ 92, INTERA, SIR-C/X-SAR, ERS-1 e 2, JERS-1,
RADARSAT-1). A Alemanha é referência mundial em tecnologia SAR (MRSE, SIRC/X-SAR, E-SAR, X-SAR/SRTM, TerraSAR, SAR-LUPE). O INPE e a DLR (Agência
Aeroespacial da Alemanha) mantém uma colaboração de mais de 20 anos por meio
de um acordo intergovernamental de colaboração científico-técnica.
A tecnologia de mapeamento InSAR (Radar Interferométrico de Abertura Sintética)
permite que diversos produtos de informação geográfica sejam gerados de forma
rápida, precisa e econômica, quando comparados com os métodos clássicos de
levantamentos, topográficos e aerofotogramétricos, de modo a atender os objetivos
cartográficos. As principais vantagens da tecnologia InSAR no Brasil, principalmente
na Região Amazônica, são:
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
3
•
Coleta dados independentemente das condições atmosféricas e da luz do dia,
permitindo um curto prazo para obtenção dos resultados, o que é fundamental no
caso de serviços com curtos prazos de execução;
•
Utiliza duas freqüências de mapeamento simultâneas (bandas X e P),
fornecendo tanto a medida de altitude da copa das árvores como a do solo sob a
vegetação;
•
Gera, simultaneamente, a orto-imagem da área observada, o que permite a
obtenção, a baixo-custo, de uma imagem de alta resolução;
•
Processa todos os dados com computadores e servidores baseados na
tecnologia de PC;
•
Gera Imagens Orto-Retificadas (ORI), MDS, MDT e produtos derivados;
•
Torna possível a geração de mapas topográficos, a partir das imagens ortoretificadas e do trabalho de campo (toponímias, simbolização e uso do terreno);
•
Oferece uma única solução one-stop-shop na aquisição dos dados, satisfazendo
às necessidades e exigências de muitas aplicações críticas da comunidade de
sensoriamento remoto.
O SAR imageador representa uma das opções do sensoriamento remoto no
levantamento de recursos naturais e monitoramento do planeta. Distinto dos
sensores ópticos (visível-infravermelho), que dependem do Sol para prover
informações físico-químicas dos alvos. O SAR opera no espectro das microondas
(Figura 1), fornece informações geométricas e elétricas dos alvos e é o único sensor
com penetrabilidade através da copa vegetal.
FIGURA 1: Espectro eletromagnético e as bandas da região de microondas.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
4
Neste segmento de radares, encontra-se o sistema de radar interferométrico
aerotransportado OrbiSAR-1, Figura 2, desenvolvido, produzido e operado pela
Orbisat da Amazônia, Divisão de Sensoriamento Remoto, que apresentou uma nova
maneira de mapeamento semi-automatizado.
FIGURA 2: Localização do OrbiSAR-1 no interior da aeronave e respectiva aeronave.
3.1. CAPACIDADE DE PENETRAÇÃO DAS BANDAS X E P
Em princípio, o MDT poderia ser gerado a partir da edição manual do MDS,
utilizando a informação externa sobre a altura da vegetação. Entretanto, nesse caso,
o resultado incluiria aproximações não satisfatórias e provavelmente não se ajustaria
aos requisitos de precisão definidos pelo cliente. A experiência sobre este tema foi
obtida em projetos de traçado de mapas, tanto em terrenos planos como
montanhosos. Como conseqüência, só é possível obter o DTM, com a precisão
requerida, utilizando uma tecnologia de baixa freqüência, ou seja, mediante
observações SAR da banda P.
A Figura 3 ilustra a penetração de sinais das bandas X e P em zonas de vegetação
densa do tipo floresta. As ondas da banda X refletem-se a partir do dossel, enquanto
que as da banda P penetram na folhagem e refletem-se a partir do tronco e do solo,
retornando ao sensor com a informação da fase do terreno sem vegetação, que será
convertida em altitude.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
5
altura da
superfície
banda-X
Modelo Digital de Superfície (banda X).
altura
do
terreno
banda-P
Modelo Digital do Terreno (banda P).
FIGURA 3: Representação da penetração dos sinais das bandas X e P.
O MDS é gerado a partir dos dados da banda X. Para tanto, implementa-se a
interferometria da banda X, fazendo uso de suas três antenas. O MDT fusionado é
gerado a partir da fusão do MDT, originado a partir dos dados da banda P, com o
MDS, proveniente dos dados da banda X.
A fusão é necessária por que:
1. O MDS, obtido a partir dos dados da banda X, é idêntico ao MDT final nas áreas
livres de vegetação e apresenta uma melhor precisão altimétrica;
2. O MDT, gerado a partir dos dados da banda P, possui melhor precisão somente
nas áreas de vegetação. Nas áreas livres de vegetação, esse MDT é menos
preciso devido à baixa reflexão das ondas da banda P do radar nessas regiões;
3. Combinando o MDS, originado a partir da banda X somente nas áreas livres de
vegetação, com o MDT, proveniente da banda P somente nas áreas com
vegetação, obtém-se um MDT fusionado com maior precisão altimétrica;
4. As áreas com e sem vegetação podem precisamente ser definidas pela imagem
da banda P. As áreas com vegetação refletem intensamente enquanto que a
reflexão nas áreas livres de vegetação é muito baixa. A máscara para a floresta
pode então ser diretamente derivada a partir da imagem da banda P.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
6
4.
APLICAÇÃO DOS PRODUTOS GERADOS PELO RADAR ORBISAR-1 NO
PLANEJAMENTO E IMPLANTAÇÃO DE GRANDES BARRAGENS
Como descrito no item 2, a área mapeada, que totaliza cerca de 16.500 km², está
localizada entre os Municípios de Itaituba e Jacareacanga, Estado do Pará. Na
Figura 4, é apresentada a articulação das folhas, em escala de 1: 25000, em
conformidade com a cartografia sistemática, de toda área observada pelo Radar.
Serão geradas 120 cartas com curvas de nível com eqüidistância de 5 m; elementos
cartográficos de interesse: hidrografia, rodovias, reservas indígenas e áreas
ambientais; toponímia (nomenclatura) dos principais elementos cartográficos: nomes
dos rios, estradas, ilhas, principais afluentes dos rios Tapajós e Jamanxim, cidades
e vilas.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
7
FIGURA 4: Articulação na Escala de 1: 25.000.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
8
O objetivo do mapeamento é compreender melhor a topografia da região onde está
localizado o Rio Tapajós. A utilização dos produtos gerados pelo radar possibilitará a
realização das análises espaciais, especificamente no estudo do potencial de
aproveitamento hidrelétrico para implantação de usinas hidrelétricas, baseando-se
nos Modelos Digitais de Elevação (MDS e MDT), representação 3D da superfície e
nas orto-imagens das Bandas X e P.
A visada lateral, durante a observação do solo, é um importante atributo do radar,
pois, além de eliminar equívocos causados por pontos situados simetricamente à
direita e à esquerda da antena, possibilita a geração de um MDT, com efeito, de
sombreamento do relevo, dando um aspecto tridimensional, auxiliando na sua
melhor percepção. A Figura 5 mostra um sombreamento do relevo a partir de um
MDS da área em estudo, gerado com o OrbiSAR-1.
FIGURA 5: Carta de Sombreamento do Relevo e MDS colorido (Rio Tapajós - PA).
5.
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE PRELIMINAR DOS RESULTADOS
Apresentar-se-ão a seguir os produtos gerados pelo OrbiSAR-1: MDS, MDT, ortoimagens da banda X e P (Figuras 6 e 7). Uma visualização tridimensional de parte
da área do Projeto (Figura 8) também será analisada. Aqui, tem-se a orto-imagem
da banda X sobreposta ao MDS, mostrando uma imagem 3D bem próxima da
realidade, pois, diferentemente de quando se sobrepõe imagens em modelos de
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
9
elevação, se faz a copa das árvores “descer” até a superfície do terreno,
desprezando-se as alturas das árvores. Nesta situação, encontra-se o “MDS” da
Terra, o SRTM, obtido pela nave espacial americana durante a missão conhecida
como (Shuttle Radar Topography Mission).
FIGURA 6: Modelo Digital de Superfície e Orto-Imagem X (Rio Tapajós - PA).
FIGURA 7: Modelo Digital de Terreno e Orto-Imagem P.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
10
FIGURA 8: Representação 3D do MDS e Orto-imagem X sobreposta (Rio Tapajós - PA).
5.1. VALIDAÇÃO
DOS MODELOS DIGITAIS DE ELEVAÇÃO UTILIZANDO-SE PONTOS DE
CONTROLE GPS EM CAMPO
Durante o controle de qualidade dos produtos InSAR, realiza-se uma etapa
importantíssima para se garantir a precisão dos dados gerados pelo radar, a
validação altimétrica do MDS e do MDT. Isto é feito comparando-se os valores
altimétricos desses modelos com pontos de controle GPS observados em campo.
Para validação do MDS desse projeto foi realizado em campo um levantamento de
156 pontos de controle com receptores GPS de dupla frequência L1/L2. A
distribuição e localização de 12 desses pontos podem ser visualizadas na Figura 9.
A seguir, será apresentada uma tabela comparativa, a Tabela 1, na qual podemos
ver as diferenças altimétricas entre as altitudes do MDS comparados com os pontos
de controle GPS no terreno. Estes pontos foram levantados próximos a Rodovia
Transamazônica, porém, é possível que, em alguns deles, o valor da altitude do
MDS pode estar informando a altitude do terreno mais a altura da vegetação que
refletiu o sinal do radar, neste caso, uma vegetação rasteira baixa. A maior diferença
foi de 1,57 m (ponto 1) e a menor de 0,02 m (ponto 9). O desvio padrão entre as
diferenças é de 0,67 m.
Na validação do MDT utilizaram-se dados de um levantamento topográfico com
estação total, apoiado por receptores GPS de dupla frequência. Foram levantadas
duas poligonais topográficas partindo-se de um marco geodésico oficial. Numa
delas, seguiu-se pela estrada e na outra, por uma trilha no meio da mata. Na Tabela
2, podemos ver as diferenças altimétricas entre as altitudes do MDT comparados
com os pontos de controle em campo. A maior diferença foi de 5,50 m (ponto 31) e a
menor de 0,12 m (ponto 2). O desvio padrão entre as diferenças é de 2,12 m.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
11
FIGURA 9: MDS colorido com efeito de sombreamento do relevo.
Ponto de
controle GPS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Altitude Medida
do Ponto GPS (m)
14,55
13,11
33,24
81,65
40,49
30,10
52,53
24,60
65,40
78,07
52,60
41,60
Altitude do MDS (m)
12,98
13,65
33,03
81,87
40,18
30,36
53,03
25,85
65,38
78,41
53,08
41,49
Desvio Padrão
Diferença ∆h Ponto
GPS/MDS (m)
1,57
-0,54
0,21
-0,22
0,31
-0,26
-0,50
-1,25
0,02
-0,34
-0,47
0,11
0,67
TABELA 1: Validação altimétrica do MDS versus pontos de controle GPS em campo.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
12
Ponto de
controle GPS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Altitude
medida do
ponto GPS (m)
42,12
48,97
32,01
31,42
30,64
41,03
41,04
41,61
41,99
43,21
43,47
42,61
42,65
42,87
43,83
42,85
43,15
43,93
43,38
41,37
35,68
25,37
31,46
26,37
33,29
29,12
26,78
26,35
26,66
27,84
22,22
23,56
20,27
17,81
22,90
Altitude do
MDT (m)
Diferença ∆h Ponto
GPS/MDT (m)
42,64
49,10
28,78
32,00
31,35
42,45
41,57
43,94
46,24
44,58
45,92
44,96
44,71
43,64
44,33
42,56
42,88
42,00
41,65
40,21
36,56
27,49
30,20
28,18
32,47
32,79
28,92
27,55
31,68
32,34
27,72
22,64
24,40
19,45
27,52
Desvio
Padrão
0,51
0,12
-3,23
0,58
0,71
1,41
0,53
2,33
4,25
1,37
2,45
2,36
2,06
0,76
0,50
-0,29
-0,27
-1,94
-1,73
-1,16
0,88
2,12
-1,26
1,82
-0,82
3,67
2,14
1,20
5,02
4,50
5,50
-0,92
4,13
1,63
4,63
2,12
TABELA 2: Validação altimétrica do MDT versus pontos de controle GPS em campo.
6.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Considerando-se os resultados preliminares, obtidos nos Estudos de Inventário dos
Rios Tapajós e Jamanxim, sugere-se a utilização desta metodologia de
mapeamento, tanto para projetos hidrelétricos, como em outras aplicações, em
regiões da floresta amazônica e em áreas similares, atendendo às expectativas e
necessidades de seus usuários. Esta metodologia de mapeamento, por meio de
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
13
modelos digitais de elevação e de orto-imagens, permite a execução de cálculos de
volume (corte e aterro), análises do relevo (orientação de vertentes, declividade,
drenagem e inundação) e simulações de maquetes digitais. Podem também
contribuir com informações multidisciplinares, técnicas e científicas, sobre o meio
ambiente destas regiões. A validação preliminar dos produtos gerados pelo radar
aerotransportado OrbiSAR-1, apresentada neste trabalho, por meio de seus
resultados comparativos, aponta como viável e promissora a utilização desta
tecnologia por se mostrar uma poderosa ferramenta de captura de dados
geográficos, em condições atmosféricas adversas e com ausência de luz natural.
Principalmente em aplicações de engenharia básica (Hemerly, 2006) e em áreas
cobertas por densa vegetação, onde se espera uma precisão plani-altimétrica dos
modelos de elevação compatível com as necessidades de cada projeto.
7.
PALAVRAS-CHAVE
Sensoriamento remoto, InSAR, MDE, orto-imagens, grandes barragens, inventário
hidrelétrico.
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
MOREIRA, J. (1999) - “Operational Processing of Airborne P-band InSAR Data
for Ground Topography Estimation”, in Proceedings of IGARSS’99, pp.1724 1726. (Germany).
[2]
HEMERLY, V. E. (2006) – “Validación de Imágenes SAR bandas X / P y de
MDT en aplicaciones de Ingeniería Básica”, InfoGeo - Revista de Análisis
Geográfico (América Latina), Año 2. Nº 3, Curitiba, PR.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
14