AVALIAO DA QUALIDADE DOS DADOS ALTIMTRICOS DERIVADO DO SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHIC MISSION (SRTM): Resultados Preliminares

Marcio Colares de Lemos1 Sergio Florencio de Souza2

Ronaldo dos Santos da Rocha3

1,2,3Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Instituto de Geocincias Departamento de Geodsia, Curso de Engenharia Cartogrfica. Av. Bento Gonalves, 9500 - Porto Alegre - Rs Brasil; Cep: 91501-970 caixa postal: 15001. (mcdelemos@hotmail.com, sergio.florencio@ufrgs.br, ronaldo.rocha@ufrgs.br)

RESUMO

At recentemente, a avaliao da qualidade dos dados altimtricos existentes nas cartas topogrficas em mdias escalas, era uma tarefa complicada. No se dispunha de outras tcnicas, alm da fotogrametria, que possibilitasse a determinao da altimetria. Atualmente, a determinao de modelos topogrficos evoluram consideravelmente, uma constatao desta evoluo o mais recente modelo topogrfico digital global disponibilizado para a comunidade internacional, denominado de SRTM (SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHIC MISSION). O SRTM apresenta uma resoluo espacial de 30 metros, mas os dados fornecidos para a Amrica do Sul foram reamostrados para a resoluo aproximada de 90 metros. A importncia de se determinar modelos topogrficos de alta resoluo que esses se tornaram essenciais nos estudos de Geodsia, Geofsica, Geologia, Hidrologia, Ecologia, etc. Essas aplicaes vo desde a escala global (milhares de quilmetros) at a escala local (dezenas de quilmetro). Modelos topogrficos globais, como o SRTM, apresentam resoluo compatvel com muitas das necessidades destes usurios. Mas, para que esse modelo possa ser utilizado de forma correta, necessrio avali-lo. O processo de avaliao foi realizado comparando as curvas de nvel geradas pelo SRTM, com as curvas altimtricas existentes nas cartas topogrficas. O processo de converso da carta para o meio digital foi feito atravs da mesa digitalizadora. Tambm, foram analisadas as diferenas entre o SRTM e as referncias de nvel encontradas na regio de estudo. Os resultados obtidos demonstraram que para muitas aplicaes, o SRTM pode substituir os modelos topogrficos digitais obtidos a partir de mapas topogrficos na escala 1:250.000. Palavras-chave: Referencias de nvel, cartas topogrficas, avaliao de dados altimtricos.

QUALITY ASSESSMENT OF DIGITAL SURFACE MODELS DERIVED FROM THE SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHY MISSION (SRTM): Preliminary Results

ABSTRACT

Until recently, to evaluation altimetric data quality of medium scale topographic maps was a complicated task. Other than photogrammetry, no other techniques were at hand, that could determine altimetry. Currently, topographical model determination has evolved considerably. One way to prove this development is to consider the most recent global digital topographic model offered to the international community, called of SRTM (SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHIC MISSION). The SRTM presents a spatial resolution of 30 meters, but the data that is offered to South America was resampled for an approximate resolution of 90 meters. The importance of determining high resolution topographical models is that such models have become essential to studies in Geodesy, Geophysicist, Geology, Hydrology, Ecology, etc. These applications go from the global scale (thousand of kilometers) to the local scale (tens of kilometers). Global topographical models, like SRTM, present resolutions that are compatible to many of these users necessities. But, for this model can be used of correctly it, necessarily, has to be evaluated. The evaluation process was done comparing SRTM generated contour lines with existing altimetric lines on cartographic maps. The map to digital medium conversion process was done using a digitalizing tablet. Also, the differences between SRTM

and levelling of the region under study. The results demonstrated that for many applications, the SRTM can substitute digital topographical models that were obtained form 1:250.000.scale topographical maps. Key words: levelling, topographic maps, altimetric data evaluation. 1. INTRODUO A determinao da altitude um problema clssico que remonta aos princpios da geodsia, e por ser o seu conhecimento de fundamental importncia no desenvolvimento da sociedade moderna, principalmente no que se refere a obras de engenharia, vem sendo tema para a realizao de diversos trabalhos que buscam otimizar os processos para sua obteno. Os dados altimtricos provenientes de modelos topogrficos so imprescindveis em vrias atividades cotidianas (Distribuio de gua, Saneamento, Planejamento Urbano). Recentemente, a disponibilizao dos dados altimtricos derivados do SRTM provocou um alvoroo na comunidade cientifica, o principal motivo a resoluo apresentada pelo modelo digital, aproximadamente 30 metros. Anterior ao SRTM, os modelos topogrficos globais apresentavam resoluo mxima de 1 km, o que limitava a sua utilizao. Para contornar esse problema, os modelos topogrficos digitais eram obtidos, em sua maioria, a partir da digitalizao de cartas topogrficas em diferentes escalas, o que tornava o procedimento moroso e a necessidade da utilizao de processos de interpolao. Com o surgimento do SRTM, abre-se para a pesquisa, um conjunto de possibilidades, em que esse avano devido aos radares que operam na faixa do microondas e por isso apresenta uma grande vantagem de poder adquirir dados independentemente da iluminao solar e de ser pouco influenciados pelas condies atmosfricas, uma vez que a transmitncia atmosfrica praticamente inalterada para a faixa de microondas. Esta caracterstica particularmente interessante para regies tropicais, onde sensores pticos sofrem grande restrio devido alta probabilidade de ocorrncia de nuvens. Para contribuir nas aplicaes de modelo topogrficos digitais globais no Brasil, foram avaliados os dados altimtricos derivados do SRTM, para isso foram feitas comparaes entre as altitudes de cartas topogrficas e de referncias de nvel, com as derivadas do SRTM, para uma rea selecionada dentro do Estado do Rio Grande do Sul. 2. DADOS Os dados necessrios para a realizao deste trabalho podem ser agrupados em trs classes: a) cartas topogrficas; b) modelo topogrfico digital derivado do SRTM; c) Referncias de nvel (RNs) pertencentes s redes de nivelamento geomtrico existente na regio. 2.1 CARTAS TOPOGRFICAS

Os modelos topogrficos existentes no Brasil foram extrados, em sua maioria, de modelos globais, combinados com dados altimtricos obtidos de cartas topogrficas em diferentes escalas. As cartas topogrficas podem ser entendidas como modelos analgicos do relevo, pois representam a topografia atravs de smbolos (curva de nvel e pontos cotados), que mesmo sendo representado dessa forma pode ser facilmente interpretado. Os dados altimtricos extrados das cartas topogrficas so tradicionalmente utilizados na avaliao de modelos topogrficos globais, como o caso do SRTM. Utilizando-se dessa tcnica, foi selecionada uma regio dentro do Estado do Rio Grande do Sul, e o critrio para a sua escolha, a existncia de uma topografia bastante diversificada, isto , reas de topografia plana e acidentada. A escolha de uma rea, que contenha esse tipo de informao, um fator determinante para uma avaliao consistente do SRTM. O Estado do Rio Grande do Sul apresenta vrios locais com essas caractersticas, o que permitiu selecionar a rea do trabalho, que esta localizada entre as latitudes -280 a -310 e longitudes -540 a -520. As curvas de nvel da base cartogrfica na escala de 1:250.000, apresentam-se com uma eqidistncia de 100 metros. Nesta etapa tambm foram identificados os pontos cotados, que representam os topos de morros e diferenas de altitude na plancie, nos intervalos de 13 a 1004 metros.

Neste trabalho, optou-se por utilizar os dados das curvas digitalizadas, no se fez uso de modelos digitais, pois haveria a necessidade de utilizao de interpoladores. A idia evitar os erros provenientes dos processos de interpolao, principalmente quando so utilizadas curvas de nvel, que no constituem uma distribuio geogrfica adequada. O processo de converso das curvas de nvel do meio analgico para o digital foi realizado com o auxlio da mesa digitalizadora. A Figura 1 mostra a distribuio das curvas de nvel dentro da rea de estudo.

(http:// www.maurinto.pro.br/ mapas)

FIGURA 1 REPRESENTAO DO TOPOGRAFIA ATRAVS DAS CURVAS DE NVEL

Na Figura 1, esquerda, v-se a representao da topografia do Estado do Rio Grande do Sul,

nessa mesma figura, encontra-se o desenho de um retngulo que assinala a rea escolhida para a avaliao do SRTM. direita, mostrada a representao da topografia atravs das curvas de nvel, obtidas a partir da digitalizao das cartas topogrficas na escala 1:250.000, existentes na regio. Cabe neste momento, tecer alguns comentrios sobre a rea escolhida: ao norte esto localizadas as maiores altitudes, que variam de 900 a 1.000 metros, decrescendo para 100 metros nas proximidades do vale do rio Uruguai. Na parte central, encontram-se as menores altitudes, denominadas de depresso central, onde esta localizado o rio Jacu. Na regio sul, tem-se uma nova elevao provocada pela presena das Serras da Encruzilhada e Caapava, formando o Planalto Sul Riograndense.

Nas cartas topogrficas 1:50.000, as curvas de nvel so representadas por linhas, eqidistantes 20m. A cada 5 curvas so desenhadas as curvas-mestras que representam eqidistncias de 100m. As curvas de nvel existentes na carta 1:250.000 so obtidas do processo de generalizao cartogrfica da carta 1:50.000, em que so representadas as curvas-mestras existentes na carta 1:50.000, cujo intervalo de 100 m. Para amenizar esse efeito, comum a representao das altitudes por pontos cotados espalhado pelo mapa topogrfico. A extensa rea em branco no mapa representada pela curva de 100 metros e por pontos cotados. A baixa resoluo da representao altimtrica existente, compromete a determinao de um modelo topogrfico digital a partir desses dados. Um resumo dos parmetros estatsticos obtidos para as curvas de nvel existentes na rea de estudo, pode ser visto na Tabela 1. Nessa tabela observa-se a presena dos pontos cotados encontrados no mapa, por causa do valor mnimo e mximo da altitude, dentro da rea de estudo.

TABELA 1 - RESUMO ESTATSTICO DAS CURVAS DE NVEL

H

NMERO DE DADOS 438824 MNIMO (m) 13 MXIMO (m) 1004 MEDIA (m) 371.07

2.2 SRTM (SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHIC MISSION)

O Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM), resultou do trabalho conjunto realizado pela National Imagery and Mapping Agency (NIMA) e a National Aeronautics and Space Administration (NASA), com o objetivo de produzir um modelo topogrfico digital de alta resoluo para a Terra (NASA, 2004). A misso cobriu certa de 80% da superfcie terrestre (compreendida entre as latitudes 60N e 56S), com resoluo espacial de aproximadamente 1 (30m). O mtodo de aquisio dos dados altimtricos foi a interferometria, que consiste na comparao de duas imagens de radar tomadas de pontos ligeiramente diferentes para obter elevao ou informao de mudanas na superfcie. Para realizar este procedimento a nave espacial

Endeavour foi equipada com um mastro de 60 metros. As antenas do radar banda C e banda X foram instaladas no compartimento de carga da nave e na ponta do mastro que se estendia para fora da espaonave. O processamento dos dados foi iniciado na Amrica do Norte, onde os dados so distribudos na sua resoluo mxima (30m). Para a Amrica do Sul e demais locais da Terra, os dados so disponibilizados com uma resoluo espacial de 90m. Esses dados esto disponibilizados para download via FTP (ftp://edcsgs9.cr.usgs.gov/pub/data/srtm/), na sua forma bruta. Neste caso, possvel observar a presena de rudos provocados pela presena de corpos de gua e por problemas relacionados perda do retorno do sinal. Para a remoo desses rudos necessria a aplicao de filtros ponderados, que usam os valores das altitudes dos pontos vizinhos. O referencial altimtrico do SRTM o elipside WGS84, em que o modelo terrestre representado pelo Earth Geopotential Model 1996 (EGM96). A Figura 2 mostra o modelo topogrfico digital derivado do SRTM dentro da rea de estudo.

-54 -53 -52 -51

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-29

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050100150200250300350400450500550600650700750800850900950

FIGURA 2 - DADOS ALTIMTRICOS DO SRTM (unidade: metro)

A Figura 2 mostra o modelo topogrfico digital derivado do SRTM para a rea do trabalho,

comparando com as curvas de nvel na Figura 1, nota-se que o modelo apresenta uma resoluo maior que as informaes existentes nas cartas topogrficas, mesmo aps a reamostragem. Inmeras avaliaes esto sendo feitas com os dados altimtricos derivados do SRTM, por exemplo (KOCH & HEIPKE, 2001; KOCH, et al., 2002; KOCH & LOHMANN 2000). Na Tabela 2 encontra-se um resumo estatstico dos dados derivados do SRTM para a area estudada.

TABELA 2 - RESUMO ESTATSTICO DO SRTM

Hsrtm

NMERO DE DADOS 12967201 MNIMO (m) 0 MXIMO (m) 996 MEDIA (m) 327,3 2.3 REFERNCIAS DE NVEL (RNs)

Em geral, a forma mais eficiente de se avaliar modelos topogrficos globais compar-lo com informaes altimtricas provenientes de outras fontes de aquisio. Uma forma pouco explorada, mas que permite uma avaliao direta, a utilizao de referencias de nvel. Neste caso, pode-se utilizar o dado altimtrico diretamente, sem a necessidade de artifcios matemticos que so necessrios na gerao de modelos digitais. As referncias de nvel do Estado do Rio Grande do Sul so provenientes dos trabalhos realizados pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica (IBGE), desde a dcada de 40 (IBGE, 1998), para implantao da Rede de Nivelamento Fundamental do Brasil (RNFB). As RNs do IBGE so encontradas na forma de marcos de concreto, com chapa de bronze para a materializao e identificao do ponto, existe tambm as altitudes dadas em chapas metlicas, chumbadas em monumentos, soleiras de igrejas, plataformas de estaes de estradas de ferro, pontes, etc. A Figura 3 mostra a distribuio das RNs

dentro da rea de estudo.

-54 -53 -52 -51

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FIGURA 3 - DISTRIBUIO DAS REFERENCIAS DE NVEL (RNs)

O resumo dos parmetros estatsticos encontrados para as altitudes das RNs existentes na rea pode ser visto na Tabela 3. Em uma primeira anlise dessa tabela, pode-se verificar a variao altimtrica do relevo, o que no por acaso, conforme foi visto anteriormente. Essa variao da altitude torna possvel uma avaliao completa do SRTM, tanto em reas planas, como em reas de relevo mais acidentado.

TABELA 3 - RESUMO ESTATSTICO DOS DADOS ALTIMTRICOS DAS RNS Hrn

NMERO DE DADOS 1056 MNIMO (m) 2,651 MXIMO (m) 983,329 MEDIA (m) 336,440 3. AVALIAO DOS DADOS ALTIMTRICOS DERIVADOS DO SRTM A avaliao do SRTM ser realizada de duas formas: primeiramente, a partir da comparao das altitudes provenientes de cartas topogrficas com as obtidos do modelo SRTM. A seguir, sero avaliadas as diferentes do SRTM com as RNs. A comparao permite verificar a existncia de componentes sistemticas provenientes das diferenas entre as tcnicas utilizadas, datum altimtricos, entre outras. Desta forma, a avaliao ser feita conforme as expresses seguintes,

SRTMH (1) e

DADOSH (2) onde DADOSH representa as altitudes provenientes de outras fontes, e SRTMH representa as altitudes interpoladas do SRTM. Assim, para cada altitude, obtm-se a diferena,

SRTMDADOS HHH = (3)

O conjunto de resduos constitudos pelas altitudes ( ),..., 21 HHH = (4) constitui uma amostra estatstica para qual se postula a distribuio normal. A anlise estatstica dessa amostra permite verificar se (S, 1998), a funo densidade de probabilidade postulada para a amostra adequada, os parmetros populacionais estimados so confiveis, e os valores obtidos so consistentes com os conhecidos a priori. Portanto, a anlise estatstica completa dos resduos, permite testar se a componente sistemtica estatisticamente significativa (S, 1988). 3.1 SRTM versus Mapas Topogrficos A metodologia escolhida para avaliao do SRTM foi a comparao com os valores altimtricos extrados do processo de digitalizao das cartas topogrficas na escala 1:250.000, com os valores do SRTM. Neste caso, no foi realizada a comparao entre modelos digitais, pois haveria a necessidade de interpolao desses dados. O objetivo principal dessa anlise verificar a compatibilidade entre as informaes altimtricas presentes na carta topogrfica e no SRTM. A Tabela 4 mostra um resumo estatstico dos valores obtidos para as diferenas entre os dados altimtricos das cartas 1:250.000 da rea e o SRTM.

Uma classificao dos resduos mostra que 78% apresentam valores inferiores a 50 m, e 22% restante, esto com valores acima do erro padro altimtrico para a escala 1:250.000. Os resduos maiores esto concentrados nas reas onde a variao de altitude maior. As causas podem estar relacionadas a problemas com os dados do SRTM, a principal causa a presena de rudos provocados pela presena de corpos dgua e a regies de sombra, e tambm, a restituio fotogramtrica de curvas de nvel nessas reas, que um processo de certa complexidade.

TABELA 4 RESULTADOS OBTIDOS DAS DIFERENAS ENTRE AS ALTITUDES DAS CARTAS E DO SRTM

H (HCARTA HSRTM)

NMERO DE DADOS 438824 MNIMO (m) -504.060 MXIMO (m) 324.809 MDIA (m) -9.858 DESVIO PADRO (m) 49.054 A presena de uma componente sistemtica na mdia dos dados pode estar relacionada com o referencial altimtrico definido para cada um dos dados envolvidos nessa avaliao, pois o referencial altimtrico do SRTM o WGS84. Isto observado nas altitudes do SRTM, que apresentam valores maiores que os da carta topogrfica. O desvio-padro encontrado est dentro do erro tolervel para esta escala, que 0,5 da eqidistncia das curvas de nvel, que neste caso 50 metros. Os parmetros estatsticos determinados para as diferenas entre as altitudes permitem avaliar alguns aspectos importantes com relao ao SRTM e aos dados utilizados neste trabalho. Estes aspectos so: os resduos relativamente grandes ocorrem de forma isolada, pois a mdia e o desvio padro so coerentes com as caractersticas do relevo topogrfico da regio. Os resduos mostraram-se coerente para a escala 1:250.000, apesar dessa avaliao ter sido feita com dados pontuais. 3.2 SRTM versus RNs A avaliao de modelos topogrficos digitais, a partir de RNs, realizada com a comparao das altitudes provenientes das RNs, com as altitudes interpoladas dos modelos topogrficos digitais. H inmeras tcnicas de interpolao que podem ser utilizadas, mas poucas so realmente adequadas quanto estabilidade numrica, que um requisito bsico para garantir a alta preciso nos resultados de interpolao. As tcnicas mais indicadas, geralmente utilizam funes aproximantes locais, formadas por polinmios cujos coeficientes so condicionados para garantir estabilidade da funo e de suas derivadas parciais, nos pontos nodais e nas direes dos lados que definem a clulas de interpolao. A funo aproximante expressa por um conjunto de polinmios bicbicos, vem sendo usada com sucesso neste tipo de interpolao, e ser utilizada no clculo das altitudes dos modelos topogrficos digitais. A Tabela 5 mostra um resumo estatstico dos valores obtidos para as diferenas entre as RNs e o SRTM.

TABELA 5 RESULTADOS OBTIDOS DAS DIFERENAS ENTRE AS ALTITUDES DAS RNS E DO SRTM H

(NRN NSRTM) NMERO DE DADOS 1056 MNIMO (m) -324.129 MXIMO (m) 178.788 MDIA (m) -0.9318 DESVIO PADRO (m) 23.693 Os resduos foram agrupados em classes com intervalos iguais, a anlise estatstica das classes mostra que 97,5 % (1030) dos dados altimtricos, apresentam os resduos com valores inferiores a 50 m. O 2,5 % (26) restante, apresentam valores superiores ao erro padro admissvel para a escala 1:250.000. A concentrao dos dados altimtricos em uma nica classe possibilita concluir que os dados do SRTM so compatveis com as RNs existentes na rea. A utilizao de referencias de nvel, como uma tcnica para ser usada na avaliao de modelos topogrficos digitais, mostrou-se como uma alternativa eficiente. Possibilitando avaliar a compatibilidade entre as altitudes provenientes do SRTM, com as medidas obtidas diretamente da superfcie terrestre (RNs). Os parmetros estatsticos determinados para as diferenas entre as altitudes permitem avaliar alguns aspectos importantes com relao ao SRTM e os dados as RNs. Os resduos maiores, conforme observados na Tabela 5, esto relacionados com a presena de rudos no SRTM. O valor da mdia prximo a zero, mostrando que a componente sistemtica menor do que no caso anterior, demonstrando uma compatibilidade maior entre as altitudes. Mas, deve-se levar em conta que a quantidade de dados envolvida na anlise menor, tambm. O desvio padro mostra-se coerente com as caractersticas do relevo topogrfico da regio, como no caso anterior. 4. CONCLUSO Este trabalho mostra os resultados preliminares da anlise da qualidade dos dados altimtricos derivados do SRTM para uma rea dentro do Estado do Rio Grande do Sul. A metodologia utilizada foi comparao desses dados com os provenientes de outras fontes; para isso, fez-se uso das cartas topogrficas e RNs. A primeira anlise foi feita com base nas cartas topogrficas, os resultados confirmaram a presena de uma componente sistemtica, ainda que pequena, e que pode estar relacionada com o referencial altimtrico utilizado no SRTM. Nota-se, que a qualidade dos dados altimtricos derivados do SRTM muito prxima a existente nas cartas topogrfica, conforme os resultados estatsticos obtidos para os dados. A segunda avaliao foi realizada com as referencias de nvel, e observa-se que a componente sistemtica menor que no caso anterior, o que demonstra uma compatibilidade maior entre os dados avaliados. Em ambos os casos, nota-se a presena de resduos elevados, a causa esta relacionada a problemas de rudos existentes nas imagens do SRTM. Por fim, pode-se concluir que o modelo topogrfico derivado do SRTM apresenta uma exatido altimtrica muito prximas s informaes altimtricas existentes nas cartas topogrficas na escala 1:250.000. Estudos seguintes esto sendo realizados com base nas cartas de escalas maiores, como por exemplo, 1:100.000 e 1:50.000. 5. REFERNCIAS KOCH A., HEIPKE C. (2001) Quality Assessment of Digital Surface Models derived from the Shuttle

Radar Topography Mission (SRTM), IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, July 9-13, University of New South Wales, Sydney (Australia).

HEIPKE C., KOCH A., LOHMANN P., (2002) Analysis of SRTM DTM - Methodology and practical results, Journal of the Swedish Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Volume (1), Photogrammetry meets geoinformatics, Anders Boberg (Ed.), pp 69-80.

KOCH A., LOHMANN P. (2000) Quality Assessment and Validation of Digital Surface Models Derived from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), Proceedings, ISPRS, Vol. XXXIII, Amsterdam.

S, N.C.de. 1988. Modelos estatsticos e representao integrada do campo de gravidade no Brasil. Tese de Doutorado, IAG/USP, So Paulo, 240 pp.

NASA (2004). http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/. Acesso em 1 de abril de 2004.

6. AGRADECIMENTOS Os autores desejam expressar seus agradecimentos ao PROBIC-FAPERGS/UFRGS., que financiou essa pesquisa atravs da concesso de uma bolsa de Iniciao Cientifica ao primeiro autor desse trabalho.