O que é um Modelo Digital de Elevação (MDE)?
Neste post fazemos uma breve discussão sobre as definições usadas para modelos digitais a partir de dados altimétricos, descrevendo também as características de alguns MDE como o ASTER e SRTM.
Definições de Modelo Digital para Altimetria
A superfície da Terra pode ser modelada em três dimensões por meio de Modelo Digital de Elevação (MDE) ou Modelo Digital do Terreno (MDT), comumente chamado de Modelo Digital de Superfície (MDS), no entanto ainda existem dissonâncias quanto às suas definições.
Gomes (2006) apresenta em detalhes a diferença entre MDE, MDT, além de outros termos encontrados na literatura. Li et. al. (2005 apud Santos et. al., 2016) considera o MDT como um conjunto de pontos que representam a distribuição espacial de vários tipos de informação sobre o terreno, sendo o MDE uma particularização quando essa informação traduz a altitude do terreno que modela a superfície do terreno imersa ou emersa sem cobertura vegetal ou edificações.
Já a ET-PCDG (DSG, 2015), que interessa particularmente este trabalho, define um MDE como um produto cartográfico obtido a partir de um modelo matemático que representa um fenômeno, de forma contínua, a partir de dados adequadamente estruturados e amostrados do mundo real. Um MDE recebe a denominação de MDT quando é associado à representação do solo exposto, desconsiderando-se os acidentes encontrados acima do solo (edificações, pontes, vegetação, etc).
Portanto, buscando-se estar em concordância com a ET-PCDG e, consequentemente, com as normas da INDE, podemos suscintamente entender as principais definições como:
Modelo Digital de Elevação (MDE)
MDE corresponde a um modelo matemático para representar um fenômeno qualquer de forma contínua (Raster ou Malha). É também uma denominação genérica para modelos digitais altimétricos, sem a preocupação em diferenciar os modelos que representam ou não o solo exposto.
Modelo Digital de Superfície (MDS)
É o modelo que representa a altimetria do terreno ao nível do topo da das feições, incluindo-se as que encontram acima do nível do solo (edificações, pontes, vegetação, etc).
Modelo Digital do Terreno (MDT)
É o modelo associado à representação do solo exposto, desconsiderando-se os acidentes encontrados acima do solo, ou seja, apenas a base de edificações, pontes, vegetação, etc.
O procedimento de geração do MDT pode ser obtido por filtragem e interpolação da nuvem de pontos ou a partir do próprio MDS (veja como fazer esse procedimento no curso de WebODM e QGIS).
Qual Modelo Digital de Elevação devo utilizar nos meus trabalhos?
Existem diversas fontes de dados abertos que podem ser utilizados no seu trabalho. O tipo de produto vai depender da sua aplicação, ou seja, da acurácia e resolução requerida no detalhamento do mapa.
A técnica utilizada para gerar o MDE também é muito importante, pois dados levantados por Radar, LiDAR, fotogrametria ou coletadas no próprio campo por topografia convencional tem características importantes que poderão garantir uma melhor acurácia do produto e análises mais precisas.
Abaixo seguem as descrições das características de alguns produtos abertos que são amplamente utilizados em trabalhos acadêmicos e profissionais.
SRTM
O Ônibus Espacial para Missão Topográfica por Radar (SRTM) foi um projeto da NASA e da National Geospatial-Intelligence Agency (NGA), que contou com a colaboração internacional da Agência Espacial Alemã (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR) e da Agência Espacial Italiana (Agenzia Spaziale Italiana – ASI) para adquirir dados por radar com o objetivo de criar o primeiro modelo altimétrico global (USGS, 2015; Santos et. al., 2016).
Para a obtenção dos dados de elevação foram utilizados dois radares de abertura sintética (SAR) por interferometria (InSAR) nas bandas C e X. Os dados foram coletados a bordo do ônibus espacial Endeavour num período de 11 dias (11 a 22 de fevereiro de 2000) e contemplam mais de 80% da área emersa da Terra, cobrindo da latitude 60°N a 56°S (Forkuor e Maathuis, 2012; Celestino e Philips, 2014).
Os MDE SRTM são disponibilizados pelo USGS EarthExplorer no formato de imagem GeoTIFF em recortes geográficos de 1º x 1º, com resolução espacial de 1 e 3 arco-segundos (cerca de 30 e 90 metros próxima à linha do equador, respectivamente). Os arquivos estão no sistema de referência de coordenadas geográficas WGS 84, tendo como referencial altimétrico o modelo geoidal EGM96 (USGS, 2015).
Ressalta-se que, até pouco tempo atrás, a grande maioria das pesquisas sobre o SRTM eram baseadas nos produtos com resolução de 3 arco-segundos, tendo em vista que os modelos com resolução de 1 arco-segundo foram disponibilizados abertamente ao público a partir de novembro de 2014 (LP DAAC, 2014).
A precisão vertical absoluta do DEM SRTM de 3 segundos de arco é inferior a 16 metros, embora essa precisão possa variar, dependendo do continente e região (Jozsa et al., 2014). Já para o modelo com 1 segundo de arco foi obtida uma precisão melhor que 6 metros na região da Arábia Saudita (Elkhrachy, 2017).
No Brasil, para estudos feitos no estado da Bahia, foi calculado RMSE de 4,2 metros, obtendo-se PEC-PCD classe “B” para a escala 1:50.000 (França et al, 2019).
ASTER GDEM
Os dados ASTER são resultado de um esforço de cooperação entre a National Aeronautics and Space Administration (Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço – NASA) e o Ministério do Comércio Internacional e Indústria do Japão (METI), Earth Resources Data Analysis Center (ERSDAC) e o United States Geological Survey (USGS) para construção de um MDE global de livre acesso (USGS, 2014).
Para obtenção dos dados de elevação da superfície os sensores ASTER presentes no satélite TERRA capturaram imagens estereoscópicas entre os anos de 2000 e 2010, atuando nas bandas da faixa do infravermelho próximo. O GDEM é o modelo mais completo da superfície da Terra, cobrindo 99% de sua superfície emersa, entre as latitudes de 83° N e 83° S (Celestino e Philips, 2016; Santos et. al., 2016).
O ASTER GDEM v.2 é disponibilizado pelo USGS EarthExplorer no formato de imagem GeoTIFF em recortes geográficos de 1º x 1º, com resolução espacial de 1 arco-segundo (cerca de 30 metros próximo à linha do equador). Os arquivos estão no sistema de referência de coordenadas geográficas WGS 84, tendo como referencial altimétrico o modelo geoidal EGM96 (USGS, 2014).
Segundo Tachikawa et. al. (2011), o ASTER GDEM v.2 possui uma acurácia vertical absoluta de 17 metros com 95% de nível de confiança. Os autores comprovaram também que em áreas de floresta os valores do modelo estão cerca de 8 metros acima da referência correta e em áreas de solo exposto o modelo tende a estar 1 metro abaixo da referência.
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REFERÊNCIAS
Celestino, V. S. & Philips, J. W. (2016) ‘Avaliação altimétrica SRTM e ASTER GDEM em áreas de relevos diferenciados’, Revista Brasileira de Cartografia, 68, pp. 15 – 42.
DSG – Diretoria do Serviço Geográfico do Exército. “Especificação Técnica para Produtos de Conjuntos de Dados Geoespacias (ET-PCDG).” 1. Ed., 2. Rev. Brasília, DF, 2015.
DSG – Diretoria do Serviço Geográfico do Exército. “Especificação Técnica de Controle de Qualidade de Dados Geoespaciais (ET-CQDG).” EB80-N-72.004, 1. Ed. Brasília, DF, 2016.
Elkhrachy, I. (2017). Vertical accuracy assessment for SRTM and ASTER Digital Elevation Models: A case study of Najran city, Saudi Arabia. Ain Shams Engineering Journal.
Forkuor, G., & Maathuis, B. (2012). Comparison of SRTM and ASTER derived digital elevation models over two regions in Ghana-Implications for hydrological and environmental modeling. In Studies on environmental and applied geomorphology. InTech.
Józsa, E., Fábián, S. Á., e Kovács, M. (2014). An evaluation of EU-DEM in comparison with ASTER GDEM, SRTM and contour-based DEMs over the Eastern Mecsek Mountains. Hung. Geog. Bull, 63, 401-423.
LP DAAC. NASA (2014) ‘Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Version 3.0 Global 1 arc second Data Released over Europe, North America, and South America.’ Available in: https://lpdaac.usgs.gov/about/nasa_shuttle_radar_topography_mission_srtm_version_30_global_1_arc_second_data_released_over (Acessed: 27 April 2018).
França, L. L. S. D., Penha, A. D. L. T. D., & Carvalho, J. A. B. D. (2019). Comparison between Absolute and Relative positional accuracy assessment-a case study applied to Digital Elevation Models. Boletim de Ciências Geodésicas, 25. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/332511972_Comparison_between_absolute_and_relative_positional_accuracy_assessment-a_case_study_applied_to_digital_elevation_models
de França, L. L. S., de Almeida, A. D. O., & da Penha, A. D. L. T. (2017). Avaliação da qualidade dos modelos digitais de elevação Aster e SRTM para o Estado da Bahia. Revista Brasileira de Cartografia, (69/9), 1677-1686. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/327879837_AVALIACAO_DA_QUALIDADE_DOS_MODELOS_DIGITAIS_DE_ELEVACAO_ASTER_E_SRTM_PARA_O_ESTADO_DA_BAHIA_Quality_Control_of_ASTER_and_SRTM_Digital_Elevation_Models_for_the_Brazilian_state_of_Bahia
Gomes, Francisco Roberto da Rocha. “Avaliação de Discrepância entre Superfícies no Espaço Tridimensional.” Dissertação de Mestrado, Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, 2006.
Santos, A. D. P., das Graças Medeiros, N., dos Santos, G. R., & Rodrigues, D. D. (2016). Avaliação da acurácia posicional planimétrica em modelos digitais de superfície com o uso de feições lineares. Boletim de Ciências Geodésicas, 22(1), 157.
Tachikawa, T., Kaku, M., Iwasaki, A., Gesch, D. B., Oimoen, M. J., Zhang, Z., … & Abrams, M. (2011). ASTER global digital elevation model version 2-summary of validation results. NASA.
USGS – United States Geological Survey (2014) ‘ASTGTM: ASTER Global Digital Elevation Model V002.’ U.S./Japan ASTER Science Team. Available in: https://lpdaac.usgs.gov/node/1079 (Acessed: 27 April 2018).
USGS – United States Geological Survey (2015) ‘Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 1 Arc-Second Global.’ Available in: https://lta.cr.usgs.gov/SRTM1Arc (Acessed: 27 April 2018).
