Técnicas de teledeteção de alta resolução aplicadas à monitorização 3D de arribas litorais

234 Pages·2016·16.85 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS

Técnicas de teledeteção de alta resolução aplicadas à
monitorização 3D de arribas litorais: adequabilidade,
modelação da informação e resultados

Doutoramento em Ciências Geofísicas e da Geoinformação
Especialidade em Engenharia Geográfica

Rita Martins Henriques Matildes

Tese orientada por:
Professora Doutora Paula Redweik
Professor Doutor Fernando Marques

Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor

2016

UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS

Técnicas de teledeteção de alta resolução aplicadas à
monitorização 3D de arribas litorais: adequabilidade,
modelação da informação e resultados

Doutoramento em Ciências Geofísicas e da Geoinformação
Especialidade em Engenharia Geográfica

Rita Martins Henriques Matildes

Tese orientada por:
Professora Doutora Paula Redweik
Professor Doutor Fernando Marques

Júri:
Presidente:
● Doutor João Carlos da Costa Catalão Fernandes
Vogais:
● Doutor José Juan de Sanjosé Blasco
● Doutor José Alberto Alvares Pereira Gonçalves
● Doutor Cesar Augusto Canelhas Freire de Andrade,
● Doutora Paula Maria Ferreira de Sousa Cruz Redweik
● Doutor Fernando Manuel Silva da Fonseca Marques
● Doutor João Manuel Calvão Rodrigues

Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor

Fundação para a Ciência e Tecnologia, no âmbito da Bolsa de Doutoramento com a referência
SFRH/BD/72744/2010
2016

Resumo/Abstract

Resumo
A costa continental portuguesa estende-se ao longo de cerca de 1000 km e caracteriza-se por zonas de praias
de areia intercaladas por arribas rochosas. Todo o litoral alberga importantes atividades económicas, sendo
uma região de constante crescimento populacional e consequente pressão paisagística.
O conhecimento acerca dos fenómenos erosivos que atuam no litoral reveste-se cada vez de maior
importância devido à utilização intensiva destas zonas. Tanto no litoral arenoso baixo como no litoral rochoso
de arriba, a erosão reflete-se no recuo da linha de costa. No litoral arenoso esse recuo é muito visível por se
refletir na diminuição das faixas arenosas disponíveis, em alguns locais atuando sobre estruturas de apoio às
atividades balneares e mesmo já sobre alguma ocupação urbana. No litoral rochoso de arriba, a erosão
provoca igualmente o recuo do terreno mas, neste caso, através de queda de material da crista e faces das
arribas, eventos que, ao longo dos diversos setores costeiros de arriba, ocorrem com uma distribuição não
homogénea no espaço e no tempo.
Esta expressão do fenómeno de movimentos de vertente em arribas torna a compreensão do seu
comportamento num tema de investigação complexo, que tem de lidar com muitas variáveis, desde as ligadas
à morfologia das arribas onde se inclui o seu declive acentuado, muitas vezes vertical, a fatores externos como
eventos meteorológicos extremos e atuação da agitação marítima, até fatores intrínsecos como a natureza e
estrutura dos materiais geológicos. Por este motivo, a literatura científica sobre instabilidades em arribas
rochosas continua a ser reduzida. No entanto, nos últimos anos tem sido desenvolvido um trabalho mais
aprofundado sobre esta temática, principalmente na área das técnicas de deteção remota para monitorização
das arribas, em particular a aplicação de fotogrametria terrestre e aérea, e laser scanning.
Neste trabalho apresentam-se as diferentes técnicas utilizadas na monitorização de arribas e faz-se uma
avaliação da sua aplicabilidade, eficácia, processamento de dados, exequibilidade dentro do contexto da
monitorização do litoral e dos produtos finais que podem ser derivados de cada uma. As técnicas terrestres
são apresentadas em detalhe neste trabalho com base em casos de estudo no litoral oeste da costa
portuguesa, verificando-se que constituem garantidamente uma mais-valia sobre os levantamentos de campo
geológicos tradicionais. Foram desenvolvidas metodologias e algoritmos inovadores para automatização de
cálculos de variáveis morfológicas das arribas. Os dados que se obtiveram a partir da aplicação de técnicas de
elevada resolução permitiram avançar significativamente na determinação de aspetos fundamentais para a
caracterização, registo e análise estatística do fenómeno de instabilidades em arribas.
As autoridades com jurisdição no litoral poderão certamente beneficiar com os resultados obtidos neste
trabalho e ainda com a introdução e aplicação destas técnicas no seu fluxo de trabalho, podendo assim
melhorar a fundamentação dos processos de tomada de decisão.

Palavras-chave: monitorização, monitorização 3D, técnicas terrestres, arribas litorais, nuvens de pontos.

i

Resumo/Abstract

Abstract
The Portuguese coast extends over about 1000 km and is characterized by sandy beach areas interspersed
with rocky cliffs. The whole coast hosts important economic activities, being a region of constant population
growth and landscape changes.
Knowledge about the erosive phenomena that act on coastlines is of high importance due to the intensive use
of these areas. The effects of erosion on both low sandy and rocky cliffs coastlines are reflected in the retreat
of these coastlines. In the case of the sandy coasts, this retreat is very visible due to the reduction of the
available sand in beaches, and in some places, with the sea destructive action acting upon beach activities
support structures and on urban areas. In the rocky cliffs coastline the erosion phenomena also causes land
loss but in this case through the fall or slide of materials from cliff top and faces, events which occur with a
non-homogeneous distribution in space and time over the various cliff sections of the Portuguese coastline.
This expression of the phenomena of cliff instability make the understanding of their behavior a complex
research theme, which has to deal with numerous variables like those linked to the morphology of the cliffs
which includes its steep slopes, external factors such as extreme weather events and direct action of sea
waves, and intrinsic factors such as the nature and structure of geological materials. For this reason, the
scientific literature on instabilities in rocky cliffs remains scarse. However, in recent years some work has been
developed on this subject, especially in the area of remote sensing techniques for monitoring the cliffs
evolution, in particular with the application of terrestrial and aerial photogrammetry and laser scanning
techniques.
This work approaches the different techniques used in monitoring cliff evolution and evaluates each technique
for its applicability, efficiency, data processing, feasibility within the context of monitoring and end products
or deliverables that may be derived from each method. Terrestrial techniques are presented in detail based
on case studies on the Portuguese west coast, which provided advantages over traditional geological field
surveys. Innovative methodologies and algorithms were developed for the automatic calculation of geometric
characteristics of the cliffs and of their evolution. The data obtained whith the application of high resolution
techniques allowed significant progress in assessing fundamental aspects for the characterization, registry and
statistical analysis of the instability phenomena on coastal cliffs.
The authorities having jurisdiction on the coast will certainly benefit from the results of this work and with the
introduction and application of these techniques in their workflow, enabling them with better support for their
decision-making processes.

Keywords: monitoring, 3D monitoring, terrestrial techniques, coastal cliffs, point clouds.
iii

Índice

Índice

Resumo ................................................................................................................................................................ i
Abstract ............................................................................................................................................................. iii

Índice de Figuras ................................................................................................................................................. v

Índice de Tabelas ............................................................................................................................................. xiii

Agradecimentos ................................................................................................................................................ xv

1. Introdução ................................................................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento ............................................................................................................................................ 2
1.2 Considerações iniciais ................................................................................................................................... 6
1.3 Contribuição do trabalho .............................................................................................................................. 6
1.4 Estrutura do trabalho .................................................................................................................................... 7

2. Estado da Arte .......................................................................................................................................... 9

3. Técnicas utilizadas na monitorização de arribas ..................................................................................... 13
3.1 Fotointerpretação ....................................................................................................................................... 13
3.2 Fotogrametria Aérea ................................................................................................................................... 15
3.2.1 Comparação Fotointerpretação vs. Fotogrametria aérea para inventariação multi-temporal de
movimentos de vertente ........................................................................................................................ 15
3.3 Fotogrametria Terrestre ............................................................................................................................. 27
3.4 Laser scanning Terrestre ............................................................................................................................. 32
3.5 Imagem hiperespectral ............................................................................................................................... 33

4. Metodologias e algoritmos desenvolvidos ............................................................................................. 37
4.1 Produção e processamento de nuvens de pontos ...................................................................................... 37
4.1.1 Definição de nuvem de pontos ...................................................................................................... 37
4.1.2 Representação de superfícies de arriba por nuvens de pontos ..................................................... 37
4.1.3 Deteção de alterações morfológicas usando nuvens de pontos ................................................... 38
i
4.1.4 Algoritmos para determinação de diferenças entre nuvens de pontos ........................................ 39
4.1.5 Nuvens de diferenças: resultado da comparação de nuvens sucessivas ...................................... 42
4.2 Determinação de volumes a partir de nuvens de pontos .......................................................................... 44
4.2.1 Determinação de clusters ............................................................................................................. 46
4.2.2 Cálculo de volumes, áreas e dimensões ....................................................................................... 51
4.3 Determinação de fatores de predisposição à ocorrência de movimentos em arribas a partir de nuvens de
pontos .................................................................................................................................................... 63
4.3.1 Declives ......................................................................................................................................... 63
4.3.2 Exposição ...................................................................................................................................... 63
4.3.3 Resistência dos materiais (distâncias C2M) .................................................................................. 65

5. Exploração das técnicas para monitorização, inventariação e modelação de movimentos em fachadas
de arribas ............................................................................................................................................... 67
5.1. Monitorização de arribas .......................................................................................................................... 67
5.1.1 Levantamento ............................................................................................................................... 67
5.1.2 Comparação laser scanning vs. fotogrametria terrestre............................................................... 70
5.1.3 Deteção de alterações entre épocas de observação .................................................................... 73
5.1.3.1 Praia da Bafureira ....................................................................................................... 74
Resultados da evolução das arribas entre Março de 2012 e Outubro de 2014 ..................... 78
5.1.3.2 Praia do Porto da Calada ............................................................................................ 93
Resultados da evolução das arribas entre Julho de 2012 e Julho de 2013 ............................. 98
5.1.3.3 Praia de São Bernardino ........................................................................................ 104
Resultados da evolução das arribas entre Outubro de 2012 e Março de 2014 ................... 105
5.2 Inventariação de movimentos.................................................................................................................. 114
5.3 Modelação de blocos rochosos ................................................................................................................ 124
5.4 Levantamento de zonas inacessíveis ........................................................................................................ 130
5.4.1 Orientação das imagens e geração da nuvem de pontos ........................................................... 137
5.4.2 Avaliação da qualidade do produto geométrico ......................................................................... 138
Discussão ............................................................................................................................................. 140

6. Suscetibilidade à ocorrência de movimentos em fachadas de arribas – Caso de estudo de Ribeira de
Ilhas ..................................................................................................................................................... 143
6.1. Zona de estudo ....................................................................................................................................... 144
6.2 Monitorização por fotogrametria terrestre analógica e digital: 1999 a 2014 .......................................... 145
6.2.1 Recuperação da geometria de fotografias analógicas ................................................................ 145
6.2.2 Processamento fotogramétrico dos levantamentos fotográficos ............................................... 148