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ESTUDO DE ESTABILIDADE DE ENCOSTA AO LONGO DE TRAÇADOS DE RODOVIAS UTILIZANDO ATRIBUTOS ESPACIAIS DE IMAGEM DE SATÉLITE Mattos, J.T. de Faculdade de Engenharia UNESP Guaratinguetá, Guaratinguetá, SP, Brasil, jjttmm@hotmail.com Oliveira,L.E. Faculdade de Engenharia UNESP Guaratinguetá, Guaratinguetá, SP, Brasil, leduardo@feg.unesp.br Santana, M.A. IMAGEM – Soluções de Inteligência geográfica, São José dos Campos, SP, Brasil, msantana@img.com.br Souza, N.O.L Faculdade de Engenharia UNESP Guaratinguetá, Guaratinguetá, SP, Brasil, nathália_loyola@hotmail.com

Resumo: O presente trabalho apresenta um procedimento metodológico para interpretação de imagens do satélite Landsat7 ETM+, para avaliação de instabilidades de taludes devido à fatores geológico-estrutrais e ações antrópicas. Também essa metodologia enfatiza a avaliação das principais descontinuidades geológicas (fraturamentos), as quais corroboram na deflagração dos escorregamentos de massa e no aceleramento dos processos de alteração e estabilidade dos maciços rochosos. Esse estudo foi realizado em parte da porção sudeste do Brasil (Vale do Paraíba, serras da Mantiqueira e do Mar, incluindo o Litoral Norte Paulista, no eixo Rio – São Paulo). Como resultado final, elaborou-se um mapa síntese (Unidades Geoambientais/Isovalores de densidade e cruzamentos de Lineamentos Estruturais) onde se poderá estabelecer fatores de risco à instabilidades regionais de taludes de corte. Abstract: This paper presents a methodological procedure for interpretation of satellite images from Landsat-TM, for evaluation of instability of slopes due to geological factors, structures and human actions. Also this approach emphasizes the assessment of the main geological discontinuities (fractures), which confirm the outbreak of the slip mass and acceleration of the processes of change and stability of solid rock. This study was conducted in the southeastern portion of Brazil (Vale do Paraíba, Mantiqueira the mountains and the Sea, including the northern coast of São Paulo, in Rio - São Paulo). As a result, produced is a summary map (unit Geoambientais / Isovalores density and cross-structural lineaments) which may be risk factors to the regional instability of cut slopes.

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1 INTRODUÇÂO Nas regiões tropicais e subtropicais os maciços rochosos estão sujeitos a um intenso processo de intemperismo químico, o que resulta em profundos perfis de alteração, onde cada horizonte apresenta características próprias.Nesses materiais, embora intensamente decompostos, ainda estão presentes as descontinuidades estruturais herdadas da rocha parental.

Nesta última década tem havido um crescimento da utilização da geologia estrutural aplicada a obras de engenharia, e muitos são os trabalhos que visam avaliar o comportamento das estruturas geológicas oriundas de processos deformacionais dúcteis e rúpteis.

No caso de obras de engenharia lineares, como rodovias, ferrovias, gasodutos, oleodutos integrados, estudos geológicos estruturais detalhados, tornam-se muitas vezes inviáveis devido a fatores econômicos e de tempo. Nessas obras, muitas vezes se faz necessário o estabelecimento de modelos regionais que possam dar uma visão global e significativa dos traçados propostos.

Sob esse ponto de vista, o uso de técnicas de Sensoriamento Remoto Orbital têm dado forte subsídio ao estudo de Estabilidade de Talude Naturais e de Corte.

Esse trabalho teve como objetivos estudar as causas das instabilidades de taludes devido à fatores geológico-estrutrais e ações antrópicas; avaliar a influência das rochas na Estabilidade de Taludes sob o ponto de vista regional, usando-se de imagens do satélite Landsat7 ETM+.

A área de estudo localiza-se no extremo leste do estado de São Paulo, estando seus limites entre as coordenadas 22º45’S - 24º00S e 45º00W- 46º15W’ correspondendo parte do Vale do Paraíba e partes das serras do Mar e Mantiqueira, no Estado de São Paulo. 2 METODOLOGIA Esse trabalho teve um cunho acadêmico-experimental no sentido de avaliar os atributos espaciais (texturais) das imagens para a extração das estruturas geológicas: juntas e falhas e suas relações com os processos de escorregamentos e erosivos em taludes de corte.

O procedimento metodológico inicial e primordial foi a escolha de qual imagem era mais apropriada para a pesquisa, não só na definição de quais bandas deveriam ser utilizadas,mas qual seria a melhor época do ano para se obter uma cena com ângulos de elevação solar e azimutal mais apropriados para realçamento das estruturas geológicas em função da orientação preferencial do relevo, que na área é na direção nordeste.

Selecionou imagens multiespectrais de satélite, Landsat 7 ETM+, escala 1:100.000, banda pancromática, classificada pela órbita/ponto-quadrante 218/076-C, passagem 03 de julho de 2000, apresentando elevação solar 30° e azimute 42° e resolução espacial de 15m.

Os procedimentos Analíticos e Interpretativos do Meio Físico foram a partir de elementos texturais (drenagem e relevo) e suas propriedades nas imagens. Estes elementos são definidos como a menor superfície continua e homogênea distinguível na imagem e passível de repetição.

Em sequência fez-se uma adequação do Mapa de Unidades Geoambientais pré-existente e elaborado pelos autores com a finalidade de associar as principais estruturas geológicas da área e assim poder definir áreas equivalentes a processos de instabilidade de taludes. Neste momento também procurou sistematizar e caracterizar os diferentes modelos de escorregamentos, em função das estruturas geológicas (foliações, fraturas: juntas e falhas/lineamentos estruturais).

Na sequência dos procedimentos interpretativos partiu para extração, análise e interpretação da estruturas geológicas. Como resultados elaborou mapas de Lineamentos Estruturais (falhamentos) e seu Isovalores de Freqüência e de Cruzamentos e, mapas de Traços de Juntas e seus Máximos 1 e 2 incluindo Zonas de Variações desses Máximos 1 e 2.

Selecionou trechos das rodovias dos Tamoios SP-99 e Oswaldo Cruz SP-125 transversais às principais estruturas geológicas, para identificação dos tipos de escorregamentos de talude de corte e seus estágios evolutivos. Usou-se GPS de navegação para registro dos dados. De posse das principais informações estruturais, estabeleceu o tipo de escorregamento que ocorria na área, seus estágios evolutivos e principalmente, quais eram as direções responsáveis pelo processo de movimento de massa em taludes. Fez-se a documentação fotográfica e os devidos registros em GPS para ilustração dos processos de instabilidade, e suas posteriores localizações visando acompanhamento evolutivo.

Finalmente elaborou-se mapas temáticos e um mapa Integrado onde reúne todas as informações obtidas e avaliadas com vasta documentação de campo no relatório elaborado. 3. DISCUSSÃO DE RESULTADOS Nossa discussão dos resultados inicia com os isovalores de Densidade e Interseção de Lineamentos (Figuras 1e 2, respectivamente) que mostram a intensidade de rompimento que a região esteve sujeita, e que agora, representam descontinuidades de intensa variação de tensão, o que torna a área muito mais vulnerável a qualquer

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processo de movimento de massa. As Figuras 1 e 2, resultado de tratamento

estatístico (isovalores), permitem visualizar e individualizar as regiões mais críticas dessas descontinuidades. Nas áreas de maiores isovalores (áreas mais escuras/vermelhas no mapa), existem maiores probabilidades de ocorrerem os eventos erosivos e de movimento de massa. Portanto, esses mapas por si só são de extrema valia em um projeto de planejamento de traçado de rodovias, multidutos ou outra obra de arte de maior porte, visto que os mesmos indicam toda a estabilidade do meio.

Figura 1 – Mapa de Isovalores de Densidade de Lineamentos Estruturais. Dados temáticos extraídos do mapa de densidade de lineamentos. Áreas mais escuras/vermelhas indicam concentração na densidade de lineamento (áreas mais críticas).

Figura 2 – Mapa de Isovalores de Interseção de Lineamentos Estruturais. Dados temáticos extraídos do mapa de cruzamentos dos lineamentos extraídos.

Áreas mais escuras/vermelhas, indicam concentrações regionais de interseção de Lineamentos (áreas mais críticas).

Quanto aos resultados do mapeamento de traços de juntas, eles permitiram verificar que realmente a área em seu processo deformacional teve um comportamento eminentemente rúptil. Neste caso, as juntas representam descontinuidades na crosta terrestre, sem movimento relativo aparente, porém, na maioria das vezes, são abertas, formam série, sistemas e sistemas conjugados. Na presente pesquisa, devido à intensa densidade dessas estruturas, apenas foram utilizadas as duas direções máximas de rompimento. E a partir dessas duas direções, procurou estabelecer suas variações locais, visto que, essas variações representam zonas de maior tensão, e conseqüentemente, rompimento da crosta (Figura 3).

Figura 3 – Mapa de Zonas de Variação e Eixos de Máximos 1 e 2. Dados temáticos extraídos de imagem Landsat a partir do mapa de fraturamento da área de estudos. Máximos 1 : vermelho e Máximos 2: verde. Destaca-se que essas zonas de variação de máximo são regiões intensamente rompidas, com forte circulação de água, ambiente oxidante, o que origina as zonas intensamente lixiviadas, erodidas e se o relevo for acidentado, processos de escorregamentos muito acentuados. Por outro lado, os eixos indicadores de um dos máximos, sinalizam uma possível anisotropia nessa direção, que deve ser evitada qualquer interceptação das mesmas por obras de engenharia.

A associação dos mapas derivados dos lineamentos estruturais e traços de juntas com o Mapa de Unidades Geoambientais pré-existente elaborou um Mapa de Instabilidade Regional (Figura 4) de forma ilustrar a tendência regional de instabilidade dos maciços. Esse Mapa de Unidades Geoambientais visa também atender a múltiplos usos rearranjando-se as propriedades analisadas e

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lhes dando valores adequados de importância para cada uso específico.

Para o caso do estudo de instabilidade as prioridades com respectivos pesos e porcentagens foram:Anisotropia-1,50(50%), Plasticidade/Ruptibilidade-1,35(35%), Grau de Alterabilidade-1,20(20%) e Assimetria de Relevo-1,00 (0,5%).

. Figura 4 – Mapa Instabilidade Regional As análises de campo, das estruturas e da estabilidade de taludes, realizada nas rodovias Oswaldo Cruz (Taubaté – Ubatuba) e dos Tamoios (São José dos Campos – Caraguatatuba) visou uma avaliação qualitativa e quantitativa dos mapeamentos realizados com o uso de imagens Landsat.

Neste sentido, pode-se observar que todas as estruturas mapeadas nas imagens foram confirmadas nos afloramentos e que, dois sistemas de foliação são predominantes. Uma foliação metamórfica, que varia entre N30°-50°W mergulhando 40ºSE e 40°NW, o que confirma grandes dobramentos flexurais do final do cisalhamento, Figura 5 A segunda, foliação cataclástica resultado de uma tectônica direcional cisalhante, com direção N60E mergulhando 45SE e 85°NW, o que caracteriza um outro dobramento flexural ortogonal ao primeiro.

Figura 5 - Exemplo de Dobramentos Flexurais e Juntas Verticais. Local: Rodovia dos Tamoios, km 17. Rumo da foto : 60. Quanto as juntas, elas foram encontradas em várias direções, sempre num total de cinco direções, formando sistemas e sistemas conjugados que dão origem e favorecem um tipo especial de escorregamento de taludes de corte. Pôde-se confirmar que dos quatro modelos clássicos de ruptura de taludes em maciços rochosos, apenas o do tipo Ruptura em Cunha, foi encontrado em toda a região estudada, porém apresentando estágios evolutivos de escorregamentos distintos. Esses estágios foram interpretados, ora devido ao tipo litológico predominante associado a regiões com maior precipitação, ora devido a interferência da foliação da rocha concordante ou não com o corte de talude. Embora 90% dos afloramentos visitados representam Rupturas em Cunha, acreditamos que alguns deles podem ser sistemas híbridos associados à Rupturas Planares e Tombamento. Como exemplo destes tipos de ruptura, temos na Rodovia Oswaldo Cruz, região Bairro do Paiol (Município de Taubaté), dois sistemas de juntas (N40°W/70°SW e N40°E/85°NW) e (N30°W/80°SW e N60°E/80°SW), que são os responsáveis pelos escorregamentos tipo Cunha, visto que o corte de talude foi realizado paralelo a foliação cataclástica. Aí ocorrem quedas de blocos nos planos de junta (sistema) e escorregamentos ao longo da foliação. Na mesma estrada acima mencionada, já na região próxima a São Luís do Paraitinga, a Ruptura em Cunha ocorre ao longo das duas direções (N75°W/S.V. e N70°E/75°SE). Como uma terceira direção de junta N40°E ocorre na bissetriz entre as duas primeiras e, perpendicular ao corte do talude, o que se verifica é uma intensa erosão com incisão vertical profunda ao longo dessa última direção, que evolui para anfiteatros com quedas de blocos. A formação desses anfiteatros é corroborada pelo tipo

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de rocha aí existente, que são gnaisses, pegmatóides com grande quantidade de material argiloso. Um outro exemplo que merece destaque, também na região de São Luís do Paraitinga, próximo a ponte do rio Paraitinga, são os escorregamento do tipo Ruptura em Cunha provocados pelo diedro de juntas N80°E/65°NW e N25°W/80°SW. Nesses escorregamentos, o que se percebe, que uma outra direção de junta N40°W/65°NE é a responsável por toda movimentação de massa originada nas juntas do diedro. Exemplo de diedro na Figura 6. Também uma outra direção de junta N30°E/80°NW, perpendicular ao talude de corte e bissetriz do diedro, é a responsável pelo início do processo erosivo de incisão vertical. Nesta região podemos verificar tanto o estágio inicial de escorregamento, até os estágios finais de queda de blocos associados a fluxo de massas.

Figura 6 – Exemplo de um diedro de rompimento. Rodovia dos Tamoios, km 34.

Na rodovia dos Tamoios, junto à cidade de Paraibuna o tipo de escorregamento Ruptura em Cunha é o predominante (Figura 7) e aí, o plano de incisão erosivo vertical encontra-se na direção N40°E/SV e o diedro de rompimento e quebra, nas direções N20°W/45°SW e S70°E/80°NE. Inicia-se neste local o sistema de quedas das colunas prismáticas originadas pela direção N40°E, na forma de blocos que vão dando lugar a anfiteatros que adentram o corte de talude. Deve-se destacar que os escorregamentos, só não são maiores com grande movimentação de massa, devido ao plano de corte de talude se encontrar na direção NS/55°E (paralelos a foliação). Nesta localidade, podemos considerar um dos maiores exemplos típicos da influência da interseção dos planos de juntas, associados as direções dos cortes de talude, que

podem minimizar os fenômenos de escorregamento ou, transformar a área de altos riscos a desmoronamentos.

Figura 7 – Escorregamento tipo Ruptura em Cunha. Rod. Dos Tamoios, Município de Paraibuna. Exemplo do tipo de escorregamento que ocorre em praticamente toda a área analisada.

Para o estudo do tipo de Instabilidade Identificada e seus Estágios Evolutivos os trabalhos de campo se concentraram nas rodovias SP-99 ( dos Tamoios) e SP-125 (Oswaldo Cruz). Essa escolha fez com que praticamente só se observasse um tipo de instabilidade, o Escorregamento tipo Ruptura em Cunha. Essa particularidade fica evidente pelos traçados das estradas, pois ambos cortam a Anisotropia predominante da região (N70°E) ortogonalmente ou obliquamente.

A instabilidade se inicia por uma incisão vertical profunda, gerada pela formação de trends devido à forte anisotropia regional, seguida de um processo erosivo dado no diedro de rompimento (falhas em duas direções), gerando um colapso nas cabeceiras formando um anfiteatro e queda de bloco. A evolução dessa etapa é diretamente proporcional à densidade de lineamentos estruturais e de seus cruzamentos, bem como as zonas de variação de máximos 1 e 2. Como última etapa tem-se a evolução para um colapso total da instabilidade devido ao Grau de Alterabilidade do maciço. Sendo que esse colapso pode nem chegar a acontecer caso o maciço já tenha sofrido grandes alterações anteriores ao corte do talude.

As fotos feitas nas estradas ilustram essa instabilidade predominante e alguns de seus estágios.

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A Figura 8 ilustra o processo inicial da instabilidade, sendo possível identificar as incisões verticais causadas pela anisotropia, numa série bem regular e abaixo da vegetação. Acima da vegetação temos outro tipo de material, que indica que a evolução do processo erosivo está, também, ligado a resistência e competência da rocha.

Na Figura 9 a incisão vertical atinge toda a altura do talude, o material no plano de corte aparenta boa resistência, de modo que o anfiteatro se encontra bem no topo do talude, no material mais alterado.

Na Figura 10 vê-se as incisões verticais, responsáveis pelo início da instabilidade, desenvolvendo-se ao longo da foliação. Não há grandes quedas de bloco.

Figura 8 – Rod. Dos Tamoios km 27. Rumo: 35. Na Figura 11 há presença das incisões verticais, porém, o tipo de instabilidade não é típico para as condições presentes na análise. O desmoronamento se dá em dois planos de falha.

A Figura 12 mostra um colapso de blocos no diedro de rompimento, porém em uma região que não é um trend, pois o evento é isolado no talude que se encontra preservado em toda sua extensão. O material apresenta Resistência à Erosão média, e acredita-se que a vertente esteja entre um alto e um baixo estrutural.

Na Figura 13, tem-se mais uma evidência de estágio inicial de instabilidade, no entanto, ocorrendo paralelamente à estrada (corte do talude), por isso escorregamento no plano do talude. É o mesmo princípio que ocorre em toda área comumente perpendicular ao corte do talude.As Figuras 14 e 15 mostram o processo inicial acompanhado do diedro de rompimento seguido do anfiteatro.

Figura 9– Rodovia dos Tamoios km 48,5. Rumo: 225

A Figura 16 exibe um caso onde se pode compreender que o processo que deflagra a instabilidade típica regional ocorre também em rochas frescas ou pouco alteradas. As juntas verticais são as feições que evoluem, no solo, para inicio da instabilidade, ou seja, a erosão causada pela incisão vertical. No caso, tem-se a foliação paralela à estrada e falhas formando uma série com espaçamento de um metro aproximadamente.

A Figura 17. Solo vermelho rico em ferro, denotando um ambiente oxidante, num alto estrutural. A evolução da erosão faz com que haja coalescência entre os anfiteatros levando à um colapso total do talude.

Figura 10 - Rodovia dos Tamoios, km 57. Rumo: 230

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As Figuras 18 e 19, mostram o recuo dos anfieatros e as estruturas colunares a frente. Seu material é mais resistente e por isso essas estruturas permanecem pouco alteradas fora do ponto onde foram afetadas pela incisão vertical.

Figura 11 – Rod. dos Tamoios, km 42. Rumo 210.

Figura 12 – Rod. dos Tamoios, km 37. Rumo 235.

Figura 13- Rod. Oswaldo Cruz, km 15,Rumo: 50.

Figura 14– Rod. Oswaldo Cruz, km 21. Rumo 335.

Figura 15– Ilustração da figura anterior. Os eixos vermelho e laranja indicam as duas direções de rompimento, que iniciam a queda de bloco e a formação do anfiteatro. O eixo azul, mostra a incisão vertical, que no caso forma uma série regular de espaçamento médio de 20 cm. A instabilidade

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também se repete numa série (trend).

Figura 16 – Rod. Oswaldo Cruz, km 43

Figura 17 – Rod. Oswaldo Cruz, km 34. Rumo: 215

Figura 18 – Rod. Oswaldo Cruz, km 39. Rumo 265

Figura 19 - Ilustração da figura anterior. AT – Anfiteatro; EC – Estrutura Colunar. 4. CONCLUSÃO O uso de produtos de Sensoriamento Remoto Orbital como foi o caso das Imagens Landsat ETM+ no estudo de planejamento de traçado e manutenção de estradas, ainda no Brasil é pouco utilizado e quase nenhuma pesquisa tem sido feita no sentido de estudar regionalmente os possíveis processos erosivos causados pela construção das rodovias, principalmente, nos seus cortes de talude.

A sistemática adotada neste trabalho, que visou a avaliação do comportamento estrutural na estabilidade de talude, mostrou-se extremamente promissora.

A compartimentação da área em Unidades Geoambientais e suas propriedades, permitiu a priori definir quais são as regiões (unidades) mais susceptíveis a processos erosivos devido à sua composição mineralógica e agregação das partículas (tipos de rochas com alterabilidades diferentes).

Já com a associação dos isovalores de lineamentos estruturais com as zonas de variação de máximos de fraturamentos, quando superpostos as unidades geoambientais, pode estabelecer um diagnóstico regional da maior probabilidade de ruptura decorrentes da distribuição espacial das descontinuidades dos maciços rochosos.

Os estudos de campo permitiram constatar que tanto os tipos litológicos, quanto as diversas direções dos diedros de juntas e dos locais de maior cruzamento de lineamentos, apresentam uma relação direta entre a instabilidade das encostas e a distribuição espacial dessas feições.

É preciso frizar que a escala utilizada para este trabalho não admite afirmações sobre pontos isolados, permitindo apenas estimativas regionais. Trabalhos de precisão para uso na engenharia demandam escalas maiores e, se possível, resoluções espaciais maiores nos produtos de

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sensoriamento remoto utilizados. O trabalho, embora apresenta dados conclusivos,

ainda necessita de maiores investigações de campo para que se possa estabelecer uma sistemática do uso de Sensoriamento Remoto em anteprojetos e projetos técnicos e ambientais para traçado e manutenção de rodovias em terrenos acidentados de clima tropical. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aliyev, A. Regional fracturing of the Pamirs and its

mettalogenic significance. Doklady Akad. Nauk. SSSR, Moscou, v.250 : p. 90-93, 1980.

Almeida, F. F. M. de Fundamentos geológicos do relevo paulista. Bol. Inst. Geogr. Geol., Vol. 41, p. 169-263, 1964.

Alvarenga, M. M. : Do Carmo, J. C. Alguns Problemas de estabilidade de taludes de corte em materiais residuais de rocha gnáissica. In: Congresso Brasileiro De Geologia De Engenharia, 1, 1976, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: ABGE, 1976. V.1, p. 117-129.American Society Os Photogrammetry (Asp). Manual of Remote Sensing. Falls Church: Sheridan Press, 1975, 2v.

Augusto Filho, O. Caracterização Geológico-geotécnica voltada à estabilização de encostas: uma proposta metodológica. In: Conferência Brasileira Sobre Estabildade De Encostas, 1, 1992, Rio de Janeiro. Anais. Rio de Janeiro: ABGE, 1992 v.2, p 721-733.

Florenzano, T. G. ; 1993 Unidades geomorfológicas da Região Sudeste (SP) identificadas por imagens de satélite. Tese de Doutorado em Geografia, Departamento de Geografia. São Paulo. FFLCH/USP, 1993. 164p.

Mattos J. T. de; Jimenez, J.R.R.. Uso de sensoriamento remoto no zoneamento agroecológico da região da Serra do Mar no Estado de São Paulo. In: IV Simpósio Latino-americano de Percepcion Remota. Anais, Tomo 1 p. 135-140. San Carlos de Bariloche (Argentina). 1989.

Novo, E.M.L. de M.; “ Sensoriamento Remoto : princípios e aplicações”. São Paulo, Ed. Blucher Ltda, 1989, 230 pags.

Vedovello, R.; Zoneamento Geotécnico, por sensoriamento remoto, para estudos de planejamento do meio físico – aplicação em expansão urbana. (Dissertação de Mestrado em Sensoriamento Remoto) – Instituto nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, INPE, 1993. 73p.

Ohara, T. Zoneamento Geoambiental da Região do Alto-Médio Paraíba do Sul (SP) com Sensoriamento Remoto. Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Instituto de

Geociências e Ciências Exatas. Unesp – Campus de Rio Claro, 1995.

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