Adriano Rolim da Paz - INPEalexandre/ThReleases/MANUAL_MGBgis_v2mar2008.pdfMGBgis – manual do...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS

Adriano Rolim da Paz

Modelo hidrológico distribuído MGB-IPH ETAPA 1 de preparação das informações de entrada

versão 2.0

março/2008

Modelo hidrológico distribuído MGB-IPH: etapa MGBgis

MGBgis – manual do usuário, v.2 (mar/2008)

O modelo MGB-IPH e sua documentação

O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído desenvolvido na tese de doutorado de Walter Collischonn, no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, em 2001, sob orientação do prof. Carlos E. M. Tucci. Diversas aplicações do modelo MGB-IPH já foram conduzidas em bacias brasileiras e da América do Sul. Algumas alterações do código do programa foram realizadas posteriormente no que diz respeito principalmente à entrada e saída de informações.

Diversos artigos científicos foram publicados descrevendo o modelo MGB-IPH, algoritmos para preparação de informações de entrada e aplicações com resultados. No que diz respeito a esta etapa (MGBgis), os seguintes artigos podem ser usados como referência:

- descrição geral do modelo e das informações de entrada COLLISCHONN, W. (2001). “Simulação Hidrológica de Grandes Bacias”. Porto Alegre: UFRGS. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental), Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 194 p.

COLLISCHONN, W.; TUCCI, C.E.M. (2001). “Simulação hidrológica de grandes bacias”. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. vol. 6, no. 1, pp. 95-118.

COLLISCHONN, W., ALLASIA, D., SILVA, B. C., and TUCCI, C. E. M. (2007) “The MGB-IPH model for large scale rainfall runoff modeling.” Hydrological Sciences Journal, 52(5), 878-895, doi: 10.1623/hysj.52.5.878.

- derivação das direções de fluxo das células PAZ, A. R., W. COLLISCHONN, e A. L. L. SILVEIRA (2006), Improvements in large scale drainage networks derived from digital elevation models, Water Resources Research, 42 (8), doi: 10.1029/2005WR004544.

- extração de comprimentos e declividades dos trechos de rio PAZ, A. R., W. COLLISCHONN (2007), River reach length and slope estimates for large-scale hydrological models based on relatively high-resolution digital elevation model, Journal of Hydrology, 343 (3-4), 127-139. doi: 10.1016/ j.jhydrol.2007.06.006.



MGBgis

Este manual é denominado MGBgis e se refere à primeira parte de preparação das informações para entrada no modelo MGB-IPH, que são as informações processadas a partir do Modelo Numérico do Terreno (direções de fluxo, rede de drenagem, divisão da bacia, comprimentos e declividades dos trechos de rio, etc). A documentação completa de aplicação do modelo MGB-IPH consta ainda de outros dois manuais, referentes às duas etapas posteriores (quadro abaixo):

Etapas de preparação dos dados e execução do modelo MGB-IPH

MGBgis Etapa de preparação de informações derivadas do Modelo Numérico do Terreno (direções de fluxo, rede de drenagem, divisão da bacia, etc).

MGBauxi Preparação dos arquivos de entrada para o modelo hidrológico, como dados de chuva e clima, e compilação das informações da etapa MGBgis.

MGBexe Configuração do modelo hidrológico e execução (calibração manual ou automática, arquivos de saída gerados, etc).

Este manual foi revisado por: Walter Collischonn

Daniel Allasia Adriano Rolim da Paz

Juan Martín Bravo



SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................................................................5 2 APLICAÇÃO......................................................................................................................................................10

2.1 DEFINIÇÃO DA DIMENSÃO DAS CÉLULAS E DA GRADE DE ALTA RESOLUÇÃO ..................................................10 2.2 DEFINIÇÃO DA JANELA DE TRABALHO ............................................................................................................11 2.3 PREPARAÇÃO DO MNT DE ALTA RESOLUÇÃO ................................................................................................12 2.4 PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO ........................................................................................17 2.5 GERAÇÃO DE DIREÇÕES DE FLUXO DE ALTA RESOLUÇÃO ...............................................................................19 2.6 DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS DE DRENAGEM ACUMULADAS DE ALTA RESOLUÇÃO..........................................24 2.7 GERAÇÃO DE REDE DE DRENAGEM VETORIAL DE ALTA RESOLUÇÃO.......................................26 2.8 PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO ........................................................................................28 2.9 DERIVAÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO ........................................................................31 2.10 EXTRAÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO......................................................35 2.11 GERAÇÃO DA REDE DE DRENAGEM VETORIAL DE BAIXA RESOLUÇÃO ..........................................................42 2.12 VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO...............................................44 2.13 DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS ACUMULADAS DE BAIXA RESOLUÇÃO......................................46 2.14 DELIMITAÇÃO DA BACIA E SUB-BACIAS........................................................................................................48 2.15 VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO.............................54

3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................................................57


MGBgis – manual do usuário, v.2 (mar/2008) 5

1 INTRODUÇÃO

A etapa inicial de preparação das informações para entrada no Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB-IPH) consiste em efetuar diversas operações de geoprocessamento e produzir planos de informação tais como o Modelo Numérico do Terreno (MNT), direções de fluxo, divisão da bacia em sub-bacias, áreas de drenagem acumuladas, comprimentos e declividades dos trechos de rio, etc. Essa etapa é denominada de MGBgis.

Este documento descreve passo a passo a etapa MGBgis de preparação de informações para aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH. A seguir são abordadas algumas questões gerais e no capítulo 2 é descrita pormenorizadamente todos os passos. Rotinas em Fortran + Idrisi São empregadas rotinas específicas desenvolvidas em linguagem Fortran, enquanto operações auxiliares de manipulação de arquivos são realizadas com o emprego de softwares comerciais de geoprocessamento como Idrisi ou ArcGis, por exemplo. Recomenda-se o emprego das rotinas conjuntamente com o sofware Idrisi, por dois motivos: o formato dos arquivos de entrada e saída das rotinas segue o padrão do Idrisi; as operações auxiliares de preparação e manipulação de tais arquivos são facilmente realizadas no Idrisi. Portanto, este manual aborda explicitamente o uso do Idrisi como ferramenta auxiliar à execução das rotinas desenvolvidas. Compilador Fortran e execução das rotinas As rotinas em Fortran foram desenvolvidas usando o compilador Compaq Visual Fortran. Além dos códigos fontes (arquivos com extensão .f90), são disponibilizados os projetos ou worskpaces, que já estão configurados apropriadamente. Para executar cada rotina, é possível utilizar diretamente os arquivos executáveis já compilados, bastando colocar na mesma pasta o arquivo .exe e suas entradas correspondentes, e sem a necessidade de ter instalado o compilador Fortran.

Caso haja interesse em rodar as rotinas em ambiente Fortran, deve-se ter instalado o compilador. O arquivo de projeto .dsp localizado na pasta correspondente da rotina deve ser aberto, compilado e executado. Todos os arquivos de entrada devem estar inseridos na pasta referente à rotina, onde também serão gerados todos os arquivos de saída. Para usar um compilador Fortran diferente do mencionado, algumas mudanças quanto à leitura de arquivos binários podem ser necessárias. Pede-se para entrar em contato nesse caso.

Conceitos básicos de geoprocessamento

Este documento não tem a intenção de ser um guia de geoprocessamento, mas sim de como executar as rotinas necessárias à preparação dos planos de informação de entrada do modelo MGB-IPH. Assume-se que o usuário esteja familiarizado com conceitos e operações básicas como reamostragem ou recorte de uma imagem, por exemplo. Como já comentado, o software Idrisi é referenciado para todas as tarefas auxiliares de processamento dos arquivos. Os comandos desse software são brevemente descritos quando necessários, porém informação



mais completa é facilmente acessível na documentação do software (por exemplo, na janela de cada comando existe um botão HELP que direciona para a ajuda específica do comando). O manual completo e o tutorial do Idrisi podem ser acessados a partir do Menu Help do software, como indicado na Figura 1.

Figura 1 – Indicação de acesso ao manual e ao tutorial do software Idrisi. Arquivos raster Basicamente, um arquivo tipo raster é composto por um conjunto de pontos distribuídos em uma grade regular nas dimensões x e y, onde a cada elemento da grade está associado um valor referente à grandeza representada pela imagem (por exemplo: elevação do terreno, precipitação, tipo de solo, etc). Na Figura 2 é apresentado um exemplo de imagem raster, onde cada elemento apresenta uma coloração correspondente ao valor da grandeza representada.

Figura 2 – Exemplo de imagem raster.

Formato de arquivos do Idrisi

As rotinas desenvolvidas em Fortran para o MGB-IPH trabalham com um formato de arquivos raster que segue o formato padrão do Idrisi. Nesse formato, cada imagem raster é composta por dois arquivos de mesmo nome, um arquivo com extensão .rst que contém a informação propriamente dita da imagem (ou seja, os valores referentes a cada pixel), e um arquivo com extensão .rdc, que constitui a documentação da imagem (contém informações sobre o sistema de referência e projeção, número de linhas e de colunas, resolução, vértices, valores máximos e mínimos da imagem, etc). O arquivo .rdc pode ser aberto e editado tanto no próprio Idrisi quanto em um editor de texto qualquer, ou mesmo via alguma rotina específica (trata-se de um arquivo em formato ascii). Mas atenção:dependendo de como o arquivo .rdc foi gerado e de qual informação se quer editar, é possível ou não utilizar algum processador de texto ou o próprio software Idrisi. Na Figura 3 é exemplificado o conteúdo de um arquivo .rdc referente a uma imagem raster cujos dados estão no formato real e o arquivo no formato binário, com sistema de referência em coordenadas geográficas latitude-longitude (ou latlong)



e unidades em graus, etc. Maiores informações sobre arquivos .rdc e .rst podem ser encontradas nos manuais do Idrisi.

Figura 3 – Exemplo de arquivo (.rdc) de documentação de uma imagem raster no formato padrão do Idrisi, aberto no editor de texto WordPad. Referência de linhas e colunas no Idrisi Ao utilizar o Idrisi durante alguns passos do procedimento descrito neste manual, atenção deve ser dispensada ao fazer referência às linhas e colunas de arquivos raster. O Idrisi nomeia as linhas e colunas iniciando com o valor ‘0’ e não ‘1’, como é mais comum. Isto faz com que a numeração das linhas varie de 0 até NL-1, onde NL é o número de linhas do raster, e analogamente para as colunas. Se em alguma operação for necessário, por exemplo, alterar valores da primeira linha do raster, deve-se modificar os valores da linha ‘0’. A numeração das linhas aumenta de cima para baixo na imagem, enquanto as colunas aumentam da esquerda para a direita (Figura 4). Sistema de referências em latitude-longitude As rotinas descritas neste documento foram desenvolvidas para trabalhar usando como coordenadas geográficas a latitude e a longitude (sistema de referência denominado latlong no Idrisi e neste documento), com unidades em graus. O elipsóide de referência é o WGS-84. Tal sistema é adotado em todos os módulos que compõem o MGB-IPH, e tem como uma das vantagens evitar distorções de projeção como podem ocorrer no sistema UTM, por exemplo, ao se trabalhar com áreas extensas que se prolongam além da região localizada nas proximidades do fuso de referência. O Brasil está situado no Hemisfério Sul e na metade oriental do Globo, de forma que os valores de latitude e longitude são negativos.



Linha 0Linha 1

Linha NL

...

Col

una

0

Col

una

1

Col

una

NC

...

Figura 4 – Referência de linhas e colunas utilizadas pelo Idrisi para uma imagem raster com NL número de linhas e NC número de colunas.

Simplificadamente, uma distância de 1º equivale a 100 km no Equador, mas à medida que se distancia dessa linha imaginária, ocorre distorção e tais medidas vão se tornando menos equivalentes entre si. Embora se trabalhe no sistema latlong, é usual se referir à unidade métrica correspondente, como se estivesse no Equador, apenas por facilitar a noção de grandeza. Por exemplo, a distância de 0,1º denota a dimensão usual da célula do modelo MGB-IPH, e é comumente referida como 10 km. A conversão entre graus e metros é realizada diretamente por regra de três para obter valores de referência. Entretanto, quando necessário, algumas rotinas de preparação de dados para o modelo MGB-IPH fazem a projeção de coordenadas usando o elipsóide de referência, a fim de obter valores aproximados de área ou distância em unidades planas. A conversão do sistema de referência dos arquivos pode ser realizada no Idrisi usando o comando PROJECT (opção do menu Reformat). Deve-se escolher o tipo de arquivo (raster ou vetor), o nome do arquivo a ser convertido e a ser gerado e os respectivos sistemas de referência (Figura 5). Há duas opções para o cálculo: uso do vizinho mais próximo (Nearest Neighbor) ou cálculo envolvendo os vizinhos (Bilinear). A opção output reference information permite que na mesma operação seja efetuado um recorte na imagem gerada. Para que o arquivo resultante seja referente a toda a região da imagem de entrada, basta clicar em tal opção e fechá-la em seguida, sem alterar nada.

Figura 5 – Janela de diálogo do comando Project (menu Reformat) do Idrisi. Imagens raster em duas resoluções: alta e baixa

O modelo MGB-IPH, assim como outros modelos hidrológicos distribuídos, representa a bacia por células quadradas, usualmente da ordem de cerca de 10 km de dimensão (ou 0,1º no



sistema latlong). Entretanto, o modelo permite representar a variabilidade espacial das características físicas da bacia em uma escala mais detalhada. Internamente a cada célula do modelo, existem diversas informações em uma maior resolução espacial. Tais elementos de maior resolução (ou seja, menores dimensões) serão referidos como pixels daqui por diante neste texto, enquanto que as células do modelo hidrológico compõem a grade de baixa resolução. A Figura 6 ilustra os conceitos de pixels e células.

Uma das exigências quanto à definição das resoluções alta e baixa é que as dimensões dos pixels e as dimensões das células do modelo sejam múltiplas entre si, de tal forma que em cada célula esteja contido o mesmo número inteiro de pixels. Por exemplo, usualmente se adota a dimensão de 0,1º (~10 km) para a célula do modelo, e elementos de 0,001º (~ 100 m) para denotar a informação de mais alta resolução. Nesse exemplo, em cada célula existirão 10.000 pixels internamente a uma célula. Para a mesma dimensão de célula do exemplo, outras resoluções altas possíveis seriam: 0,002º (~ 200 m), 0,0025º (~ 250 m), 0,005º (~ 500 m), etc. A Figura 7 exemplifica as resoluções alta (0,002º) e baixa (0,1º) utilizadas para aplicação do MGB-IPH à bacia do Rio Grande.

(a) (b)

Grade de baixa resolução - células(modelo hidrológico)

Grade alta resolução - pixels(MNT disponível)

Figura 6 – Conceito das duas resoluções: (a) alta resolução (pixels) e (b) baixa resolução (células) empregada pelo modelo hidrológico.

Figura 7 – Malha de baixa resolução (0,1º x 0,1º) referente às células do MGB-IPH sobre a bacia do Rio Grande, e em destaque a malha de alta resolução interna a uma célula (pixels de 0,002º x 0,002º).



2 APLICAÇÃO A metodologia de geração dos diversos planos de informação de entrada requeridos pelo modelo MGB-IPH e contemplados neste documento (MGBgis) é composta pelas etapas enumeradas na Tabela 1. A ordem de execução foi estabelecida de forma a tornar mais fácil o entendimento de todo o processo e a aplicação das várias rotinas. Algumas etapas não têm como pré-requisitos as etapas anteriores, mas recomenda-se seguir a ordem proposta. Cada uma das etapas é descrita detalhadamente a seguir.

Tabela 1 – Lista das etapas que constituem a metodologia descrita no MGBgis. ETAPAS

1 Definição das dimensões das células do modelo hidrológico e da alta resolução

2 Definição da janela de trabalho 3 Preparação do MNT de alta resolução 4 Preparação de máscara de alta resolução 5 Geração das direções de fluxo de alta resolução 6 Determinação das áreas de drenagem acumuladas de alta

resolução 7 Geração de rede de drenagem vetorial de alta resolução 8 Preparação de máscara de baixa resolução 9 Derivação das direções de fluxo de baixa resolução 10 Extração dos comprimentos e declividades dos trechos de rio 11 Geração da rede de drenagem vetorial de baixa resolução 12 Verificação e correção das direções de fluxo de baixa resolução 13 Determinação das áreas acumuladas de baixa resolução 14 Delimitação da bacia e sub-bacias 15 Verificação e correção dos comprimentos e declividades dos

trechos de rio 2.1 DEFINIÇÃO DA DIMENSÃO DAS CÉLULAS E DA GRADE DE ALTA RESOLUÇÃO Descrição

A dimensão das células (grade de baixa resolução) é definida observando vários critérios envolvendo principalmente o objetivo do estudo e a dimensão da bacia, e respeitando também as hipóteses consideradas na formulação do modelo, desenvolvido



para trabalhar com grandes bacias. Valores usuais são de 0,05º, 0,1º e 0,2º, que equivalem a aproximadamente 5, 10 e 20 km, respectivamente.

A malha de alta resolução é definida tendo em vista a mais alta resolução das informações disponíveis, desde que seja múltipla da dimensão das células, e de forma a não aumentar excessivamente o custo computacional. Normalmente, há disponibilidade do Modelo Numérico do Terreno em uma resolução espacial de 90 m (ou 0,00083333º). Considerando células de 10 km (0,1º), a resolução de mais alta definição possível de ser empregada é a de 100 m (0,001º). Dependendo do tamanho da bacia, isso pode conduzir a elevado custo computacional, e resoluções de 200 m (0,002º), 250 m (0,0025º) ou até 500 m (0,005º) podem ser empregadas para denotar as informações de mais alta resolução. Exemplos das resoluções alta e baixa adotadas em diversas aplicações do MGB-IPH são apresentados na Tabela 2.

Operação Não necessita de operação. Produto

Definição das resoluções baixa e alta, ou seja, os valores das dimensões das células e dos pixels, respectivamente, a serem adotados na modelagem. Tabela 2 – Exemplos de resoluções adotadas em aplicações do MGB-IPH.

Bacia Área (km2)

Alta resolução Baixa resolução

Rio Grande 165.000 200 m (0,002º) 10 km (0,1º) Rio São Francisco*

640.000 * Parte da bacia com 10 km (0,1º) e outra parte com 20 km (0,2º)

Rio Tapajós 500.000 200 m (0,002º) 10 km (0,1º) Rio Uruguai 206.000 200 m (0,002º) 10 km (0,1º) * Não foi empregada a metodologia atual.

2.2 DEFINIÇÃO DA JANELA DE TRABALHO Descrição

Diversos planos de informação serão produzidos envolvendo diferentes operações de geoprocessamento. A maioria das operações tem como restrição que os planos de informação no formato raster apresentem os mesmos limites espaciais (além da mesma resolução). Logo, é importante definir a janela de trabalho que será adotada durante todas as etapas de aplicação do MGB-IPH, não só na fase inicial descrita neste documento como também em procedimentos posteriores como geração de mapas com distribuição espacial da chuva por exemplo. Esta etapa pode ser feita conjuntamente com a etapa seguinte.

A janela de trabalho é definida estabelecendo um retângulo envolvente que contenha a bacia a ser modelada. O contorno da bacia propriamente dito será extraído em um dos módulos descritos adiante, porém é possível identificar razoavelmente a



localização da bacia visualizando o MNT e com isso definir os vértices do retângulo envolvente. É fundamental reservar uma folga na definição da janela entre seus limites e o suposto contorno da bacia, no mínimo com uma distância de 5 vezes a dimensão da célula do modelo. As coordenadas (latitude e longitude) dos vértices devem ser definidas lembrando que nas duas dimensões (x e y) deve estar contido um número inteiro de células (obviamente não necessariamente iguais). Por exemplo, se a dimensão da célula do modelo hidrológico será de 0,1º, as coordenadas dos vértices em uma dimensão podem ser, por exemplo, -19,8º e -22,1º (entre essas coordenadas existirão 23 células), mas nunca -19,8º e -22,06º, pois não existe um número inteiro de células de 0,1º entre essas coordenadas. Uma vez definidas as coordenadas da janela de trabalho, pode-se facilmente calcular o número de linhas e colunas que correspondem à imagem raster em ambas as resoluções. Considerando que as coordenadas da janela de trabalho nas direções x e y tenham valores mínimos e máximos denotados por Xmin, Xmax, Ymin e Ymax, para uma dada resolução res, o número de linhas e colunas da imagem é calculado pelas equações (1) e (2). Aplicando tais expressões para as resoluções alta e baixa, tem-se a dimensão da matriz para cada caso.

resminYmaxYnlin −

= (1)

resminXmaxXncol −

= (2)

Operação Operação visual, observando algum mapa da bacia ou imagem raster do MNT, para identificar e difinir os vértices da janela de trabalho. Operação matemática usando as equações (1) e (2) para calcular o tamanho das matrizes nas resoluções alta e baixa. Produto O produto desta etapa são as coordenadas dos vértices da janela de trabalho, e o tamanho da matriz (número de linhas e colunas) referente às resoluções alta e baixa. 2.3 PREPARAÇÃO DO MNT DE ALTA RESOLUÇÃO Descrição Deve ser preparado um Modelo Numérico do Terreno no formato raster, onde a cada elemento (x,y) da grade regular está associado um valor de elevação do terreno, em metros. Normalmente, emprega-se o MNT disponibilizado pelo CGIAR-CSI, referente ao NASA Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). O SRTM constitui um projeto conjunto entre duas agências dos Estados Unidos, a National GeoSpatial Intelligence Agency (NGA) e a National Aeronautics and Space Administration (NASA). A precisão vertical absoluta é estimada em torno de 16 m (CGIAR-CSI, 2006). Para a região da América do Sul, estão disponíveis dados em uma resolução de 3 arcos de segundo (90 m ou 0,00083333...º).



Os dados do SRTM são disponibilizados em quadros de 5º por 5º, como ilustrado na Figura 8, onde é apresentado também o contorno da bacia do Rio Grande como exemplo. Cada imagem ou cena do SRTM é referida pela órbita percorrida pelo sensor durante a aquisição. A referida bacia está incluída em 5 quadros ou cenas do SRTM, sendo que foram selecionadas as 6 cenas indicadas na Figura 7, compondo um retângulo completo, por questões de facilidade no geoprocessamento dos arquivos. A partir do MNT referente ao conjunto de todas as 6 cenas (Figura 9) foi efetuado o recorte do MNT da área restrita à janela de trabalho (Figura 10). Depois de reamostrado para a alta resolução pré-definida, tem-se o MNT de entrada para as rotinas descritas adiante. Qualquer outra fonte ou formato de dados pode ser utilizada para compor o MNT, desde que ao final seja gerada uma imagem raster da janela de trabalho, no formato especificado.

(a)

(b)

Bacia do Rio Grande

SRTM_26_16 SRTM27_16

SRTM_26_17 SRTM_27_17 SRTM_28_17

SRTM_28_16

Brasil

Figura 8 – (a) Articulação das imagens do radar SRTM sobre parte da América do Sul (malha de 5º x 5º), com indicação da localização da Bacia do Rio Grande como exemplo; (b) articulação das imagens usadas para elaborar o MNT da referida bacia.



Figura 9 – MNT referente às 6 cenas do SRTM selecionadas para a região da bacia do Rio Grande (indicada pelo contorno azul) (cotas em m).

Figura 10 – MNT da bacia do Rio Grande (cotas em metros) – janela de trabalho. Operação Caso se opte por trabalhar com o MNT do SRTM-90m, a operação consiste em: - fazer o download dos dados: atualmente os dados do SRTM-90m estão disponíveis a partir do CSI-Geoportal, na página eletrônica http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/ inputCoord.asp. São obtidas imagens raster em quadros de 5º x 5º contendo o MNT na resolução espacial de 90 m, no formato .tif;



- converter de .tif para raster do Idrisi (.rst e .rdc), usando a opção File/Import/Government/Data Provider Formats/GEOTIFF do Idrisi (Figura 11). Deve-se informar o arquivo de entrada (.tif) e o nome do arquivo a ser gerado (.rst);

Figura 11 – Importação do MNT proveniente do SRTM-90m no formato .tiff para gerar raster do Idrisi. - caso a janela de trabalho pré-definida esteja situada em mais de um quadro de 5º x 5º, deve-se repetir as duas operações anteriores para cada um dos quadros. Em seguida, fazer a composição dos vários quadros em uma única imagem. No Idrisi, isto pode ser efetuado pelo comando CONCAT (opção do menu Reformat), que gera uma imagem raster a partir da junção de duas ou mais imagens. Deve-se escolher a opção de locar automaticamente as imagens em função das coordenadas e o tipo de concatenação transparente, como indicado na Figura 12.

Figura 12 – Geração de imagem raster a partir da junção de outras duas imagens raster, usando o comando CONCAT do Idrisi.



- usando o comando RESAMPLE do Idrisi (na versão Kilimanjaro 14.02), pode-se efetuar a reamostragem do MNT e o recorte da janela de trabalho ao mesmo tempo, a partir da imagem raster contendo o MNT completo na resolução de 90 m. Tal comando consta no menu Reformat. Depois de indicar como arquivo de entrada a imagem raster referente à composição dos vários quadros do SRTM e o arquivo de saída a ser gerado, deve-se indicar as coordenadas de pelo menos três pontos de controle na parte central da janela de diálogo (Figura 13). Os pontos de controle são usados para fazer o georreferenciamento da imagem. Embora os dados do SRTM já estejam georreferenciados, o comando Resample exige que sejam informadas as coordenadas dos pontos de controle. São informadas as coordenadas de três pontos espacialmente distribuídos sobre a imagem, mantendo as coordenadas originais e de saída iguais em cada ponto. A entrada de valores negativos nos campos das coordenadas faz com que apareça mensagem indicativa de que “não se trata de um valor decimal aceito”, o que deve ser ignorado. Na parte direita da janela de diálogo, deve-se escolher as opções de cálculo. Por fim, deve-se clicar no botão “output reference information” e, na janela que se abre (Figura 14), informar as características da imagem a ser gerada. O número de linhas e colunas e as coordenadas dos vértices da imagem dizem respeito à janela de trabalho e à alta resolução, definidos nos itens 2.1 e 2.2. O sistema de referência e unidade devem sempre ser latlong e graus. Em versões mais antigas do Idrisi, é necessário fazer duas operações, uma com o RESAMPLE para reamostrar a imagem, e a seguinte com o comando WINDOW para fazer o recorte da janela de trabalho.

- Ressalta-se que os pontos de controle inseridos no comando RESAMPLE devem ser pontos localizados no interior da área da imagem e espacialmente distribuídos sobre a mesma. Não podem ser escolhidos pontos nos vértices da imagem.

- Caso a área de estudo seja muito grande, a manipulação do arquivo raster resultante da concatenação dos vários quadros na resolução original (90 m) pode ter um custo computacional exagerado. Nesse caso, pode-se optar por realizar uma reamostragem de cada quadro individualmente (comando RESAMPLE), passando-os para a alta resolução pré-definida, e depois fazer a junção deles com o comando CONCAT. Em seguida, pode-se utilizar o comando WINDOW para efetuar o recorte da janela de trabalho.

- Se necessária em alguma etapa, a transformação de uma imagem raster no formato real/binary para o formato integer/binary é facilmente realizada pelo comando CONVERT (opção do menu Reformat) do Idrisi;

Figura 13 – Comando Resample do Idrisi, usado para reamostrar e recortar o MNT da janela de trabalho na resolução alta pré-definida, a partir dos dados provenientes do SRTM-90.



Figura 14 – Definição das características da imagem a ser gerada com o comando Resample do Idrisi (“output reference parameters”). Produto Imagem raster contendo o MNT da região de estudo, recortado para a janela de trabalho e na resolução definida no item 2.1, no formato integer/binary do Idrisi (arquivos .rdc e .rst). 2.4 PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO Descrição Dependendo da dimensão do arquivo raster (número de linhas e de colunas), o processamento das informações pode conduzir a um excessivo tempo computacional. Dentro da janela de trabalho (ou seja, do retângulo que constitui a imagem), apenas uma parcela da área é referente à área de estudo e, logo, o custo computacional pode ser diminuído fazendo com que as rotinas não processem as informações nas regiões sem interesse. Obviamente, a região de interesse é a bacia a ser modelada, cujo contorno será definido apenas em etapa posterior. Tendo-se uma idéia da localização da bacia dentro da janela de trabalho, pode-se definir uma máscara que envolva uma região que com certeza não faz parte da área de estudo. Essa máscara consiste em um arquivo raster de mesma resolução do MNT e com mesmos vértices (janela de trabalho), onde cada pixel assume ou o valor 0 ou o valor 1. Os pixels na região de interesse têm valor 0 e os pixels na região a ser excluída dos cálculos têm valor 1 (Figura 15). Em particular, a máscara tem grande utilidade para excluir regiões de mar que estejam contidas na imagem raster da janela de trabalho do MNT. Em tais regiões o valor do MNT associado a cada pixel não tem significado, e elas constituem imensas áreas planas a serem tratadas pelos algoritmos que se baseiam no MNT, elevando substancialmente o custo computacional. Deve ser ressaltado que, caso se decida por trabalhar usando uma máscara na primeira rotina, a máscara deve ser empregada em todas as etapas posteriores.

Muita atenção deve ser dada na definição da máscara, de modo que não acabe englobando parte da bacia estudada. E atenção também quanto à definição dos valores 0 ou 1 para cada pixel, pois se inverterem os valores o cálculo será feito exclusivamente para a região que se queria excluir!



Figura 15 – Exemplo de máscara de alta resolução, onde os pixels na região branca têm valor zero (serão considerados nos processos de cálculo posteriores), e os pixels nas regiões em cinza têm valor 1 e serão excluídos do cálculo nas rotinas de preparação de informações para o MGB-IPH. Operação Uma das formas de gerar a máscara é fazer o display do MNT da janela de trabalho no Idrisi e usar o comando DIGITIZE (botão indicado na Figura 16) para digitalizar um polígono cujo interior englobe a região a ser excluída nos demais procedimentos de cálculo. No comando DIGITIZE, deve-se escolher a opção polygon com valor igual a 1, e digitalizar o polígono sobre o MNT. Ao final da digitalização, clica-se com o botão direito do mouse e em seguida deve-se clicar no botão “Save Digitized Data” (indicado na seta da Figura 16).

Figura 16 – Digitalização da máscara sobre o MNT, usando o comando Digitize do Idrisi (a seta azul indica o botão que aciona o referido comando, e a seta vermelha indica o botão para finalizar o projeto de digitalização).

O arquivo vetorial gerado deve ser convertido a raster, usando o comando RASTERVECTOR do Idrisi (opção do menu Reformat) com a opção polygon do raster (Figura 17-a). Deve-se sugerir um nome de um arquivo não existente para a imagem raster a ser criada, e isso permitirá que seja criada uma nova a partir daquele vetor



(clicar em ok na Figura 17-b). O comando RASTERVECTOR permite que as características da imagem raster a ser gerada (número de linhas e colunas, resolução, vértices) sejam automaticamente tomadas a partir de outra imagem raster que servirá de base (Figura 17-c). O MNT de alta resolução é usado como base, garantindo assim que a máscara e o MNT tenham características iguais, exigências das etapas posteriores descritas adiante.

Produto Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos mascara.rst e mascara.rdc), de alta resolução e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor 0 ou 1, conforme devam ou não ser incluídos em processos de cálculo posteriores, respectivamente.

Figura 17 – Comando RasterVector do Idrisi sendo usado para transformar um vetor na forma de polígono (a) e gerar uma imagem raster ainda não existente (b), cujas características (resolução, vértices, etc) serão copiados de outro arquivo raster (c). 2.5 GERAÇÃO DE DIREÇÕES DE FLUXO DE ALTA RESOLUÇÃO Descrição Esta etapa consiste em gerar as direções de fluxo de alta resolução, ou seja, gerar uma imagem raster onde cada elemento (pixel) contém um código que indica para qual pixel vizinho ocorre a drenagem. Atribui-se uma única direção para cada pixel, que pode ter oito valores (Figura 18-a). A determinação das direções de fluxo é feita com a rotina MNTAlta4A, cujo algoritmo de cálculo segue o algoritmo D8 (eight-deterministic neighbours) descrito por Jenson e Domingue (1988), com algumas variações. O algoritmo D8 consiste basicamente em atribuir a direção de fluxo de um pixel para aquele pixel vizinho conforme a maior declividade (diferença de elevação/distância entre os pixels) (Figura 18-d). A rotina MNTAlta4A emprega um algoritmo que leva em conta ainda um fator de aleatoriedade na busca por direções de fluxo em áreas planas, tal qual adotado por Fairfield e Leymarie (1991), o que têm evitado satisfatoriamente a tendência do algoritmo D8 em criar drenagens excessivamente paralelas (Figura 19).



Figura 18 – Indicação das oito direções de fluxo possíveis para cada pixel, com os respectivos códigos usados pelo MGB-IPH (a), ArcView (b) e Idrisi (c). Em (d): direção de fluxo escolhida em função da maior declividade (diferença de cota/distância) entre o pixel central e os vizinhos, segundo o método D8 (Jenson e Domingue, 1988).

Figura 19 – Áreas acumuladas de drenagem (tons mais escuros indicam valores maiores) mostrando: (a) problema observado na geração de direções de fluxo em regiões planas usando o algoritmo D8, com o surgimento de rios paralelos irreais; (b) minimização do problema pela introdução de um fator aleatório no processo de atribuição de direções de fluxo em regiões planas. A rotina MNTAlta4A determina uma imagem raster contendo as direções de fluxo correspondentes ao MNT de alta resolução (arquivo Dir.rst), de modo que cada pixel da imagem assume um dos oito valores apresentados na Figura 18-a. Procedimento similar (usando algoritmos parecidos baseados no método D8) pode ser efetuado via softwares comerciais, como Idrisi, ArcView ou ArcGis. Importante destacar que tais softwares usam códigos distintos para as direções relativamente às rotinas do modelo MGB-IPH (Figura 18). Isso não impede que os referidos softwares sejam empregados para gerar as direções de fluxo de alta resolução, desde que seja feita uma conversão dos códigos para entrada nas rotinas posteriores descritas neste manual. Além disso, tem-se observado que tais softwares não são capazes de trabalhar com matrizes muito grandes (a execução é interrompida). A rotina MNTAlta4A a princípio não tem limitação de tamanho da matriz, mas ressalta-se que o tempo de processamento pode ser elevado substancialmente com o aumento do número de linhas e colunas, principalmente quando há grandes regiões planas. Tem sido observado que o tempo gasto pela rotina MNTAlta4A pode ser muito superior ao tempo necessário para outros softwares.

A evolução do número de pixels sem direção definida pode ser acompanhada ao longo da execução da rotina através do arquivo execucao.txt. Em função do algoritmo utilizado, que eleva a cota dos pixels situados em depressões e tenta encontrar uma saída para o fluxo, a evolução do número de pixels com direção indefinida ocorre por batelada, podendo ocorrer aumento desse número de um ciclo do algoritmo para o outro (Figura 20). A rotina MNTAlta4A gera também uma imagem raster contendo o MNT



modificado (removidas as depressões), denominado de MNTfill, que será utilizado em algunas rotinas de cálculo posteriores.

Figura 20 - Evolução do número de pixels com direção indefinida na execução da rotina MNTAlta4A aplicada à bacia do Rio Uruguai (matriz com 4800 colunas e 2850 linhas, resolução de 0,002º). Operação

A rotina a ser executada é a MNTAlta4A. O arquivo Combina.dir deve estar na pasta raiz da rotina, e não ser alterado (é o

mesmo para qualquer aplicação). Trata-se de uma nova aplicação e, portanto, deve ser indicada a opção 1

referente a “iniciar novo cálculo”. Os arquivos de entrada são MNT.rst e MNT.rdc (arquivo raster .rst do MNT da janela de trabalho no formato do Idrisi integer/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus, incluindo o arquivo de documentação .rdc) – arquivos gerados na etapa 2.3.

Escolhe-se a opção de entrar ou não com a máscara, descrita no item anterior. Novamente se ressalta que uma vez decidido trabalhar com a máscara, obrigatoriamente deve-se usar a máscara em todas as etapas posteriores.

Os arquivos de saída são Dir.rst e MNTfill.rst, além do arquivo Execução.txt. Este último consiste apenas em um histórico do número de pixels com direção indefinida ao longo dos ciclos do algoritmo. Ressalta-se que cada linha se refere ao início do ciclo e, logo, na última linha sempre constará um determinado número de pixels, e não ‘0’ como poderia ser esperado por o algoritmo ter concluído.

O arquivo Dir.rst consiste em uma imagem raster contendo a direção de fluxo de cada pixel, enquanto o MNTfill.rst corresponde ao MNT modificado pelo algoritmo. A rotina não gera os arquivos de documentação (.rdc) correspondentes a essas duas imagens raster. Mas isso é realizado facilmente fazendo duas cópias do arquivo MNT.rdc. Renomeie uma delas para Dir.rdc e a outra para MNTfill.rdc. Para cada um desses arquivos renomeados, abra-o no Idrisi e mande calcular a resolução e os valores mínimo e máximo, usando a funções Calculate Resolution e Calculate Min/Max no menu TOOLS da janela do próprio arquivo .rdc (Figura 21). Como ambos os arquivos raster estão no formato integer/binary, e são referentes à mesma janela de trabalho, a atualização da resolução e dos valores mínimo e máximo é suficiente para ajustar os arquivos .rdc novos. A atualização da resolução é apenas preventiva e serve para checar inconsistências. Para verificar se a operação foi efetuada corretamente, abra as imagens raster geradas pela rotina MNTAlta4a (arquivos Dir.rst e MNTfill.rst). O arquivo de



direções de fluxo deve ter aspecto semelhante àquele da Figura 22, enquanto o MNTfill.rst deve ser semelhante ao MNT.rst.

Figura 21 – Atualização da resolução e dos valores mínimo e máximo da imagem raster no arquivo de documentação .rdc do Idrisi.

Figura 22 – Imagem raster com direções de fluxo de alta resolução geradas pela rotina MNTAlta4A – exemplo gerado para a bacia do Rio Grande (usando paleta de cores Qual no Idrisi). A região em cor verde homogênea no canto inferior direito corresponde à região pertencente à máscara (região de mar, nesse caso).

Uma operação interessante mas opcional é analisar o quanto o algoritmo modificou o MNT de forma a conseguir atribuir as direções de fluxo. Usando o comando OVERLAY (opção do menu Gis Analysis/Database Query), gera-se uma imagem definida pela diferença entre as imagens MNTfill e MNT (Figura 23 e Figura 24).



Figura 23 – Comando Overlay do Idrisi, para operações matemáticas simples entre duas imagens raster de igual resolução e número de linhas/colunas.

Figura 24 – Imagem representando a diferença entre o MNT original e o MNT com depressões removidas pelo algoritmo de direções de fluxo (valores em metros) – exemplo da bacia do Rio Grande, usando paleta de cores UnipolarWred do Idrisi e ajuste manual dos valores mínimo e máximo na paleta.

A rotina MNTAlta4a está configurada para escrever imagens raster Dir.rst e MNTfill.rst ao final de cada ciclo de execução ou seja, resultados parciais do algoritmo de direções de fluxo. Isso tem duas grandes utilidades: primeiro, permite a continuação do cálculo em outro momento caso haja uma eventual interrupção da execução do algoritmo; segundo, permite avaliar o desempenho do algoritmo ao longo das interações.

A opção de reiniciar o procedimento de cálculo da rotina MNTAlta4a a partir de um ponto anterior foi criada devido ao elevado tempo computacional que pode ser gasto no processamento. Para retomar o cálculo interrompido, basta executar novamente a rotina e optar pela opção “2 - continuar cálculo interrompido”. Vão ser lidas as imagens



Dir.rst e MNTfill.rst escritas ao final do último ciclo da execução anterior e o cálculo prossegue normalmente.

Ao longo da execução da rotina MNTAlta4a, é interessante visualizar as imagens de direções de fluxo, embora sejam resultados parciais. Basta tomar o arquivo ‘Dir.rst’, fazer uma cópia, renomear e gerar o arquivo ‘.rdc’ correspondente, tal qual explicado anteriormente neste mesmo item. Recomenda-se fazer uma cópia por que o algoritmo sobrescreve em tal arquivo ao final de cada ciclo. Tipicamente, após o final do primeiro ou segundo ciclo do algoritmo, a grande parte dos pixels já foi resolvida, isto é, já foram definidas direções de fluxo, restando basicamente pixels situados exatamente ao longo da rede de drenagem principal (Figura 25-a). Com o passar dos ciclos do algoritmo, os pixels com direção indefinida vão se concentrando cada vez mais ao longo da drenagem, principalmente nos rios mais largos e demais corpos d’água como lagos e reservatórios, que constituem áreas planas e demandam tratamento mais demorado (Figura 25-b e Figura 25-c).

a b c Figura 25 – Exemplo de evolução do algoritmo de determinação das direções de fluxo: seqüência de imagens Dir.rst parciais geradas ao longo da execução da rotina MNTAlta4a (usando paleta do Idrisi ‘QualW1’ e fazendo contraste para valores mínimo ‘-1’ e máximo ‘0’, correspondente às cores branca e verde, respectivamente). Produto - Imagem raster com as direções de fluxo de alta resolução (arquivos Dir.rst e Dir.rdc), abrangendo a janela de trabalho (formato Idrisi/integer/binary), onde cada pixel contém um valor referente a sua direção seguindo codificação exemplificada na Figura 18-a. - Imagem raster de alta resolução abrangendo a janela de trabalho (formato Idrisi/integer/binary), com o MNT modificado pelo algoritmo (MNTfill.rst e MNTfill.rdc). 2.6 DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS DE DRENAGEM ACUMULADAS DE ALTA RESOLUÇÃO Descrição A partir das direções de fluxo de alta resolução determinadas no item anterior, a rotina ‘AreaAcu’ deve ser empregada para gerar imagem raster com as áreas acumuladas de drenagem na mesma resolução. Trata-se de uma imagem onde cada pixel



contém um valor referente a sua área de drenagem (Figura 26). Usualmente os algoritmos disponíveis em softwares comerciais de geoprocessamento representam a área de drenagem pelo número de pixels que contribuem para um determinado pixel, ou mesmo em unidades de área, mas considerando todos os pixels com mesma área superficial. O algoritmo que consta na rotina AreaAcu determina a área superficial de cada pixel para contabilizar a área de drenagem total ou acumulada em um pixel. Ao se trabalhar com coordenadas em latitude e longitude, a área exata de um pixel no plano (em km2, por exemplo) varia conforme sua localização geográfica. Como se trata de grandes bacias, há uma variação da posição geográfica considerável e que pode influenciar na área da bacia caso não seja feita a projeção de cada pixel. A rotina ‘AreaAcu’ faz a projeção de coordenadas de cada pixel para determinar sua área superficial, considerando o elipsóide de referência WGS-84. Alguns softwares comerciais também dispõem de algoritmo semelhante para calcular as áreas de drenagem acumuladas, como Idrisi e ArcGis. Entretanto, novamente devem ser ressaltadas algumas questões: limitação do tamanho da imagem; codificação das direções de fluxo distinta da empregada na série de rotinas aqui descritas; consideração de área superficial constante para todos os pixels.

Figura 26 – Exemplo de imagem raster com áreas acumuladas de drenagem (áreas em km2), referente à parte da bacia do Rio Grande (visualização no Idrisi usando a paleta UnipolarWblue e escala automática tipo quantiles, e aplicação de zoom). Operação A operação é realizada usando a rotina ‘AreaAcu’. Os arquivos de entrada são ‘Dir.rst’ e ‘Dir.rdc’ gerados no item anterior (arquivo raster de direções de fluxo no formato Idrisi, integer/binary, abrangendo a janela de trabalho). Caso esteja trabalhando com máscara, deve ser fornecido arquivo mascara.rst (alta resolução, tipo raster do Idrisi, integer/binary). Devem ser informadas a resolução em graus e as coordenadas Xmin e Ymax da imagem (usar ponto para indicar a casa decimal). As coordenadas Xmin e Ymax se



referem ao valor mínimo da longitude e ao valor máximo da latitude, respectivamente. Tais informações constam no arquivo de documentação ‘Dir.rdc’ (ou ‘MNT.rdc’) e constituem o vértice superior esquerdo da imagem (que é o vértice superior esquerdo da janela de trabalho). Durante a execução da rotina ‘AreaAcu’, escreve-se na tela de saída o número da coluna que foi iniciado o cálculo (a cada dez colunas). Quanto maior a imagem (maior número de linhas e colunas), mais tempo levará o cálculo. Entretanto, caso a rotina fique parada em determinada coluna por tempo indeterminado (um tempo bem maior do que o gasto para fazer o cálculo nos grupos de colunas anteriores), é um indicativo de que o arquivo raster contendo as direções de fluxo está incoerente. Um exemplo típico de situação que causaria tal problema seria a existência de loops nas direções de fluxo (um determinado pixel A drena para o pixel B que drena para o pixel C e este drena para o pixel A). O algoritmo utilizado para gerar direções de fluxo que consta na rotina MNTAlta4A não deve gerar tais loops e, logo, outro problema deve ter ocorrido. Recomenda-se refazer os passos anteriores com atenção principalmente à questão da máscara; e executar novamente a rotina AreaAcu certificando que os valores fornecidos de resolução, Xmin e Ymax estejam corretos. Gera-se como saída o arquivo ‘AreaAcu.rst’. Trata-se de uma imagem raster da janela de trabalho com mesma resolução dos arquivos de entrada (alta resolução), mas no formato Idrisi/real/binary. O arquivo de documentação correspondente (arquivo ‘AreaAcu.rdc’) deve ser gerado a partir de cópia do arquivo ‘Dir.rdc’. Após renomear a cópia do arquivo ‘Dir.rdc’ para ‘AreaAcu.rdc’, deve-se abri-lo no Idrisi e mudar o tipo de dados para real. No menu TOOLS, procede-se ao cálculo (atualização) da resolução e dos valores mínimo e máximo da imagem (Figura 21). Ao visualizar a imagem no Idrisi, ela deve ter aspecto semelhante ao exemplo da Figura 26, na qual foi usada a paleta de cores UnipolarWblue e escala automática tipo quantile. Geralmente a visualização da imagem completa não permite distinguir os cursos d’água tão bem, sendo necessário aplicar um zoom, como no caso do exemplo da referida figura. Produto Arquivo raster do Idrisi de alta resolução, abrangendo a janela de trabalho, no formato real/binary denominado ‘AreaAcu.rst’, com o arquivo de documentação correspondente (AreaAcu.rdc). 2.7 GERAÇÃO DE REDE DE DRENAGEM VETORIAL DE ALTA RESOLUÇÃO Descrição O raster de áreas acumuladas de alta resolução contém a informação da área drenada por cada pixel. Supondo um valor limite de área de drenagem para caracterizar o início da drenagem propriamente dita (formação de córregos e rios), é possível diferenciar os pixels acima e abaixo de tal limite. Com essa classificação, pode-se considerar que todos os pixels acima do limite constituem rios e córregos e, com isso, é possível derivar uma rede de drenagem vetorial a partir do referido raster. Aqui denomina-se de rede vetorial de alta resolução apenas para denotar que esse vetor é oriundo das informações de alta resolução.



Cabe salientar que o critério de um valor mínimo de área de contribuição para caracterizar o início de um rio é bastante simplista e apenas deve ser utilizado visando obter uma layer de rede de drenagem ilustrativo, mas que não necessariamente indica a existência dos rios contidos nele. Quanto menor o valor da área de drenagem limite utilizada para diferenciar os pixels pertencentes ou não ao rio, maior ramificação será obtida na rede de drenagem vetorial. O valor utilizado deve ser escolhido de forma a não carregar demais a imagem nem deixar de exibir drenagem em grandes áreas da imagem. Operação

O primeiro passo consiste em gerar uma imagem raster diferenciando os pixels situados acima e abaixo do limite de área de contribuição escolhido. Pode ser utilizado o comando RECLASS do Idrisi (opção do menu GisAnalysis/DatabaseQuery) para gerar tal imagem, como exemplificado na Figura 27. Nesse exemplo, foi escolhido o valor limite de 50 km2, de forma que os pixels cuja área de drenagem eram inferiores a 50 km2 recebem valor ‘0’ na nova imagem, e os pixels com área acima de 50 km2 (e abaixo de um valor limite bem extremo) ficam com valor ‘1’ na imagem a ser gerada, denominada de ‘DrenAlta.rst’.

Com a opção RASTERVECTOR (menu Reformat) do Idrisi, faz-se a conversão da imagem ‘DrenAlta.rst’ gerada no passo anterior para o formato vetorial. Deve-se escolher as opções ‘Raster to vector’ e ‘Raster to line’ tal qual exemplificado na Figura 28. Como se tratam de formatos distintos (raster e vetorial), optou-se por utilizar mesmo nome para o arquivo de saída. Na Figura 29 consta exemplo da imagem raster com pixels diferenciados se pertencentes (em cor vermelha) ou não (em cor branca) à rede de drenagem, e o respectivo resultado da conversão para a forma vetorial.

Figura 27 – Geração de imagem raster diferenciando pixels situados acima e abaixo do limite de 50 km2 de área de drenagem.



Figura 28 – Operação RASTERVECTOR para gerar a drenagem vetorial a partir da imagem raster com classificação dos pixels pertencentes à drenagem.

a b Figura 29 – Exemplo de (a) raster com pixels classificados entre pertencentes (vermelho) ou não (branco) à rede de drenagem (imagem usando paleta QualW1 do Idrisi); (b) imagem (a) convertida para vetor (visualização usando paleta LineWdeUniformBlue1). Produto

- Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos DrenAlta.rst e DrenAlta.rdc), de alta resolução e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor 0 ou 1, conforme pertençam ou não à rede de drenagem, respectivamente.

- Arquivo vetorial DrenAlta.vct e documentação correspondente (DrenAlta.vdc) representando a rede de drenagem derivada das informações de alta resolução. 2.8 PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO Descrição Caso tenha sido usada máscara de alta resolução nas etapas anteriores, obrigatoriamente deve-se empregar máscara de baixa resolução nas próximas etapas que apresentarem tal opção e, logo, esta etapa deve ser realizada. Caso não tenha sido utilizada máscara de alta resolução, esta etapa deve ser pulada.

A máscara de baixa resolução tem definição análoga à máscara de alta resolução: imagem raster da janela de trabalho onde cada elemento da imagem (agora denominado de célula) assume valor 0 ou 1, conforme esteja situado na região de interesse ou não,



respectivamente. Ou seja, a máscara de baixa resolução é a máscara de alta resolução reamostrada (Figura 30).

Figura 30 – Máscara de baixa resolução (corresponde à máscara de alta resolução da Figura 15), onde os pixels na região branca têm valor zero (serão considerados nos processos de cálculo posteriores), e os pixels nas regiões em cinza têm valor 1 e serão excluídos do cálculo nas rotinas de preparação de informações para o MGB-IPH. Operação

Há duas formas simples de gerar a máscara de baixa resolução: (a) usando o comando CONTRACT (opção do menu Reformat) do Idrisi (Figura

31): definem-se os fatores de contração nas direções x e y, sendo valores iguais e dados pelo quociente entre a baixa e a alta resolução; deve-se utilizar a opção pixel thinning (a opção pixel aggregation geraria valores intermediários entre 0 e 1). Este comando gerará arquivo raster da mesma região (mesmos vértices) do arquivo de entrada (máscara de alta resolução gerada no item 2.4), o qual constituirá a máscara de baixa resolução. Para essa operação, recomenda-se renomear os arquivos Mascara.rst e Mascara.rdc gerados no item 2.4 para MascaraAlta.rst e MascaraAlta.rdc.

Figura 31 – Geração de imagem de baixa resolução a partir de imagem de alta resolução, usando o comando Contract do Idrisi.

(b) usando o comando RASTERVECTOR do Idrisi (Figura 32): gera-se arquivo raster que corresponde à máscara de baixa resolução a partir da conversão do arquivo vetorial referente à máscara digitalizada no item 2.4. Deve-se sugerir um nome de um arquivo não existente para a imagem raster a ser criada (MascaraBaixa.rst, por exemplo), e isso permitirá que seja criada uma nova a partir daquele vetor. Deve-se usar



a opção polygon do raster. Como até este ponto ainda não existe nenhum arquivo raster de baixa resolução da janela de trabalho, deve-se usar a opção “Define spatial parameters individually” e depois “output reference information” para definir manualmente o número de linhas e colunas (valores pré-definidos já no item 2.2). Deve-se checar ainda se as coordenadas dos vértices da imagem correspondem aos vértices da janela de trabalho, bem como se o sistema de referência é “latlong” com unidade em graus (“degrees”). Após gerar o arquivo MascaraBaixa, seja no procedimento (a) ou no procedimento (b), deve-se usar o comando BUFFER (opção do menu Gis Analysis/Distance Operators) para alargar a região mascarada (cujos elementos têm valor 1), de forma que garanta que em nenhuma célula não mascarada existam pixels mascarados. Comumente isso pode ocorrer na região de fronteira entre as regiões mascarada e não mascarada. Com o comando BUFFER, escolhe-se o arquivo MascaraBaixa.rst como entrada e a distância de alargamento da máscara, em unidades da imagem. Caso a baixa resolução seja de 0.1º, por exemplo, o buffer width pode ser definido como 0.2, ou seja, duas células de alargamento. As demais opções do comando devem ser especificadas tal qual apresentado na Figura 33. Isso gerará uma segunda máscara de baixa resolução que se difere da primeira apenas por ter a região mascarada ampliada. Essa segunda máscara deve substituir a original.

Figura 32 – Comando RasterVector do Idrisi sendo usado para transformar um vetor na forma de polígono (a) e gerar uma imagem raster ainda não existente (b), cujas características (resolução, vértices, etc) são especificadas individualmente (c) e (d). Produto

Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos MascaraBaixa.rst e MascaraBaixa.rdc), de baixa resolução (resolução definida no item 2.1) e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor 0 ou 1, conforme devam ou não ser incluídos em processos de cálculo posteriores, respectivamente.



Figura 33 – Comando BUFFER do Idrisi usado para alargar a região definida pela máscara de baixa resolução. 2.9 DERIVAÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO Descrição A determinação das direções de fluxo e das áreas de drenagem acumuladas de alta resolução tem como objetivo principal servir como informação para a derivação das direções de fluxo de baixa resolução, isto é, a direção de fluxo de cada célula do modelo hidrológico. Esse processo é conhecido como upscaling de direções de fluxo e tem apresentado resultados muito mais coerentes do que o procedimento mais simples que consistiria em determinar as direções de fluxo a partir do MNT reamostrado para a baixa resolução, através de algoritmos como o da rotina MNTAlta4A.

No procedimento de upscaling, geram-se direções de fluxo de baixa resolução que se apresentam em boa concordância com as informações de mais alta definição, que são as direções de fluxo e as áreas de drenagem de alta resolução. Diversos algoritmos de upscaling de direções de fluxo são apresentados na literatura, tais como: O’Donnell et al. (1999), Wang et al. (2000), Fekete et al. (2001), Döll e Lehner (2002), Olivera et al. (2002), Reed (2003), Olivera e Raina (2003) e Shaw et al. (2005a, 2005b). Os softwares comerciais de geoprocessamento mais conhecidos (Idrisi, ArcView, ArcGis) não realizam operações desse tipo. Dentro do conjunto de pesquisas envolvendo o MGB-IPH, desenvolveu-se um algoritmo de upscaling de direções de fluxo baseado no trabalho de Reed (2003), o qual está descrito em Paz et al. (2006) e implementado na rotina DirFluxo4.

O algoritmo da rotina DirFluxo4 consiste basicamente em identificar um pixel exutório para cada célula, seguir o caminho de fluxo de pixel em pixel a partir do pixel exutório da célula e conforme esse caminho traçado determinar para qual célula vizinha a célula analisada drena. O referido algoritmo pode ser resumidamente descrito em três etapas:

i. Determinação do pixel exutório de cada célula: para uma determinada célula,

escolhe-se inicialmente como pixel exutório aquele que apresenta a maior área de drenagem acumulada dentre todos os pixels contidos na célula; verifica-se o comprimento do curso d’água principal a montante desse pixel dentro da célula; caso esse comprimento seja superior a um valor mínimo pré-definido,



o pixel testado é aceito como pixel exutório; tal valor mínimo corresponde ao parâmetro denominado de Caminho Mínimo de Montante ou CMM, cujo valor recomendado é igual a 1/5 da dimensão da célula; caso não seja atendido o critério do CMM, verifica-se se o pixel testado é o que drena a maior porção da célula e, em caso positivo, tal pixel é aceito para pixel exutório; caso contrário, escolhe-se novo pixel para ser testado dentre os demais de acordo com a maior área de drenagem acumulada e repetem-se as verificações subsequentes (Figura 34);

ii. Atribuição das direções de fluxo: a atribuição da direção de fluxo para cada

uma das células é realizada percorrendo-se o caminho do escoamento desde seu pixel exutório; a cada pixel exutório de uma célula vizinha encontrado, verifica-se o incremento na área de drenagem; caso seja superior a um valor mínimo pré-definido, a célula analisada drena para essa célula vizinha; tal valor mínimo constitui um parâmetro denominado Área Incremental Mínima ou AIM, e tem valor recomendado igual à área da célula; caso não atenda ao critério da AIM, continua-se a percorrer o caminho do escoamento, até encontrar o pixel exutório de uma célula vizinha que satisfaça o critério mencionado ou que saia da vizinhança; nesse último caso, atribui-se a direção para a última célula visitada (Figura 35); situações particulares são tratadas especificamente, como descrito em Paz et al. (2006);

iii. Correção de cruzamentos: esporadicamente podem ocorrer cruzamentos entre

direções de fluxo de duas células, o que é desfeito com a correção da direção da célula cujo pixel exutório apresenta a menor área de drenagem acumulada dentre as duas células envolvidas (Figura 36).

Figura 34 – Determinação do pixel exutório no algoritmo de upscaling de direções de fluxo. Para a célula B2 (a), inicialmente o pixel I é testado (maior área de drenagem acumulada) e rejeitado para pixel exutório (comprimento do curso d’água dentro da célula menor do que CMM); pelo mesmo motivo o pixel III é rejeitado; o pixel IV é então testado e aceito para pixel exutório da célula B2 (b). Fonte: adaptado de Paz et al. (2006).



Figura 35 - Exemplo de definição da direção de fluxo nas células (grade de baixa resolução) pelo algoritmo apresentado, com base nas informações dos pixels (grade de alta resolução). Para a célula 2, por exemplo: (a) seguindo o caminho de fluxo desde seu pixel exutório (PE2), encontra-se o pixel exutório da célula 3 (PE3); se o incremento de área > AIM, célula 2 drena para a célula 3 (b); caso contrário continua-se o caminho de fluxo e encontra-se o pixel PE4, e a célula 2 drena para a célula 4 (c). Fonte: adaptado de Paz et al. (2006).

Figura 36 - Correção de cruzamentos (a). Caso a área de drenagem do pixel exutório da célula 2 seja maior do que a área de drenagem do pixel exutório da célula 3, a direção de fluxo da célula 3 é alterada (b); caso contrário, altera-se a direção da célula 2 (c). Fonte: adaptado de Paz et al. (2006). Operação A rotina a ser executada é a DirFluxo4. Um dos arquivos de entrada é o arquivo raster com as direções de fluxo de alta resolução, gerado no item 2.5. Deve-se renomear os arquivos Dir.rst (formato Idrisi/integer/binary) e Dir.rdc para DirAlta.rst e DirAlta.rdc, respectivamente. O outro plano de informação de entrada são as áreas de drenagem acumuladas de alta resolução (formato Idrisi/real/binary), geradas no item 2.6. Deve-se renomear os arquivos AreaAcu.rst e AreaAcu.rdc para AreaAlta.rst e AreaAlta.rdc. Ao executar a rotina DirFluxo4, deve-se informar os valores em graus da baixa e da alta resoluções, e depois checar se o número de linhas e colunas calculados para a baixa resolução e apresentado na tela de saída da rotina está correto. Caso esteja correto deve-se prosseguir a execução da rotina, e informar se deseja ou não que seja lido arquivo referente à máscara de baixa resolução. Essa máscara foi gerada na etapa 2.7 e deve ser renomeada para Mascara.rst para entrada nesta rotina.

O passo seguinte é informar os valores dos parâmetros Área Incremental Mínima (AIM) e Caminho Mínimo de Montante (CMM). O valor usual de AIM é igual à área da célula (por exemplo, 100 km2 para células de 0,1º x 0,1º que equivale a 10 km x 10 km). Para o parâmetro CMM, o valor recomendado é igual a 1/5 da dimensão da célula (por exemplo, 2 km para célula de 0,1º x 0,1º). Atenção para as unidades dos parâmetros



AIM (km2) e CMM (km). Os valores do parâmetro AIM e principalmente do parâmetro CMM não foram exaustivamente analisados quanto à influência sobre o processo de upscaling de direções de fluxo. Sugere-se testar variações dos valores recomendados e observar a qualidade dos resultados. A principal saída da rotina DirFluxo4 é o arquivo raster DirBaixa.rst (formato Idrisi/integer/binary), contendo as direções de fluxo dos elementos de baixa resolução (células), seguindo a mesma codificação usada pela rotina MNTAlta4A (Figura 18-a). O arquivo de documentação correspondente deve ser gerado fazendo cópia do arquivo Mascara.rdc (de baixa resolução). Após renomear o arquivo copiado para DirBaixa.rdc, abra-o no Idrisi e atualize a resolução e os valores mínimo e máximo da imagem usando o menu TOOLS (Figura 21). A imagem DirBaixa.rst deve ter aspecto semelhante à imagem DirAlta.rst, mas com elementos de maiores dimensões devido à diferença de resolução (Figura 37).

Dois arquivos de saída da rotina DirFluxo4 dizem respeito aos pixels exutórios determinados pelo algoritmo. O arquivo pixelexu.dat (em formato ascii) contém a linha e a coluna do pixel exutório de cada célula, e serve como informação de entrada para a rotina Trechos posteriormente descrita. O outro arquivo é denominado PixelExu.rst (formato Idrisi/integer/binary), e trata-se de uma imagem raster de alta resolução onde todos os pixels têm valor 0 exceto aqueles selecionados como pixel exutório de alguma célula, que têm valor 1. Essa imagem é apenas informativa e pode ser usada para visualizar quais os pixels exutórios escolhidos pelo algoritmo, e entender como foi determinada a direção de fluxo de cada célula. É preciso gerar o arquivo de documentação PixelExu.rdc, o que pode ser feito copiando o arquivo DirAlta.rdc e renomeando essa cópia. Em seguida deve-se abrir o arquivo PixelExu.rdc no Idrisi e atualizar a resolução e os valores mínimo e máximo pelo comando TOOLS (Figura 21).

Figura 37 – Imagem raster com direções de fluxo de baixa resolução geradas pela rotina MNTAlta4A. Exemplo gerado para a bacia do Rio Grande (correspondente ao exemplo da Figura 22).



Produto - imagem raster com as direções de fluxo de baixa resolução (arquivos DirBaixa.rst e DirBaixa.rdc), abrangendo a janela de trabalho (formato Idrisi/integer/binary), onde cada pixel contém um valor referente a sua direção seguindo codificação exemplificada na Figura 18-a;

- arquivo em formato ascii contendo o número da linha e da coluna do pixel exutório de cada célula (arquivo pixelexu.dat);

- imagem raster de alta resolução (formato Idrisi/integer/binary), onde os pixels selecionados como pixel exutório de alguma célula têm valor 1 e os demais têm valor 0, abrangendo a janela de trabalho (arquivos PixelExu.rst e PixelExu.rdc). 2.10 EXTRAÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO Descrição

Alguns modelos hidrológicos têm um módulo para efetuar a propagação do escoamento ao longo da rede de drenagem, isto é, entre as células da discretização. O modelo MGB-IPH utiliza o método Muskingun-Cunge. Esse método, assim como outros métodos de propagação do escoamento, necessita de informações sobre o trecho de rio ao longo do qual é feita a propagação. No caso, precisa-se do comprimento e da declividade de cada trecho de rio associado à ligação entre duas células.

Na etapa 2.8 foram geradas as direções de fluxo de baixa resolução, isto é, a indicação de qual célula vizinha recebe o escoamento resultante de uma determinada célula. Para a propagação do escoamento, a maior simplificação quanto ao comprimento do trecho de rio seria considerar todos os trechos com comprimento igual à dimensão da célula, quando o trecho é entre duas células localizadas ortogonalmente entre si, ou igual a 1.4142 vezes a dimensão da célula, no caso de células em diagonal. Entretanto, isso significa uma enorme perda na qualidade da representação do processo físico, que pode conduzir ao mau ajuste do modelo ou forçar o ajuste dos parâmetros de forma compensatória. Por outro lado, informações de comprimentos e declividades dos trechos de rio, principalmente em grandes bacias, raramente estão disponíveis e a extração manual de tais informações a partir de mapas impressos representa tarefa inviável face às dimensões das bacias.

Seguindo as pesquisas envolvendo o desenvolvimento e aplicação do MGB-IPH, foi desenvolvido um algoritmo para extrair automaticamente os comprimentos e declividades dos trechos de rio associados à drenagem entre cada duas células. O algoritmo se baseia em informações de alta resolução já geradas em etapas anteriores (MNT, MNT com depressões removidas, áreas de drenagem acumuladas) e foi desenvolvido a partir do algoritmo de upscaling de direções de fluxo.

Basicamente, o algoritmo proposto consiste em associar a cada célula e calcular o comprimento de um trecho de rio, que pode ser composto por um sub-trecho (a montante do pixel exutório) ou dois sub-trechos (um a montante e outro a jusante do pixel exutório). As células que não recebem contribuição de outras células (ou seja, não têm nenhuma célula a montante) são consideradas células de cabeceira e não têm trecho de rio associado. Esse procedimento foi adotado visando estar compatível com a metodologia de simulação adotada no modelo hidrológico MGB-IPH. No referido



modelo, o escoamento superficial resultante do balanço em uma célula de cabeceira contribui diretamente para a célula de jusante, sem propagação ao longo de um trecho de rio (Collischonn e Tucci, 2001). O algoritmo está descrito em Paz e Collischonn (2007), podendo ser resumido da seguinte forma:

i. Identificação dos pixels exutórios: são lidas informações quanto à localização dos

pixels exutórios de cada célula, geradas pelo algoritmo de upscaling de direções de fluxo (Figura 38-a e Figura 38-b);

ii. Determinação dos sub-trechos de rio a montante dos pixels exutórios: para cada

célula, excluindo as de cabeceira, calcula-se o comprimento do trecho de rio situado a montante do pixel exutório e até a borda da célula; para percorrer o caminho da drenagem no sentido oposto ao fluxo natural, o problema consiste em identificar a cada passo o pixel de montante; neste algoritmo o pixel de montante de um determinado pixel é definido como sendo aquele com a maior área de drenagem acumulada que drena para o pixel analisado; todos os pixels encontrados no caminho são marcados; a cada passo ortogonal é contabilizado o tamanho do pixel e a cada passo diagonal contabiliza-se 1.4142 vezes o tamanho do pixel (Figura 38-c);

iii. Determinação dos sub-trechos de rio a jusante dos pixels exutórios: todas as

células que não sejam de cabeceira são ordenadas em função da área de drenagem dos pixels exutórios de forma decrescente; seguindo tal ordem, para cada célula calcula-se o comprimento do trecho de rio situado a jusante do pixel exutório (fora da própria célula); o pixel de jusante de um determinado pixel é diretamente indicado pela sua direção de fluxo; assim como descrito no item anterior, cada pixel encontrado no caminho é marcado e o mesmo cálculo é adotado quanto a um passo ortogonal ou diagonal; o traçado do trecho a jusante do pixel exutório é encerrado apenas ao encontrar um pixel já marcado (seja no passo ii ou neste passo iii) ou quando sai da área de estudo (Figura 38-d);

iv. Cálculo do comprimento total dos trechos de rio: para cada célula, excluídas as de

cabeceira, o comprimento do trecho de rio associado é dado pela soma dos comprimentos dos sub-trechos de montante e de jusante (Figura 38-e);

v. Cálculo da declividade dos trechos de rio: para uma determinada célula i, a

declividade do trecho de rio correspondente ( i celSrio ) é calculada pela expressão ( ) i cel

Ji cel

Mi celi cel Lrio/ZZSrio −= , onde M

i celZ e Ji celZ são a elevação do terreno dos pixels

mais jusante e mais a montante, respectivamente, do trecho de rio associado à célula; e i celLrio é o comprimento do trecho de rio da célula.

O algoritmo proposto associa a cada célula de baixa resolução um trecho de rio

composto por pixels (grade de alta resolução), de modo que a rede de drenagem de alta resolução é dividida entre as várias células. Com a possibilidade de que parte do trecho de rio associado a uma célula esteja situada fora dos seus limites (o que se denominou sub-trecho de jusante), evita-se que trechos de rio de alta resolução não sejam contabilizados nem associados a nenhuma célula. Por outro lado, a marcação dos pixels já contabilizados, seja no sub-trecho de montante seja no sub-trecho de jusante, garante que nenhum pixel (ou seja, nenhum trecho de drenagem de alta resolução) seja contabilizado mais de uma vez.



Os valores da elevação do terreno para o cálculo das declividades são referentes ao MNT modificado pelo algoritmo de geração de direções de fluxo, que remove as depressões durante o processo de cálculo. O uso do MNT sem depressões (denominado MNTfill.rst) tem o objetivo de evitar declividades negativas, indesejáveis para a propagação do escoamento no modelo hidrológico. Os pixels situados mais a montante e mais a jusante de cada trecho de rio são identificados durante a determinação dos comprimentos dos sub-trechos de montante e de jusante (passos ii e iii), respectivamente. No cálculo da declividade, considera-se que o comprimento do trecho de rio é muito maior do que a diferença de elevação, de forma que o ângulo α (Figura 39) é muito pequeno e a aproximação sen(α) ≅ tan(α) é válida.

Figura 38 – Exemplo da aplicação do algoritmo de determinação do comprimento dos trechos de rio, onde cada célula é constituída por 100 pixels. Em (a), as setas maiores indicam a direção das células; os pixels em cinza (e com direção indicada pelas setas menores) representam a rede de drenagem principal de alta resolução; os pixels pretos são os pixels exutórios de cada célula, representados também em (b). (c) Determinação dos sub-trechos a montante de cada pixel exutório; (d) Determinação dos sub-trechos a jusante de cada pixel exutório; (e) Indicação dos trechos totais de rio contabilizados pelo algoritmo (Fonte: adaptado de Paz e Collischonn, 2007).

Figura 39 – Aproximação para cálculo da declividade dos trechos de rio (declividade = L/dZ, supondo o ângulo α muito pequeno).



Ao final do algoritmo, são geradas duas imagens raster, uma contendo os comprimentos dos trechos de rio e outra contendo as declividades, que servirão de entrada para outro módulo de preparação de informações para simulação com o MGB-IPH (módulo PREPARA). Diversos outros arquivos de saída são gerados e têm a função básica de ajudar no entendimento do algoritmo e servir de análise dos comprimentos e declividades extraídos. Operação e produtos A extração de comprimentos e declividades é realizada com o emprego da rotina TRECHOS5b. Tal rotina tem vários arquivos de entrada, listados a seguir: - DirAlta.rst (e .rdc): imagem raster com direções de fluxo de alta resolução, formato do Idrisi (integer/binary), gerada na etapa 2.5; - AreaAlta.rst (e .rdc): imagem raster com áreas acumuladas de drenagem de alta resolução, formato do Idrisi (real/binary), gerada na etapa 2.6; - MNTfill.rst (e .rdc): imagem raster com MNT de alta resolução com as depressões removidas (modificado pelo algoritmo de upscaling de direções de fluxo), formato do Idrisi (integer/binary), gerada na etapa 2.8; - Mascara.rst (e .rdc): imagem raster contendo a máscara de baixa resolução, formato Idrisi (integer/binary), gerada na etapa 2.7. Este arquivo deverá ser utilizado se o emprego da máscara tiver sido adotado nos passos anteriores; - pixelexu.dat: arquivo em formato ascii contendo informação do número da linha e da coluna do pixel exutório de cada célula, gerado na etapa 2.8; - DirBaixa.rst (e .rdc): imagem raster com direções de fluxo de baixa resolução, formato do Idrisi (integer/binary), gerada na etapa 2.8. Os produtos principais são as imagens raster de baixa resolução contendo os comprimentos e as declividades dos trechos de rio associados a cada célula, os quais servirão efetivamente como entrada para outro módulo do MGB-IPH: - TrechosTOT.rst: imagem raster de baixa resolução (formato Idrisi/real/binary), onde a cada elemento (célula do modelo) está associado um valor referente ao comprimento do trecho de rio, em km; - Decliv.rst: imagem raster de baixa resolução (formato Idrisi/real/binary), onde a cada elemento (célula do modelo) está associado um valor referente à declividade do trecho de rio, em m/km.

Para as células de cabeceira, a rotina atribui um valor simbólico de declividade igual a -0,99. À exceção de tais células, todas as demais devem ter declividade não nula. Isso pode e deve ser checado antes de usar a informação gerada. Recomenda-se gerar outra imagem fazendo uma reclassificação das declividades, de forma que todos os valores -0,99 se tornem 0. Usando o Idrisi, isso pode ser feito facilmente pelo comando RECLASS (menu Gis Analysis/Database Query), conforme ilustrado na Figura 40.



Diversos outros arquivos são gerados: - TrechosMONT.rst: imagem raster de baixa resolução (formato Idrisi/real/binary), onde a cada elemento está associado um valor referente ao comprimento do sub-trecho de rio de montante, em km; - TrechosJUS.rst: imagem raster de baixa resolução (formato Idrisi/real/binary), onde a cada elemento está associado um valor referente ao comprimento do sub-trecho de rio de jusante, em km (para cada elemento, a soma do sub-trecho de montante e do sub-trecho de jusante é igual ao comprimento total que consta no arquivo TrechosTOT.rst); - caminhoTOT.rst: imagem raster de alta resolução (formato Idrisi/integer/binary), onde os pixels assumem o valor 0 ou 1. Os pixels com valor 1 fazem parte do trecho de rio associado a alguma célula; - caminhoMONT.rst: imagem raster de alta resolução (formato Idrisi/integer/ binary), onde os pixels assumem o valor 0 ou 1. Os pixels com valor 1 fazem parte do sub-trecho de rio de montante associado a alguma célula. - ptostrechos.rst: imagem raster de alta resolução (formato Idrisi/integer/binary), onde os pixels assumem o valor 0 ou 1. Os pixels com valor são aqueles correspondentes ao ponto inicial ou final do trecho de rio associado a alguma célula.

Figura 40 – Comando Reclass do Idrisi, usado para gerar nova imagem raster com as declividades dos trechos de rio, suprimindo os valores negativos indicativos de célula de cabeceira (“-0.99”) Como ocorre nas rotinas anteriormente descritas, os arquivos de documentação (.rdc) correspondentes a cada imagem raster (.rst) devem ser criados manualmente. Isso é feito a partir de cópia de arquivo .rdc equivalente, renomeando-o, abrindo-o no Idrisi e atualizando o valor da resolução e do máximo e mínimo da imagem através da opção TOOLS/ Calculate Resolution e Calculate Min/Max (Figura 21). Para criar um arquivo.rdc referente a uma imagem de baixa resolução, deve-se usar como base (copiar) um arquivo .rdc correspondente a uma imagem também de baixa resolução. E assim analogamente para gerar arquivos .rdc de imagens de alta resolução. Também deve-se ter atenção quanto ao tipo de dado da imagem, se inteira ou real. Ao criar o



arquivo .rdc e abri-lo no Idrisi, deve-se ajustar o formato manualmente antes de efetuar a atualização da resolução e dos valores mínimo e máximo. As imagens raster de comprimentos (TrechosTOT.rst) e declividades (Decliv.rst) devem ter o aspecto dos exemplos das Figura 41 e Figura 42.

Figura 41 – Imagem raster de baixa resolução contendo o comprimento dos trechos de rio associados às células do modelo hidrológico – exemplo da Bacia do Rio Grande (valores em km).

Figura 42 – Imagem raster de baixa resolução contendo a declividade dos trechos de rio associados às células do modelo hidrológico – exemplo da Bacia do Rio Grande (valores em m/km).

As imagens raster caminhoTOT.rst e caminhoMONT.rst, juntamente com ptostrechos.rst, indicam o caminho percorrido pelo algoritmo pixel a pixel na contabilização dos trechos de rio de cada célula. Pode-se gerar uma imagem referente aos pixels contabilizados nos sub-trechos de jusante do seguinte modo:



- subtração das imagens caminhoTOT.rst e caminhoMONT.rst com o comando OVERLAY, gerando a imagem caminhoJUSaux.rst (Figura 43-a);

- reclassificação da imagem caminhoJUSaux.rst para que os pixels com valor 1 tenham valor 2, gerando imagem caminhoJUS.rst (Figura 43-b).

Em seguida, pode-se compor novamente o caminho total (montante e jusante) em uma única imagem, mas diferenciando cada sub-trecho:

- adição das imagens caminhoMONT.rst e caminhoJUS.rst com o comando OVERLAY, gerando a imagem caminhoTOT2.rst (Figura 44). Nessa imagem, os pixels pertencentes a um sub-trecho de montante têm valor 1 e pixels com valor 2 pertencem a algum sub-trecho de jusante. Tal imagem deve ter o aspecto do exemplo da Figura 45. Essa figura representa um zoom aplicado à imagem total, sendo as células do modelo visualizadas pela grade do Idrisi (opção Map Grid do botão Map Properties do Composer). Caso surja algum pixel com valor negativo ou superior a 2, isso indica que algum procedimento foi realizado erradamente para gerar a referida imagem, ou mesmo que a rotina Trechos5b não foi executada corretamente.

Figura 43 – Geração de imagem raster contendo o traçado dos sub-trechos de jusante (caminhoJUS.rst) usando os comandos OVERLAY e RECLASS do Idrisi.

Figura 44 – Geração de imagem raster contendo o traçado total dos trechos de rio mas diferenciando os sub-trechos de montante e jusante (caminhoTOT2.rst) usando o comando OVERLAY do Idrisi.



A visualização do traçado do caminho percorrido pelo algoritmo para determinação dos comprimentos dos trechos de rio é bastante útil para entender os valores extraídos. Como no exemplo da Figura 45, a visualização permite ainda observar se algum trecho de rio deixou de ser compatibilizado (o que não deve ocorrer visto que o algoritmo foi desenvolvido tendo isso como uma das premissas), ou se ocorreu alguma atribuição incoerente.

Figura 45 – Imagem raster contendo o traçado total dos trechos de rio mas diferenciando os sub-trechos de montante (pixels de cor vermelha e com valor 1) e jusante (pixels de cor amarela e com valor 2) (zoom do arquivo caminhoTOT2.rst para a bacia do Rio Uruguai). 2.11 GERAÇÃO DA REDE DE DRENAGEM VETORIAL DE BAIXA RESOLUÇÃO Descrição Esta etapa consiste em gerar um arquivo vetorial referente à drenagem das células, a partir das direções de fluxo de baixa resolução estabelecidas no item 2.??. Para cada célula, gera-se uma linha orientada conforme sua direção de fluxo. Esse arquivo vetorial não serve de entrada para nenhum módulo do MGB-IPH, mas constitui excelente forma de visualizar a rede de drenagem de baixa resolução, que estabelece o caminho do escoamento propagado pelo modelo hidrológico. Operação A drenagem vetorial é gerada pela rotina DRENAGEM.



A única informação de entrada dessa rotina é a imagem raster de direções de fluxo de baixa resolução no formato Idrisi/integer/binary (arquivos DirBaixa.rst e DirBaixa.rdc), e seguindo codificação apresentada na Figura 18-a. Para entrada na rotina, tais arquivos devem ser renomeados para FLD1.rst e FLD1.rdc. A rotina DRENAGEM gera um arquivo denominado Drenagem.VEC, que segue o formato vetorial antigo do Idrisi em 16 bits. O arquivo de documentação correspondente denominado Drenagem.DVC (deve constar um arquivo com tal nome na pasta da rotina) deve ser manualmente editado usando algum editor de textos básico (Notepad ou Wordpad, por exemplo) para ajustar os valores das coordenadas Xmin, Xmax, Ymin e Ymax às coordenadas dos vértices da janela de trabalho. Tais coordenadas foram definidas no item 2.2, e podem ser obtidas facilmente abrindo qualquer arquivo .rdc trabalhado nas etapas anteriores. Após executar a rotina gerando o arquivo Drenagem.VEC e ajustar o arquivo Drenagem.DVC manualmente, faz-se a conversão para o formato vetorial do Idrisi 32 bits, usando o comando IDRISI FILE CONVERSION (opção do menu File). Escolhe-se conversão de arquivo vetorial Idrisi 16 bits para Idrisi 32 bits, e o arquivo de entrada é o Drenagem.VEC gerado pela rotina Drenagem (Figura 46). A conversão resultará nos arquivos Drenagem.VCT e Drenagem.VDC. Para checar se ocorreu a conversão corretamente, basta fazer o display do arquivo vetorial Drenagem.vct no Idrisi – a rede de drenagem deve ter aspecto semelhante ao exemplo da Figura 47. Caso o arquivo resultante Drenagem.vct não tenha esse aspecto, uma das principais fontes de erro é a definição dos valores das coordenadas Xmin, Xmax, Ymin e Ymax no arquivo Drenagem.vcd, antes da conversão de Idrisi 16-bits para 32-bits. E caso a rotina DRENAGEM não conclua, aparentando estar em um loop infinito, alguma incoerência existe no raster de direções de fluxo. Tipicamente, nesse caso deve ter ocorrido um circuito fechado, tipo célula A drena para célula B que drena para célula C e esta drena para célula A.

Figura 46 – Conversão do arquivo vetorial Drenagem.vec do formato Idrisi 16-bits para arquivo vetorial Drenagem.vct no formato Idrisi 32-bits, usando o comando Idrisi File Conversion.



Figura 47 – Rede de drenagem representada no arquivo vetorial Drenagem.vct, convertido a partir da saída da rotina Drenagem (exemplo da Bacia do Rio Grande). Produtos - Arquivo vetorial Drenagem.VCT e documentação correspondente (Drenagem.VDC) representando a rede de drenagem de baixa resolução (drenagem “enxergada” pelo modelo hidrológico). 2.12 VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO Descrição Por melhor que seja o desempenho do algoritmo empregado, na geração de direções de fluxo de baixa resolução sempre ocorrerão casos em que a direção atribuída a alguma célula não segue aquela que proporciona uma maior coerência com a drenagem de alta resolução (tida como a informação mais precisa). Isso é inerente à representação em células quadradas. Dessa forma, recomenda-se fazer uma checagem do grau de coerência entre as direções de fluxo das células do modelo hidrológico e a informação mais precisa disponível, seja a drenagem de alta resolução extraída do MNT ou mapas de drenagem provenientes de outras fontes. A checagem da qualidade da drenagem de baixa resolução pode ser feita visualmente, superpondo-se diferentes planos de informação. Para a correção, pode-se utilizar a rotina CORRIGE. ATENÇÃO: a direção de fluxo das células está relacionada com o trecho de rio que foi associado à ligação entre cada duas células. Consequentemente, alterações na direção de fluxo de alguma célula idealmente devem ser acompanhadas de modificações nos comprimentos e declividades do trecho de rio associado. Portanto, caso seja corrigida alguma direção de fluxo nesta etapa, deve-se retornar à etapa 2.10 e refazer os passos até aqui, utilizando agora o novo arquivo raster com as direções de fluxo corrigidas.



Operação Pode-se superpor a imagem referente às áreas acumuladas de drenagem de alta

resolução (gerada no item 2.6) e a drenagem vetorial gerada no item 2.9. A Figura 48 exemplifica esse processo para um trecho da bacia do Rio Grande usando o Idrisi. Em tal figura, foi utilizada a paleta de cores UnipolarWblue com a opção de escala automática por quantiles para a imagem das áreas de drenagem, e a paleta LineWdeUniformRed2 para o vetor da drenagem. A malha de baixa resolução (ou seja, as células do modelo hidrológico) pode ser visualizada através da opção MAP GRID (Figura 49), acessível através da opção MAP PROPERTIES do Composer. Escolhendo-se como incrementos em x e y o valor da baixa resolução (neste caso igual a 0,1º) consegue-se visualizar as células do modelo hidrológico e inferir sobre a direção de fluxo correspondente, face à drenagem de alta resolução no fundo da composição.

Figura 48 – Superposição da rede de drenagem vetorial (derivada das direções de fluxo de baixa resolução) com a imagem de alta resolução das áreas de drenagem acumuladas, usando o Idrisi.

Caso seja identificada alguma célula cuja direção se deseja realmente modificar, deve-se anotar a linha e a coluna correspondentes. Executa-se a rotina CORRIGE e escolhe-se a opção 1 (“corrigir direções de fluxo”). Vai ser lido o arquivo raster Dir.rst (direções de fluxo de baixa resolução), o qual se deseja corrigir. Em seguida aparece a opção de informar o número da linha e da coluna referente à célula cuja direção vai ser modificada. IMPORTANTE: deve ser informada uma unidade a mais para ambos, visto que o Idrisi considera a primeira linha e a primeira coluna como sendo o zero. Por exemplo, para uma imagem com 25 linhas e 30 colunas, no Idrisi as linhas vão de 0 a 24 e as colunas de 0 a 29, enquanto para a rotina CORRIGE a contagem segue normalmente de 1 a 25 e de 1 a 30 (veja Figura 4 e comentários a respeito no capítulo



1). Então, caso se queira modificar a célula identificada no Idrisi como sendo da linha 12 e coluna 7, deve-se informar à rotina CORRIGE a linha 13 e a coluna 8. É exibido o código da direção atual da célula (o que deve ser usado para conferir se se trata da célula escolhida realmente), e deve-se informar a nova direção (usando a codificação apresentada na Figura 18-a). O arquivo Dir.rst é sobrescrito e, por segurança, recomenda-se renomeá-lo e manter versão do arquivo original Dir.rst em outra pasta. Muito cuidado deve ser dispensado na correção da direção de fluxo das células. Erros nesta etapa podem gerar sérias inconsistências na drenagem de baixa resolução, como criação de loops por exemplo. Recomenda-se manter cópia do arquivo original Dir.rst e anotação das células modificadas (número da linha e da coluna e direção de fluxo original), para eventualmente desfazer as correções ou ajustá-las.

Figura 49 – Definição da malha a ser exibida na imagem corrente do Idrisi. Produtos Caso seja identificada alguma célula com direção de fluxo inconsistente, o primeiro produto desta etapa será o arquivo raster Dir.rst modificado, corrigindo a direção de fluxo correspondente. Os demais produtos são as novas versões calculadas dos arquivos raster com comprimentos e com declividades (e demais arquivos gerados na etapa 2.10), além do arquivo vetorial com drenagem de baixa resolução. 2.13 DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS ACUMULADAS DE BAIXA RESOLUÇÃO Descrição

A partir das direções de fluxo corrigidas (caso tenham sido feitas correções) de baixa resolução determinadas no item anterior, a rotina ‘AreaAcu’ deve ser empregada para gerar imagem raster com as áreas acumuladas de drenagem na mesma resolução. Trata-se de uma imagem onde cada célula contém um valor referente a sua área de drenagem. O procedimento é análogo ao descrito no item 2.6 para a geração de áreas acumuladas de alta resolução.



Operação A operação é realizada usando a rotina ‘AreaAcu’. Os arquivos de entrada são ‘Dir.rst’ e ‘Dir.rdc’ referentes às direções de fluxo de baixa resolução (arquivo mais atual, corrigido se for o caso! - arquivo raster de direções de fluxo no formato Idrisi, integer/binary, abrangendo a janela de trabalho). Caso esteja trabalhando com máscara, deve ser fornecido arquivo mascara.rst (baixa resolução, tipo raster do Idrisi, integer/binary). Devem ser informadas a resolução em graus e as coordenadas Xmin e Ymax da imagem (usar ponto para indicar a casa decimal). As coordenadas Xmin e Ymax se referem ao valor mínimo da longitude e ao valor máximo da latitude, respectivamente. Tais informações constam no arquivo de documentação ‘Dir.rdc’ e constituem o vértice superior esquerdo da imagem (que é o vértice superior esquerdo da janela de trabalho). Durante a execução da rotina ‘AreaAcu’, escreve-se na tela de saída o número da coluna que foi iniciado o cálculo (a cada dez colunas). Quanto maior a imagem (maior número de linhas e colunas), mais tempo levará o cálculo. Entretanto, caso a rotina fique parada em determinada coluna por tempo indeterminado (um tempo bem maior do que o gasto para fazer o cálculo nos grupos de colunas anteriores), é um indicativo de que o arquivo raster contendo as direções de fluxo está incoerente. Um exemplo típico de situação que causaria tal problema seria a existência de loops nas direções de fluxo (um determinado pixel A drena para o pixel B que drena para o pixel C e este drena para o pixel A). O algoritmo utilizado para gerar direções de fluxo que consta na rotina DirFluxo4 não deve gerar tais loops. Logo, outro problema deve ter ocorrido – talvez durante a correção das direções pela rotina CORRIGE. Recomenda-se refazer os passos anteriores com atenção principalmente à correção efetuada. Gera-se como saída o arquivo ‘AreaAcu.rst’, que deve ser renomeada para ‘AreaBaixa.rst’. Trata-se de uma imagem raster da janela de trabalho com mesma resolução dos arquivos de entrada (baixa resolução), mas no formato Idrisi/real/binary. O arquivo de documentação correspondente (arquivo ‘AreaBaixa.rdc’) deve ser gerado a partir de cópia do arquivo ‘Dir.rdc’. Após renomear a cópia do arquivo ‘Dir.rdc’ para ‘AreaBaixa.rdc’, deve-se abri-lo no Idrisi e mudar o tipo de dados para real. No menu TOOLS, procede-se ao cálculo (atualização) da resolução e dos valores mínimo e máximo da imagem. Ao visualizar a imagem no Idrisi, ela deve ter aspecto semelhante ao exemplo da Figura 50. Produto Arquivo raster do Idrisi de baixa resolução, abrangendo a janela de trabalho, no formato real/binary denominado ‘AreaBaixa.rst’, com o arquivo de documentação correspondente (AreaBaixa.rdc).



Figura 50 – Exemplo de áreas acumuladas de baixa resolução para a bacia do Rio Grande (visualização utilizando paleta UnipolarWblue no Idrisi). 2.14 DELIMITAÇÃO DA BACIA E SUB-BACIAS Descrição O modelo MGB-IPH trabalha com sub-bacias, para as quais alguns dos parâmetros do modelo podem ser especificamente ajustados. O estabelecimento das sub-bacias é realizado tendo em vista vários critérios: objetivo do estudo, localização de aproveitamentos hidroelétricos, localização de postos fluviométricos com dados disponíveis, etc. O processo de escolha em si das sub-bacias não faz parte do propósito deste documento. Porém, uma vez definidas quantas e quais serão as sub-bacias, o procedimento de gerar a delimitação das mesmas pode ser realizado com a rotina DELBACIA. As sub-bacias são numeradas e nas imagens raster geradas cada pixel ou célula recebe um valor referente à numeração da sub-bacia. Fala-se em pixel ou célula visto que a delimitação das sub-bacias deve ser feita para as duas resoluções (alta e baixa). A composição de todas as sub-bacias constitui a bacia propriamente. Uma imagem raster e posteriormente um arquivo vetorial com a delimitação da bacia também é elaborado nesta etapa. Operação O passo inicial é gerar imagens raster que informem onde estão localizados os exutórios das sub-bacias. Serão geradas duas imagens, uma para a alta resolução e outra para a baixa. Inicialmente deve-se gerar duas imagens onde todos os elementos têm valor nulo, uma de alta resolução (ExutoriosAlta.rst) e outra de baixa resolução (ExutoriosBaixa.rst), abrangendo a janela de trabalho. Isso pode ser feito com o comando INITIAL (opção do menu Data Entry) do Idrisi. Deve-se escolher formato de dados do tipo integer, com valor inicial 0, e copiar os parâmetros espaciais dessa imagem a ser criada a partir de outra imagem (desde que seja na mesma resolução e da mesma janela de trabalho), como indicado na Figura 51. Para a imagem de alta



resolução, pode-se usar o arquivo DirAlta.rst como base, enquanto o arquivo DirBaixa.rst pode ser usado para gerar a imagem de baixa resolução.

Figura 51 – Geração de imagem raster onde todos os elementos têm valores nulos, usando o comando Initial do Idrisi. O passo seguinte consiste em identificar para cada sub-bacia a localização do exutório na imagem de áreas acumuladas de drenagem, em termos de linhas e colunas. A imagem contendo as áreas acumuladas de drenagem é ideal para esta tarefa. Visualiza-se tal imagem e identifica-se facilmente o elemento da malha que corresponde exatamente ao exutório da sub-bacia, como exemplificado na Figura 52. Para saber o número da linha e da coluna deve-se usar a ferramenta Feature Properties, acionada pelo botão indicado pela seta azul da Figura 52. Deve-se repetir esse procedimento para todas as sub-bacias, anotando a linha e a coluna referente aos exutórios. A identificação deve ser feita para ambas as resoluções, usando a imagem raster de áreas acumuladas de drenagem correspondente. Identificados todos os exutórios, deve-se atualizar as imagens geradas (ExutoriosAlta.rst e ExutoriosBaixa.rst) de forma que todos os elementos que sejam exutório de alguma sub-bacia tenham valor 1 e os demais permaneçam com valor zero. A atualização pode ser feita com o comando UPDATE (opção do menu Data Entry), indicando que o valor 1 deve ser inserido nas posições definidas pela linha e coluna correspondentes (Figura 53). O comando Update deve ser executado duas vezes, uma para a imagem ExutoriosAlta.rst e outra para a imagem ExutoriosBaixa.rst (observar que para cada imagem existirão os números das linhas e colunas correspondentes aos exutórios).



Figura 52 – Exemplo de identificação da localização do exutório de uma sub-bacia (elemento indicado pela seta vermelha – linha 850 e coluna 175) a partir do raster de áreas acumuladas de drenagem.

Figura 53 – Comando Update do Idrisi, utilizado para inserir localização dos exutórios identificados manualmente.

O passo seguinte é a execução da rotina DELBACIA, que fará a identificação das células ou pixels pertencentes a cada sub-bacia. Tal rotina deve ser executada uma vez específica para cada resolução, usando os arquivos de entrada correspondentes. Para executar a rotina DELBACIA, os seguintes arquivos de entrada são necessários: - Dir.rst (e .rdc): imagem raster no formato Idrisi/integer/binary contendo as direções de fluxo; - Exutorio.rst (e .rdc): imagem raster no formato Idrisi/integer/binary contendo a indicação dos elementos tidos como exutórios das sub-bacias (imagem ExutoriosAlta.rst ou ExutoriosBaixa.rst, conforme o caso, renomeada);



- Mascara.rst (e .rdc): imagem raster no formato Idrisi/integer/binary contendo a mascara (apenas caso se tenha trabalhado com esta opção nas etapas anteriores). Como saída, a rotina DELBACIA gera uma imagem raster denominada Subbacias.rst (formato Idrisi/integer/binary), onde cada elemento recebe um valor referente à sub-bacia a qual pertence. Analogamente às outras rotinas, deve ser gerado o arquivo de documentação correspondente Subbacias.rdc. O layer referente à alta resolução deve ser renomeado para SubbaciasAlta.rst (e SubbaciasAlta.rdc), e o referente à baixa resolução para SubbaciasBaixa.rst (e SubbaciasBaixa.rdc). As imagens geradas devem ter o aspecto dos exemplos da Figura 54.

(a) (b) Figura 54 – Imagens raster de alta (a) e baixa (b) resolução com a delimitação das sub-bacias da bacia do Rio Grande geradas pela rotina DELBACIA (visualização com paleta QualW1 do Idrisi).

Na imagem gerada pela rotina DELBACIA, a numeração das sub-bacias ocorre segundo a regra de busca do algoritmo, em função da varredura ao longo da matriz. Entretanto, para entrada no modelo hidrológico MGB-IPH, é necessário uma numeração das sub-bacias segundo algumas regras. Recomenda-se fazer o ajuste dessa numeração já neste ponto de preparação das informações, para evitar duplicidade de informações ou confusão entre arquivos. A regra principal de numeração exigida pelo MGB-IPH é que nenhuma sub-bacia pode receber contribuição de outra que tenha maior número que ela. Ou seja, a numeração das sub-bacias deve crescer no sentido da cabeceira da bacia até o exutório. Como exemplo, na Figura 55 consta a numeração das sub-bacias da bacia do Rio Grande.

Idealmente, pode-se fazer os seguintes passos para estabelecer a numeração das sub-bacias:

i. escolher uma das sub-bacias de cabeceira mais distantes do exutório e atribuir número 1; ii. se a sub-bacia a jusante da sub-bacia 1 receber contribuição apenas dela, atribuir número 2 para tal sub-bacia; caso essa sub-bacia receba contribuição de outras sub-bacias de cabeceira, numerá-las sequencialmente em qualquer ordem; iii. seguir ao longo da rede de drenagem para jusante, numerando sequencialmente as sub-bacias, desde que não ocorram afluências. Quando houver, a sub-bacia em que ocorre a contribuição não é numerada nesse momento. Procede-se à numeração das sub-bacias ao longo desse afluente, de montante até jusante. A regra é numerar uma determinada sub-bacia apenas quando todas as que estão a montante dela já foram numeradas. iv. repete-se o procedimento iii até que todas as sub-bacias estejam numeradas.



Uma vez definida a nova numeração das sub-bacias seguindo as regras anteriores, deve-se fazer uma operação de RECLASS (menu GisAnalysis/DatabaseQuery) do Idrisi para atualização da imagem SubbaciasAlta.rst (e SubbaciasBaixa.rst, anologamente), de forma a converter a numeração antiga para nova. Deve-se lembrar de aplicar o comando CONVERT nas imagens resultantes do comando RECLASS, a fim de convertê-las do formato byte para integer, evitando posteriores dificuldades em outras operações.

As imagens com divisão em sub-bacias podem ser utilizadas para gerar imagens com a delimitação da bacia propriamente dita. Basta realizar a operação RECLASS (menu GisAnalysis/DatabaseQuery) do Idrisi, e informar que todas as células ou pixels com valor não nulo devem receber valor 1 (Figura 56). Isso deve ser feito para cada resolução (alta e baixa), produzindo imagens onde os elementos que pertencem à bacia têm valor 1 e os demais têm valor 0. Com o comando RASTERVECTOR (menu Reformat) do Idrisi, gera-se a mesma delimitação no formato vetorial. Deve ser empregada a opção ‘Raster to polygon’, ‘Idrisi polygon file’ e ‘Exclude a background polygon’, permanecendo o valor 0 sugerido para ‘identifier of background polygon’ (Figura 57). Ao final, a delimitação da bacia nas duas resoluções, tanto em formato raster como vetorial, deve ter aspecto como os exemplos da Figura 58.

1

2

34

56

78

9

1011

1213

141615

Figura 55 – Exemplo de numeração das sub-bacias que atende às exigências para modelagem com o MGB-IPH (bacia do Rio Grande), com superposição da rede de drenagem vetorial de baixa resolução. Produtos - Duas imagens raster da janela de trabalho com delimitação das sub-bacias (formato Idirsi/integer/binary), onde cada elemento da imagem recebe um valor referente ao número da sub-bacia a qual pertence: uma imagem de alta resolução e outra de baixa resolução. A numeração deve seguir as regras exigidas pelo modelo MGB-IPH; - Duas imagens raster da janela de trabalho com delimitação da bacia completa (formato Idirsi/integer/binary), onde cada elemento da imagem recebe valor 1 se pertencente à bacia, ou 0 se fora dela: uma imagem de alta resolução e outra de baixa resolução.



- Arquivos vetoriais (tipo polygon) do Idrisi com delimitação da bacia em alta e baixa resolução.

Figura 56 - Operação RECLASS para gerar imagem raster com delimitação da bacia a partir da imagem com divisão em sub-bacias.

Figura 57 – Operação RasterVector para converter imagem raster com delimitação da bacia em polígono.



a b

c d Figura 58 – Delimitação da bacia do Rio Grande na forma (a) raster de alta resolução e (b) sua correspondente conversão para vetor; (c) raster de baixa resolução e (d) forma vetorial equivalente. Visualização usando paleta QualW1 para as imagens raster e paleta PolyOutUniformRed1 para os vetores. 2.15 VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO Descrição e operação Os valores dos comprimentos e declividades dos trechos de rio extraídos automaticamente devem ser analisados previamente ao emprego como entrada para a modelagem com o MGB-IPH. Tal análise pode ser feita visualmente observando-se os trechos considerados pelo algoritmo (Figura 45), ou superpondo-se diferentes planos de informação.

Também recomenda-se visualizar as imagens de comprimentos (TrechosTot.rst) e de declividades (Decliv.rst) geradas em etapa anterior, checando-se os valores em diversas células. Tal análise tem o objetivo principal de verificar a ocorrência de erros sistemáticos na execução da rotina Trechos5b e se os comprimentos e declividades têm valores coerentes em relação ao tamanho da célula. Outra opção interessante é elaborar histogramas dos comprimentos e das declividades, o que pode ser feito a partir do comando HISTO (opção do menu GisAnalysis/DatabaseQuery) do Idrisi.

A seguir são descritas algumas formas distintas de correção. Independente da opção, recomenda-se fortemente que os arquivos originais contendo os comprimentos e declividades dos trechos de rio associados às células do modelo hidrológico sejam guardados, caso seja necessário desfazer as correções efetuadas.

a. Correção de pixel exutório

Podem ocorrer incoerências na atribuição do trecho de rio a alguma ligação entre duas células, ou o usuário pode observar que o trecho atribuído poderia ter sido outro. Mudanças dessa natureza podem ser realizadas, alterando para isso o pixel exutório da célula a montante desse trecho observado como incoerente. A rotina CORRIGE permite



efetuar tal operação, mas recomenda-se muita atenção e certeza no procedimento que está sendo realizado.

A opção 4 da rotina CORRIGE efetua a correção do arquivo ascii denominado pixelexu.dat gerado quando do upscaling de direções de fluxo. A rotina lê o arquivo de direção de fluxo de baixa resolução como auxiliar (renomeado para ‘Dir.rst’ e ‘Dir.rdc’), e deve ser informado o número da linha e coluna da célula cujo pixel exutório vai ser alterado. Em seguida, informa-se a nova linha e a nova coluna do pixel exutório. Se este tipo de correção for realizado, recomenda-se refazer o passo 2.10, recalculando os raster de comprimentos e declividades (e demais arquivos daquela etapa). As etapas 2.11 a 2.14 não são influenciadas por tais correções e, logo, não precisam ser refeitas. b. Correção forçada de comprimentos e declividades individuais

Alternativamente ao procedimento descrito no item (a), para efetuar mudanças pontuais de uma ou algumas células quanto ao comprimento ou declividade do trecho de rio associado, pode-se executar a rotina CORRIGE e escolher a opção 2 (para declividades) ou 3 (para comprimentos). Escolhe-se a opção 1 (corrigir individualmente algumas células), e informa-se linha e coluna da célula, seguido do novo comprimento ou declividade, nas devidas unidades. A rotina lê o arquivo de direção de fluxo de baixa resolução como auxiliar (renomeado para ‘Dir.rst’ e ‘Dir.rdc’), além do arquivo de comprimentos (arquivo ‘TrechosTot.rst’ renomeado para ‘Trechos.rst’) ou de declividades (arquivo ‘Decliv.rst’). c. Imposição de limites mínimo ou máximo Mesmo que todo o procedimento de derivação de direções de fluxo e de comprimentos e declividades dos trechos de rio tenha sido efetuado corretamente, sempre ocorrerão células com trechos de rio de comprimento e/ou declividade muito pequenos para a propagação usando o método Muskingun-Cunge (método usado atualmente pelo MGB-IPH). Parte da razão disso é inerente à modelagem com células quadradas, à metodologia empregada e aos dados utilizados provenientes do SRTM-90m. Uma forma simples de ajuste e que não deve causar maiores problemas à modelagem é impor valores limites mínimos para os comprimentos e declividades, de forma que todos os valores abaixo do limite passam a ter o valor do limite. Tal operação pode ser realizada facilmente com a rotina CORRIGE, escolhendo inicialmente a opção 2 (para declividades) ou 3 (para comprimentos), seguida da escolha da opção 2 (correção por valor mínimo) ou 3 (correção por valor máximo). Os valores limites devem ser discutidos para cada caso, mas recomenda-se não usar valores inferiores a 6 km para o comprimento e de 10 cm/km (ou 0,0001 m/m) para a declividade dos trechos de rio. Nessa operação, é necessário prover a rotina com arquivo raster com a máscara da bacia (imagem de baixa resolução, onde células pertencentes à bacia têm valor ‘1’ e células de fora têm valor ‘0’). Deve ser informado o valor limite mínimo ou máximo a ser adotado para a declividade ou o comprimento, e a rotina inicialmente fará um levantamento de quantas células pertencentes à bacia apresentam-se fora do limite. Em seguida pergunta se deseja realmente efetuar a mudança, impondo o limite mínimo (ou máximo) informado ou não. Caso seja efetuada a modificação, o arquivo correspondente (Trechos.rst ou Decliv.rst) é sobrescrito.



Produtos Dependendo do tipo de correção efetuado, o produto desta etapa poderá ser os arquivos Trechos.rst e Decliv.rst corrigidos, ou ainda a atualização também do arquivo ascii contendo indicação dos pixels exutórios de cada célula de baixa resolução.



3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CGIAR-CSI (2006), Void-filled seamless SRTM data V1 - 2004, International Centre

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