Determinação de características fisiográficas de bacias usando ferramentas de geoprocessamento

Determinação de características fisiográficas de bacias usando

ferramentas de geoprocessamento

Carlos Ruberto Fragoso Jr.Marllus Gustavo F. Passos das NevesCTEC – UFAL

Tópicos

O que é Geoprocessamento O que é um SIG Importância do Geoprocessamento em

Recursos Hídricos Noções de cartografia O MapWindow Aprendendo a usar o MapWindow Ferramentas de Hidrologia no MapWindow Exercício para Bacia do rio Paraíba

Geoprocessamento

Conjunto de ferramentas usadas para Conjunto de ferramentas usadas para coleta ecoleta e tratamento tratamento de de informações espaciais,informações espaciais, geração de geração de saídassaídas na forma de mapas, na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc;relatórios, arquivos digitais, etc;

Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.manipulação e análise.

Geoprocessamento X SIGs

Geoprocessamento representa qualquer tipo de Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente).muito mais abrangente).

Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.espaciais e modelagens de superfícies.

SIG’s - Definições

BurroughBurrough ““Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar,

recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real”real”

CowenCowen““Um sistema de suporte à decisão que integra dados Um sistema de suporte à decisão que integra dados

referenciados espacialmente num ambiente de respostas a referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas”problemas”

SmithSmith““Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual

opera um conjunto de procedimentos para responder a opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”consultas sobre entidades espaciais”

SIG’s - Definições

OppenshawOppenshaw““Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o

acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”.estudo”.

GoodchildGoodchild““O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica

está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “

DangerramondDangerramond““Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a disponível Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a disponível

de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”informação antiga num novo contexto.”

Software SIG

Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa.

A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde.

adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with ArcGIS

Por que utilizar cartografia computadorizada?

1. Fazer mapas mais rapidamente.2. Fazer mapas mais baratos.3. Fazer mapas para usos específicos.4. Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de

pessoal especializado5. Permitir experimentos com representações espaciais diversas

dos mesmos dados.6. Facilitar atualização de mapas.7. Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística

e mapas.8. Minimizar a necessidade de mapas em papel.9. Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D,

mapas estereoscópicos).

Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell

Estrutura de um SIG

Interface

Entrada e Integr.Dados

VisualizaçãoPlotagem

Gerência Dados Espaciais

Consulta e Análise Espacial

BANCO DE DADOSBANCO DE DADOSGEOGRÁFICOGEOGRÁFICO

O que deve existir num SIG? Mostrar localização de entidades específicas. Mostrar localização de entidade A em relação ao local

B. Contar o número de ocorrências da entidade A dentro

de uma região definida por uma distância máxima ou mínima da entidade B.

Avaliar o valor da função f na posição x. Calcular o tamanho de B (área, perímetro, número de

entidades A no interior). Permitir operações de união e intersecção. Permitir encontrar caminhos ótimos entre dois pontos. Listar os atributos das entidades localizadas em x.

O que deve existir num SIG? Determinar que entidades estão próximas às

entidades que combinam certos atributos. Reclassificar entidades que apresentam certa

combinação de atributos. Conhecendo o valor de uma variável z nos

pontos x1, x2,... xn, definir o valor de z nos pontos y1, y2,... yn.

Derivar novos atributos a partir de atributos existentes.

Usando a base de dados como uma representação do mundo real, simular o efeito de um processo P ao longo de um período T num determinado cenário S.

O que é um mapa?

Mapa:Mapa: modelos simplificados da realidademodelos simplificados da realidade– representa, normalmente em escala, uma seleção de representa, normalmente em escala, uma seleção de

entidades abstratas sobre ou relacionadas com a entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).superfície da Terra (ICA).

Produção de um Mapa

Definição de escala e projeção cartográficaDefinição de escala e projeção cartográfica

Seleção dos elementos do mundoSeleção dos elementos do mundo

Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)

Simplificação de elementos gráficosSimplificação de elementos gráficos

Exagero de elementos importantesExagero de elementos importantes

Simbologia para apresentar dadosSimbologia para apresentar dados

Tipos de Mapas em Geoprocessamento Características dos mapas: Características dos mapas: diversidade de fontes diversidade de fontes

geradorasgeradoras e de e de formatos apresentados.formatos apresentados.

O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de

dados:dados: – Mapas Temáticos: Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso do conceitos qualitativos (uso do

solo, clima)solo, clima);;– ImagensImagens;– Mapas NuméricosMapas Numéricos ((representação de superfícies)representação de superfícies)– Mapas Cadastrais e RedesMapas Cadastrais e Redes ((localização de objetos localização de objetos

do mundo - e.g. lotes)do mundo - e.g. lotes)

Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos

Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de

processos. Uso dos recursos hídricos – Cobertura e uso do

solo (urbanizado, florestas, campos agrícolas) A cobertura e uso do solo se distribui no

espaço de forma heterogênea e dinâmica. Cada elemento responde diferentemente em

funções dos processos hidrológicos.

Modelos Complexos em Bacias

DadosMeteorológicos

SIG

Dados específicos de uso do solo e poluição

HSPFHSPF

Distribuição do uso do solo

Dadosdo rio

Fontes pontuais

Modelo

Pos-Processamento

Interface em Windows

Dados da baciaA

B

D

E

F

C

Mas cuidado! Os SIG tem um impacto muito grande sobre qualquer área do

conhecimento que está ligada ao manejo e análise de dados distribuídos no espaço. Algumas pessoas podem enxergar os SIG como uma mágica, como em: “…os dados foram inseridos no computador e a resposta é …”. A velocidade, consistência e precisão de um SIG são impressionantes, e as figuras podem ser bonitas. Com a experiência, no entanto, o SIG passa a ser uma mera extensão da capacidade de pensar do usuário. O SIG não tem respostas inerentes, somente o usuário. SIG é uma ferramenta, como a estatística e a modelagem hidrológica.

Bibliografia - Livros

Fundamentos de Sistemas de Informações Geográficas; José Iguelmar Miranda (Embrapa) 2005.

Análise espacial de dados geográficos; Vários autores (EMBRAPA) 2004.

Geoprocessamento em Recursos Hídricos: Princípios, Integração e Aplicações. Carlos André Bulhões Mendes e José Almir Cirilo 2001.

Fundamentos de informação geográfica. João Matos 2001

Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. P. A. Bourrough

Bibliografia - Manuais

Tutorial do IdrisiTutorial e Help do SPRINGTutorial e Help do MapWindowTutorial e Help do ArcGISManuais de outros programas

Bibliografia - Periódicos

International Journal of Geographical Information Science Geographical Analysis Computers and Geosciences Photogrametric Engineering and Remote Sensing Remote Sensing and Environment Environment and Planning B: Planning and Design Periódicos da área de recursos hídricos (WRR; Journal of Hydrology;

Environmental modeling and software; Journal of Hydrologic Engineering; HESS; IAHS; Hydrological Processes...)

Noções de Cartografia Escalas Entidades espaciais Sistema de coordenadas Formas de representar a superfície da Terra Sistema Geográfico de Coordenadas Projeções Projeção UTM

Escala Virtualmente todas as fontes de dados

espaciais são menores do que a realidade que elas representam

A escala indica quão menor que a realidade é um mapa

é a razão entre a distância do mapa e a correspondente distância na terra.

É expressa de três formas– um quociente (1:5000; 1:5.000.000)– verbalmente (1 cm representa 50m)– graficamente (ícones usados em mapas

computadorizados Terminologia

– escala pequena (1:250.000, 1:1.000.000) cobrem áreas grandes

– escala grande (1:10.000, 1:25.000) cobrem áreas pequenas com muito detalhes

Escala

Entidades espaciais (feições) Tradicionalmente, mapas são usados para

representar elementos do mundo real Símbolos espaciais básicos são: ponto, linha e área. A escolha de um destes símbolos para representar

uma entidade espacial depende da escala. Exemplo: cidades representadas num mapa

num mapa mundi pontos poderiam ser adotados num mapa regional áreas seriam adotadas num mapa local: pontos, linhas e áreas

Sistemas de coordenadas No século XVII Rene Descartes contribuiu para

unir a álgebra e a geometria inventando o sistema de coordenadas

x,y

x

y

que passou a ser chamadoSistema Cartesiano

Sistema de coordenadas cartesiano Qualquer ponto em um plano é definido pelas

suas coordenadas x e y.

x,y

x

y

Sistema de coordenadas cartesiano Uma reta que passa pelos pontos x1 e y1 e x2

e y2 pode ser definida como uma equação algébrica em termos de y e x.

x,y

x

y

Sistema de coordenadas cartesiano Qualquer ponto no espaço pode ser definido

pelas suas coordenadas x, y e z.

x,y,z

x

z

y

Sistema de coordenadas polar Qualquer ponto no

plano pode ser definido pelas suas coordenadas r,

Sistema de coordenadas esférico Qualquer ponto no

espaço pode ser definido pelas suas coordenadas r, e .

Conversões entre sistemas

Exemplo de utilidade dos sistema de coordenadas

Cálculo de distâncias entre pontos

Formas de representar a superfície da Terra A forma da Terra

– No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer observou na Guiana Francesa: Um relógio com pêndulo de 1m, atrasava cerca de 2 minutos

e meio por dia em relação à Paris. Fazendo análise gravitacional, percebeu que na zona

equatorial a distância entre a superfície e o centro da Terra deveria ser maior do que esta distância medida dos Pólos, conclusão:

A terra NÃO seria uma esfera perfeita e sim “achatada”. => Surge então o Elipsóide!!!

Diâmetro equatorial = 12.756Km e diâmetro do eixo de rotação = 12.714km, com diferença de 42km, o que representa um achatamento de perto de 1/300, por isso, a terra vista do espaço assemelha-se a uma esfera.

Formas de representar a superfície da Terra

Esfera: definida pelo raio R = 6.370.997 m numa área de aproximadamente 520 M Km2

Esferóide: definida por– semi-major axis (a) e semi-minor axis (b) – WGS 84 (padrão dos USA)

a = 6.378.137 e b = 6.356.752,3142 – Clarke 1866 (padrão histórico no US)

a = 6.378.205,4 e b = 6.356.583,8

Formas de representar a superfície da Terra

Sistema de Coordenadas Geográficas Baseadas numa simplificação da forma da terra

(esfera ou elipsóide) Definem a posição de um ponto utilizando

ângulos chamados latitude e longitude

Longitude

Latitude

Problemas do Sistema de Coordenadas Geográficas

Qual é a distância entre o ponto A (56 W e 32 S) do ponto B (45 W e 31 S)?

É possível calcular, considerando que a terra é uma esfera, ou um elipsóide, mas é difícil manualmente.

Solução: Projeção para sistema de coordenadas cartesianas

x,y

Projeções

Localizamos as feições da terra num plano 2-D (mapa)

Mundo é esférico e mapa é 2-D Portanto, precisamos de uma projeção de

mapa, que transfere a terra esférica no mapa num plano

Este processo introduz erros nos dados espaciais

Projeções

Existem várias projeções que são adotadas de acordo com o local e que minimizam estes erros

Exemplo: Algumas projeções preservam as distâncias entre as entidades em detrimento da direção

Outras, forma é preservada em detrimento da acurácia na área

Se colocarmos uma lâmpada dentro de uma bola que tem o desenho da terra, e projetarmos a luz numa parede, veremos que a parte central da imagem é melhor representada

Projeções

Distorção de projeção ocorre em:– Forma, área, distância ou direção

Projeções diferentes produzem distorções diferentes.

As características de cada projeção definem sua utilidade para algumas aplicações e inutilidade para outras.

Projeções Cilíndrica

– (mercator) a superfície da terra é projetada num cilindro que envolve o globo.

– Imagem contínua da terra– Países perto do equador têm verdadeiras posições

relativas– A visão dos pólos é bastante distorcida– Área é preservada em grande parte– Mantém escala, forma, área para pequenas áreas.

Projeção Cilíndrica

Projeções Azimuthal

– Projeção num plano– Apenas parte da superfície da terra é visível– A visão será metade do globo ou menos– Distorção ocorre nos quatro cantos do plano– Distância é preservada na maior parte

Projeção Azimuthal

Referência Espacial: Exemplo de Projeções

– LamberthAzimuthal

Projeções Cônica

– a superfície da terra é projetada num cone que envolve o globo.

– Área é distorcida– Distância é muito distorcida quando se move para

baixo da imagem– Escala é preservada na maior parte da imagem

Projeção Cônica

– Lamberth Azimuthal Cônica



– Comparando Projeções

Mundo visto em diferentes projeções

Figura do livro Getting to know ArcGIS de Ormsby et al. 2004

Projeções– Mapas usados em SIG têm uma projeção associada

a eles– É importante usar uma determinada projeção de

acordo com a localização e o propósito do mapa– Ex. se uma aplicação de SIG requer acurácia no

cálculo das áreas, usando uma projeção que distorce áreas não é indicado

– A maioria dos SIGs permite reprojetar um mapa em outra projeção (fazendo mapeamento entre as centenas de projeções existentes)

Projeção UTM

UTM - Universal Transverse Mercator grid system usa a projeção Mercator e divide a terra em 60 zonas verticais (fusos) que têm 6 º de longitude de largura.

UTM usa uma projeção cilíndrica, transversal e secante ao globo terrestre. (é transversal pois a projeção é análogo à colocar um cilindro envolvendo o globo secante aos polos ao invés do Equador.

Os limites de mapeamento são os paralelos 80S e 84N, a partir dos quais usa-se uma projeção estereográfica polar.

UTM adota coordenadas métricas (plano-retangulares) com informações específicas que aparecem nas margens das cartas (mapas) acompanhando um grid de quadrículas planas.

UTM é conformal de forma a preservar forma e escala.

O cruzamento do equador com o meridiano padrão específico, denominado Meridiano Central (MC) é a origem deste sistema de coordenadas.

Os paralelos e meridianos numa zona UTM são curvados com exceção do meridiano central e do equador que são retos.

As coordenadas UTM são definidas em metros e estão de acordo com o Meridiano central.

O valor do MC é sempre 500.000m (portanto Easting varia de 0 a 1.000.000m.

No hemisfério norte o Equador é a origem de Northing (0m). Então um ponto em Northing 5.000.000m está a 5.000Km do Equador.

No hemisfério sul o Equador tem um Northing de 10.000.000m, então todos os outros Northing neste hemisfério tem um valor menor que o Equador.

Projeção UTM

O fato das coordenadas UTM serem em metros facilita o cálculo preciso de distâncias (curtas) entre pontos e áreas.

Na verdade UTM é um conjunto de 60 projeções. Portanto, mapas de zonas diferentes tendem a não se encontrarem nas bordas das zonas.

Coordenadas UTM são fáceis de reconhecer pois consistem de 6 dígitos (inteiro) Easting e 7 dígitos inteiros Northing.

Projeção UTM

Referência Espacial: Exemplo de ProjeçõesProjeção UTM

Introdução ao MapWindow

http://www.mapwindow.org/

MapWindowMapWindow é um é um SIG SIG que inclui ferramentas de um que inclui ferramentas de um sistema de Processamento Digital de Feições sistema de Processamento Digital de Feições (vetores) e Imagens (Matrizes/Rasters).(vetores) e Imagens (Matrizes/Rasters).

O MapWindow integra na mesma base:O MapWindow integra na mesma base: DADOS CARTOGRÁFICOSDADOS CARTOGRÁFICOS DADOS DE CENSO DADOS DE CENSO CADASTRO URBANO E RURALCADASTRO URBANO E RURAL IMAGENS DE SATÉLITEIMAGENS DE SATÉLITE REDES REDES MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENOMODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO

Algoritmos p/ Algoritmos p/ manipularmanipular, , analisaranalisar, , consultarconsultar, , recuperarrecuperar, , visualizarvisualizar e e plotarplotar o conteúdo da base de o conteúdo da base de dados geocodificadosdados geocodificados

SIG - MapWindow

MapWindowMapWindow é software livre, um SIG extensivo que é software livre, um SIG extensivo que pode ser utilizado com os seguintes propósitos:pode ser utilizado com os seguintes propósitos:

SIG alternativo com código livre (open source code)SIG alternativo com código livre (open source code) Distribuir dados para outros usuáriosDistribuir dados para outros usuários Desenvolver e distribuir ferramentas personalizadas de Desenvolver e distribuir ferramentas personalizadas de

GeoprocessamentoGeoprocessamento

Possui as principais ferramentas de operação tais Possui as principais ferramentas de operação tais como edição de tabelas (dbf), edição de Shapefiles e como edição de tabelas (dbf), edição de Shapefiles e conversor de dados;conversor de dados;

Mapwindow suporta os principais formatos de arquivos Mapwindow suporta os principais formatos de arquivos em SIG tais como Shapefiles, GeoTIFF, ESRI ArcInfo em SIG tais como Shapefiles, GeoTIFF, ESRI ArcInfo ASCII e grids binários.ASCII e grids binários.

SIG - MapWindow

SIG - MapWindow

SIG - MapWindow

Menu principalBarra de ferramentas

Legenda e pre-visualização de mapas Área de trabalho e

visualização

Ferramentas de Hidrologia no MapWindow

Aplicação da sequência – Watershed Delineation

Obtenção do MNT Operações raster que geram raster

– Preencher depressões– Direções de fluxo– Área acumulada– Conexões e comprimentos– Rede de drenagem (raster)– Catchments (raster)

Operações de geram vetores– Catchments (vetor)– Rede de drenagem (vetor)

Características fisiográficas

Produção do MNT

A partir de cartas topográficas digitalizadas e interpoladas, resultando em valores de cota dispostos em uma grade regular:

Bacia do Arroio Donato gerada por interpolação

TIN

KrigingIDQ

Thiessen

3. Métodos de Interpolação (cont.)

Diferenças entre dois interpoladores - Donato

Máxima Diferença =4m

ou Cotas estimadas por satélite

(SRTM) Resolução 90 x 90 http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/

ou Cotas estimadas por satélite

(ASTER) Resolução 30 x 30 http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp

ou LiDAR

Basin = bacia

Watershed = sub-bacia

Catchment = minibacia

Operações raster que geram raster

1. Definição do MNT e exutório2. Preencher depressões3. Direções de fluxo4. Área acumulada5. Conexões e comprimentos6. Rede de drenagem7. Catchments (minibacias)

Definição do MNT e exutório

Preenchimento de depressões

Códigos de direção de fluxoArcGIS

1

248

16

32 64 128

Um algoritmo, denominado eight-direction pour point algorithm (D-8) permite definir um código de direção de escoamento para cada célula, considerando o critério de que a água vai escoar naquela direção, entre as 8 possíveis, em que a declividade for máxima.

Códigos usados dependem do software (veja mais tarde).

Problemas em regiões planas e em depressões espúrias (veja mais tarde).

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University

Department of Civil Engineering

Direção de fluxo

67 56 49

53 44 37

58 55 22

1



Suponha o seguinte DEM, de resolução 1 (m) e comcom as cotas indicadas no centrodas células (m).

A partir da célula central a águapode seguir dois caminhos...

Qual tem a maior declividade?

Direção de fluxo

67 56 49

53 44 37

58 55 22

1

67 56 49

53 44 37

58 55 22

1

60.1522244

00.7

13744

Declividade:



Direção de fluxo

71

56

445369

74

78 72 69

4768

58 55

21

31

67

58

49 46

37 38

64 22

61 16

DEM

22

2 2 2

2

4 4

4 4

1 1 2 4 8

128

128 1 2 4

128 1 41

128

Códigos de direção Rede de drenagem(vetorial)

Function: Flow directionArgument: DEM



Direção de fluxo

Direção de fluxo

Área da bacia Usando as direções de fluxo

seria possível contar o número de células que drenam um ponto.

Mas existe um método automático um pouco diferente...

Área acumulada 1

1

1

11

1

1

1 11 1

1

1

1 1 1

1

1

1

11

1

2

1 11 2

2

1

1 1 1

1

Área acumulada 2

1

1

11

1

3

1 11 3

3

1

1 1 1

1

Área acumulada 3

1

1

12

1

3

1 11 4

4

1

1 1 1

1

Área acumulada (D8)

Área acumulada (Dinf)

Conexões e comprimentos

Rede de drenagem

Rede de drenagem ao exutório

Ordem dos rios

Operações de geram vetores

Operações que geram vetores1. Rede de drenagem2. Catchments

Rede de drenagem

Rede de drenagem (Tabela de atributos)

Catchment

Outras funções

Trabalho de disciplina Selecionar uma bacia de porte médio (1000 <

área < 10.000 km2); Escolher o exutório da bacia (de preferência

um ponto onde se tenha posto fluviomátrico); Determinar as características fisiográficas da

bacia (todas da aula passada); A bacia de cada aluno é pessoal e

intransferível; Apresentar relatório na próxima segunda.

Obrigado!

Carlos Ruberto Fragoso Jr.Marllus Gustavo F. Passos das Neves

Determinação de características fisiográficas de bacias usando ferramentas de geoprocessamento

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