Geoprocessamento Análise do MNT parte 3 Problemas mais avançados.
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Geoprocessamento
Análise do MNTparte 3
Problemas mais avançados
Problemas adicionais
• Linhas de drenagem paralelas• Onde inicia o rio?• Upscaling• Stream burning• Erros na medição de distâncias• D8 x D infinito• Eficiência computacional• Otto bacias
Drenagem paralela
• Problema freqüente• Por que ocorre• Proposta de correção• Fairfield, J.; Leymarie, P. Drainage
networks from grid digital elevation models, Water Resources Research, 27(5), p. 709-717, 1991.
Drenagem paralela
• Fazendo rede de drenagem sobre Sierradem é possível verificar, com Zoom
Drenagem paralela
• Por que ocorre?• Áreas planas, mesmo que sejam inclinadas,
não tem curvatura.• Algoritmo decide para qual célula vizinha
vai a água• Como o terreno é reto (plano horizontal ou
inclinado) a célula escolhida é sempre a mesma...
Drenagem paralela
• Algoritmo original de Jenson e Domingue:• “Se a declividade é igual para as vizinhas 1; 2 e 3
então a direção escolhida é para a célula 2.”
• Isto é arbitrário! • Sempre a mesma decisão!
Drenagem paralela
• Proposta de correção: Introduzir componente aleatória
• Fairfield, J.; Leymarie, P. Drainage networks from grid digital elevation models, Water Resources Research, 27(5), p. 709-717, 1991.
Correção da drenagem paralela
• Introduzindo uma componente aleatória toda a vez que há várias direções possíveis de escoamento, como proposto no artigo citado antes, o problema das drenagens paralelas é contornado.
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. fonte Paz (2008) – Manual MGBGIS
Sugestão de trabalho
• Testar diferenças em produtos derivados:• Rede de drenagem;• Área da bacia;• Ordem do curso d’água;• Etc...• Acho que o TAS tem algoritmo de Fairfield,
J.; Leymarie, P.
Upscaling
• Os próximos slides foram retirados da apresentação do trabalho final do Adriano Rolim da Paz (2006)
4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
- Modelo numérico do terreno: resolução de 90 m (SRTM).
- Modelagem hidrológica de grande escala: usualmente células de 5 x 5 km ou 10 x 10 km.
Problema:
Ex: uma célula de 10 km de lado contém 10.000 pixels
de 100m x 100m.
- determinação das direções de fluxo de alta resolução (resolução do MNT disponível);
4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
direções de fluxo de
baixa resolução
dir. de fluxo de alta
resolução
MNT de alta resolução
áreas dren. acum. alta resolução
- determinação das direções de fluxo de baixa resolução (modelo hidrológico)
- Determinação das áreas de drenagem acumuladas de alta resolução;
Solução: algoritmos de upscaling
- O’Donnell et al. (1999)
- Wang et al. (2000);
- Fekete et al. (2001);
- Döll e Lehner (2002);
- Olivera et al. (2002);
- Reed (2003);
- Olivera et al. (2003);
- Shaw et al. (2005a, 2005b);
- Paz et al. (2006).
4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
Diversos algoritmos de upscaling encontrados na literatura:
Desenvolvido algoritmo baseado no proposto por Reed (2003)
Idéia geral: i. identificar um pixel dentro da célula por onde escoa o fluxo principal drenado pela célula;
ii. seguir o escoamento a partir desse pixel;
iii. atribuir o sentido do escoamento da célula para uma de suas vizinhas, conforme esse caminho traçado.
4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
Pixel exutório
Algoritmo desenvolvido a partir do algoritmo de upscaling de direções de fluxo
5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
Princípios gerais: - extrair comprimentos e trechos de rio usando informações de alta resolução (MNT, dir. fluxo, área drenagem);
- associar os trechos de rio às células de baixa resolução;
- extrair os trechos principais, que representem a ligação entre cada célula e a de jusante para a qual ela drena;
- ponto base é o pixel exutório em cada célula;
- para uma célula parte do trecho associado pode estar localizado fora dela (a jusante do pixel exutório), e parte dentro (a montante do pixel exutório);
- não duplicidade: cada trecho só é contabilizado uma única vez;
- continuidade: desde a cabeceira até o exutório, todos os trechos são associados a alguma célula.
- identificação do pixel exutório em cada célula
5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
Célula do modelo hidrológico
Área dren. acumulada de alta resol.
Rede de drenagem das células
- determinação do comprimento do trecho de rio a montante do pixel exutório
5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
Lm = 17,1km
percorre-se o rio no sentido inverso ao fluxo, desde o pixel
exutório até sair da célula
(ladoz1dx; diagonalz1,41dx)
- determinação do comprimento do trecho de rio a jusante do pixel exutório
5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
Lj = 5,5 km
percorre-se o rio no sentido do fluxo, desde o pixel exutório até encontrar
outro trecho já contabilizado
(ladoz1dx; diagonalz1,41dx)
- comprimento total associado à célula é dado pela soma dos trechos de montante e de jusante correspondentes
5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
L = Lm + Lj = 22,6 km
Lj = 5,5 km
Lm = 17,1km
- identificação dos pontos (pixels) de montante e de jusante do trecho de rio associado a cada célula
6 DECLIVIDADE DOS TRECHOS DE RIO
Declividade = ∆cota/L
Ponto de jusante
Ponto de montante
100110120130140150160
0 20 40 60 80 100 120 140
distância (km)cota (m
)
7 PRODUTO DERIVADO: perfil longitudinal
- entre dois pontos quaisquer na rede de drenagem, percorre-se o sentido do fluxo gravando a cota e a distância.
Delimitação de sub-bacias
• Manual• Automatica
– Método ARCHYDRO– Método Otto Pfaffstetter– Método Idrisi
Delimitação usando o método manual
• Introduzir exemplo
Delimitação de bacias usando ArcHydro
ArcHydro – Direções de fluxo
ArcHydro – Área acumulada
ArcHydro – Trechos de rio
ArcHydro – Junctions
Delimitação de bacias ArcHydro• Onde dois rios se encontram fica definido uma junction
ArcHydro – Sub-bacias
ArcHydro
Delimitação de sub-bacias automática: método Idrisi
45
?
7547
1181
-1 -1
-1
73
2
45
120
Considerando p/ limite o valor 46
Exemplo sub-bacias método Idrisi
Enganando o Idrisi
• É possível usar o Idrisi para gerar sub-bacias com formato parecido com o ArcGis:
1. Calcular área acumulada2. Usar reclass com threshold para definir drenagem3. Vetorizar drenagem (cada segmento de rio fica com
identificador diferente)4. Rasterizar o vetor anterior5. Usar saída do passo 4 como “Seed image” na
operação watershed
Método OTTO
• Material retirado do trabalho de Diogo Costa Buarque (2007):– EXTRAÇÃO AUTOMÁTICA DE
PARÂMETROS FÍSICOS DE BACIAS HIDROGRÁFICAS A PARTIR DO MNT PARA UTILIZAÇÃO EM MODELOS HIDROLÓGICOS
METODOLOGIAOtto Pfafstetter (Verdin & Verdin, 1999)
identificação do rio principal identificação do rio principal (a)(a);;
nas confluências, o curso principal será nas confluências, o curso principal será sempre aquele que drena a maior área;sempre aquele que drena a maior área;
a partir do exutório, selecionam-se os 4 a partir do exutório, selecionam-se os 4 afluentes com as maiores áreas de afluentes com as maiores áreas de contribuição contribuição (b)(b);;
a partir de cada um deles, deriva-se uma a partir de cada um deles, deriva-se uma sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante para montante para montante (c) (c);;
a área entre dois afluentes: bacia a área entre dois afluentes: bacia intermediária intermediária (d)(d);;
bacias fechadas internas: rótulo 0;bacias fechadas internas: rótulo 0;
repete-se a divisão sempre que seja repete-se a divisão sempre que seja encontrado 4 afluentes encontrado 4 afluentes (e) (e)..
a) b)
c) d)
e)
APLICAÇÃOBacia do Rio Uruguai
Área de aproximadamente 207.000 kmÁrea de aproximadamente 207.000 km22
A bacia é formada pelo rio Uruguai e por seus afluentes e ocupa áreas A bacia é formada pelo rio Uruguai e por seus afluentes e ocupa áreas pertencentes ao Brasil, a Argentina e ao Uruguai. pertencentes ao Brasil, a Argentina e ao Uruguai.
APLICAÇÃOBacia do Rio Uruguai
MNT da Bacia disponível na resolução de 90 m (0,000833º);MNT da Bacia disponível na resolução de 90 m (0,000833º); MNT reamostrado na resolução de 200 m (0,002º);MNT reamostrado na resolução de 200 m (0,002º);
APLICAÇÃOConsiderações Gerais
o exutório da bacia foi definido logo a jusante da confluência dos rios o exutório da bacia foi definido logo a jusante da confluência dos rios Uruguai e Quaraí;Uruguai e Quaraí;
área de cabeceira igual a 5 kmárea de cabeceira igual a 5 km22;;
divisão de bacias com áreas maiores que 100 kmdivisão de bacias com áreas maiores que 100 km22;;
número mínimo de pixels para o rio principal: 2;número mínimo de pixels para o rio principal: 2;
foram testados 7 níveis de divisão.foram testados 7 níveis de divisão.
RESULTADOSDivisão das Sub-Bacias
Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as sub-Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as sub-bacias codificadas.bacias codificadas.
Nível 1
Bacia do Uruguai
Primeiro nível apresentou baciamuita pequena (sub-bacia 1)
Dificuldades em controlar áreasDas sub-bacias ímpares
Divisão das Sub-Bacias
Nível 2
Sub-bacia 7
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias
Nível 3
Sub-bacia 71
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias
Nível 4
Sub-bacia 713
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias
Nível 5
Sub-bacia 7138
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias
Nível 6
Sub-bacia 71382
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias
Nível 7
Sub-bacia 713825
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias – VERIFICAÇÃO
RESULTADOS
Agência Nacional de Águas - ANA
Presente Trabalho
Divisão das Sub-Bacias – VERIFICAÇÃO
RESULTADOS
Agência Nacional de Águas - ANA
Presente Trabalho
Stream burning
• É possível melhorar a qualidade de uma rede de drenagem extraída de um MNT se o MNT for previamente condicionado.
• Mais usado é o método de forçar o MNT com base numa rede de drenagem vetorial obtida de outra fonte.
Stream burning
• Descrição de stream-burning usado no Hydrosheds– All rivers and lakes as identified in SWBD were
deepened by 10 meters in order to force the derived flow to stay within these objects.
MNT-200m
MNT-200m burnedMNT-500m
Stream burning
• Uma outra forma de incluir a rede de drenagem vetorial – que não pode ser chamada stream burning – é usada no momento de interpolar, em que a rede de drenagem é informada como região mais baixa do terreno.
Erros na medição de distâncias
Erros na medição de distâncias
D8 x outros métodos
• D8 admite que o fluxo segue para uma das oito vizinhas
• Ver alguns artigos: – Comparison of the performance of flow-routing algorithms used in GIS-
based hydrologic analysis. Hydrological Processes
Outros métodos
Interessante trabalho de comparação:COMPARISON OF FLOW ROUTING ALGORITHMS USED IN GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS by Christine Suet-Yan Lam Tese disponível na Internet
Sugestão de trabalho da disciplina!