Geoprocessamento
MDE
Direções de escoamento
Preenchimento de depressões espúrias
Cálculo da área acumulada
Walter Collischonn
IPH UFRGS
Bacia hidrográfica
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Direções de fluxo
Acumulação de área
Rede de drenagem
Delimitação de bacias
Ordem dos cursos d’água
Comprimento dos cursos d’água
próximos slides adaptados de:
DEM-Based Stream and
Watershed Delineation
Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Watershed Delineation
(Delimitação de bacias)
•
Delimitação de bacias é o
processo de identificação da
área de drenagem de um
ponto ou de um grupo de
pontos.
•
Por muitos anos, os
hidrólogos utilizavam mapas
em papel para delimitar
bacias..
•
Normalmente estes mapas
estavam em coordenadas
UTM, nas escalas de 1:50.000
e 1:250.000.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Delimitação de bacias
•
A água escoa na direção da
maior declividade.
•
Assim, as linhas de
escoamento são ortogonais
às curvas de nível.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Delimitação de bacias
•
Linhas de fluxo não se
dirigem para os divisores
de água e não interceptam
divisores.
•
Divisor de águas tende a
estar nos pontos mais
elevados do terreno.
•
Divisor não corta a rede de
drenagem exceto no
exutório.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
DEMs
•
Digital Elevation Models
(DEMs) are grids of
elevation.
•
DEMs store the same type
of information contour
lines do, but with a
different data structure.
•
Watershed delineation can
be based on DEMs rather
than contour lines.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
DEMs
observe a grade
sobreposta
•
Se, em vez de um mapa,
temos um DEM
•
Exemplo com 30-meter
DEMs do USGS
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
30-Meter DEMs
DEM derivado de mapa por interpolação
720
720
740
720
700
680
740 720 700
680
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
O efeito da resolução espacial
30-Meter and 3" DEMs
30m
~ 90m
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Direções de fluxo
•
Um algoritmo, denominado eightdirection 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).
32
64
16
8
128
1
4
2
Códigos de direção de fluxo
ArcGIS
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Direções de fluxo
1
67
56
49
53
44
37
58
55
22
Suponha o seguinte DEM, de
resolução 1 (m) e com
com as cotas indicadas no centro
das células (m).
A partir da célula central a água
pode seguir dois caminhos...
Qual tem a maior declividade?
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Direções de fluxo
1
Declividade:
1
67
56
49
67
56
49
53
44
37
53
44
37
58
55
22
58
55
22
44  22
 15.60
2
44  37
 7.00
1
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Direção de fluxo
Function:
Flow direction
Argument: DEM
78
72
69
71
58
2
2
2
4
4
74
67
56
49
46
2
2
2
4
4
69
53
44
37
38
1
1
2
4
8
64
58
55
22
31
128 128
1
2
4
68
61
47
21
16
128 128
1
1
4
DEM
Códigos de direção
Rede de drenagem
(vetorial)
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Mapa de direções de fluxo
(raster)
Relembrando
•
Em cada célula, a água
escoa para um das
células vizinhas.
•
Depende da
declividade.
•
Código de direção é
um entre 8 possíveis.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M University
Department of Civil Engineering
Direções de fluxo
codificação
64
128
2
32
16
1
8
4
Direção de fluxo
• Calculo declividade para cada uma das 8
direções possíveis.
• Direção de fluxo é aquela que tiver a
maior declividade.
• Se todas as células do entorno tem
altitude maior do que a célula central
estou numa depressão.
• Se todas as células tem a mesma altura
estou numa depressão, ou região plana.
• Equação declividade ....
64
128
2
32
16
1
8
4
DEM
No Idrisi
Direções de fluxo
Outros
64
128
2
32
16
1
8
4
Idrisi
315 360 45
270
90
225 180 135
Direções de fluxo ARC
Problema das depressões
?
Efeitos das depressões
Efeitos das depressões
Linhas de drenagem geradas sem remover depressões
Linhas de drenagem geradas depois de removidas as depressões
ver Jones, Computers & Geosciences, 2002
Remoção de depressões espúrias
• Algoritmo de Jenson e Domingue
• Algoritmo PFS
• Algoritmo Planchon e Darboux
Remoção de depressões
• Jenson e Domingue, 1988
• Planchon e Darboux (ver Catena)
• Priority First Search algorithm (Jones,
Computers & Geosciences, 2002)
• Ver trabalho Diogo Buarque et al. 2009
• Sugestão de trabalho
Algoritmo de Jenson e Domingue
?
Algoritmo de Jenson e Domingue
202
201
201
202
202
201
201
202
202
198
198
203
202
200
200
203
203
201
198
202
203
201
200
202
202
201
200
202
202
201
200
202
203
201
199
200
203
201
199
200
Para onde ir?
• Problemas em regiões
planas.
• Técnicas utilizadas para
representar direções
possíveis utilizando
potências de 2.
• Números negativos para
representar regiões ainda
não resolvidas.
64
128
2
32
16
1
8
4
Algoritmo de Jenson e Domingue
Verifica qual é a vizinha mais baixa da depressão e eleva todas as células até a
altura da vizinha mais baixa.
202
201
201
202
202
201
201
202
202
198
198
203
202
200
200
203
203
201
198
202
203
201
200
202
202
201
200
202
202
201
200
202
203
201
199
200
203
201
199
200
Algoritmo PFS
• The Priority First Search (PFS) algorithm is a breaching
algorithm designed to solve complex arrangements of flat
and pit pixels in a raster DEM.
• When processing a flat or pit pixel the PFS algorithm
searches for a nearby pixel with lower elevation (outlet
pixel) and an optimum flow path between the two pixels.
• After finding the outlet pixel and optimum drainage path, the
PFS algorithm will lower the elevation of all pixels along
the optimum drainage path to create a consistent gradient
downslope drainage path between the original flat or pit
pixel and the outlet pixel.
PFS não preenche depressões, mas reduz altitude de celulas ao longo da
provável rede de drenagem
Priority First Search
•
The PFS algorithm has several important advantages over other common methods.
Firstly, it is robust and will always find a solution provided a pixel satisfying the
terminating conditions exists. Secondly, it does not distinguish between flat and pit
pixels resulting in a consistent approach to both types of drainage anomalies. Thirdly, it
tends to create channel networks and flow distributions that are more representative of
reality than competing models. A good example of this is the Jenson and Domingue
(1988) algorithm (J&D Algorithm) which has proved very popular and is adopted in the
Arc/Info Grid module. The J&D algorithm first fills pit pixel to the elevation of their
lowest neighbor, which transforms them into flat pixels. Following this, an iterative
procedure is applied where flow directions for flat pixels are assigned towards any
neighboring pixels that have assigned flow directions. These neighbouring pixels may
be non-flat pixels with calculated flow directions or flat pixels assigned flow directions
by the algorithm in a previous iteration. Unfortunately, the J&D algorithm tends to
create parallel flow paths in large flat areas, which are common in areas of low relief or
DEM vertical definition. The PFS algorithm overcomes this problem by creating a
channel between flat or pit pixels and their respective outlets. When the PFS algorithm
is applied to nearby flat or pit pixels the algorithm is attracted to the channel created
previously and a pixel within this channel will typically satisfy the terminating criteria.
As a result the flow network in the area will form a defined channel in the shortest path lowest pass alignment with a fractal nature more representative of real flow networks
than those produced by the J&D algorithm.
Priority First Search
•
CatchmentSIM
(http://www.csse.com.au/index.php?option=com_content&task=view&id=35&Itemid=84)
•
Idrisi
Comparação de algoritmos
• Idrisi usa o PFS
• ArcGIS usa o Jenson e Domingue
• TAS permite usar Planchon e Darboux ou
Jenson e Domingue
Vantagens PFS
• PFS tende a criar redes hidrográficas mais próximas da
realidade que os outros algoritmos.
• PFS é relativamente rápido.
• Jenson e Domingue tende a criar linhas de drenagem
paralelas em regiões planas.
• O comprimento dos rios gerados usando o PFS é mais
correto.
• Não há muita diferença nos resultados entre J&D e
Planchon e Darboux.
Resultados da Comparação
Menor área
indica
menor erro
Resultados Yuto Kakisako
PFS algoritmo com Idrisi
Metodo Jenson and
domingue com TAS
Metodo de Planchon and
Darboux com TAS
Tempo de processamento
Área da bacia
• Usando mapas em
papel a área era
delimitada usando
planímetro.
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
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
2
Área acumulada 2
1
1
1
1
1
3
1
1
1
1
3
1
1
1
1
3
Área acumulada 3
1
1
1
1
1
3
2
1
1
1
4
1
1
1
1
4
Área acumulada no Idrisi
• No IDRISI existe a função Runoff que calcula área de drenagem (área
acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações
intermediárias
– Remoção de depressões
– Determinação de direção de fluxo
– Área acumulada
Área acumulada no TAS
• No TAS também existe uma função que calcula área de drenagem (área
acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações
intermediárias
– Remoção de depressões
– Determinação de direção de fluxo
– Área acumulada
Área acumulada ArcGIS
Área acumulada
Exercício
Exercício Área acumulada
Sugestão de trabalho
• Comparar métodos de remoção de
depressões e determinação de direção de
fluxo
• Continuar trabalho Yuto Kakisako
• Eventualmente incluir outros softwares
Stream burning
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-500m
MNT-200m burned
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.