Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Instituto de Pesquisas Hidráulicas
HIP 64 – GEOPROCESSAMENTO APLICADO AOS RECURSOS HÍDRICOS
trabalho final
Extração automática de comprimentos e declividades de
trechos de rio a partir de MNT de alta resolução para
modelagem hidrológica
Adriano Rolim da Paz
1
INTRODUÇÃO
- Mudanças do uso da terra
motivação
- Mudanças climáticas
-Previsão de vazões
Modelagem hidrológica
de grande escala
(A > 10.000 km2)
- Operação de reservatórios
- bacia dividida em células
quadradas
modelo
(MGB-IPH)
- Modelo Numérico do
Terreno (MNT)
- Uso da terra
planos de
informação
de entrada
- Tipos de solo
- Direções de fluxo
- Comprimentos e
declividades dos trechos
de rio
- balanço hídrico em cada célula
- propagação do escoamento entre
células
2
MOTIVAÇÃO
Declividades e comprimentos de trechos de rio
Problema
1:
- inexistência de informações prontas;
- usualmente determinados a partir de cartas e mapas
topográficos em papel (curvímetro ou digitalização) ou outro
procedimento com grande demanda de trabalho manual;
- problema se agrava ao trabalhar com grandes bacias
(modelagem com centenas de células);
2
MOTIVAÇÃO
Declividades e comprimentos de trechos de rio
Na literatura:
Diversos algoritmos automáticos de extração da drenagem a partir do
MNT obtido por sensoriamento remoto, com os seguintes enfoques:
•A: Extração da drenagem para um dado MNT
Soille et al. (2003); Orlandini et al. (2003); Tianqi et al. (2003); Liang e Mackay (2000);
Martz e Garbrecth (1999, 1998); Mackay e Band (1998); Tarboton (1997), Tribe (1992);
Fairfield e Leymarie (1991), Jenson e Domingue (1988)...
•B: Determinação das direções de fluxo das células do modelo hidrológico
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); Shaw et al. (2005a, 2005b)
•C: A ou B com extração de comprimentos TOTAIS de rios
Fekete et al. (2001); Olivera e Raina (2003).
2
MOTIVAÇÃO
Declividades e comprimentos de trechos de rio
Problema
2:
Qual o comprimento dos
trechos de rio associados
a cada célula do modelo
hidrológico?
Idéia 1: trecho de rio principal
dentro da célula?
Idéia 2: somatório dos trechos
de rio dentro da célula?
Idéia 3: dividir o comprimento
total do rio pelo número de
células no caminho?
NENHUM ALGORITMO FOI
ENCONTRADO NA LITERATURA
QUE DESCREVESSE ESSE
PROCESSO!
2
MOTIVAÇÃO
Declividades e comprimentos de trechos de rio
Dois conceitos básicos:
 Não duplicidade:
cada trecho de rio está associado à
propagação do escoamento APENAS
entre duas células
 Continuidade
Toda a extensão de um rio deve estar
representada pelos vários trechos de rio
das células que o compõem
3
OBJETIVO E DESCRIÇÃO GERAL
Objetivo
Consolidar e analisar metodologia de determinação automática de
comprimentos e declividades de trechos de rio associados às celulas
quadradas de um modelo hidrológico.
Descrição geral
Emprego do algoritmo recém desenvolvido durante projeto de pesquisa em
dezembro de 2005 (projeto Previsão de Vazões na Bacia do Rio Grande –
IPH/UFRGS), e ainda não consolidado.
Comparação com resultados derivados da digitalização de imagens do
satélite Landsat7 ETM+.
4
DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
Obtenção das direções de fluxo:
diversos métodos, inclusive em softwares comerciais...
- Geoprocessamento a partir do MNT
Soille et al. (2003); Orlandini et al.
(2003); Tianqi et al. (2003); Liang e
Mackay (2000); Martz e Garbrecth
(1999, 1998); Mackay e Band
(1998); Tarboton (1997), Tribe
(1992); Fairfield e Leymarie (1991),
Jenson e Domingue (1988)...
- Escoamento segue de uma célula para uma de suas 8 vizinhas,
conforme a maior declividade (diferença de cotas/distância)
- exemplo: método D8 (Jenson e Domingue, 1988)
4
DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
Problema:
- 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.
Ex: uma célula de 10 km de
lado contém 10.000 pixels
de 100m x 100m.
4
DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
Solução: algoritmos de upscaling
- determinação das direções
de fluxo de alta resolução
(resolução do MNT
disponível);
- Determinação das áreas de
drenagem acumuladas de
alta resolução;
- determinação das direções
de fluxo de baixa resolução
(modelo hidrológico)
MNT de alta
resolução
dir. de fluxo
de alta
resolução
áreas dren.
acum. alta
resolução
direções de
fluxo de baixa
resolução
4
DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA
Diversos algoritmos de upscaling
encontrados na literatura:
- 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
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.
Pixel
exutório
5
COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
Algoritmo desenvolvido a partir do algoritmo de upscaling de direções de fluxo
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.
5
COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
- identificação do pixel
exutório em cada célula
Célula do modelo hidrológico
Rede de drenagem das células
Área dren. acumulada de alta resol.
5
COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
- determinação do
comprimento do trecho de
rio a montante do pixel
exutório
percorre-se o rio no sentido
inverso ao fluxo, desde o pixel
exutório até sair da célula
(ladoz1dx; diagonalz1,41dx)
Lm = 17,1km
5
COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
- determinação do
comprimento do trecho de
rio a jusante do pixel
exutório
percorre-se o rio no sentido do fluxo,
desde o pixel exutório até encontrar
outro trecho já contabilizado
Lj = 5,5 km
(ladoz1dx; diagonalz1,41dx)
5
COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO
- comprimento total associado à
célula é dado pela soma dos
trechos de montante e de
jusante correspondentes
L = Lm + Lj = 22,6 km
Lj = 5,5 km
Lm = 17,1km
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DECLIVIDADE DOS TRECHOS DE RIO
- identificação dos pontos
(pixels) de montante e de
jusante do trecho de rio
associado a cada célula
Declividade = ∆cota/L
Ponto de jusante
Ponto de montante
PRODUTO DERIVADO: perfil longitudinal
160
150
- entre dois pontos quaisquer
na rede de drenagem, percorrese o sentido do fluxo gravando
a cota e a distância.
140
130
cota (m)
7
120
110
distância (km)
100
0
20
40 60
80 100 120 140
8
PARA VERIFICAR ALGORITMO: IMAGENS LANDSAT
- digitalização da rede de
drenagem a partir de imagens
do satélite Landsat 7 ETM+
(resolução espacial de 30 m).
Composição colorida
R3G2B1
rio digitalizado
9
ESTUDO DE CASO: Bacia do Rio Uruguai
Área de drenagem:
206.000 km2
~ 2060 células de 10 x 10 km
9
ESTUDO DE CASO: Bacia do Rio Uruguai
Fonte de dados:
Modelo numérico do terreno referente ao SRTM-90m
- resolução espacial de ~ 90 m e vertical de ~ 7 m
Imagens do satélite LANDSAT 7 ETM+
- resolução espacial de ~ 30 m
- 12 cenas com data de aquisição entre mar/1999 e set/2002
Aplicação:
Reamostragem do MNT para resoluções de 200m e 500m
Procedimento de stream burning sobre o MNT de 200m
Digitalização de trechos de rios nas imagens Landsat em
diferentes regiões da bacia: alto, médio e baixo curso
Avaliar o desempenho do algoritmo em diversos tipos de
regiões, gradientes topográficos e para os três MNT
9
ESTUDO DE CASO: Bacia do Rio Uruguai
Total de 6.600 km de rios digitalizados
Total de 357 células analisadas (37% do total de células da bacia
com trechos de rio)
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
1. De modo geral, a drenagem extraída do MNT (200m, 500m, 200m
burned) representou satisfatoriamente a drenagem digitalizada
Baixo
Médio
Alto
Região
analisada
r
1
2
NSLmf
3
1
2
ERM
3
1
2
3
afl. 0.98 0.91 0.98 0.95 0.72 0.96 14% 31% 11%
rio p. 0.95 0.84 0.98 0.93 0.80 0.97 12% 19% 6%
afl. 0.91 0.85 0.93 0.91 0.74 0.92 16% 27% 11%
rio p. 0.98 0.93 0.98 0.70 0.88 0.96 25% 14% 7%
afl. 0.96 0.92 0.98 0.84 0.88 0.96 18% 16% 7%
rio p. 0.98 0.92 0.99 0.45 0.48 0.98 22% 20% 5%
r: coeficiente de correlação;
NSLmf: coef. Nash-Sutcliffe usando o comprimento médio fixo Lmf = 10 km;
ERM: erro relativo médio;
1: MNT-200m; 2: MNT-500m; 3: MNT-200m burned;
afl.: afluentes; rio p.: rio principal (rio Uruguai).
Visualização dos trechos
contabilizados pelo
algoritmo levam a
concluir que a
metodologia proposta
respeitou os critérios de
não duplicidade e
decontinuidade!!
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
2. Foi observada tendência de subestimativa nos comprimentos dos
trechos de rio extraídos nos afluentes do médio e alto Uruguai
motivo: pequenos meandros,
da ordem da dimensão dos
pixels.
MNT-200m
MNT-500m
MNT-200mburned
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
2. Tendência de subestimativa nos afluentes do médio/alto Uruguai (continuação)
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
3. Foi observada tendência de superestimativa nos comprimentos dos
trechos de rio extraídos no rio principal (rio Uruguai)
motivo: largura do rio maior
do que a dimensão dos pixels
(área plana)
MNT-200m
MNT-500m
MNT-200m burned
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
3. Tendência de superestimativa no rio principal (continuação)
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
4. [Comprimentos extraídos] X [uso de valores médios]
Coeficiente de
Nash-Sutcliffe
n
NSLm  1 
 (Lo  Lc)
i 1
n
Lm = dimensão
da célula
2
 (Lo  Lm)
i 1
2
Lm = comprimento
calculado do rio
dividido pelas n
células
Lm = comprimento
observado do rio
dividido pelas n
células
10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS
5. Declividades dos trechos de rio
Coerência, mas
falta de dados
para comparação!
11 CONCLUSÕES
1. Na aplicação à bacia do Rio Uruguai:
 resultados satisfatórios dos comprimentos extraídos quando
comparados aos comprimentos dos rios digitalizados
 estudo de caso com regiões de características distintas
 tendências a subestimativa dos comprimentos quando existiram
meandros no rio da ordem da dimensão do pixel
- Qual o limite de representação dos rios de menor ordem no MNT?
 tendências a superestimativa quando rio de largura superior à
dimensão dos pixels
- Necessidade de tratamento mais aprimorado para regiões planas.
 comparação distância no raster x distância de um vetor:
- deve-se tentar minimizar o efeito do raster? Uso de operadores de
distância (de Smith, 2004) -> ver trabalho de REGINA.
- gerar um raster dos rios digitalizados e confrontar raster x raster?
11 CONCLUSÕES
2. A metodologia proposta:
 constitui ferramenta de grande potencial para extração automática de
comprimentos de trechos de rio para a modelagem hidrológica;
 não requer procedimentos/conhecimentos complexos de
geoprocessamento;
 tem como base o MNT disponível gratuitamente na internet;
 tem desempenho dependente da resolução do MNT de entrada e do
procedimento de geração das direções de fluxo de alta resolução em
áreas planas.
11 CONCLUSÕES
3. Continuando a pesquisa:
 otimizar o algoritmo de direções de fluxo para tornar viável
computacionalmente trabalhar com MNT de resolução 100 m em
grandes bacias (para o rio Uruguai o cálculo ainda não terminou!)
 implementar operadores de distância como descrito em De Smith
(2004) ??
 testar outros tipos de tratamento para regiões planas na geração de
direções de fluxo
 tentar correlacionar os erros dos comprimentos com outras
características como área de drenagem, largura do rio, declividade ???