Geoprocessamento
Análise do MNT
parte 3
Problemas mais avançados
Problemas adicionais
•
•
•
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•
•
•
•
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
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
6
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
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
73
45
2 45
120
47
75
118
?
Considerando p/ limite o valor 46
1
-1
-1
-1
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 acumulada
2. Usar reclass com threshold para definir drenagem
3. Vetorizar drenagem (cada segmento de rio fica com
identificador diferente)
4. Rasterizar o vetor anterior
5. 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
METODOLOGIA
Otto Pfafstetter (Verdin & Verdin, 1999)
 identificação do rio principal (a);
 nas confluências, o curso principal será
sempre aquele que drena a maior área;
 a partir do exutório, selecionam-se os 4
afluentes
com as
maiores
áreas
de
contribuição (b);
a)
b)
c)
d)
 a partir de cada um deles, deriva-se uma
sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante
para montante (c);
 a área entre
intermediária (d);
dois
afluentes:
bacia
 bacias fechadas internas: rótulo 0;
 repete-se a divisão sempre
encontrado 4 afluentes (e).
que
seja
e)
APLICAÇÃO
Bacia do Rio Uruguai
 Área de aproximadamente 207.000 km2
 A bacia é formada pelo rio Uruguai e por seus afluentes e ocupa áreas
pertencentes ao Brasil, a Argentina e ao Uruguai.
APLICAÇÃO
Bacia do Rio Uruguai
 MNT da Bacia disponível na resolução de 90 m (0,000833º);
 MNT reamostrado na resolução de 200 m (0,002º);
APLICAÇÃO
Considerações Gerais
 o exutório da bacia foi definido logo a jusante da confluência dos rios
Uruguai e Quaraí;
 área de cabeceira igual a 5 km2;
divisão de bacias com áreas maiores que 100 km2;
número mínimo de pixels para o rio principal: 2;
 foram testados 7 níveis de divisão.
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias
 Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as subbacias codificadas.
Nível 1
Bacia do Uruguai
Primeiro nível apresentou bacia
muita pequena (sub-bacia 1)
Dificuldades em controlar áreas
Das sub-bacias ímpares
RESULTADOS
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
Agência Nacional de Águas - ANA
Presente Trabalho
RESULTADOS
Divisão das Sub-Bacias – VERIFICAÇÃO
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-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.
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 GISbased 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!