Determinação de características
fisiográficas de bacias usando
ferramentas de geoprocessamento
Carlos Ruberto Fragoso Jr.
Marllus Gustavo F. Passos das Neves
CTEC – UFAL
Tópicos

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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 coleta e tratamento de
informações espaciais, geração de saídas na forma de mapas,
relatórios, arquivos digitais, etc;

Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento,
manipulação e análise.
Geoprocessamento X SIGs

Geoprocessamento representa qualquer tipo de
processamento de dados georeferenciados (conceito
muito mais abrangente).

Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não
gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises
espaciais e modelagens de superfícies.
SIG’s - Definições

Burrough
“Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar,
recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo
real”

Cowen
“Um sistema de suporte à decisão que integra dados
referenciados espacialmente num ambiente de respostas a
problemas”

Smith
“Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual
opera um conjunto de procedimentos para responder a
consultas sobre entidades espaciais”
SIG’s - Definições

Oppenshaw
“Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o
acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em
estudo”.

Goodchild
“O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica
está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “

Dangerramond
“Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a
disponível de uma forma que ninguém teve acesso
anteriormente, e coloca 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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Fazer mapas mais rapidamente.
Fazer mapas mais baratos.
Fazer mapas para usos específicos.
Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de
pessoal especializado
Permitir experimentos com representações espaciais diversas
dos mesmos dados.
Facilitar atualização de mapas.
Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística
e mapas.
Minimizar a necessidade de mapas em papel.
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
Consulta e Análise
Espacial
Visualização
Plotagem
Gerência Dados
Espaciais
BANCO DE DADOS
GEOGRÁFICO
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: modelos simplificados da realidade
–
representa, normalmente em escala, uma seleção de
entidades abstratas sobre ou relacionadas com a
superfície da Terra (ICA).
Produção de um Mapa

Definição de escala e projeção cartográfica

Seleção dos elementos do mundo

Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)

Simplificação de elementos gráficos

Exagero de elementos importantes

Simbologia para apresentar dados
Tipos de Mapas em Geoprocessamento


Características dos mapas: diversidade de fontes
geradoras e de formatos apresentados.
O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de
dados:
– Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso do
solo, clima);
– Imagens;
– Mapas Numéricos (representação de superfícies)
– Mapas Cadastrais e Redes (localização de objetos
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
B
A
Dados específicos de
uso do solo e poluição
Dados da bacia
C
Fontes
pontuais
SIG
D
Dados
Meteorológicos
Interface em Windows
Distribuição
do uso do solo
E
Modelo
HSPF
Dados
do rio
F
Pos-Processamento
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 Idrisi
 Tutorial e Help do SPRING
 Tutorial e Help do MapWindow
 Tutorial e Help do ArcGIS
 Manuais 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.
Escala

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
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
y
x,y
x
que passou a ser chamado
Sistema Cartesiano
Sistema de coordenadas cartesiano

Qualquer ponto em um plano é definido pelas
suas coordenadas x e y.
y
x,y
x
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.
y
x,y
x
Sistema de coordenadas cartesiano

Qualquer ponto no espaço pode ser definido
pelas suas coordenadas x, y e z.
z
x,y,z
y
x
Sistema de coordenadas polar

Qualquer ponto no
plano pode ser
definido pelas suas
coordenadas r, q
Sistema de coordenadas esférico

Qualquer ponto no
espaço pode ser definido
pelas suas coordenadas
r, q e j.
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 2D (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
–
Lamberth
Azimuthal
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
Referência Espacial: Exemplo de
Projeções
–
Lamberth Azimuthal Cônica
Referência Espacial: Exemplo de
Projeções
–
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.
Projeção UTM






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 Projeções
Introdução ao MapWindow
http://www.mapwindow.org/
SIG - MapWindow

MapWindow é um SIG que inclui ferramentas de um
sistema de Processamento Digital de Feições
(vetores) e Imagens (Matrizes/Rasters).

O MapWindow integra na mesma base:







DADOS CARTOGRÁFICOS
DADOS DE CENSO
CADASTRO URBANO E RURAL
IMAGENS DE SATÉLITE
REDES
MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO
Algoritmos p/ manipular, analisar, consultar,
recuperar, visualizar e plotar o conteúdo da base de
dados geocodificados
SIG - MapWindow

MapWindow é software livre, um SIG extensivo que
pode ser utilizado com os seguintes propósitos:

SIG alternativo com código livre (open source code)

Distribuir dados para outros usuários

Desenvolver
e
distribuir
Geoprocessamento
ferramentas
personalizadas
de

Possui as principais ferramentas de operação tais
como edição de tabelas (dbf), edição de Shapefiles e
conversor de dados;

Mapwindow suporta os principais formatos de arquivos
em SIG tais como Shapefiles, GeoTIFF, ESRI ArcInfo
ASCII e grids binários.
SIG - MapWindow
SIG - MapWindow
SIG - MapWindow
Menu principal
Barra de ferramentas
Legenda e previsualização de mapas
Área de trabalho e
visualização
Ferramentas de Hidrologia no MapWindow
Ferramentas de Hidrologia no MapWindow
Aplicação da sequência – Watershed Delineation
Obtenção do MNT
Operações raster que geram raster


–
–
–
–
–
–
Operações de geram vetores

–
–

Preencher depressões
Direções de fluxo
Área acumulada
Conexões e comprimentos
Rede de drenagem (raster)
Catchments (raster)
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
3. Métodos de Interpolação (cont.)
Thiessen
IDQ
TIN
Kriging
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Definição do MNT e exutório
Preencher depressões
Direções de fluxo
Área acumulada
Conexões e comprimentos
Rede de drenagem
Catchments (minibacias)
Definição do MNT e exutório
Preenchimento de depressões
Direção de fluxo



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.
32
Códigos usados dependem do software
(veja mais tarde).
16
Problemas em regiões planas e em
depressões espúrias (veja mais tarde).
8
64
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
Direção 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
Direção 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
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
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 (D8)
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 vetores
1.
2.
Rede de drenagem
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