Geoprocessamento em Recursos
Hídricos
HIP 23
Walter Collischonn
http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/HIDP_23/HIDP_23.html
Questões de organização
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Questões do horário
Local
Proposta
Diversidade de alunos
Perfil da turma
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Nome
Formação
Onde e com quem trabalha?
Tema da tese/dissertação
Já trabalha com SIG?
Por que se interessou pela disciplina?
Conhecimento de inglês.
Quais são as expectativas?
Outras informações que julgar...
Proposta
• Disciplina de Geoprocessamento em Recursos Hídricos.
• Liberdade para utilizar qualquer software.
• Experiência pessoal com Idrisi = algumas aulas com
Idrisi (Walter).
• Experiência pessoal com o SPRING (Alfonso)
• Ênfase em desenvolvimento de ferramentas próprias
(FORTRAN, VBA, MATLAB, outras linguagens).
• Experiências com software gratuito (TAS)
• Avaliação: prova e trabalho
• Trabalhos de alto nível = formato de artigos.
http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/HIDP_23/HIDP_23.html
Súmula original da disciplina
• Dados georeferenciados: princípios básicos.
• Sistema de informações geográficas (SIG): princípios
básicos, estrutura, principais sistemas em uso, estrutura
de dados para um SIG, pontos, linhas, arcos, nós;
organização de dados, formatos raster e vetorial.
• Modelo numérico do terreno (MNT) e suas aplicações
em Recursos Hídricos: princípios básicos, métodos de
interpolação, dados derivados de um MNT.
• Métodos de modelagem espacial, integração com dados
de sensoriamento remoto, cruzamento de dados.
• Aplicações de geoprocessamento a Recursos Hídricos.
O que é Geoprocessamento?
• Um interessante caso histórico.
• Definições normalmente adotadas.
Surto de cólera em Londres
Surto de cólera em Londres
• Poços
Surto de cólera em Londres
• Poços
• Vítimas
O culpado
• A alavanca, ou
braço para
bombear água
manualmente do
poço foi retirada
para impedir a
população de
consumir água.
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 – população
• População se distribui no espaço de forma
heterogênea e dinâmica.
• Interligação SIG + Modelos
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
Mais livros
Bibliografia - Manuais
• Tutorial do Idrisi
• Tutorial e Help do SPRING
• Manuais de outros programas
Bibliografia - Periódicos
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Transactions in GIS
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...)
Bibliografia - Web
•
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Página web Geoprocessamento IPH
http://www.spatialanalysisonline.com/output/ Versão web do livro
Geospatial Analysis - A compreensive guide to principles, Techniques and
Software Tools (2007) de Michael de Smith, Michael Goodchild e Paul
Longley.
Tese de doutorado de Michael de Smith http://www.desmith.com/MJdS/thesis.htm
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj.html
Bancos de dados gratuitos na internet:
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–
–
–
Imagens de satélite
Modelos digitais de elevação
Produtos derivados (Hydrosheds)
Softwares free (TAS, outros)
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Tópicos da disciplina
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Fundamentos de cartografia
Técnicas de representação em mapas: Vetor/Raster
Fontes de informação para Geoprocessamento
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Georeferenciamento
Transformações vetor – raster
Algoritmo point in polygon
Interpoladores espaciais
Ferramentas de análise
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Álgebra de mapas
Operadores de distância – distancia, buffers
Operadores de contexto – filtros, direção de fluxo, declividade, contexto, variabilidade local
Combinações de ferramentas
Modelos numéricos de terreno, modelos digitais de terreno, modelos digitais de elevação
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Digitalização
Sensoriamento remoto – Classificação de imagens de satélite
GPS
Outras informações
Onde encontrar dados
Aplicações às bacias hidrográficas
Outros parâmetros derivados do MDE: declividade; orientação da vertente; mapas sombreados
Conhecer ArcGIS / Conhecer Idrisi / Conhecer SPRING
Um pouco de FORTRAN
Programa básico para leitura de arquivo, e visualização de imagens em FORTRAN.
Projeção de coordenadas.
Mosaicos de imagens
Questões práticas
• Acesso a computador?
• Acesso a algum software?
Avaliação
• A avaliação será através de uma prova e de um
trabalho individual.
• Prova
• Ver exemplos dos semestres anteriores na web
• Trabalho
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Idéias de cada aluno
Sugestões do professor
Mais acadêmicos
Mais cotidianos
Formato de artigo (ver revista da ABRH)
Apresentar plano (todos devem perguntar)
Prazo de entrega: a combinar
Temas para trabalhos
1. Programar algoritmo PFS para definir direções de fluxo a
partir de MDE e comparar com outros métodos em grandes
áreas.
2. Comparação de qualidade do MDE do SRTM com o MDE
do ASTER.
3. Explorar e comparar métodos de classificação de unidades
de relevo ou paisagem (Saturation Index; Hand; Ordem da
rede de drenagem TAUDEM, TAS)
4. Explorar relações entre HAND e NDVI
5. Verificar a validade da relação área volume encontrada nos
açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em
locais em que ainda não existem açudes.
6. Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da
distância; Kriging; correlação cruzada; outros
interpoladores.
7. Programar e testar algoritmo de interpolação naturalneighbour para dados pluviométricos.
Temas para trabalhos
1. Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo.
2. Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos
irregulares.
3. Construção de modelos Geoidais regionais
4. Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada.
5. Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de
proteção ribeirinha.
6. Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório
linear simples.
7. Hidrograma unitário geomorfológico usando esquema de Bates
(LISFLOOD)
8. Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador.
9. Rede de drenagem usando TIN.
10. Discretização de um modelo hidrológico distribuído em sub-bacias.
11. Formas inovadoras de apresentação de informações quali-quantitativas em
mapas
Mais temas para trabalhos
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Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; outros interpoladores.
Dividir uma área agrícola em lotes com características semelhantes de: solo, acesso água; acesso à estrada;
cobertura florestal; áreas propícias para plantio; etc.
Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo.
Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares.
Comparação de qualidade do MNT do SRTM.
Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada.
Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha.
Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples.
Hidrograma unitário geomorfológico.
Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador.
Rede de drenagem usando TIN.
Rede de mínimo custo (por exemplo estradas para extrair madeira de uma floresta.
Como combinar teoria dos jogos e SIG (problema do trânsito)
Caminhos de mínimo custo em ambiente dinâmico ou probabilístico (como melhor rota para um veleiro que está
sujeito à direção do vento e da corrente, que podem variar durante o tempo de viagem)
Problema da locação de uma fábrica de celulose, considerando: 1) ponto próximo à água (com vazão suficiente
para abastecer); 2) porto fluvial; 3) transporte marítimo, fluvial, terrestre e qualidade de estradas; 4) Área
necessária para produzir as toneladas por ano que são necessárias para justificar a fábrica; 5) Tipos de solos x
produtividade por hectare; 6) Chuva x produtividade por hectare; 7) Rede viária existente e por construir.
Problema das transformações de distância em ambiente raster: tese de De Smith.
Buscar exemplos em http://www.ltid.inpe.br/sbsr2005/biblioteca/
Continuar trabalhos do semestre anterior.
Remoção de depressões usando as idéias de bacias hidrográficas das depressões (elevar depressões até o
ponto mais baixo do divisor de águas) (paper de Arge et al. 2003)
 Sugestão de trabalho: Hidrograma Unitário
Geomorfológico baseado nas ordens de Strahler
e no modelo de Nash de reservatórios lineares
(Rosso, R., 1984 Nash model relation to Horton
order ratios. Water Resources Research vol. 20
pp. 914-920.
 Sugestão de trabalho: interpolação co-Kriging
de temperaturas no RS com base em dados do
Atlas da Fepagro e de MNT.
Sugestões de trabalhos MINTER
• Comparar métodos e programas para
preenchimento de depressões e definição
de direções de fluxo (continuar trabalho
Yuto).
• Identificar área acumulada para a qual
inicia a rede de drenagem em várias
regiões de TO usando Google e SIG.
• Comparar Índice de saturação por
diferentes métodos.
Sugestões de trabalhos 2008
 Um trabalho interessante pode ser
verificar a validade da relação área
volume encontrada nos açudes de Quarai
a partir da análise do MNT do SRTM em
locais em que ainda não existem açudes.
Idéia do Rodrigo.
Sugestões de trabalhos 2009
• Modelos baseados em agentes
• http://en.wikipedia.org/wiki/Agent-based_model
Sugestões 2012
• Comparar ferramentas TAUDEM disponíveis no
MapWindow com ferramentas ArcHydro do
ArcGIS
• Explorar ferramentas do software INPE
TerraHidro
• Buscar dados de LIDAR ou Laser Raster de
algum local e explorar informação
• Programar ferramentas úteis em MapWindow
• avaliar o mapa de início de rede de drenagem
que a ANA está disponibilizando.
Sugestões 2013
• Desenvolver e testar método de interpolação de
dados de chuva pelo método do vizinho natural
(baseado em triangulação de Delaunay)
• Há motivos para acreditar que este método de interpolação
de dados de chuva é melhor do que outros métodos.
• Veja página pessoal de John Burkardt (Univ Florida)
• Ver Livro de Smith (Geospatial Analysis)
Sugestões 2013
• Testar dados de MDE do ASTER 30 m e
comparar com outras fontes de dados em
termos de erros gerados em:
–
–
–
–
Delimitação de bacias
Definição da rede de drenagem
Comprimentos de rios
Volumes de reservatórios
Sugestões 2013
• Programar algoritmo PFS para determinar
direções de escoamento e remover
depressões em MDE.
Sugestões 2013
• Programar algoritmo de Magalhães para
direção de escoamento e remoção de
depressões
• Alternativa: usar programa feito por
Magalhães e comparar com outros.
Sugestões 2013
• Criar método de cálculo de largura de rios
baseado em imagens raster.
Sugestão 2013
• Testar capacidades de softwares livres
como GVSIG, MapWindow, Quantum GIS,
Whitebox para gerar coisas equivalentes
ao ArcHydro.
• Como usar o Idrisi para gerar coisas
semelhantes ao Arc Hydro.
Sugestões 2013
• Modelos baseados em agentes e o
hidrograma unitário