Geoprocessamento Análise do MNT parte 3 Problemas mais avançados

Geoprocessamento

Análise do MNTparte 3

Problemas mais avançados

Problemas adicionais

• 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

- 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.

Problema:

Ex: uma célula de 10 km de lado contém 10.000 pixels

de 100m x 100m.

- determinação das direções de fluxo de alta resolução (resolução do MNT disponível);

4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA

direções de fluxo de

baixa resolução

dir. de fluxo de alta

resolução

MNT de alta resolução

áreas dren. acum. alta resolução

- determinação das direções de fluxo de baixa resolução (modelo hidrológico)

- Determinação das áreas de drenagem acumuladas de alta resolução;

Solução: algoritmos de upscaling

- 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

Diversos algoritmos de upscaling encontrados na literatura:

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.

4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA

Pixel exutório

Algoritmo desenvolvido a partir do algoritmo de upscaling de direções de fluxo

5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO

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.

- identificação do pixel exutório em cada célula

5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO

Célula do modelo hidrológico

Área dren. acumulada de alta resol.

Rede de drenagem das células

- determinação do comprimento do trecho de rio a montante do pixel exutório

5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO

Lm = 17,1km

percorre-se o rio no sentido inverso ao fluxo, desde o pixel

exutório até sair da célula

(ladoz1dx; diagonalz1,41dx)

- determinação do comprimento do trecho de rio a jusante do pixel exutório

5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO

Lj = 5,5 km

percorre-se o rio no sentido do fluxo, desde o pixel exutório até encontrar

outro trecho já contabilizado

(ladoz1dx; diagonalz1,41dx)

- comprimento total associado à célula é dado pela soma dos trechos de montante e de jusante correspondentes

5 COMPRIMENTO DOS TRECHOS DE RIO

L = Lm + Lj = 22,6 km

Lj = 5,5 km

Lm = 17,1km

- identificação dos pontos (pixels) de montante e de jusante do trecho de rio associado a cada célula

6 DECLIVIDADE DOS TRECHOS DE RIO

Declividade = ∆cota/L

Ponto de jusante

Ponto de montante

100110120130140150160

0 20 40 60 80 100 120 140

distância (km)cota (m

)

7 PRODUTO DERIVADO: perfil longitudinal

- entre dois pontos quaisquer na rede de drenagem, percorre-se o sentido do fluxo gravando a cota e a distância.

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

45

?

7547

1181

-1 -1

-1

73

2

45

120

Considerando p/ limite o valor 46

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 acumulada2. Usar reclass com threshold para definir drenagem3. Vetorizar drenagem (cada segmento de rio fica com

identificador diferente)4. Rasterizar o vetor anterior5. 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

METODOLOGIAOtto Pfafstetter (Verdin & Verdin, 1999)

identificação do rio principal identificação do rio principal (a)(a);;

nas confluências, o curso principal será nas confluências, o curso principal será sempre aquele que drena a maior área;sempre aquele que drena a maior área;

a partir do exutório, selecionam-se os 4 a partir do exutório, selecionam-se os 4 afluentes com as maiores áreas de afluentes com as maiores áreas de contribuição contribuição (b)(b);;

a partir de cada um deles, deriva-se uma a partir de cada um deles, deriva-se uma sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante para montante para montante (c) (c);;

a área entre dois afluentes: bacia a área entre dois afluentes: bacia intermediária intermediária (d)(d);;

bacias fechadas internas: rótulo 0;bacias fechadas internas: rótulo 0;

repete-se a divisão sempre que seja repete-se a divisão sempre que seja encontrado 4 afluentes encontrado 4 afluentes (e) (e)..

a) b)

c) d)

e)

APLICAÇÃOBacia do Rio Uruguai

Área de aproximadamente 207.000 kmÁrea de aproximadamente 207.000 km22

A bacia é formada pelo rio Uruguai e por seus afluentes e ocupa áreas A bacia é formada pelo rio Uruguai e por seus afluentes e ocupa áreas pertencentes ao Brasil, a Argentina e ao Uruguai. pertencentes ao Brasil, a Argentina e ao Uruguai.

APLICAÇÃOBacia do Rio Uruguai

MNT da Bacia disponível na resolução de 90 m (0,000833º);MNT da Bacia disponível na resolução de 90 m (0,000833º); MNT reamostrado na resolução de 200 m (0,002º);MNT reamostrado na resolução de 200 m (0,002º);

APLICAÇÃOConsiderações Gerais

o exutório da bacia foi definido logo a jusante da confluência dos rios o exutório da bacia foi definido logo a jusante da confluência dos rios Uruguai e Quaraí;Uruguai e Quaraí;

área de cabeceira igual a 5 kmárea de cabeceira igual a 5 km22;;

divisão de bacias com áreas maiores que 100 kmdivisão de bacias com áreas maiores que 100 km22;;

número mínimo de pixels para o rio principal: 2;número mínimo de pixels para o rio principal: 2;

foram testados 7 níveis de divisão.foram testados 7 níveis de divisão.

RESULTADOSDivisão das Sub-Bacias

Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as sub-Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as sub-bacias codificadas.bacias codificadas.

Nível 1

Bacia do Uruguai

Primeiro nível apresentou baciamuita pequena (sub-bacia 1)

Dificuldades em controlar áreasDas sub-bacias ímpares

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

RESULTADOS

Agência Nacional de Águas - ANA

Presente Trabalho

Divisão das Sub-Bacias – VERIFICAÇÃO

RESULTADOS

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-200m burnedMNT-500m

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 GIS-

based 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!