Geoprocessamento
MDEDireções de escoamento
Preenchimento de depressões espúriasCálculo da área acumulada
Walter CollischonnIPH UFRGS
Bacia hidrográfica
1. Direções de fluxo2. Acumulação de área3. Rede de drenagem4. Delimitação de bacias5. Ordem dos cursos d’água6. Comprimento dos cursos d’água
DEM-Based Stream and Watershed Delineation
Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University
Department of Civil Engineering
próximos slides adaptados de:
Watershed Delineation(Delimitação de bacias)
• Delimitação de bacias é o processo de identificação da área de drenagem de um ponto ou de um grupo de pontos.
• Por muitos anos, os hidrólogos utilizavam mapas em papel para delimitar bacias..
• Normalmente estes mapas estavam em coordenadas UTM, nas escalas de 1:50.000 e 1:250.000.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Delimitação de bacias
• A água escoa na direção da maior declividade.
• Assim, as linhas de escoamento são ortogonais às curvas de nível.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Delimitação de bacias
• Linhas de fluxo não se dirigem para os divisores de água e não interceptam divisores.
• Divisor de águas tende a estar nos pontos mais elevados do terreno.
• Divisor não corta a rede de drenagem exceto no exutório.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
DEMs
• Digital Elevation Models (DEMs) are grids of elevation.
• DEMs store the same type of information contour lines do, but with a different data structure.
• Watershed delineation can be based on DEMs rather than contour lines. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D.,
P.E.Texas A&M University
Department of Civil Engineering
DEMs
• Se, em vez de um mapa, temos um DEM
• Exemplo com 30-meter DEMs do USGS
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
observe a grade sobreposta
30-Meter DEMs
720
700
680
740
680700720740
720 720
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University
Department of Civil Engineering
DEM derivado de mapa por interpolação
30m ~ 90m
O efeito da resolução espacial
30-Meter and 3" DEMs
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Direções de fluxo
Códigos de direção de fluxoArcGIS
1
248
16
32 64 128
• 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.
• Códigos usados dependem do software (veja mais tarde).
• Problemas em regiões planas e em depressões espúrias (veja mais tarde). adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D.,
P.E.Texas A&M University
Department of Civil Engineering
67 56 49
53 44 37
58 55 22
1
Direções de fluxo
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Suponha o seguinte DEM, de resolução 1 (m) e comcom as cotas indicadas no centrodas células (m).
A partir da célula central a águapode seguir dois caminhos...
Qual tem a maior declividade?
67 56 49
53 44 37
58 55 22
1
67 56 49
53 44 37
58 55 22
1
60.1522244
00.7
13744
Declividade:
Direções de fluxo
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Direção de fluxo
71
56
445369
74
78 72 69
4768
58 55
21
31
67
58
49 46
37 38
64 22
61 16
DEM
22
2 2 2
2
4 4
4 4
1 1 2 4 8
128
128 1 2 4
128 1 41
128
Códigos de direção Rede de drenagem(vetorial)
Function: Flow directionArgument: DEM
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Mapa de direções de fluxo (raster)
• Em cada célula, a água escoa para um das células vizinhas.
• Depende da declividade.
• Código de direção é um entre 8 possíveis.
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
Relembrando
Direções de fluxo
1
2
481 6
3 2
6 4 1 2 8co
dific
ação
Direção de fluxo• Calculo declividade para cada uma das 8
direções possíveis.• Direção de fluxo é aquela que tiver a
maior declividade.• Se todas as células do entorno tem
altitude maior do que a célula central estou numa depressão.
• Se todas as células tem a mesma altura estou numa depressão, ou região plana.
• Equação declividade ....
1
2
481 6
3 2
6 4 1 2 8
DEM
No Idrisi
Direções de fluxo1
2
481 6
3 2
6 4 1 2 8
315 360 45
270 90
225 180 135
Idrisi
Outros
Direções de fluxo ARC
Problema das depressões
?
Efeitos das depressões
Efeitos das depressões
Linhas de drenagem geradas sem remover depressões Linhas de drenagem geradas depois de removidas as depressões
ver Jones, Computers & Geosciences, 2002
Remoção de depressões espúrias
• Algoritmo de Jenson e Domingue• Algoritmo PFS• Algoritmo Planchon e Darboux
Remoção de depressões
• Jenson e Domingue, 1988• Planchon e Darboux (ver Catena)• Priority First Search algorithm (Jones,
Computers & Geosciences, 2002)
• Ver trabalho Diogo Buarque et al. 2009• Sugestão de trabalho
Algoritmo de Jenson e Domingue
?
Algoritmo de Jenson e Domingue
202
203
203
201
198
202 200201 202
198
202
201 201 202
202
198
202
203
203
201
200
202 200201 202
200
202
201 201 202
200
202
199201203 200 199201203 200
Para onde ir?
• Problemas em regiões planas.
• Técnicas utilizadas para representar direções possíveis utilizando potências de 2.
• Números negativos para representar regiões ainda não resolvidas.
1
2
481 6
3 2
6 4 1 2 8
Verifica qual é a vizinha mais baixa da depressão e eleva todas as células até a altura da vizinha mais baixa.
202
203
203
201
198
202 200201 202
198
202
201 201 202
202
198
202
203
203
201
200
202 200201 202
200
202
201 201 202
200
202
199201203 200 199201203 200
Algoritmo de Jenson e Domingue
Algoritmo PFS• The Priority First Search (PFS) algorithm is a breaching
algorithm designed to solve complex arrangements of flat and pit pixels in a raster DEM.
• When processing a flat or pit pixel the PFS algorithm searches for a nearby pixel with lower elevation (outlet pixel) and an optimum flow path between the two pixels.
• After finding the outlet pixel and optimum drainage path, the PFS algorithm will lower the elevation of all pixels along the optimum drainage path to create a consistent gradient downslope drainage path between the original flat or pit pixel and the outlet pixel.
PFS não preenche depressões, mas reduz altitude de celulas ao longo da provável rede de drenagem
Priority First Search• The PFS algorithm has several important advantages over other common methods. Firstly,
it is robust and will always find a solution provided a pixel satisfying the terminating conditions exists. Secondly, it does not distinguish between flat and pit pixels resulting in a consistent approach to both types of drainage anomalies. Thirdly, it tends to create channel networks and flow distributions that are more representative of reality than competing models. A good example of this is the Jenson and Domingue (1988) algorithm (J&D Algorithm) which has proved very popular and is adopted in the Arc/Info Grid module. The J&D algorithm first fills pit pixel to the elevation of their lowest neighbor, which transforms them into flat pixels. Following this, an iterative procedure is applied where flow directions for flat pixels are assigned towards any neighboring pixels that have assigned flow directions. These neighbouring pixels may be non-flat pixels with calculated flow directions or flat pixels assigned flow directions by the algorithm in a previous iteration. Unfortunately, the J&D algorithm tends to create parallel flow paths in large flat areas, which are common in areas of low relief or DEM vertical definition. The PFS algorithm overcomes this problem by creating a channel between flat or pit pixels and their respective outlets. When the PFS algorithm is applied to nearby flat or pit pixels the algorithm is attracted to the channel created previously and a pixel within this channel will typically satisfy the terminating criteria. As a result the flow network in the area will form a defined channel in the shortest path - lowest pass alignment with a fractal nature more representative of real flow networks than those produced by the J&D algorithm.
Priority First Search• CatchmentSIM (
http://www.csse.com.au/index.php?option=com_content&task=view&id=35&Itemid=84)• Idrisi
Comparação de algoritmos
• Idrisi usa o PFS• ArcGIS usa o Jenson e Domingue• TAS permite usar Planchon e Darboux ou
Jenson e Domingue
Vantagens PFS
• PFS tende a criar redes hidrográficas mais próximas da realidade que os outros algoritmos.
• PFS é relativamente rápido.• Jenson e Domingue tende a criar linhas de drenagem
paralelas em regiões planas.• O comprimento dos rios gerados usando o PFS é mais
correto.• Não há muita diferença nos resultados entre J&D e
Planchon e Darboux.
Resultados da Comparação
Menor área indica
menor erro
Resultados Yuto Kakisako
Metodo de Planchon and Darboux com TASPFS algoritmo com Idrisi
Metodo Jenson and domingue com TAS
Tempo de processamento
Área da bacia
• Usando mapas em papel a área era delimitada usando planímetro.
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
11
1
1
1 11 1
1
1
1 1 1
1
1
1
11
1
2
1 11 2
2
1
1 1 1
1
Área acumulada 2
1
1
11
1
3
1 11 3
3
1
1 1 1
1
Área acumulada 3
1
1
12
1
3
1 11 4
4
1
1 1 1
1
Área acumulada no Idrisi• No IDRISI existe a função Runoff que calcula área de drenagem (área
acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações intermediárias
– Remoção de depressões– Determinação de direção de fluxo– Área acumulada
Área acumulada no TAS• No TAS também existe uma função que calcula área de drenagem (área
acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações intermediárias
– Remoção de depressões– Determinação de direção de fluxo– Área acumulada
Área acumulada ArcGIS
Área acumulada
Exercício
Exercício Área acumulada
Sugestão de trabalho
• Comparar métodos de remoção de depressões e determinação de direção de fluxo
• Continuar trabalho Yuto Kakisako• Eventualmente incluir outros softwares
Stream burning
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.