Análise do MNT parte 3 Problemas mais avançados Geoprocessamento Análise do MNT parte 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)

Ex: uma célula de 10 km de lado contém 10.000 pixels de 100m x 100m. 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 MNT de alta resolução Solução: algoritmos de upscaling dir. de fluxo de alta resolução determinação das direções de fluxo de alta resolução (resolução do MNT disponível); áreas dren. acum. alta resolução - Determinação das áreas de drenagem acumuladas de alta resolução; direções de fluxo de baixa resolução determinação das direções de fluxo de baixa resolução (modelo hidrológico)

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.

(ladoz1dx; diagonalz1,41dx) 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

(ladoz1dx; diagonalz1,41dx) 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 (ladoz1dx; diagonalz1,41dx) Lj = 5,5 km

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

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 73 2 120 45 ? 75 47 118 1 -1 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: Calcular área acumulada Usar reclass com threshold para definir drenagem Vetorizar drenagem (cada segmento de rio fica com identificador diferente) Rasterizar o vetor anterior 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) a) b) c) d) e) 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 partir de cada um deles, deriva-se uma sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante para montante (c); a área entre dois afluentes: bacia intermediária (d); bacias fechadas internas: rótulo 0; repete-se a divisão sempre que seja encontrado 4 afluentes (e). c) d) 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 Nível 1 Bacia do Uruguai Divisão das Sub-Bacias Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as sub- bacias 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-200m burned MNT-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!