Determinação de características fisiográficas de bacias usando ferramentas de geoprocessamento Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo F. Passos das Neves CTEC – UFAL

Tópicos 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 Cowen Smith “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 Goodchild Dangerramond “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? 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 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO 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 Dados específicos de uso do solo e poluição A Dados da bacia C Dados Meteorológicos Fontes pontuais D Interface em Windows SIG Distribuição do uso do solo E Modelo HSPF Dados do rio F Pos-Processamento 16

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 Terminologia 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 que passou a ser chamado Sistema Cartesiano x

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 2-D (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.

Referência Espacial: Exemplo de Projeções 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 ferramentas personalizadas de Geoprocessamento 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 pre-visualização 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 Preencher depressões Direções de fluxo Área acumulada Conexões e comprimentos Rede de drenagem (raster) Catchments (raster) Operações de geram vetores 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 TIN Kriging IDQ

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 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

Códigos de 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. Códigos usados dependem do software (veja mais tarde). Problemas em regiões planas e em depressões espúrias (veja mais tarde). 1 2 4 8 16 32 64 128 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 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? 67 56 49 53 44 37 58 55 22 adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

Direção de fluxo 1 1 67 56 49 53 44 37 58 55 22 67 56 49 53 44 37 58 55 22 Declividade: 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 DEM 71 56 44 53 69 74 78 72 47 68 58 55 21 31 67 49 46 37 38 64 22 61 16 2 4 1 8 128 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 2

Área acumulada 2 1 3

Área acumulada 3 1 2 3 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 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 Obrigado! Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo F. Passos das Neves