HIP 64 – GEOPROCESSAMENTO APLICADO AOS RECURSOS HÍDRICOS Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Instituto de Pesquisas Hidráulicas HIP 64 – GEOPROCESSAMENTO APLICADO AOS RECURSOS HÍDRICOS trabalho final Extração automática de comprimentos e declividades de trechos de rio a partir de MNT de alta resolução para modelagem hidrológica Adriano Rolim da Paz

Modelagem hidrológica de grande escala (A > 10.000 km2) INTRODUÇÃO - Mudanças do uso da terra - Mudanças climáticas Previsão de vazões Operação de reservatórios motivação Modelagem hidrológica de grande escala (A > 10.000 km2) bacia dividida em células quadradas balanço hídrico em cada célula - propagação do escoamento entre células modelo (MGB-IPH) - Modelo Numérico do Terreno (MNT) - Uso da terra - Tipos de solo Direções de fluxo - Comprimentos e declividades dos trechos de rio planos de informação de entrada

2 MOTIVAÇÃO Declividades e comprimentos de trechos de rio Problema 1: - inexistência de informações prontas; usualmente determinados a partir de cartas e mapas topográficos em papel (curvímetro ou digitalização) ou outro procedimento com grande demanda de trabalho manual; problema se agrava ao trabalhar com grandes bacias (modelagem com centenas de células);

2 MOTIVAÇÃO Declividades e comprimentos de trechos de rio Na literatura: Diversos algoritmos automáticos de extração da drenagem a partir do MNT obtido por sensoriamento remoto, com os seguintes enfoques: A: Extração da drenagem para um dado MNT B: Determinação das direções de fluxo das células do modelo hidrológico C: A ou B com extração de comprimentos TOTAIS de rios Soille et al. (2003); Orlandini et al. (2003); Tianqi et al. (2003); Liang e Mackay (2000); Martz e Garbrecth (1999, 1998); Mackay e Band (1998); Tarboton (1997), Tribe (1992); Fairfield e Leymarie (1991), Jenson e Domingue (1988)... O’Donnell et al. (1999); Wang et al. (2000); Fekete et al. (2001); Döll e Lehner (2002); Olivera et al. (2002); Reed (2003); Olivera e Raina (2003); Shaw et al. (2005a, 2005b) Fekete et al. (2001); Olivera e Raina (2003).

2 MOTIVAÇÃO Declividades e comprimentos de trechos de rio Problema 2: Qual o comprimento dos trechos de rio associados a cada célula do modelo hidrológico? Idéia 1: trecho de rio principal dentro da célula? Idéia 2: somatório dos trechos de rio dentro da célula? Idéia 3: dividir o comprimento total do rio pelo número de células no caminho? NENHUM ALGORITMO FOI ENCONTRADO NA LITERATURA QUE DESCREVESSE ESSE PROCESSO!

2 MOTIVAÇÃO Declividades e comprimentos de trechos de rio Dois conceitos básicos: Não duplicidade: cada trecho de rio está associado à propagação do escoamento APENAS entre duas células Continuidade Toda a extensão de um rio deve estar representada pelos vários trechos de rio das células que o compõem

3 OBJETIVO E DESCRIÇÃO GERAL Objetivo Consolidar e analisar metodologia de determinação automática de comprimentos e declividades de trechos de rio associados às celulas quadradas de um modelo hidrológico. Descrição geral Emprego do algoritmo recém desenvolvido durante projeto de pesquisa em dezembro de 2005 (projeto Previsão de Vazões na Bacia do Rio Grande – IPH/UFRGS), e ainda não consolidado. Comparação com resultados derivados da digitalização de imagens do satélite Landsat7 ETM+.

4 DIREÇÕES DE FLUXO DE GRANDE ESCALA Obtenção das direções de fluxo: diversos métodos, inclusive em softwares comerciais... Soille et al. (2003); Orlandini et al. (2003); Tianqi et al. (2003); Liang e Mackay (2000); Martz e Garbrecth (1999, 1998); Mackay e Band (1998); Tarboton (1997), Tribe (1992); Fairfield e Leymarie (1991), Jenson e Domingue (1988)... - Geoprocessamento a partir do MNT - Escoamento segue de uma célula para uma de suas 8 vizinhas, conforme a maior declividade (diferença de cotas/distância) - exemplo: método D8 (Jenson e Domingue, 1988)

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.

Composição colorida R3G2B1 8 PARA VERIFICAR ALGORITMO: IMAGENS LANDSAT digitalização da rede de drenagem a partir de imagens do satélite Landsat 7 ETM+ (resolução espacial de 30 m). Composição colorida R3G2B1 rio digitalizado

9 ESTUDO DE CASO: Bacia do Rio Uruguai Área de drenagem: 206.000 km2 ~ 2060 células de 10 x 10 km

9 ESTUDO DE CASO: Bacia do Rio Uruguai Fonte de dados: Modelo numérico do terreno referente ao SRTM-90m - resolução espacial de ~ 90 m e vertical de ~ 7 m Imagens do satélite LANDSAT 7 ETM+ - resolução espacial de ~ 30 m - 12 cenas com data de aquisição entre mar/1999 e set/2002 Aplicação: Reamostragem do MNT para resoluções de 200m e 500m Procedimento de stream burning sobre o MNT de 200m Digitalização de trechos de rios nas imagens Landsat em diferentes regiões da bacia: alto, médio e baixo curso Avaliar o desempenho do algoritmo em diversos tipos de regiões, gradientes topográficos e para os três MNT

9 ESTUDO DE CASO: Bacia do Rio Uruguai Total de 6.600 km de rios digitalizados Total de 357 células analisadas (37% do total de células da bacia com trechos de rio)

10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 1. De modo geral, a drenagem extraída do MNT (200m, 500m, 200m burned) representou satisfatoriamente a drenagem digitalizada

Visualização dos trechos contabilizados pelo algoritmo levam a concluir que a metodologia proposta respeitou os critérios de não duplicidade e decontinuidade!!

10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 2. Foi observada tendência de subestimativa nos comprimentos dos trechos de rio extraídos nos afluentes do médio e alto Uruguai MNT-200m MNT-500m MNT-200m burned motivo: pequenos meandros, da ordem da dimensão dos pixels.

10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 2. Tendência de subestimativa nos afluentes do médio/alto Uruguai (continuação)

10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 3. Foi observada tendência de superestimativa nos comprimentos dos trechos de rio extraídos no rio principal (rio Uruguai) motivo: largura do rio maior do que a dimensão dos pixels (área plana)

MNT-200m MNT-200m burned MNT-500m

10 3. Tendência de superestimativa no rio principal (continuação) Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 3. Tendência de superestimativa no rio principal (continuação)

10 4. [Comprimentos extraídos] X [uso de valores médios] Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 4. [Comprimentos extraídos] X [uso de valores médios] Coeficiente de Nash-Sutcliffe Lm = dimensão da célula Lm = comprimento calculado do rio dividido pelas n células Lm = comprimento observado do rio dividido pelas n células

Coerência, mas falta de dados para comparação! 10 Bacia do Rio Uruguai: RESULTADOS 5. Declividades dos trechos de rio Coerência, mas falta de dados para comparação!

11 1. Na aplicação à bacia do Rio Uruguai: CONCLUSÕES resultados satisfatórios dos comprimentos extraídos quando comparados aos comprimentos dos rios digitalizados estudo de caso com regiões de características distintas tendências a subestimativa dos comprimentos quando existiram meandros no rio da ordem da dimensão do pixel - Qual o limite de representação dos rios de menor ordem no MNT? tendências a superestimativa quando rio de largura superior à dimensão dos pixels - Necessidade de tratamento mais aprimorado para regiões planas. comparação distância no raster x distância de um vetor: deve-se tentar minimizar o efeito do raster? Uso de operadores de distância (de Smith, 2004) -> ver trabalho de REGINA. gerar um raster dos rios digitalizados e confrontar raster x raster?

11 2. A metodologia proposta: CONCLUSÕES constitui ferramenta de grande potencial para extração automática de comprimentos de trechos de rio para a modelagem hidrológica; não requer procedimentos/conhecimentos complexos de geoprocessamento; tem como base o MNT disponível gratuitamente na internet; tem desempenho dependente da resolução do MNT de entrada e do procedimento de geração das direções de fluxo de alta resolução em áreas planas.

11 3. Continuando a pesquisa: CONCLUSÕES otimizar o algoritmo de direções de fluxo para tornar viável computacionalmente trabalhar com MNT de resolução 100 m em grandes bacias (para o rio Uruguai o cálculo ainda não terminou!) implementar operadores de distância como descrito em De Smith (2004) ?? testar outros tipos de tratamento para regiões planas na geração de direções de fluxo tentar correlacionar os erros dos comprimentos com outras características como área de drenagem, largura do rio, declividade ???