Geoprocessamento Walter Collischonn IPH UFRGS MDE

Apresentação em tema: "Geoprocessamento Walter Collischonn IPH UFRGS MDE"— Transcrição da apresentação:

1 Geoprocessamento Walter Collischonn IPH UFRGS MDE
Direções de escoamento Preenchimento de depressões espúrias Cálculo da área acumulada Walter Collischonn IPH UFRGS

2 Bacia hidrográfica Direções de fluxo Acumulação de área
Rede de drenagem Delimitação de bacias Ordem dos cursos d’água Comprimento dos cursos d’água

3 DEM-Based Stream and Watershed Delineation
próximos slides adaptados de: DEM-Based Stream and Watershed Delineation Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

4 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: e 1: adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

5 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 University Department of Civil Engineering

6 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 University Department of Civil Engineering

7 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

8 observe a grade sobreposta
DEMs observe a grade sobreposta 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 University Department of Civil Engineering

9 30-Meter DEMs 740 720 700 680 DEM derivado de mapa por interpolação
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

10 O efeito da resolução espacial 30-Meter and 3" DEMs
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

11 Códigos de direção de fluxo
Direções 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

12 Direções 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

13 Direções 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

14 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

15 Mapa de direções de fluxo (raster)
Relembrando 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 University Department of Civil Engineering

16 Direções de fluxo

17 codificação

18 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 ....

19 DEM

20 No Idrisi

21 Direções de fluxo Outros Idrisi 315 360 45 270 90 225 180 135

22 Direções de fluxo ARC

23 Problema das depressões
?

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25 Efeitos das depressões

26 Efeitos das depressões
Linhas de drenagem geradas sem remover depressões Linhas de drenagem geradas depois de removidas as depressões ver Jones, Computers & Geosciences, 2002

27 Remoção de depressões espúrias
Algoritmo de Jenson e Domingue Algoritmo PFS Algoritmo Planchon e Darboux

28 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

29 Algoritmo de Jenson e Domingue
?

30 Algoritmo de Jenson e Domingue
202 201 201 202 202 201 201 202 202 198 198 203 202 200 200 203 203 201 198 202 203 201 200 202 202 201 200 202 202 201 200 202 199 201 203 200 199 201 203 200

31 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.

32 Algoritmo de Jenson e Domingue
Verifica qual é a vizinha mais baixa da depressão e eleva todas as células até a altura da vizinha mais baixa. 202 201 201 202 202 201 201 202 202 198 198 203 202 200 200 203 203 201 198 202 203 201 200 202 202 201 200 202 202 201 200 202 199 201 203 200 199 201 203 200

33 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

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41 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.

42 Priority First Search CatchmentSIM ( Idrisi

43 Comparação de algoritmos
Idrisi usa o PFS ArcGIS usa o Jenson e Domingue TAS permite usar Planchon e Darboux ou Jenson e Domingue

44 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.

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47 Resultados da Comparação
Menor área indica menor erro

48 Resultados Yuto Kakisako
Metodo Jenson and domingue com TAS Metodo de Planchon and Darboux com TAS PFS algoritmo com Idrisi

49 Tempo de processamento

50 Área da bacia Usando mapas em papel a área era delimitada usando planímetro.

51 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...

52 Área acumulada 1 1 1 2

53 Área acumulada 2 1 3

54 Área acumulada 3 1 2 3 4

55 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

56 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

57 Área acumulada ArcGIS

58 Área acumulada

59 Exercício

60 Exercício Área acumulada

61 Sugestão de trabalho Comparar métodos de remoção de depressões e determinação de direção de fluxo Continuar trabalho Yuto Kakisako Eventualmente incluir outros softwares

62 Stream burning

63 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.

64 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.

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

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67 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.