Geoprocessamento em Recursos Hdricos HIP 23 Walter Collischonn

Geoprocessamento em Recursos Hídricos HIP 23 Walter Collischonn http: //galileu. iph. ufrgs. br/collischonn/HIDP_23. html

Questões de organização • • Questões do horário Local Proposta Diversidade de alunos

Perfil da turma • • • Nome Formação Onde e com quem trabalha? Tema da tese/dissertação Já trabalha com SIG? Por que se interessou pela disciplina? Conhecimento de inglês. Quais são as expectativas? Outras informações que julgar. . .

Proposta • Disciplina de Geoprocessamento em Recursos Hídricos. • Liberdade para utilizar qualquer software. • Experiência pessoal com Idrisi = algumas aulas com Idrisi (Walter). • Experiência pessoal com o SPRING (Alfonso) • Ênfase em desenvolvimento de ferramentas próprias (FORTRAN, VBA, MATLAB, outras linguagens). • Experiências com software gratuito (TAS) • Avaliação: prova e trabalho • Trabalhos de alto nível = formato de artigos. http: //galileu. iph. ufrgs. br/collischonn/HIDP_23. html

Súmula original da disciplina • Dados georeferenciados: princípios básicos. • Sistema de informações geográficas (SIG): princípios básicos, estrutura, principais sistemas em uso, estrutura de dados para um SIG, pontos, linhas, arcos, nós; organização de dados, formatos raster e vetorial. • Modelo numérico do terreno (MNT) e suas aplicações em Recursos Hídricos: princípios básicos, métodos de interpolação, dados derivados de um MNT. • Métodos de modelagem espacial, integração com dados de sensoriamento remoto, cruzamento de dados. • Aplicações de geoprocessamento a Recursos Hídricos.

O que é Geoprocessamento? • Um interessante caso histórico. • Definições normalmente adotadas.

Surto de cólera em Londres

Surto de cólera em Londres • Poços

Surto de cólera em Londres • Poços • Vítimas

O culpado • A alavanca, ou braço para bombear água manualmente do poço foi retirada para impedir a população de consumir água.

GEOPROCESSAMENTO l Conjunto de ferramentas usadas para coleta e tratamento de informações espaciais, geração de saídas na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc; l Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.

GEOPROCESSAMENTO X SIGs l Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente). l Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.

SIG’s - DEFINIÇÕES l Burrough “Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real” l Cowen “Um sistema de suporte à decisão que integra dados referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas” l 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 l Oppenshaw “Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”. l Goodchild “O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “ l 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 l Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa. l A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde. l adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with Arc. GIS

Por que utilizar cartografia computadorizada? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 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 (3 D, mapas estereoscópicos). Algumas razões apresentadas por Burrough e Mc. Donnell

ESTRUTURA DE UM SIG Interface Entrada e Integr. Dados Consulta e Análise Espacial Visualização Plotagem Gerência Dados Espaciais BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO

O que deve existir num SIG? l l l l 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? l l l 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 x 1, x 2, . . . xn, definir o valor de z nos pontos y 1, y 2, . . . 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 ? l 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 l Definição de escala e projeção cartográfica l Seleção dos elementos do mundo l Classificação em grupos (e. g. tipos de solo) l Simplificação de elementos gráficos l Exagero de elementos importantes l Simbologia para apresentar dados

TIPOS DE MAPAS EM GEOPROCESSAMENTO l l 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; 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 – população • População se distribui no espaço de forma heterogênea e dinâmica. • Interligação SIG + Modelos

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

Mais livros

Bibliografia - Manuais • Tutorial do Idrisi • Tutorial e Help do SPRING • Manuais de outros programas

Bibliografia - Periódicos • • Transactions in GIS International Journal of Geographical Information Science Geographical Analysis Computers and Geosciences Photogrametric Engineering and Remote Sensing and 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. . . )

Bibliografia - Web • • • Página web Geoprocessamento IPH http: //www. spatialanalysisonline. com/output/ Versão web do livro Geospatial Analysis - A compreensive guide to principles, Techniques and Software Tools (2007) de Michael de Smith, Michael Goodchild e Paul Longley. Tese de doutorado de Michael de Smith http: //www. desmith. com/MJd. S/thesis. htm http: //www. colorado. edu/geography/gcraft/notes/mapproj. html Bancos de dados gratuitos na internet: – – Imagens de satélite Modelos digitais de elevação Produtos derivados (Hydrosheds) Softwares free (TAS, outros) http: //galileu. iph. ufrgs. br/collischonn/HIDP_23. html

Tópicos da disciplina • • • Fundamentos de cartografia Técnicas de representação em mapas: Vetor/Raster Fontes de informação para Geoprocessamento • • • Georeferenciamento Transformações vetor – raster Algoritmo point in polygon Interpoladores espaciais Ferramentas de análise • • • Álgebra de mapas Operadores de distância – distancia, buffers Operadores de contexto – filtros, direção de fluxo, declividade, contexto, variabilidade local Combinações de ferramentas Modelos numéricos de terreno, modelos digitais de elevação • • Digitalização Sensoriamento remoto – Classificação de imagens de satélite GPS Outras informações Onde encontrar dados Aplicações às bacias hidrográficas Outros parâmetros derivados do MDE: declividade; orientação da vertente; mapas sombreados Conhecer Arc. GIS / Conhecer Idrisi / Conhecer SPRING Um pouco de FORTRAN Programa básico para leitura de arquivo, e visualização de imagens em FORTRAN. Projeção de coordenadas. Mosaicos de imagens

Questões práticas • Acesso a computador? • Acesso a algum software?

Avaliação • A avaliação será através de uma prova e de um trabalho individual. • Prova • Ver exemplos dos semestres anteriores na web • Trabalho • • Idéias de cada aluno Sugestões do professor Mais acadêmicos Mais cotidianos Formato de artigo (ver revista da ABRH) Apresentar plano (todos devem perguntar) Prazo de entrega: a combinar

Temas para trabalhos 1. Programar algoritmo PFS para definir direções de fluxo a partir de MDE e comparar com outros métodos em grandes áreas. 2. Comparação de qualidade do MDE do SRTM com o MDE do ASTER. 3. Explorar e comparar métodos de classificação de unidades de relevo ou paisagem (Saturation Index; Hand; Ordem da rede de drenagem TAUDEM, TAS) 4. Explorar relações entre HAND e NDVI 5. Verificar a validade da relação área volume encontrada nos açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em locais em que ainda não existem açudes. 6. Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; correlação cruzada; outros interpoladores. 7. Programar e testar algoritmo de interpolação naturalneighbour para dados pluviométricos.

Temas para trabalhos 1. Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo. 2. Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares. 3. Construção de modelos Geoidais regionais 4. Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada. 5. Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha. 6. Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples. 7. Hidrograma unitário geomorfológico usando esquema de Bates (LISFLOOD) 8. Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador. 9. Rede de drenagem usando TIN. 10. Discretização de um modelo hidrológico distribuído em sub-bacias. 11. Formas inovadoras de apresentação de informações quali-quantitativas em mapas

Mais temas para trabalhos • • • • • Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; outros interpoladores. Dividir uma área agrícola em lotes com características semelhantes de: solo, acesso água; acesso à estrada; cobertura florestal; áreas propícias para plantio; etc. Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo. Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares. Comparação de qualidade do MNT do SRTM. Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada. Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha. Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples. Hidrograma unitário geomorfológico. Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador. Rede de drenagem usando TIN. Rede de mínimo custo (por exemplo estradas para extrair madeira de uma floresta. Como combinar teoria dos jogos e SIG (problema do trânsito) Caminhos de mínimo custo em ambiente dinâmico ou probabilístico (como melhor rota para um veleiro que está sujeito à direção do vento e da corrente, que podem variar durante o tempo de viagem) Problema da locação de uma fábrica de celulose, considerando: 1) ponto próximo à água (com vazão suficiente para abastecer); 2) porto fluvial; 3) transporte marítimo, fluvial, terrestre e qualidade de estradas; 4) Área necessária para produzir as toneladas por ano que são necessárias para justificar a fábrica; 5) Tipos de solos x produtividade por hectare; 6) Chuva x produtividade por hectare; 7) Rede viária existente e por construir. Problema das transformações de distância em ambiente raster: tese de De Smith. Buscar exemplos em http: //www. ltid. inpe. br/sbsr 2005/biblioteca/ Continuar trabalhos do semestre anterior. Remoção de depressões usando as idéias de bacias hidrográficas depressões (elevar depressões até o ponto mais baixo do divisor de águas) (paper de Arge et al. 2003)

Sugestão de trabalho: Hidrograma Unitário Geomorfológico baseado nas ordens de Strahler e no modelo de Nash de reservatórios lineares (Rosso, R. , 1984 Nash model relation to Horton order ratios. Water Resources Research vol. 20 pp. 914 -920. Sugestão de trabalho: interpolação co-Kriging de temperaturas no RS com base em dados do Atlas da Fepagro e de MNT.

Sugestões de trabalhos MINTER • Comparar métodos e programas para preenchimento de depressões e definição de direções de fluxo (continuar trabalho Yuto). • Identificar área acumulada para a qual inicia a rede de drenagem em várias regiões de TO usando Google e SIG. • Comparar Índice de saturação por diferentes métodos.

Sugestões de trabalhos 2008 Um trabalho interessante pode ser verificar a validade da relação área volume encontrada nos açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em locais em que ainda não existem açudes. Idéia do Rodrigo.

Sugestões de trabalhos 2009 • Modelos baseados em agentes • http: //en. wikipedia. org/wiki/Agent-based_model

Sugestões 2012 • Comparar ferramentas TAUDEM disponíveis no Map. Window com ferramentas Arc. Hydro do Arc. GIS • Explorar ferramentas do software INPE Terra. Hidro • Buscar dados de LIDAR ou Laser Raster de algum local e explorar informação • Programar ferramentas úteis em Map. Window • avaliar o mapa de início de rede de drenagem que a ANA está disponibilizando.

Sugestões 2013 • Desenvolver e testar método de interpolação de dados de chuva pelo método do vizinho natural (baseado em triangulação de Delaunay) • Há motivos para acreditar que este método de interpolação de dados de chuva é melhor do que outros métodos. • Veja página pessoal de John Burkardt (Univ Florida) • Ver Livro de Smith (Geospatial Analysis)

Sugestões 2013 • Testar dados de MDE do ASTER 30 m e comparar com outras fontes de dados em termos de erros gerados em: – – Delimitação de bacias Definição da rede de drenagem Comprimentos de rios Volumes de reservatórios

Sugestões 2013 • Programar algoritmo PFS para determinar direções de escoamento e remover depressões em MDE.

Sugestões 2013 • Programar algoritmo de Magalhães para direção de escoamento e remoção de depressões • Alternativa: usar programa feito por Magalhães e comparar com outros.

Sugestões 2013 • Criar método de cálculo de largura de rios baseado em imagens raster.

Sugestão 2013 • Testar capacidades de softwares livres como GVSIG, Map. Window, Quantum GIS, Whitebox para gerar coisas equivalentes ao Arc. Hydro. • Como usar o Idrisi para gerar coisas semelhantes ao Arc Hydro.

Sugestões 2013 • Modelos baseados em agentes e o hidrograma unitário