Geoprocessamento MDE Direes de escoamento Preenchimento de depresses

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

Bacia hidrográfica 1. 2. 3. 4. 5. 6. Direções de fluxo Acumulação de área Rede de drenagem Delimitação de bacias Ordem dos cursos d’água Comprimento dos cursos d’água

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

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: 50. 000 e 1: 250. 000. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph. D. , P. E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

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

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

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

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

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

O efeito da resolução espacial 30 -Meter and 3" DEMs 30 m ~ 90 m adaptado do original de Francisco Olivera, Ph. D. , P. E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

Direções de fluxo • Um algoritmo, denominado eightdirection 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). 32 64 16 8 128 1 4 2 Códigos de direção de fluxo Arc. GIS adaptado do original de Francisco Olivera, Ph. D. , P. E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

Direções de fluxo 1 67 56 49 53 44 37 58 55 22 Suponha o seguinte DEM, de resolução 1 (m) e 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? adaptado do original de Francisco Olivera, Ph. D. , P. E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

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

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

Direções de fluxo

codificação

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. .

DEM

No Idrisi

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

Direções de fluxo ARC

Problema das depressões ?

Efeitos das depressões

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

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

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

Algoritmo de Jenson e Domingue ?

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

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.

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. 202 201 201 202 202 198 203 202 200 203 201 198 202 203 201 200 202 202 201 200 202 203 201 199 200

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

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.

Priority First Search • Catchment. SIM (http: //www. csse. com. au/index. php? option=com_content&task=view&id=35&Itemid=84) • Idrisi

Comparação de algoritmos • Idrisi usa o PFS • Arc. GIS usa o Jenson e Domingue • TAS permite usar Planchon e Darboux ou Jenson e Domingue

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.

Resultados da Comparação Menor área indica menor erro

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

Tempo de processamento

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

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 1 2 1 1 1 1 2

Área acumulada 2 1 1 1 3 1 1 1 1 3

Área acumulada 3 1 1 1 3 2 1 1 1 4

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

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

Área acumulada Arc. GIS

Área acumulada

Exercício

Exercício Área acumulada

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

Stream burning

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

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.