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

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

Geoprocessamento

MDEDireções de escoamento

Preenchimento de depressões espúriasCálculo da área acumulada

Walter CollischonnIPH UFRGS

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Bacia hidrográfica

1. Direções de fluxo2. Acumulação de área3. Rede de drenagem4. Delimitação de bacias5. Ordem dos cursos d’água6. Comprimento dos cursos d’água

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DEM-Based Stream and Watershed Delineation

Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University

Department of Civil Engineering

próximos slides adaptados de:

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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 UniversityDepartment of Civil Engineering

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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 UniversityDepartment of Civil Engineering

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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 UniversityDepartment of Civil Engineering

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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

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DEMs

• 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 UniversityDepartment of Civil Engineering

observe a grade sobreposta

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30-Meter DEMs

720

700

680

740

680700720740

720 720

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University

Department of Civil Engineering

DEM derivado de mapa por interpolação

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30m ~ 90m

O efeito da resolução espacial

30-Meter and 3" DEMs

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.

Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

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Direções de fluxo

Códigos de direção de fluxoArcGIS

1

248

16

32 64 128

• 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). adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D.,

P.E.Texas A&M University

Department of Civil Engineering

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67 56 49

53 44 37

58 55 22

1

Direções de fluxo

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.

Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

Suponha o seguinte DEM, de resolução 1 (m) e comcom as cotas indicadas no centrodas células (m).

A partir da célula central a águapode seguir dois caminhos...

Qual tem a maior declividade?

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67 56 49

53 44 37

58 55 22

1

67 56 49

53 44 37

58 55 22

1

60.1522244

00.7

13744

Declividade:

Direções de fluxo

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.

Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

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Direção de fluxo

71

56

445369

74

78 72 69

4768

58 55

21

31

67

58

49 46

37 38

64 22

61 16

DEM

22

2 2 2

2

4 4

4 4

1 1 2 4 8

128

128 1 2 4

128 1 41

128

Códigos de direção Rede de drenagem(vetorial)

Function: Flow directionArgument: DEM

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.

Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

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Mapa de direções de fluxo (raster)

• 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 UniversityDepartment of Civil Engineering

Relembrando

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Direções de fluxo

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1

2

481 6

3 2

6 4 1 2 8co

dific

ação

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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 ....

1

2

481 6

3 2

6 4 1 2 8

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DEM

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No Idrisi

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Direções de fluxo1

2

481 6

3 2

6 4 1 2 8

315 360 45

270 90

225 180 135

Idrisi

Outros

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Direções de fluxo ARC

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Problema das depressões

?

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Efeitos das depressões

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Efeitos das depressões

Linhas de drenagem geradas sem remover depressões Linhas de drenagem geradas depois de removidas as depressões

ver Jones, Computers & Geosciences, 2002

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Remoção de depressões espúrias

• Algoritmo de Jenson e Domingue• Algoritmo PFS• Algoritmo Planchon e Darboux

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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

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Algoritmo de Jenson e Domingue

?

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Algoritmo de Jenson e Domingue

202

203

203

201

198

202 200201 202

198

202

201 201 202

202

198

202

203

203

201

200

202 200201 202

200

202

201 201 202

200

202

199201203 200 199201203 200

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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.

1

2

481 6

3 2

6 4 1 2 8

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Verifica qual é a vizinha mais baixa da depressão e eleva todas as células até a altura da vizinha mais baixa.

202

203

203

201

198

202 200201 202

198

202

201 201 202

202

198

202

203

203

201

200

202 200201 202

200

202

201 201 202

200

202

199201203 200 199201203 200

Algoritmo de Jenson e Domingue

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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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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.

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Priority First Search• CatchmentSIM (

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

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Comparação de algoritmos

• Idrisi usa o PFS• ArcGIS usa o Jenson e Domingue• TAS permite usar Planchon e Darboux ou

Jenson e Domingue

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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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Resultados da Comparação

Menor área indica

menor erro

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Resultados Yuto Kakisako

Metodo de Planchon and Darboux com TASPFS algoritmo com Idrisi

Metodo Jenson and domingue com TAS

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Tempo de processamento

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Área da bacia

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

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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...

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Área acumulada 1

1

1

11

1

1

1 11 1

1

1

1 1 1

1

1

1

11

1

2

1 11 2

2

1

1 1 1

1

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Área acumulada 2

1

1

11

1

3

1 11 3

3

1

1 1 1

1

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Área acumulada 3

1

1

12

1

3

1 11 4

4

1

1 1 1

1

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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

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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

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Área acumulada ArcGIS

Page 58: Geoprocessamento MDE Direções de escoamento Preenchimento de depressões espúrias Cálculo da área acumulada Walter Collischonn IPH UFRGS

Área acumulada

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Exercício

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Exercício Área acumulada

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Sugestão de trabalho

• Comparar métodos de remoção de depressões e determinação de direção de fluxo

• Continuar trabalho Yuto Kakisako• Eventualmente incluir outros softwares

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Stream burning

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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.

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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.

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MNT-200m

MNT-200m burnedMNT-500m

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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.