Determinação de características fisiográficas de bacias usando
ferramentas de geoprocessamento
Carlos Ruberto Fragoso Jr.
Marllus Gustavo F. Passos das Neves
CTEC – UFAL
Tópicos
O que é Geoprocessamento O que é um SIG Importância do Geoprocessamento em
Recursos Hídricos Noções de cartografia O MapWindow Aprendendo a usar o MapWindow Ferramentas de Hidrologia no MapWindow Exercício para Bacia do rio Paraíba
Geoprocessamento
Conjunto de ferramentas usadas para Conjunto de ferramentas usadas para coleta ecoleta e tratamento tratamento de de informações espaciais,informações espaciais, geração de geração de saídassaídas na forma de mapas, na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc;relatórios, arquivos digitais, etc;
Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.manipulação e análise.
Geoprocessamento X SIGs
Geoprocessamento representa qualquer tipo de Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente).muito mais abrangente).
Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.espaciais e modelagens de superfícies.
SIG’s - Definições
BurroughBurrough ““Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar,
recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real”real”
CowenCowen““Um sistema de suporte à decisão que integra dados Um sistema de suporte à decisão que integra dados
referenciados espacialmente num ambiente de respostas a referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas”problemas”
SmithSmith““Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual
opera um conjunto de procedimentos para responder a opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”consultas sobre entidades espaciais”
SIG’s - Definições
OppenshawOppenshaw““Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o
acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”.estudo”.
GoodchildGoodchild““O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica
está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “
DangerramondDangerramond““Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a
disponível de uma forma que ninguém teve acesso disponível de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”
Software SIG
Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa.
A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde.
adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with ArcGIS
Por que utilizar cartografia computadorizada?
1. Fazer mapas mais rapidamente.
2. Fazer mapas mais baratos.
3. Fazer mapas para usos específicos.
4. Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de pessoal especializado
5. Permitir experimentos com representações espaciais diversas dos mesmos dados.
6. Facilitar atualização de mapas.
7. Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística e mapas.
8. Minimizar a necessidade de mapas em papel.
9. Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D, mapas estereoscópicos).
Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell
Estrutura de um SIG
Interface
Entrada e Integr.Dados
VisualizaçãoPlotagem
Gerência Dados Espaciais
Consulta e Análise Espacial
BANCO DE DADOSBANCO DE DADOSGEOGRÁFICOGEOGRÁFICO
O que deve existir num SIG?
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?
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 x1, x2,... xn, definir o valor de z nos pontos y1, y2,... 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?
Mapa:Mapa: modelos simplificados da realidademodelos simplificados da realidade– representa, normalmente em escala, uma seleção de representa, normalmente em escala, uma seleção de
entidades abstratas sobre ou relacionadas com a entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).superfície da Terra (ICA).
Produção de um Mapa
Definição de escala e projeção cartográficaDefinição de escala e projeção cartográfica
Seleção dos elementos do mundoSeleção dos elementos do mundo
Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)
Simplificação de elementos gráficosSimplificação de elementos gráficos
Exagero de elementos importantesExagero de elementos importantes
Simbologia para apresentar dadosSimbologia para apresentar dados
Tipos de Mapas em Geoprocessamento
Características dos mapas: Características dos mapas: diversidade de fontes diversidade de fontes geradorasgeradoras e de e de formatos apresentados.formatos apresentados.
O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de
dados:dados: – Mapas Temáticos: Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso do conceitos qualitativos (uso do
solo, clima)solo, clima);;– ImagensImagens;– Mapas NuméricosMapas Numéricos ((representação de superfícies)representação de superfícies)– Mapas Cadastrais e RedesMapas Cadastrais e Redes ((localização de objetos localização de objetos
do mundo - e.g. lotes)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 – Cobertura e uso do
solo (urbanizado, florestas, campos agrícolas) A cobertura e uso do solo se distribui no
espaço de forma heterogênea e dinâmica. Cada elemento responde diferentemente em
funções dos processos hidrológicos.
Modelos Complexos em Bacias
DadosMeteorológicos
SIG
Dados específicos de uso do solo e poluição
HSPFHSPF
Distribuição do uso do solo
Dadosdo rio
Fontes pontuais
Modelo
Pos-Processamento
Interface em Windows
Dados da baciaA
B
D
E
F
C
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
Bibliografia - Manuais
Tutorial do IdrisiTutorial e Help do SPRINGTutorial e Help do MapWindowTutorial e Help do ArcGISManuais de outros programas
Bibliografia - Periódicos
International Journal of Geographical Information Science Geographical Analysis Computers and Geosciences Photogrametric Engineering and Remote Sensing Remote Sensing and Environment 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...)
Noções de Cartografia
Escalas Entidades espaciais Sistema de coordenadas Formas de representar a superfície da Terra Sistema Geográfico de Coordenadas Projeções Projeção UTM
Escala
Virtualmente todas as fontes de dados espaciais são menores do que a realidade que elas representam
A escala indica quão menor que a realidade é um mapa
é a razão entre a distância do mapa e a correspondente distância na terra.
É expressa de três formas– um quociente (1:5000; 1:5.000.000)– verbalmente (1 cm representa 50m)– graficamente (ícones usados em mapas
computadorizados Terminologia
– escala pequena (1:250.000, 1:1.000.000) cobrem áreas grandes
– escala grande (1:10.000, 1:25.000) cobrem áreas pequenas com muito detalhes
Escala
Entidades espaciais (feições)
Tradicionalmente, mapas são usados para representar elementos do mundo real
Símbolos espaciais básicos são: ponto, linha e área. A escolha de um destes símbolos para representar
uma entidade espacial depende da escala. Exemplo: cidades representadas num mapa
num mapa mundi pontos poderiam ser adotados num mapa regional áreas seriam adotadas num mapa local: pontos, linhas e áreas
Sistemas de coordenadas
No século XVII Rene Descartes contribuiu para unir a álgebra e a geometria inventando o sistema de coordenadas
x,y
x
y
que passou a ser chamadoSistema Cartesiano
Sistema de coordenadas cartesiano
Qualquer ponto em um plano é definido pelas suas coordenadas x e y.
x,y
x
y
Sistema de coordenadas cartesiano
Uma reta que passa pelos pontos x1 e y1 e x2 e y2 pode ser definida como uma equação algébrica em termos de y e x.
x,y
x
y
Sistema de coordenadas cartesiano
Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas x, y e z.
x,y,z
x
z
y
Sistema de coordenadas polar
Qualquer ponto no plano pode ser definido pelas suas coordenadas r,
Sistema de coordenadas esférico
Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas r, e .
Conversões entre sistemas
Exemplo de utilidade dos sistema de coordenadas
Cálculo de distâncias entre pontos
Formas de representar a superfície da Terra
A forma da Terra– No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer
observou na Guiana Francesa: Um relógio com pêndulo de 1m, atrasava cerca de 2 minutos
e meio por dia em relação à Paris. Fazendo análise gravitacional, percebeu que na zona
equatorial a distância entre a superfície e o centro da Terra deveria ser maior do que esta distância medida dos Pólos, conclusão:
A terra NÃO seria uma esfera perfeita e sim “achatada”. => Surge então o Elipsóide!!!
Diâmetro equatorial = 12.756Km e diâmetro do eixo de rotação = 12.714km, com diferença de 42km, o que representa um achatamento de perto de 1/300, por isso, a terra vista do espaço assemelha-se a uma esfera.
Formas de representar a superfície da Terra
Esfera: definida pelo raio R = 6.370.997 m numa área de aproximadamente 520 M Km2
Esferóide: definida por– semi-major axis (a) e semi-minor axis (b) – WGS 84 (padrão dos USA)
a = 6.378.137 e b = 6.356.752,3142
– Clarke 1866 (padrão histórico no US) a = 6.378.205,4 e b = 6.356.583,8
Formas de representar a superfície da Terra
Sistema de Coordenadas Geográficas
Baseadas numa simplificação da forma da terra (esfera ou elipsóide)
Definem a posição de um ponto utilizando ângulos chamados latitude e longitude
Longitude
Latitude
Problemas do Sistema de Coordenadas Geográficas
Qual é a distância entre o ponto A (56 W e 32 S) do ponto B (45 W e 31 S)?
É possível calcular, considerando que a terra é uma esfera, ou um elipsóide, mas é difícil manualmente.
Solução: Projeção para sistema de coordenadas cartesianas
x,y
Projeções
Localizamos as feições da terra num plano 2-D (mapa)
Mundo é esférico e mapa é 2-D Portanto, precisamos de uma projeção de
mapa, que transfere a terra esférica no mapa num plano
Este processo introduz erros nos dados espaciais
Projeções
Existem várias projeções que são adotadas de acordo com o local e que minimizam estes erros
Exemplo: Algumas projeções preservam as distâncias entre as entidades em detrimento da direção
Outras, forma é preservada em detrimento da acurácia na área
Se colocarmos uma lâmpada dentro de uma bola que tem o desenho da terra, e projetarmos a luz numa parede, veremos que a parte central da imagem é melhor representada
Projeções
Distorção de projeção ocorre em:– Forma, área, distância ou direção
Projeções diferentes produzem distorções diferentes.
As características de cada projeção definem sua utilidade para algumas aplicações e inutilidade para outras.
Projeções
Cilíndrica– (mercator) a superfície da terra é projetada num
cilindro que envolve o globo.– Imagem contínua da terra– Países perto do equador têm verdadeiras posições
relativas– A visão dos pólos é bastante distorcida– Área é preservada em grande parte– Mantém escala, forma, área para pequenas áreas.
Projeção Cilíndrica
Projeções
Azimuthal– Projeção num plano– Apenas parte da superfície da terra é visível– A visão será metade do globo ou menos– Distorção ocorre nos quatro cantos do plano– Distância é preservada na maior parte
Projeção Azimuthal
Referência Espacial: Exemplo de Projeções
– LamberthAzimuthal
Projeções
Cônica– a superfície da terra é projetada num cone que
envolve o globo.– Área é distorcida– Distância é muito distorcida quando se move para
baixo da imagem– Escala é preservada na maior parte da imagem
Projeção Cônica
– Lamberth Azimuthal Cônica
Referência Espacial: Exemplo de Projeções
Referência Espacial: Exemplo de Projeções
– Comparando Projeções
Mundo visto em diferentes projeções
Figura do livro Getting to know ArcGIS de Ormsby et al. 2004
Projeções
– Mapas usados em SIG têm uma projeção associada a eles
– É importante usar uma determinada projeção de acordo com a localização e o propósito do mapa
– Ex. se uma aplicação de SIG requer acurácia no cálculo das áreas, usando uma projeção que distorce áreas não é indicado
– A maioria dos SIGs permite reprojetar um mapa em outra projeção (fazendo mapeamento entre as centenas de projeções existentes)
Projeção UTM
UTM - Universal Transverse Mercator grid system usa a projeção Mercator e divide a terra em 60 zonas verticais (fusos) que têm 6 º de longitude de largura.
UTM usa uma projeção cilíndrica, transversal e secante ao globo terrestre. (é transversal pois a projeção é análogo à colocar um cilindro envolvendo o globo secante aos polos ao invés do Equador.
Os limites de mapeamento são os paralelos 80S e 84N, a partir dos quais usa-se uma projeção estereográfica polar.
UTM adota coordenadas métricas (plano-retangulares) com informações específicas que aparecem nas margens das cartas (mapas) acompanhando um grid de quadrículas planas.
UTM é conformal de forma a preservar forma e escala.
O cruzamento do equador com o meridiano padrão específico, denominado Meridiano Central (MC) é a origem deste sistema de coordenadas.
Os paralelos e meridianos numa zona UTM são curvados com exceção do meridiano central e do equador que são retos.
As coordenadas UTM são definidas em metros e estão de acordo com o Meridiano central.
O valor do MC é sempre 500.000m (portanto Easting varia de 0 a 1.000.000m.
No hemisfério norte o Equador é a origem de Northing (0m). Então um ponto em Northing 5.000.000m está a 5.000Km do Equador.
No hemisfério sul o Equador tem um Northing de 10.000.000m, então todos os outros Northing neste hemisfério tem um valor menor que o Equador.
Projeção UTM
O fato das coordenadas UTM serem em metros facilita o cálculo preciso de distâncias (curtas) entre pontos e áreas.
Na verdade UTM é um conjunto de 60 projeções. Portanto, mapas de zonas diferentes tendem a não se encontrarem nas bordas das zonas.
Coordenadas UTM são fáceis de reconhecer pois consistem de 6 dígitos (inteiro) Easting e 7 dígitos inteiros Northing.
Projeção UTM
Referência Espacial: Exemplo de Projeções
Projeção UTM
Introdução ao MapWindow
http://www.mapwindow.org/
MapWindowMapWindow é um é um SIG SIG que inclui ferramentas de um que inclui ferramentas de um sistema de Processamento Digital de Feições sistema de Processamento Digital de Feições (vetores) e Imagens (Matrizes/Rasters).(vetores) e Imagens (Matrizes/Rasters).
O MapWindow integra na mesma base:O MapWindow integra na mesma base: DADOS CARTOGRÁFICOSDADOS CARTOGRÁFICOS DADOS DE CENSO DADOS DE CENSO CADASTRO URBANO E RURALCADASTRO URBANO E RURAL IMAGENS DE SATÉLITEIMAGENS DE SATÉLITE REDES REDES MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENOMODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO
Algoritmos p/ Algoritmos p/ manipularmanipular, , analisaranalisar, , consultarconsultar, , recuperarrecuperar, , visualizarvisualizar e e plotarplotar o conteúdo da base de o conteúdo da base de dados geocodificadosdados geocodificados
SIG - MapWindow
MapWindowMapWindow é software livre, um SIG extensivo que é software livre, um SIG extensivo que pode ser utilizado com os seguintes propósitos:pode ser utilizado com os seguintes propósitos:
SIG alternativo com código livre (open source code)SIG alternativo com código livre (open source code)
Distribuir dados para outros usuáriosDistribuir dados para outros usuários
Desenvolver e distribuir ferramentas personalizadas de Desenvolver e distribuir ferramentas personalizadas de GeoprocessamentoGeoprocessamento
Possui as principais ferramentas de operação tais Possui as principais ferramentas de operação tais como edição de tabelas (dbf), edição de Shapefiles e como edição de tabelas (dbf), edição de Shapefiles e conversor de dados;conversor de dados;
Mapwindow suporta os principais formatos de arquivos Mapwindow suporta os principais formatos de arquivos em SIG tais como Shapefiles, GeoTIFF, ESRI ArcInfo em SIG tais como Shapefiles, GeoTIFF, ESRI ArcInfo ASCII e grids binários.ASCII e grids binários.
SIG - MapWindow
SIG - MapWindow
SIG - MapWindow
SIG - MapWindow
Menu principalBarra de ferramentas
Legenda e pre-visualização de mapas
Área de trabalho e visualização
Ferramentas de Hidrologia no MapWindow
Ferramentas de Hidrologia no MapWindow
Aplicação da sequência – Watershed Delineation
Obtenção do MNT Operações raster que geram raster
– Preencher depressões– Direções de fluxo– Área acumulada– Conexões e comprimentos– Rede de drenagem (raster)– Catchments (raster)
Operações de geram vetores– Catchments (vetor)– Rede de drenagem (vetor)
Características fisiográficas
Produção do MNT
A partir de cartas topográficas digitalizadas e interpoladas, resultando em valores de cota dispostos em uma grade regular:
Bacia do Arroio Donato gerada por interpolação
TIN
KrigingIDQ
Thiessen
3. Métodos de Interpolação (cont.)
Diferenças entre dois interpoladores - DonatoDiferenças entre dois interpoladores - Donato
Máxima Diferença =4m
ou
Cotas estimadas por satélite (SRTM)
Resolução 90 x 90 http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/
ou
Cotas estimadas por satélite (ASTER)
Resolução 30 x 30 http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp
ou
LiDAR
Basin = bacia
Watershed = sub-bacia
Catchment = minibacia
Operações raster que geram raster
1. Definição do MNT e exutório
2. Preencher depressões
3. Direções de fluxo
4. Área acumulada
5. Conexões e comprimentos
6. Rede de drenagem
7. Catchments (minibacias)
Definição do MNT e exutório
Preenchimento de depressões
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
Direção de fluxo
67 56 49
53 44 37
58 55 22
1
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University
Department 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?
Direção de fluxo
67 56 49
53 44 37
58 55 22
1
67 56 49
53 44 37
58 55 22
1
60.152
2244
00.7
1
3744
Declividade:
adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M University
Department of Civil Engineering
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 University
Department of Civil Engineering
Direção de fluxo
Direção de fluxo
Direção de fluxo
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 1Área 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
Área acumulada 2Área acumulada 2
1
1
11
1
3
1 11 3
3
1
1 1 1
1
Área acumulada 3Área acumulada 3
1
1
12
1
3
1 11 4
4
1
1 1 1
1
Área acumulada (D8)
Área acumulada (D8)
Área acumulada (Dinf)
Conexões e comprimentos
Rede de drenagem
Rede de drenagem ao exutório
Ordem dos rios
Operações de geram vetores
Operações que geram vetores1. Rede de drenagem
2. Catchments
Rede de drenagem
Rede de drenagem (Tabela de atributos)
Catchment
Outras funções
Trabalho de disciplina
Selecionar uma bacia de porte médio (1000 < área < 10.000 km2);
Escolher o exutório da bacia (de preferência um ponto onde se tenha posto fluviomátrico);
Determinar as características fisiográficas da bacia (todas da aula passada);
A bacia de cada aluno é pessoal e intransferível;
Apresentar relatório na próxima segunda.
Obrigado!
Carlos Ruberto Fragoso Jr.Marllus Gustavo F. Passos das Neves
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