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ArcGIS 10.1: Super Análise Hidrológica com Spatial Analyst

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ArcGIS 10.1: Super Análise Hidrológica com Spatial Analyst

Extração de Rede de Drenagem, Álgebra de Mapas e Delimitação de Bacia Hidrográfica são ostemas que serão abordados neste fantástico tutorial. Eu tentei construir esta dica de modo que oprocedimento para extração de rede de drenagem possa ser reproduzido em outro SIG, pois asferramentas são as mesmas.

A caixa de ferramentas Hydrology são algoritmos do Spatial Analyst para análise hidrológica noArcGIS. Vamos utilizar essas ferramentas para extração de uma rede de drenagem a partir de um DEMSRTM.

Download e Processamento do SRTM Topodata

No tutorial abaixo você pode obter uma grade vetorial contendo links para download do DEM Topodata.O procedimento para obter este modelo de elevação processado pelo INPE está tudo muito bemdocumentado no tutorial abaixo:

Topodata – Modelo Digital de Elevação Processado pelo INPE | http://goo.gl/tKp2a

O DEM SRTM utilizado para extração da rede de drenagem precisa de um ajuste de projeção ereprojeção para o Sistema de Coordenadas Planas UTM de acordo com a localização. O tipo de dadoutilizado no tutorial é Unsigned Integer 16 bit (Números Inteiros Não Sinalizados de 16 bits) [1] [2].

[1] | http://goo.gl/hoMcy

[2] | http://goo.gl/LtJHD

Familiarize-se com alguns termos associados a Hidro

É importante tomar nota de alguns termos associados à análise hidrológica conhecendo os seus correspondentes em Português:

• Watershed = Bacia Hidrográfica

• Basin = Bacia Hidrográfica

• Drainage Network = Rede de Drenagem

• Stream Network = Rede de Drenagem

• Sub-Basin = Sub-Bacia

• Stream = Córrego, Riacho, Rio

• Upstream = Rio Acima (Em Geografia, “upstream” indica a fonte de um córrego ou rio contra adireção normal do fluxo de água)

• Downstream = Rio Abaixo

Tradução de algoritmos de Análise Hidrológica

Sink (Buraco, Depressão)

Cria um raster identificando todas as depressões, áreas de drenagem interna e vazios ou erros doSRTM ou outro raster de superfície.

Fill (Preencher)

Preenche pequenas imperfeições nos dados e remove todos os sinks do raster de superfície.

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Flow Direction (Direção do Fluxo)

Gera um raster contendo a direção do fluxo de cada célula. No Flow Direction, cada pixel épotencialmente cercado por oito pixels vizinhos. A inclinação de cada uma destas oito direções pode sercalculada tomando-se a diferença em elevação indicada pelo valor de DEM para cada um destas oitolocalidades vizinhas e do valor no pixel a ser examinado.

Flow Accumulation (Acumulação de Fluxo)

O raster criado determina a acumulação de fluxo a partir do Flow Direction criado anteriormente.

Tutorial

Execute o ArcMap. A caixa de ferramentas Hydrology está localizada no menu Spatial Analyst –Hydrology. O pré-processamento realizado fizemos no Modelo de Elevação Topodata seguiu estasetapas:

• O arquivo foi entregue com projeção/Datum arbitrária, sem referência espacial. Definimos aprojeção para GCS_WGS1984;

• Reprojetamos o DEM com referência geográfica para WGS 1984 UTM Zone 22 S (esta é a projeção plana da região de Jaboticabal-SP, nossa área de estudo)

• Foi feita a conversão do tipo de dado de Float 32 bits para Unsigned Integer 16 bits.

Nosso DEM Topodata está pronto. Este PDF traz uma visão geral da região onde vamos executarnossas análises hidrólogicas no Spatial Analyst | http://goo.gl/XEYhX.

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Flow Direction – Definindo as Direções dos Rios Clique no menu Spatial Analyst – Hydrology – Flow Direction. Informe o DEM e o local de saída parao novo arquivo TIF:

Clique com o botão direito do mouse sobre o Flow Direction criado e selecione a opção OpenAttribute Table. No campo Count da tabela, o Flow Direction deve conter apenas os valores 1, 2, 4, 8,16, 32, 64 e 128 que representam as oito células adjacentes por onde a água deve fluir. A tabela deatributos do nosso raster possui muitos valores associados ao Flow Direction, o que significa que hávazios, depressões ou mesmo erro nos dados SRTM.

Verifique o problema através desta imagem: | http://goo.gl/RfXeT

A ferramenta Sink cria um raster identificando possíveis erros nos dados SRTM.

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Sink

Cria um raster identificando vazios e possíveis imperfeições no raster de superfície.

Clique no menu Spatial Analyst – Hydrology – Sink

Informe o Flow Direction no campo de entrada e indique um arquivo TIF no campo de saída. Execute oprocesso.

Agora podemos identificar os problemas do raster deixando apenas o Sink habilitado. A ferramenta Filldeve ser utilizada para correção de todos os sinks.

Verifique o problema de sinks através desta imagem: | http://goo.gl/ZvPxc

Fill – Preenchimento de Vazios do DEM

A ferramenta Fill deve ser executada diretamente no DEM.

Clique no menu Spatial Analyst – Hydrology – Fill. Informe o Fill no campo de entrada e indique um arquivo TIF no campo de saída.

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Aguarde o término do processo. O raster Fill será adicionado no mapa. Se o aspecto da imagem estivertotalmente cinza, clique com o botão direito do mouse sobre o raster Fill acesse as Propriedades doRaster, guia Simbology e modifique o Stretch Type para Minimum/Maximum.

Visualização do DEM corrigido pela ferramenta Fill: | http://goo.gl/TAkHK

Com o novo DEM “Filled”, será preciso gerar um novo Flow Direction. Vamos organizar nossoambiente de trabalho removendo do ArcMap o antigo DEM, o Flow Direction com problema e o próprioSink. Só vamos manter no mapa o DEM preenchido pela ferramenta Fill.

Apenas o DEM corrigido pela ferramenta Fill deve permanecer no mapa: | http://goo.gl/Ew9a5

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Execute novamente o algoritmo Flow Direction e aguarde o término do processo.

Este é o Flow Direction CORRETO. Tabela de valores com campo Cont que registram valores de 1 a 128:

Visualização do Flow Direction: | http://goo.gl/ETrrB

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Flow Accumulation – Criando a Acumulação do Fluxo

Clique no menu Spatial Analyst – Hydrology – Flow Accumulation:

Execute o processo Flow Accumulation. Nas opções, informe a entrada, a saída e modifique o tipo dedado para Inteiro (Integer). O Flow Accumulation será criado, mas o raster pode parecer escuro. Épreciso aproximar o mapa com a ferramenta Zoom para visualizar os locais onde ocorre o fluxo de águaacumulada:

Visualização do Flow Accumulation: | http://goo.gl/BCaHd

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Para ampliar a visualização, acesse as Propriedades da Camada Raster (Layer Properties). Na guiaSimbology, marque a categoria Classified e selecione 8 classes. Modifique a rampa de cores paraAzul Piscina – Lilás. Será necessário alterar a primeira cor da classificação para branco (clique sobreo retângulo). Clique no botão OK.

Nova Visualização do Flow Accumulation: | http://goo.gl/cvKdL

Os rios agora podem ser visualizados no mapa.

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Álgebra de Mapas para Extração da Rede de Drenagem Para criar uma rede de drenagem, é preciso estabelecer um limiar para descobrir quantos pixelsadjacentes devem formar os rios. Em nosso caso, vamos estabelecer um limiar de 500 pixels.

Restaure a simbologia cinza do Flow Accumulation através das Propriedades do Raster, guiaSymbology, categoria Stretch. Modifique o Stretch Type para Minimum/Maximum.

Formulação de Expressões Algébricas no SIG A expressão matemática é criada com base em proposições que podem surgir no decorrer do projeto. Afunção CON (Conditional) determina um teste lógico e retorna um resultado. Simples assim. Em relaçãoà rede de drenagem, poderíamos estabelecer uma condição para criar o limiar, filtrando apenas ospixels significativos. A condicional do limitar torna-se intuitiva quando é lida desta maneira:

Se o valor dos pixels do raster Flow Accumulation for superior a 500, deve-se substituí-los pelo valor 1. Caso contrário, transformar em NODATA.

Com esta condição, todas as células do raster com valor superior a 500 serão consideradas durante acriação de um novo mapa raster. As demais células serão transformadas em NODATA. Esta é aquestão lógica: o velho IF > ELSE. O próximo passo consiste em redigir essa informação na linguagemdo computador (expressão matemática).

Clique no menu Spatial Analyst – Map Algebra – Raster Calculator

Digite a fórmula abaixo:

Con("03_FLOW_ACCUMULATION.tif" > 500,1)

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Substitua na expressão a string “03_FLOW_ACCUMULATION.tif” pelo nome do arquivo raster que representa o Flow Accumulation. Informe um local de saída para a Rede de Drenagem.

A rede de drenagem será visualizada no mapa. Um aspecto interessante é sobre o limiar: ele deve serutilizado com uma espécie de filtro para os rios. Dependendo da aplicação, o uso da hierarquia dos riospode ser ampliada ou omitida. Os algoritmos Strahler e Shreve são mais específicos para classificarrios segundo a ordem. Os testes que realizei aqui demonstram que, se o limiar for aumentado, osriachos poderão ser omitidos. Segue um layout com a drenagem extraída de acordo com os limiares500, 1000 e 2000. O maior limiar gera córregos mais genéricos.

Visualização da Drenagem com Limiares 500, 1000 e 2000: | http://goo.gl/f4dlu

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Stream to Feature – Conversão da Drenagem para Shapefile Clique no menu Spatial Analyst – Hydrology – Stream to Feature

Informe a Rede de Drenagem, o Flow Direction e o nome de saída para o arquivo shapefile de linhas.

A extração/vetorização da drenagem, para a resolução espacial do DEM SRTM, ficou excepcional. Muito bom mesmo.

Alta resolução: http://goo.gl/4krQ9

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Basin – Bacia Hidrográfica Spatial Analyst – Hydrology – Basin

Último processo. Informe o Flow Direction e o arquivo TIF de saída.

A bacia será criada. Acesse as Propriedades do Raster e modifique a simbologia e classes como foifeito anteriormente.

Resultado Final

Bacias Hidrográficas e Rede de Drenagem (PDF) | http://goo.gl/J4NU0

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Agora posso dar prosseguimento ao meu trabalho em Jaboticabal-SP, pois eu tenho a delimitaçãoperfeita da bacia hidrográfica daquela região.

Fim do tutorial. É possível reproduzir essa mesma dica em outro SIG, pois agora você está um poucomais familiarizado com os algoritmos.

Dúvidas e sugestões podem enviadas para o e-mail [email protected]

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