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MANUAL ARC-HYDRO PARA APLICAÇÃO DO MODELO MGB-IPH Versão 1.2 Julho de 2009 Fernando Mainardi Fan Walter Collischonn Projeto Integrado de Cooperação Amazônica e de Modernização do Monitoramento Hidrológico

Manual ArcHydro 1.2

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MANUAL ARC-HYDRO PARA APLICAÇÃO DO MODELO MGB-IPH

Versão 1.2 Julho de 2009

Fernando Mainardi Fan

Walter Collischonn

Projeto Integrado de Cooperação Amazônica e de Modernização do Monitoramento Hidrológico

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Sumário

1. Introdução - 3 - 1.1 Introduzindo Geodatabases - 4 - 1.2 Obtendo o Software - 4 - 1.3 Visão geral dos dados - 5 -

1.3.1 Introdução - 5 - 1.3.2 Dados de Rede de Drenagem e das Bacias - 6 - 1.3.3 Criando um Geodatabase - 7 - 1.3.4 Importando dados para um Geodatabase - 10 -

2. Preparando o MDE - 12 - 2.1 Conjuntos de Dados globais de Modelos Digitais de Elevação - 12 -

2.1.1 Fazendo download de dados SRTM - 12 - 2.1.2 Convertendo dados SRTM para RASTER - 14 -

2.2 Fazendo o Mosaico dos Raster - 20 - 2.3Definindo a referência espacial - 23 -

3. Processamento de dados - 28 - 3.1 Criando um buffer para a bacia - 28 -

3.1.1 Criando um Feature Class para a bacia - 28 - 3.1.2 Criando um buffer na bacia - 32 -

3.2 Fazendo uma operação de extração entre o MDE e o Buffer - 35 - 3.3 Selecionando a rede de drenagem da bacia - 37 -

4. Implementação do ArcHydro - 42 - 4.1 Introdução - 42 - 4.2 Processamento do terreno - 43 -

4.2.1 Recondicionando o MDE - 43 - 4.2.2 Preenchendo Depressões - 45 - 4.2.3 Direções de fluxo - 47 - 4.2.4 Área Acumulada - 49 - 4.2.5 Definição da Rede de Drenagem Raster - 51 - 4.2.6 Definição do Exutório da Bacia - 53 - 4.2.7 Delimitando a Bacia - 57 - 4.2.8 Extraindo os dados para a bacia - 59 - 4.2.9 Segmentação da Drenagem - 61 - 4.2.10 Processamento da rede de drenagem - 62 - 4.2.11 Segmentação da drenagem vetorial - 64 - 4.2.12 Delimitação das Minibacias Raster - 66 -

5. Ferramentas úteis em Hidrologia - 69 - 5.1 Introdução - 69 - 5.2 Projetando um layer - 69 - 5.3 Cálculo da área da bacia - 72 - 5.4 Cálculo do comprimento da drenagem - 74 - 5.5 Perfil topográfico do terreno a partir do MDE -76 - 5.6 Georreferenciando uma imagem - 79 - 5.7 Digitalizando uma imagem - 84 -

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1. Introdução

Este manual descreve a utilização do programa ArcGIS e de um conjunto de ferramentas chamado ArcHydro para a preparação de dados para o modelo hidrológico MGB-IPH. O manual é um produto desenvolvido pela equipe do IPH – UFRGS no contexto do Projeto Integrado de Cooperação Amazônica e de Modernização do Monitoramento Hidrológico

No texto são apresentadas as ferramentas para análise de modelos digitais de elevação para a obtenção de informações úteis em hidrologia, de maneira geral, e para a modelagem hidrológica, em particular. Alguns capítulos deste manual foram baseadas no texto “Introduction to Arc-Hydro: ACEH basin pilot study” publicado por Czekanski e McKinney do Center for Research in Water Resources da Universidade do Texas, Austin.

Embora seja focado na preparação de dados úteis para a aplicação do modelo MGB-IPH, este manual pode ser utilizado para aprender a utilizar as ferramentas do Arc-Hydro com outros objetivos, como simplesmente delimitar uma bacia hidrográfica e calcular sua área de drenagem.

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1.1 Introduzindo Geodatabases

O desenvolvimento de uma base de dados na escala de bacia hidrográfica é fundamental para os conceitos modernos de gestão de recursos hídricos, especialmente em uma escala nacional. Bases de dados integrais que incluam o conhecimento e a informação sobre os rios de um país estão freqüentemente fragmentadas, desarticuladas, incompletas e, em certos casos, imprecisas. O gerenciamento integrado de bacias requer o desenvolvimento de modelos que deverão ser utilizados para vários propósitos, por exemplo, para avaliar os riscos e as possíveis mitigações de secas e cheias, gerenciar direitos de uso da água, avaliar a qualidade da água e simplificar, para facilitar o entendimento, o funcionamento da bacia em questão. Para esses propósitos são necessárias bases de dados das quais os modelos possam acessar os diversos dados utilizados para descrever os sistemas que estão sendo modelados. Em outras palavras, bases de dados nas quais o modelo poderá ler os dados como entrada e assim escrever os seus dados de saída. Portanto, para esse conceito funcionar, ele deve ter um design padrão.O modelo dos dados do ArcHydro foi desenvolvido para facilitar a organização de dados de recursos hídricos de acordo com o “princípio das bacias” e permite o acesso de informações hidrológicas por modelos (Maidment, 2002).

Um Sistema de Informações Geográficas (SIG) é uma tecnologia de propósitos

gerais para o manejo de dados geográficos no formato digital. Suas funções incluem: pré-processamento de dados em uma forma compatível para análise, apoio à análise espacial e aos modelos e pós-processamento de resultados (Goodchild, 1993). Um SIG pode oferecer representação espacial de sistemas de recursos hídricos, trazer dimensões espaciais para bases de dados e apresentar uma visão integrada da bacia. Isso acontece através da combinação de vários fatores sociais, econômicos e ambientais relacionados às entidades de um problema de recursos hídricos e as torna disponíveis para uso em um processo de tomada de decisão (Csillag, 1996).

O recente desenvolvimento relacionado à construção de (Geodatabases) Bases de

dados geográficos para bacias hidrográficas geralmente inclui a extensão do modelo de dados ArcHydro para o pré-processamento dos parâmetros de modelos hidrológicos.

1.2 Obtendo o Software

O trabalho descrito nesse relatório requer dois pacotes de softwares, um comercial (ArcGIS) e outro de domínio público (ArcHydro Tools):

1. ArcGIS da ESRI com uma licença de ArcInfo e a extensão Spatial Analyst

ativa. 2.ArcHydro Tools, desenvolvido no Centro de Pesquisas em Recursos Hídricos

(Center for Research in Water Resources - CRWR) na The University of Texas at Austin ( EUA) e mantido gratuitamente distribuído pela ESRI:

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ftp site: ftp.esri.com User: RiverHydraulics Password: river.1114

Também pode ser encontrado no endereço: http://support.esri.com/index.cfm?fa=downloads.datamodels.filteredgateway&dmid=15

1.3 Visão geral dos dados 1.3.1 Introdução

Nessa seção você vai construir

• Um mapa base de dados geográficos e de fluxo fluvial para uma bacia utilizando o Rio Juruena no Mato Grosso, Brasil como um exemplo. O mapa base compreende shapefiles com os limites da bacia e os fluxos.

• Uma geodatabase para conter todos os layers de dados e para criar relações entre os mesmos dentro da base de dados geográfica.

Acesse um computador de sua preferência e crie um diretório de sua escolha para

esse exercício. Os arquivos necessários estão localizados na pasta Arquivos Entrada . Os arquivos incluem shapefiles de:

• Polígonos Base – Necessários para identificar a bacia de interesse. Esses polígonos das sub-bacias brasileiras estão disponíveis no sistema HidroWeb da Agência Nacional de Águas (http://hidroweb.ana.gov.br/). Na opção Mapas – Baixar Bacias.

• Streams – Necessários para recondicionar um Modelo Digital de Elevação (MDE) da área de estudo. Esses arquivos também estão disponíveis para todas bacias brasileiras no mesmo conjunto de arquivos do sistema HidroWeb. Porém, segundo Buarque (2009) essa rede de drenagem não tem qualidade suficiente para recondicionarmos nosso MDE, e então ela será estimada diretamente a partir dele.

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Figura 1- Download dos arquivos das bacias brasileiras. No exemplo apresentado neste texto, a bacia estudada é compreendida pela Bacia1,

segundo a classificação da ANA. Em Arquivos de Entrada os arquivos:

• sub_bacias1.* • hidrografia1.*

foram retirados do conjunto de arquivos presente no Bacia1.zip (disponibilizado pela ANA) e definem as sub-bacias da bacia 1 brasileira e o stream correspondente à rede hidrográfica. Certifique-se que os arquivos não estão marcados como somente leitura em suas propriedades. 1.3.2 Dados de Rede de Drenagem e das Bacias

Os arquivos de dados geoespaciais que definem a bacia do rio Juruena não estão especificamente disponíveis no shapefile sub_bacias1, pois neles encontramos apenas as macro-bacias delimitadas e a nossa bacia está incluída dentro da sub-bacia 17. Todos rios da bacia 1, incluindo o Juruena, estão disponíveis no shape hidrografia1 .

Note que cada shapefile é composto de vários arquivos, então é mais fácil cometermos erros quando copiamos ou movemos esses arquivos. É recomendado utilizar o

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ArcCatalog para manejar arquivos de dados geoespaciais dentro da sua área de trabalho ao invés de usar a função copiar do Windows Explorer.

• Abra o ArcMap e adicione ( ) o shapefile sub_bacias1 ao mapa.

Figura 2 – Shapefile Sub_bacias1 aberto no ArcMap

Você pode recolorir as bacias como quiser. Note que ao mover o cursor pela tela as

coordenadas apresentadas na parte inferior da tela mudarão. Você agora tem as coordenadas de referência para a bacia1. 1.3.3 Criando um Geodatabase

O ArcGIS usa um modelo de dados orientado a objeto denominado geodatabase. Esse modelo de dados disponibiliza os arquivos dos seus dados SIG e a possibilidade de criar relações entre eles. Em geral, um modelo de geodatabases proporciona uma área de trabalho padrão na qual vários tipos de dados podem ser carregados. Uma vez criada, uma geodatabase é um arquivo Access denominado ArcGIS personal geodatabase.

• Abra o ArcCatalog ( ). • Clique com o botão no diretório que desejar e selecione New / Personal

Geodatabase. Nomeie o geodatabase como desejar, no nosso exemplo vamos utilizar GdbJur .

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Figura 3 – Criando um Geodatabase

Figura 4 – Arquivo Geodatabase criado

• Clique com o botão direito no Geodatabase criado e selecione Novo /

Feature Dataset.

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Figura 5 – Criando um novo Feature Dataset

• Nomeie o novo Feature Dataset (no nosso exemplo: Mapa Base) e clique em

avançar para definir a projeção.

Figura 6 – Definindo o sistema de coordenadas do Feature Dataset

Você vai importar o sistema de coordenadas do shapefile sub_bacias1. Pressione

o botão Import e procure e escolha o shapefile sub_bacias1. Escolha WGS 1984.

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• Selecione Geographic Coordinate Systems / World / WGS 1984 e clique em avançar. Selecione WGS 1984 também para as coordenadas verticais. Clique em Finish na tela que se sucede. Seu Feature Class foi criado e agora aparece dentro da Geodatabase.

Figura 7 – Escolhendo WGS 1984 como sistema de coordenadas

1.3.4 Importando dados para um Geodatabase

Você vai agora importar ambos os shapefiles para o seu Geodatabase.

• Clique com o botão direito do mouse no seu Feature Dataset (ex.: Mapa Base) e depois clique em Import / Feature Class (single).

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Figura 8 – Importando dados para o Feature Dataset

• No campo Input Features carregue o shapefile sub_bacias1. • No campo Output Feature Class digite Sub_Bacias1 (ou outro nome que

desejar). • Não coloque mais nenhuma informação nos demais campos. Clique em OK .

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Figura 9 – Importanto o Shapefile para a Feature Class

• Repita o mesmo processo para a hidrografia1. • Parabéns! Você acabou de criar um Feature DataSet com dois novos

Feature Classes (Sub_Bacia1 e Hidrografia1 ). • O produto final deve parecer com o seguinte no seu ArcCatalog:

Figura 10 – ArcCatalog ao final do processo

2. Preparando o MDE 2.1 Conjuntos de Dados globais de Modelos Digitais de Elevação 2.1.1 Fazendo download de dados SRTM Para as atividades que se seguemé necessário um MDE da região de interesse. O MDE (Modelo Digital de Elevação) é uma representação artificial do relevo, e pode ser

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obtido de diversas formas. Um MDE extremamente útil por estar disponível gratuitamente em quase todo o mundo é o obtido pelo SRTM.

O Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) obteve dados de elevação com uma escala próxima à global para gerar a mais completa base de dados topográficos digitais de alta-resolução da Terra. O SRTM consistiu de um sistema de radar especialmente modificado que voou acoplado ao Ônibus Espacial Endeavour durante uma missão de 11 dias em Fevereiro de 2000.Os dados forma publicados em uma grade com arco de 1 segundo (resolução de 30 metros) para os EUA e com um arco de 3 segundos (resolução de 90 metros) para o resto do globo da latitude de 56°S até a de 60°N.

Figura 11 – Sinais de radar sendo transmitidos e recebidos no SRTM (imagem fora

de escala).

Dois dados de radar foram coletados ao mesmo tempo separados por 60 metros, a distância entre a antena principal dentro da nave e a antena exterior. Sabendo a distância entre as duas antenas e as diferenças nos sinais das ondas de radar refletidas, uma precisa elevação da superfície terrestre foi calculada. Para conhecer mais sobre a missão veja Rabus, B.; Eineder, M.; Roth, A.; Bamler, R. 2003 The shuttle radar topography mission—a new class of digital elevation models acquired by spaceborne radar. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 57 pp. 241– 262.

Existem muitas fontes de dados disponíveis aonde você pode obter os dados do

SRTM, incluindo: NASA (dados brutos): ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/ USGS (dados parcialmente corrigidos): http://seamless.usgs.gov/ CGIAR (Dados corrigidos): http://srtm.csi.cgiar.org/ LabGeo UFRGS (dados corrigidos): http://www.ecologia.ufrgs.br/labgeo/index.php Nota: O CGIAR é provavelmente a melhor fonte de dados, uma vez que todos os

trechos sem dados estão preenchidos e prontos para uso. No entanto, muitas vezes é

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necessário o download de vários arquivos que devem ser unidos através da função de mosaico.

• Entre no web site do CGIAR

Figura 12 – Página Inicial do Web Site do CGIAR

• Clique em SRTM Data Search and Download no menu lateral. • Digite a latitude e a longitude de sua escolha ou selecione as quadrículas da

área de interesse. Para nossos propósitos, selecione a área da Bacia do Rio Juruena, na região do Mato Grosso, Brasil, América do Sul.

• Selecione a opção ArcInfo ASCII e clique em Click Here begin to Search.

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Figura 13 – Seleção dos MDE da área de interesse.

• Uma tela irá aparecer apresentado as informações das quadrículas selecionadas.

• Clique em Data Download (FTP) na parte inferior de cada um para fazer download dos mesmos.

Figura 14 – Download do MDE

• Os dados das quadrículas vão se salvos como arquivos ASCII compactos.

Esse processo pode demorar um pouco dependendo da velocidade de sua conexão.

• Descompacte todos os arquivos. • Para este trabalho foram baixadas 9 quadrículas (srtm_24_14; 24_15;

24_16; 25_14; 25_15; 25_16; 26_14; 26_15; 26_16).

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Figura 15 – Dados das quadrículas descompactados.

2.1.2 Convertendo dados SRTM para RASTER Os arquivos do MDE SRTM descompactados estão no formato ASCII. Para

manipular estes dados no ArcGIS é mais adequado convertê-los para o formato grid (RASTER). Para isso vamos usar a ferramenta de conversão de dados do ArcMap.

• Abra o ArcMap e então abra o ArcToolBox na barra de ferramentas padrão.

• No ArcToolbox, vá em Conversion Tools/ To Raster / ASCII to Raster.

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Figura 16 – ArcToolBox

• Em Input ASCII raster file carregue a primeira das quadrículas que vão ser

utilizadas (ela está em formato “.ASC”). Em Output raster você pode nomear o arquivo raster que será gerado a partir dessa quadrícula. Selecione Integer em Output data type e clique em OK .

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Figura 17 – Ferramenta ASCII to Raster

• Repita esse processo para cada quadrícula de MDE que compõem a área

desejada até que todas tenham sido adicionadas ao ArcMap como raster.

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Figura 18 – Diretório dos arquivos Raster gerados

• As quadrículas vão aparecer no ArcMap como mostrado na figura a seguir:

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Figura 19 – Quadrículas do MDE aberta no ArcMap

2.2 Fazendo o Mosaico dos Raster Para nossos fins, múltiplas quadrículas precisam ser combinadas em um único

arquivo. Isso pode ser feito através da função Mosaic.

• Crie o diretório onde você deseja salvar o arquivo de mosaico gerado. • No ArcMap, vá em ArcToolbox / Data Management Tools / Raster /

Mosaic to New Raster

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Figura 20 – Acessando a ferramenta Mosaic to New Raster

• Em Input Rasters carregue todos os rasters que compõem a sua área. Isso

pode ser feito um por um, ou todos de uma vez só através do botão . Em Output Location selecione o diretório que você criou para salvar os arquivos raster gerados. Nomeie o arquivo a ser gerado como desejar (no exemplo usaremos o nome “mosaico”) e clique em OK .

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Figura 21 - Feramenta Mosaic to New Raster

• Esse processo demora cerca de 30 minutos, dependendo do computador

que está sendo utilizado. Ao final, o MDE resultante será adicionado ao ArcMap.

• Um problema recorrente é o mosaico gerado apresentar falhas (pontos em branco no meio da imagem). Você pode utilizar a ferramenta Mosaic, que está localizada acima da ferramenta Mosaic to New Raster, para corrigir o problema. Nessa ferramenta utilize como input as mesmas imagens utilizadas em Mosaic to New Raster e como Target Raster o mosaico gerado em Mosaic to New Raster. Ao final o processo o mosaico gerado não terá falhas.

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Figura 22 – Mosaico resultante das quadrículas

2.3 Definindo a referência espacial

Para continuar, feche o projeto antigo e abra o template do PréPro_MGB (Prepro_MGB.mxd).

Note a barra de ferramentas MGB no seu ArcMap (se ela não estiver aparecendo você deve habilitá-la).

• Abra o ArcCatalog para definirmos a referência espacial do Mosaico. • Clique com o botão direito no ícone do mosaico raster e selecione

Properties. Vá até Spatial Reference. Clique em Edit .

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Figura 23 - Editando as propriedades do Raster

• Selecione Define the coordinate system interactively. Clique em Next.

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Figura 24 – Definindo o sistema de coordenadas do mosaico.

• Selecione Geographic para a projeção e clique em Next.

Figura 25 - Definindo projeção

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• Selecione Decimal Degrees (DD) e clique em Next. • Selecione o datum WGS – 1984 e clique em Next.

Figura 26 – Definindo o datum

• Certifique-se de que a projeção e o datum estão certos e clique em Finish.

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Figura 27 – Verificação da projeção e do datum

• Note que a Referência Espacial e o Datum estão agora definidos nas

propriedades do raster mosaico. Clique em OK .

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Figura 28 - Propriedades do raster após a definição da projeção

3. Processamento de dados

3.1 Criando um buffer para a bacia 3.1.1 Criando um Feature Class para a bacia

Objetivo: Criar um Feature Class para a bacia do rio Juruena

• Carregue o layer de sub_bacias1 no Arc_map.

• Clique no botão de seleção na barra de ferramentas principal. No layer das sub_bacias1 selecione a sub-bacia que engloba a bacia do rio Juruena. Ela deve ficar destacada.

• Clique com o botão direito no layer de sub-bacias e escolha Open Attribute Table . Clique no botão Selected na parte inferior da janela. Isso vai lhe mostrar o item selecionado (Sub-bacia 17).

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Figura 29 – Selecionando a Sub-Bacia

• Tenha certeza de que o Arc Catalog está fechado se não os próximos

passos não vão funcionar. • Feche a tabela de atributos e clique com o botão direito no layer das

sub_bacias1. Selecione Data / Export Data... para produzir um novo layers.

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Figura 30 - Export Data... para criar um novo layer

• Em Output shapefile or feature class, navegue dentro do geodatabase que

você criou para a bacia do Juruena, e entre no Mapa Base. Nomeie esse novo feature que será criado como desejar (Bacia17, no nosso exemplo) e clique em Save.

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Figura 31 - Exportando o layer para dentro do Geodatabase

• Clique em OK para exportar a sub-bacia selecionada para um novo arquivo.

O programa vai automaticamente converter somente a sub-bacia selecionada.

• Clique Yes quando perguntado se você quer adicionar ao mapa o arquivo gerado. Note que o dado exportado carrega os atributos das Sub_bacias1.

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Figura 32 - Novo Layer exportado adicionado ao ArcMap

3.1.2 Criando um buffer na bacia

Nas etapas seguintes o tempo de processamento depende muito do tamanho do MDE utilizado. Para aumentar a velocidade de processamento vamos limitar a análise à região da bacia 17 (Tapajós), já que o rio Juruena é um dos formadores do Tapajós. Para isto vamos realizar duas operações:

1) Buffer em torno do polígono da bacia. 2) Extração do MDE da área correspondente ao buffer.

Objetivo: Criar um buffer de 20 km ao redor da bacia.

• No ArcToolbox, vá em Analysis Tools / Proximity / Buffer.

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Figura 33 - Localizando a ferramenta de Buffer

• Selecione o layer Bacia17 (ou o nome que você tenha colocado) como o

Input Feature. • Selecione Linear unit no campo Distance e especifique o buffer de 20

kilometros. Deixe todos os demais campos com seus valores padrão e clique em OK .

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Figura 34 - Executando o Buffer

• O resultado do Buffer, um novo polígono 20km maior em todas as direções do que

o arquivo original, é mostrado abaixo:

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Figura 35 - Resultado do Buffer

3.2 Fazendo uma operação de extração entre o MDE e o Buffer Objetivo: Realizar a operação de extração (extraction) entre o mosaico do MDE projetado e o raster da bacia.

• Abra o ArcToolbox, vá em Spatial Analyst Tools / Extraction / Extract by Mask. Em Input Raster coloque o mosaico, em Output Extent carregue o buffer e no Output Raster salve raster de saída na pasta de rasters com o nome que desejar (No exemplo, MNT_Bacia). Esse procedimento irá gerar um recorte do MDE igual ao buffer.

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Figura 36 – Executando uma extração no mosaico projeado

• O resultado fica:

Figura 37 - Resultado da operação Extract By Mask

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3.3 Selecionando a rede de drenagem da bacia • Abra o shapefile com a hidrografia da bacia no ArcMap. Abra também o

polígono que contém a bacia desejada. • No menu principal do ArcMap, clique em Selection / Select by Location.

Figura 38 - Menu ArcMap / Select By Location

• Selecione features do shape hidrografia1 que se intersectam com o feature

do buffer da bacia. Clique em Apply e depois em Close.

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Figura 39 - Selecionando os dados da hidrografia

• O resultado é mostrado a seguir:

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Figura 40 - Resultado da seleção da hidrografia

• Clique com o botão direito no layer hidrografia1 e selecione Data / Export

Data. • Exporte os features selecionados para o dataset Mapa Base e nomeie o

arquivo de saída (no exemplo, hidrografia_bacia). Clique em OK e em Yes para adicionas os dados exportados ao mapa.

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Figura 41 - Exportando a rede de drenagem da bacia

• Clique com o botão direito no novo layer da drenagem e clique em Open

Attribute Table. • Adicione os seguinte campos (Options / Add Field): HydroID (long int),

LengthDown (double), JunctionID (long int). Feche a tabela de atributos.

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Figura 42 - Adicionando campos à drenagem

• Agora, com os dados processados você tem o MDE e os features da bacia e

da hidrografia apenas da região de interesse. Os demais layers podem ser removidos do seu projeto.

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Figura 43 - Aparência final do ArcMap após o processamento

4. Implementação do ArcHydro 4.1 Introdução

O propósito deste manual é ilustrar, passo-a-passo, como usar a maioria das funcionalidades presentes nas ferramentas do ArcHydro para o processamento de terrenos. Esse é um documento que não se foca somente no como, mas no porque. Uma breve discussão é realizada sobre a implementação ou sobre a operação interna das ferramentas.

Nessa seção, nós vamos realizar uma análise de terreno no MDE gerado nas seções anteriores. As ferramentas do ArcHydro são usadas parar derivar diversos dados que coletivamente descrevem a drenagem de uma bacia hidrográfica. A análise dos rasters é realizada para gerar dados da direção de fluxo, área acumulada, definição da drenagem, segmentação da drenagem e delimitação de bacias. Esses dados são então utilizados para desenvolver uma representação vetorial de uma bacia e sua drenagem a partir de um ponto selecionado. A utilidade das ferramentas do ArcHydro é demonstrada pela aplicação para desenvolver atributos que podem ser úteis na modelagem hidrológica. Para atingir esses objetivos, o usuário é exposto a importantes características e funcionalidades das ferramentas, ambas para versão raster e vetor.

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Os dados gerados nesta seção são os dados de entrada para a ferramenta PrePro MGB.

4.2 Processamento do terreno

O processamento do terreno utiliza o MDE para identificar a superfície de

drenagem. Uma vez processado o MDE e os seus derivados podem ser usados para uma delineação eficiente da bacia hidrográfica , para geração da rede de drenagem e para a obtenção de atributos.

Todos os passos no menu Terrain Processing devem ser executados em ordem seqüencial, do topo até a base. O recondicionamento do MDE e o preenchimento de depressões podem não ser requeridos, dependendo da qualidade do MDE inicial. Realizando o recondicionamento do MDE você pode ter certeza que qualquer ponto na rede de drenagem vai representar uma célula pela qual você pode processar e computar atributos.

Esteja ciente de que alguns processamentos de terrenos podem demorar algum tempo para terminar. Processos como o preenchimento de depressões demoraram cerca de 1 hora para serem finalizados em um de nossos computadores, por isso, seja paciente!

Os dados existentes em um projeto co ArcHydro podem ser guardados e carreagados a partir de qualquer geodatabase. Todos os dados vetoriais criados com o ArcHydro serão salvos em um novo geodatabase que tem o mesmo nome que o documento do ArcMap e no mesmo diretório em que o projeto foi salvo. Por definição, os novos dados raster são salvos em um sub-diretório com o mesmo nome que os dados ou que o Data Frame no documento do ArcMap ( denominado Layers por definição e dentro do diretório onde o projeto está salvo). A localização dos vetores, rasters, e dados de séries temporais podem ser explicitamente especificados indo em ApUtilities / Set Target Locations na barra de ferramentas ArcHydro.

Figura 44 - Localização dos dados no ArcHydro

4.2.1 Recondicionando o MDE

Essa função modifica o MDE pela imposição de um feature linear sobre ele.

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O processo inclui: • A tomada de um arquivo com as linhas que representam a rede de drenagem

e um MDE. • Transformação dessas linhas em uma grade. • Diminuição do valor da altitude das células da drenagem por um decremento

arbitrário na elevação. Modelos Digitais de Elevação “marcados” são produzidos. Isso é uma

implementação do método AGREE desenvolvido na Universidade do Texas, em Austin, em 1997. Para uma referência completa do procedimento acesse:

http://www.ce.utexas.edu/prof/maidment/GISHYDRO/ferdi/research/agree/agree.html

Este processo é conhecido como “Stream-Burning”, e leva este nome por que a rede

de drenagem é “marcada” sobre o MDE como se fosse um ferro de marcar no couro de um boi (“burning” = marcar a ferro). Para que obtenha sucesso a função necessita de um MDE e de um feature de linhas (como a rede hidrográfica de um rio). Como NÃO temos uma hidrografia com qualidade suficiente (veja análise em Buarque et al., 2009) vamos pular este processo! No entanto, os passos do processo ainda serão mostrados caso você tenha os arquivos necessários para projetos futuros.

• Selecione Terrain Processing / Data Management Terran Preprocessing no menu de ferramentas ArcHydro .

Figura 45 - Selecionado Data Management Terrain Preprocessing

• Selecione o MDE da bacia como Raw DEM. • Selecione a hidrografia da bacia para o Agree Stream. • Depois vá em Terrain Processing / DEM Manipulation / DEM

Reconditioning.

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Figura 46 - Selecionado DEM Reconditioning

• Selecione o apropriado MDE e hidrografia . A saída é um MDE recondicionado (Agree

DEM ).

Figura 47 - DEM Reconditioning

Esse processo demora cerca de 5 minutos!

4.2.2 Preenchendo Depressões

A criação do DEM resulta em depressões artificiais na área. Uma depressão é um

conjunto de uma ou mais células que não contém nenhuma célula com altitude menor ao seu redor. A não ser que essas depressões sejam preenchidas elas se transformam em depressões e em porções isoladas de bacia hidrográficas. A função Fill Sinks modifica os valores de elevação para eliminar estes problemas.

• Selecione Terrain Processing / Fill Sinks.

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Figura 48 - Selecionando a função Fill Sinks

• Confirme que o no campo DEM está o MDE e deixe os demais campos como

estão. O Layer de saída, Hydro DEM, está nomeado como Fil . Esse nome pode ser reescrito.

Figura 49 - Fill Sinks

• Após o fim do processo (que demora aproximadamente 50 minutos), o layer nomeado

Fil é adicionado ao ArcMap.

Figura 50 - Aviso que a operação Fill Sinks terminou

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4.2.3 Direções de fluxo

Um Modelo Digital de Elevação (MDE), ou Modelo Numérico do Terreno

(MNT), é formado por células de um tamanho particular com um valor de elevação atribuído a cada célula.

Figura 51 – Esquema de um MDE

Usando o método D8 (Eigth Direction Pour Point Model), é assumido que a

água flui de uma das células para uma das 8 células adjacentes. A cada célula é atribuído um valor de acordo com a regra do caminho mais íngreme.

Figura 52 - Método D8

Usando esse modelo, uma grade com as Direções de Fluxo pode ser construída a

partir do MDE.

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Figura 53 - Grade com direções de fluxo

• Selecione Terrain Processing / Flow Direction. Essa função computa os valores

de direção de fluxo para uma dada grade de dados (um MNT). Os valores nas células de direção de fluxo indicam as direções do caminho mais íngreme ao redor daquela célula.

Figura 54 - Acessando a função Flow Direction

• Confirme que o arquivo de entrada é o DEM Fil , gerado no processo anterior. O Flow Direction Grid é nomeada Fdr . Esse nome pode ser trocado. Clique em OK .

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Figura 55 - Flow Direction

• Uma grade com as direções de fluxo nomeada Fdr é adicionada ao mapa após o fim do

processo (aproximadamente 5 minutos para completar).

Figura 56 - Resultado da operação Flow Direction

4.2.4 Área Acumulada

A função Flow Accumulation computa a área acumulada em uma grade que

contém o número de células que drenam, para cada célula de uma grade de entrada.

• Selecione Terrain Preprocessing / Flow Accumulation.

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Figura 57 - Acessando a função Flow Accumulation

• Confirme que a entada Flow Directon Grid é o layer gerado no último processo (Fdr ).

A saída é o Flow Accumulation Grid, que o nome padrão é Fac. Clique em OK .

Figura 58 - Flow Accumulation

• Ao final da operação (que demora cerca de 20 minutos para ser completada) um layer

com a área acumulada é adicionado ao mapa com o nome de Fac.

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Figura 59 - Resultado da operação Flow Accumulation

4.2.5 Definição da Rede de Drenagem Raster

A função Stream Definition computa uma grade de drenagem que contém um

valor de “1” para todas as células do layer de entrada de área acumulada que contenham um valor maior que um limiar especificado. Todas as demais células na grade contém o valor “no data”.

• Selecione Terrain Preprocessing / Stream Definition.

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Figura 60 - Acessando a função Flow Accumulation

• Confirme que a entrada Flow Accumulation Grid é o layer de área acumulada Fac. A saída é o Stream Grid tendo como nome padrão Str, que pode ser substiruído. Clique em OK .

Figura 61 – Stream Definition

Um valor padrão é mostrado para o limiar do rio. Esse valor representa 1% da

área acumulada máxima: é o valor recomendado para o limiar da determinação da drenagem. Contudo, qualquer outro valor de limiar pode ser selecionado. Um valor menor de limiar irá resultar em uma rede de drenagem mais densa.

Para este exemplo vamos utilizar 224,618 células como limiar, o que corresponde

a aproximadamente 0,5% da área acumulada máxima, para obtermos uma drenagem um pouco mais densa. Isso influirá diretamente no número de bacias que será dividida a área mais adiante, e conseqüentemente, no número de minibacias que serão utilizads no MGB.

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Figura 62 – Determinando o número de celular utilizado como limiar

• Clique OK . Depois de o processo terminar (aproximadamente 2 minutos)

uma grade com as drenagens nomeada Str é adicionada ao mapa.

4.2.6 Definição do Exutório da Bacia

A função Batch Point Generation ( ) permite que o usuário defina um ponto na drenagem que será o exutório da bacia desejada.

• Com o zoom, aproxime até o exutório da bacia desejada (No exemplo,

vamos aproximar até o exutório do rio Juruena).

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Figura 63- Escolhendo o exutório da bacia

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Figura 64- Aproximando do exutório da bacia

• Quando estiver próximo o suficiente, de modo que consiga visualizar os

pixeis que compõem o exutório, clique no botão função ( ). O ponteiro do mouse virará uma “cruz”. Clique com a cruz no pixel correspondente ai exutório.

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Figura 65- Bactch Point Marcado

• Uma janela irá aparecer, nela o nome do ponto escolhido como Batch

Point deve ser colocado (No exemplo, Exutório).

Figura 66- Nomeando o Batch Point

• Defina o nome e uma descrição para o ponto.

Exutório

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Figura 67- Definindo o Batch Point

• Ao fim do processo, um layer contendo o ponto é adicionado ao ArcMap.

4.2.7 Delimitando a Bacia

A função Bacth Subwatershed Delineation delimita a bacia hidrográfica de um rio

a partir de um Bacth Point.

• No ArcHydro vá em Watershed Processing / Bacth Subwatershed Delineation.

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Figura 68- Acessando Batch Subwatershed Delineation

• Verifique se os arquivos de entrada estão conforme a figura a seguir.

Lembrando que o Batch Point é o exutório da bacia e Subwatershed é o nome da bacia que será gerado. Subwatershed Point é um layer que será gerado equivalente ao exutório. Você pode alterar os nomes dos layers que serão gerados (Vamos mantê-lo no exemplo).

Figura 69- Função Batch Subwatershed Delineation

• Clique em OK . Quando a função terminar de executar um layer com a

bacia denominado Subwatershed e outro com o exutório denominado Subwatershed Point serão adicionados ao ArcMap (Tempo de execução médio: 20 minutos).

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Figura 70- Resultado da Função Batch Subwatershed Delineation

4.2.8 Extraindo os dados para a bacia

Para trabalharmos com a bacia desejada vamos extrair todas as informações de

drenagem, área acumulada, direções de fluxo e relevo que estão em sua área Para tanto, vamos utilizar a função Extract By Mask que já foi utilizada na seção 3.2.

• Abra o ArcToolbox, vá em Spatial Analyst Tools / Extraction / Extract

by Mask. Em Input Raster coloque o MDE (MNT_Bacia no exemplo), em Output Extent carregue o polígono da bacia (Subwatershed) e no Output Raster salve o raster de saída na pasta de rasters com o nome que desejar (No exemplo, MNT_Juruena). Esse procedimento irá gerar um recorte do MDE igual ao buffer.

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Figura 71- Extraíndo os dados para a bacia delimitada

• Ao final do processo um MDE com o formato da bacia do rio Juruena deverá

ser adicionado ao seu Arc Map (tempo de execução: 30s)

• Repita o procedimendo de Extract By Mask mais quatro vezes, alterando o Input Raster em cada um respectivamente para: Fil , Fdr , Fac e Str. Altere também os nomes do Output raster (para o exemplo foram respectivamente nomeados: Fil_Juruena, Fdr_Juruena, Fac_Juruena e Str_Juruena).

• Ao final do processo você terá os MDE’s (com depressões preenchidas e

sem depressões preenchidas), direção de fluxo, área de drenagem e drenagem para a bacia do rio Juruena! (Ou para qualquer outro rio desejado).

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Figura 72- Aspecto do ArcMap após das operações de extração

4.2.9 Segmentação da Drenagem

A função Stream Segmentation cria segmentos de drenagem que contenham uma identificação única. Um segmento pode ser um segmento cabeceira ou pode ser definido como um segmento entre duas junções de outros segmentos. Todas as células em um segmento particular contêm um mesmo código de grade que é específico daquele segmento.

• Selecione Terrain Preprocessing / Stream Segmentation.

Figura 73 - Acessando Stream Segmentation

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• Confirme que Fdr_Juruena e Str_Juruena são as entradas para o Flow

Direction Grid e para o Stream Grid, respectivamente. A saída é o Link Grid com o nome padrão de Lnk que vamos substituir para Lnk_Juruena. Clique em OK .

Figura 74 - Stream Segmentation

• Ao fim do processo (aproximadamente 2 minutos), o layer Lnk_Juruena

é adicionado ao mapa.

4.2.10 Processamento da rede de drenagem

A função Drainage Line Processing converte o raster com a drenagem segmentada

(lnk) em um feature com a rede de drenagem. Cada linha no novo feature carrega consigo um identificador da sub-bacia em que reside.

• Selecione Terrain Preprocessing / Drainage Line Processing

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Figura 75 - Acessando a função Drainage Line Processing

• Confirme que a entrada Link Grid é o layer Lnk_Juruena e que a Flow

Direction Grid é o Fdr_Juruena. A saída Drainage Line tem por padrão o nome DrainageLine. Clique em OK.

Figura 76 - Drainage Line Processing

• Ao final do processo (aproximadamente 10 minutos), o vetor de linhas

denominado DrainageLine é adicionado ao mapa.

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Figura 77 - Resultado da operação Drainage Line Processing

4.2.11 Segmentação da drenagem vetorial

A função Stream Segmentation from Drainage Line cria uma rede de drenagem segmentada a partir da rede vetorial com uma identificação única para cada trecho, assim como a função Stream Segmentation.

• Vá em Terrain Preprocessing / Stream Segmentation from Drainage Line.

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Figura 78- Acessando a função Stream Segmentation from Drainage Line

• Em Hydro DEM coloque o MDE com as depressões preenchidas retirado

da bacia (Fil_Juruena). Em Drainage Line carregue a drenagem vetorial. Os layers que serão criados são HydroRiverPoints e Stream Link Grid. Em HydroRiverPoints vamos manter o nome padrão HydroRiverPoints. Em Stream Link Grid vamos colocar StrLnk .

Figura 79- Stream Segmentation from Drainage Line

• Ao final do processo o layer raster com a drenagem segmentada StrLnk e

o layer vetorial de pontos HydroRiverPoints são adicionados ao ArcMap (tempo de execução: 15 minutos).

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Figura 80- Resultado da operação Stream Segmentation from Drainage Line

4.2.12 Delimitação das Minibacias Raster

A função Catchment Grid Delineation cria uma grade que contém um código para cada célula indicando a qual área de captação essa célula pertence. O valor corresponde ao valor carregado pelo segmento de drenagem que drena para aquela área, definida pelos segmentos de drenagem gerados no item anterior.

• Selecione Terrain Preprocessing / Catchment Grid Delineation

Figura 81 - Acessando Catchment Grid Delineation

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• Confirme que a entrada para Flow Direction Grid e para o Link Grid são o Fdr_Juruena e o StrLnk , respectivamente. A saída é o layer Catchment Grid com o nome padrão de Cat, que vamos substituir por Cat_Juruena. Clique em OK .

Figura 82 - Catchment Grid Delineation

• Ao final do processo (aproximadamente 10 minutos), a grade com as

captações Cat_Juruena, é adicionado ao mapa.

Figura 83 - Resultado da operação Catchment Grid Delineation

Com o layer de Minibacias (cat_Juruena) todos os arquivos de entrada do

Prepro MGB gerados a partir do ArcHydro estão prontos! São eles: fil_Juruena, fdr_Juruena, cat_Juruena e str_Juruena.

A seguir é apresentado um fluxograma dos processos realizados.

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Fluxograma 1 – Processos realizados

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5. Ferramentas úteis em Hidrologia 5.1 Introdução

Existem diversas ferramentas úteis para estudos hidrológicos no ArcGIS, como cálculo da área da bacia, do comprimento do rio ou o traçado do perfil topográfico do terreno. Vamos, neste capítulo, aprender como utilizar essas ferramentas.

5.2 Projetando um layer

Para diversos fins, como o cálculo de áreas ou comprimentos é necessário que o

layer esteja em coordenadas projetadas.

• Abra o ArcMap e então abra o ArcToolBox. • No ArcToolbox, vá em Data Management Tool / Projections and

Transformations / Features / Project

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Figura 84- Localizando Ferrament Project Feature

• Em Input Dataset or Feature Class selecione o layer desejado. Ele deve ser vetorial. No exemplo vamos utilizar o layer com a bacia que foi gerado na seção 4.2.7 denominado Subwatershed.

• Em Output Dataset or Feature Class selecione o diretório e o nome do layer projetado gerado (no exemplo Subwatershed_Project).

• Em Output Coordinate System selecione o sistema de coordenadas em que o layer será projetado (no exemplo WGS_1984_UTM_Zone_21S). Clique em OK.

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Figura 85- Ferramenta Project para Features

• Quando o processo terminar (aproximadamente 30 segundos) um layer em

coordenadas projetadas será adicionado ao seu arcmap.

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Figura 86- Resultado do Project para Features

5.3 Cálculo da área da bacia

Vamos calcular a área da bacia através do layer com a delimitação da bacia

hidrográfica que foi gerado na seção 4.2.7 denominado Subwatershed. Como o layer está em coordenadas geográficas é necessário primeiro projetá-lo.

• Faça a projeção do layer conforme os passos da seção anterior (5.2) • Na sua Table of Contentes clique com o botão direito sobre o layer projetado e

depois clique em Open Attribute Table.

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Figura 87- Abrindo a tabela de atributos de um layer

• Observe a coluna denominada Shape_Área. Seu valor corresponde à área do layer

em m² ! • A coluna Shape_Lenght corresponde ao perímetro da bacia em m.

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Figura 88- Área e perímetro do layer na tabela de atributos.

5.4 Cálculo do comprimento da drenagem

Assim como é necessário projetar o layer da bacia para calcular sua área e seu

perímetro, é necessário projetar o layer da drenagem para calcularseu comprimento.

• Faça a projeção do layer da drenagem conforme os passos da seção 5.2 • Abra a tabela de atributos do layer, a coluna Shape_Length corresponde aos

comprimentos de cada segmento da drenagem em metros.

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Figura 89- Comprimentos da drenagem na tabela de atributos

• Se você clicar sobre o cabeçalho da coluna e depois em

mais algumas informações são mostradas.

Figura 90- Estatisticas do Comprimento da drenagem

• Dentre as estatísticas mostradas Sum é a soma de todos os comprimentos dos

trechos, Count é o número de segmentos da drenagem, Maximum é o

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comprimento do maior segmento e Minimum é o comprimento do menos segmento.

5.5 Perfil topográfico do terreno a partir do MDE

• Habilite a ferramenta 3D Analyst.

Figura 91- Habilitando o 3D Analyst

Figura 92- Barra de ferramentas do 3D Analyst

• Na Barra de ferramentas do 3D Analyst clique em Interpolate Line ( ). • Seu cursor virará uma cruz e você poderá desenhas linhas no ArcMap. Desenhe a

linha que você deseja saber o perfil. Para terminar de um duplo clique no botão esquerdo do mouse.

• Clique em Create Profile Graph ( ). • Um gráfico com o perfil do terreno correspondente a linha desenhada será

mostrado.

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Figura 93- Perfil Topográfico do Terreno

• Você pode modificar o gráfico do perfil dando um duplo clique sobre o gráfico.

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Figura 94- Propriedades do gráfico do Perfil Topográfico do Terreno

• Você pode ainda exportar seus dados ou a figura clicando com o botão direito do

mouse sobre o perfil topográfico e depois em Export...

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Figura 95- Exportando dados do Perfil Topográfico do Terreno

5.6 Georreferenciando uma imagem

Algumas imagens quando trazidas para dentro do ArcMap não têm suas coordenadas conhecidas num dado sistema de referência. Para georreferenciar uma imagem é necessário serem conhecidos pontos de controle. Os pontos de controle são locais que oferecem uma feição física perfeitamente identificável, tais como intersecções de estradas e de rios, prédios, topos de montanha, entre outros. A obtenção das coordenadas dos pontos de controle pode ser realizada em campo (com um GPS), ou ainda por meio de mesas digitalizadoras, ou outras imagens ou mapas (em papel ou digitais) georreferenciados.

• Assim como fizemos no capítulo 2.3, defina a referência espacial da imagem que

será georreferenciada. • Carregue a imagem que você deseja georreferenciar no ArcMap. No exemplo

vamos utilizar uma imagem que contém a litologia da América do Sul.

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Figura 96 – Imagem sem georreferenciamento carregado no ArcMap

• Habilite a ferramenta Georreferencing no ArcMap.

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Figura 97- Habilitando a ferramenta Georeferencing

• Certifique-se que na opção layer está a imagem que será georreferenciada.

Figura 98- Ferramenta Georeferencing

• Clique em Add Control Points ( ). Depois, clique em um ponto de controle na imagem que você deseja georreferenciar. Note que o ponto ficará marcado e um segmento de reta estará ligando ele ao ponteiro do seu mouse.

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Figura 99- Adicionando pontos de controle

• Se você estiver utilizando outro mapa com os pontos de controle, já clique no ponto

correspondente ao que você selecionou. Se não, clique em um lugar qualquer.

• Se você clicou em um ponto qualquer clique em View Link Table ( ).

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Figura 100- Link Table

• Note que as colunas X Source e Y Source correspondem aos pontos de controle que

você marcou na imagem que está sendo georreferenciada. • X Map e Y Map são as coordenadas a que esses pontos devem corresponder. Altere

X Map e Y Map para os valores corretos. Clique em OK . • Quando todos os pontos estiverem marcados e devidamente georreferenciados

clique na opção Update Georreferencing.

Figura 101- Update Georreferencing

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• Sua imagem está georreferenciada! Você pode salvar os pontos na opção Save... na Link Table.

5.7 Digitalizando uma imagem

Quando algum mapa não está em formato digital é necessário que ele seja digitalizado para que sua informação possa ser utilizada.

• Antes de digitalizar uma imagem, é necessário criar o shapefile aonde a

digitalização será gerada. Para isso abra o ArcCatalog. • Escolha um diretório aonde o novo shapefile será salvo e clique com o botão direito

do mouse sobre ele. Vá em New / Shapefile...

Figura 102 – Criando um novo Shapefile

• Uma tela para criação de um novo shapefile irá aparecer. Em Name coloque o nome

do shapefile que será gerado. Em Feature Type coloque o tipo de dado que será digitalizado nele (Pontos, Linhas, Polígonos... Ex.: Se a pretensão é digitalizar curvas de nível, o shapefile deve ser de linhas). No exemplo vamos usar polígonos. Defina a referência espacial e clique em OK .

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Figura 103- Especificações do novo Shapefile

• Feche o ArcCatalog e carregue o shapefile gerado em seu projeto. Carregue também

a imagem que deve ser digitalizada (no exemplo vamos usar um mapa da litologia da América do Sul).

• Habilite as ferramentas de edição do ArcGIS () • Na barra de ferramentas do editor vá em Editor / Start Editing.

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Figura 104- Barra de ferramentas de edição do ArcGIS

• Clique no Sketch Tool ( ) para começar a digitalizar a imagem em seu shapefile. A tecla F2 indica que você finalizou polígono ou a linha que está sendo desenhada.

• Certifique-se que o seu Target é o shapefile que você pretende digitalizar em cima.

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Figura 105- Digitalizando polígonos

• Na opção Task é possível modificar algumas funcionalidades da edição, como fazer

o preenchimento automático de polígonos. • Quando a edição for finalizada vá em Editor/Save Edits para salvar as edições

feitas. Também, para fazer modificações na Attribute Table de um layer é necessário que a opção Start Editing esteja ligada.