Tutorial QGIS sobre Análise Fisiográfica

ANÁLISE FISIOGRÁFICArelevo - hipsometria - declive - exposição de encostas

TUTORIAL QGISpreparado por Nuno de Santos Loureiro

DCTMA - FCT - Universidade do [email protected]

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DOI: 10.13140/RG.2.1.2039.8168

SUMÁRIOO presente TUTORIAL QGIS apresenta um conjunto alargado de procedimentos para análise fisiográfica. São levadas a cabo duas abordagens distintas:

● escala média - a região do Algarve será utilizada como case study● escala semi-detalhada - o concelho de Lagoa será utilizado como case study

Na análise fisiográfica à escala média utilizar-se-ão três modelos digitais do terreno (MDT) que estão disponíveis na Internet (ASTER GDEM, EU-DEM e SRTM). O case study aqui apresentado pode, por isso, ser replicado com muita facilidade, quer para outras regiões de Portugal, quer para outros países.

Para este case study foi, adicionalmente, feita uma avaliação da qualidade dos MDT através da comparação com a Carta Militar de Portugal à escala 1:25.000, com o intuito de escolher um dos três modelos e, depois, utilizar o melhor para uma caracterização da hipsometria, dos declives e da exposição de encostas na região.

Na análise fisiográfica à escala semi-detalhada os modelos digitais do terreno são construídos a partir de cartografia topográfica digital, recorrendo a um procedimento de triangulação (TIN) ea uma interpolação. É, consequentemente, mais difícil replicar o case study aqui apresentado porque é indispensável ter acesso a essa fonte de informação, o que nem sempre é simples ou possível.

É igualmente feita uma análise comparativa entre o DTM obtido a partir de cartografia topográfica digital, o DTM obtido por detecção remota e a Carta Militar de Portugal.

DEM - análise fisiográfica Nuno de Santos Loureiro


1. DEM por detecção remota

DEM - Digital Elevation ModelO DEM (Digital Elevation Model), que também pode ser designado de DTM (Digital Terrain Model), é o elemento fundamental da representação digital do relevo nos SIG (Sistemas de Informação Geográfica). Em português, o termo mais utilizado é MDT (Modelo Digital do Terreno).

No seu formato mais simples o DEM é constituído por uma tabela de pontos com coordenadas X e Y, e com a altitude (X, Y, Z). Os pontos podem ter uma distribuição regular ou irregular ao longo do território.

Em formatos mais elaborados o DEM é constituído por:● rede contínua de quadrículas, em que todos os quadrados têm a mesma dimensão - DEM em

formato RASTER● rede triangular contínua, em que os triângulos não têm sempre os mesmos formatos e

dimensões, constituindo um TIN (triangular irregular network) - DEM em formato VECTOR

Nos DEM RASTER cada quadrícula representa um único valor de altitude (Z).A dimensão dos lados da quadrícula é a resolução do modelo digital do terreno.

Nos DEM VECTOR cada vértice de um triângulo tem um valor de altitude (Z), que pode ser igual ou diferente da altitude dos dois outros vértices do mesmo triângulo.

Em geral, os DEM são obtidos a partir de detecção remota (remote sensing), quer com base em análise e interpretação de imagens de satélite, quer de fotografias aéreas, estereoscópicas. O SPOT (Satellite pour l’Observation de la Terre) 5, o SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) e o ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) são três exemplos de soluções tecnológicas que permitiram, por detecção remota, criar modelos digitais do terreno com padrões de qualidade muito consideráveis.

Outras formas alternativas para a obtenção de um DEM são, por exemplo, a:● interpolação a partir de cartografia topográfica digital, ou seja, a partir de curvas de nível e

de pontos cotados● interpolação a partir de levantamentos de campo levados a cabo com teodolitos ou com

equipamentos GPS de elevada precisão


ASTER GDEM (ASTER Global Digital Elevation Model ver.2)


http://gdem.ersdac.jspacesystem

s.or.jp/index.jsp

http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/index.jsp




CARACTERÍSTICAS PRINCIPAISdo DEM disponível a partir do ASTER GDEM ver.2

A informação do ASTER GDEM ver.2 está estruturada em tiles, figuras geométricas quadrangulares estabelecidas segundo o desenho dos paralelos e meridianos(coordenadas geográficas).

Cada tile corresponde a 1º de longitude por 1º de latitude, e está subdividida em3601 x 3601 pixels, ou seja, a 1” de longitude por 1” de latitude.No Equador o pixel é, aproximadamente, de 30 metros (long) por 30 metros (lat).À medida em que de avança na direcção dos polos, a correspondência métrica de 1”de longitude vai-se alterando e corresponde a uma distância cada vez menor.

A informação é fornecida em GeoTIFFs, tile a tile, e é georreferenciada em WGS84.Para além do ficheiro base, com o DEM é fornecido um ficheiro com uma análise dequalidade (QA - quality assessment).

A altimetria é expressa em metros, tendo como nível médio da água do mar o geóide WGS84/EGM96. No GeoTIFF 0 corresponde a altitude 0 metros e -9999 à ausência de informação.A margem de erro da altitude é inferior a 17 m, com um grau de confiança de 95%.

Quando é apresentada informação baseada no ASTER GDEM é necessário mencionar:ASTER GDEM ver.2 is a product of METI and NASA

ASTER GDEM ver.3Está em preparação uma nova versão do ASTER GDEM.O lançamento esteve inicialmente previsto para 2015...

ASTER GDEM ver.2Quick Guide

ASTER GDEM ver.2Validation Report

http://www.jspacesystems.or.jp/ersdac/GDEM/ver2Validation/GDEM_QuickGuide2.pdf

http://www.jspacesystems.or.jp/ersdac/GDEM/ver2Validation/GDEM_QuickGuide2.pdf

http://www.jspacesystems.or.jp/ersdac/GDEM/ver2Validation/Summary_GDEM2_validation_report_final.pdf

http://www.jspacesystems.or.jp/ersdac/GDEM/ver2Validation/Summary_GDEM2_validation_report_final.pdf



OBTENÇÃOdo DEM disponível a partir do ASTER GDEM ver.2

O acesso ao DEM do ASTER GDEM é livre e gratuito, e apenas implica o registo individualde utilizador (USER) no próprio website. As instruções podem ser consultadas AQUI...

A sequência de passos para o download das três tiles que correspondem ao Algarve:

● ASTGTM2_N37W009 N37 - N38 W009 - W008● ASTGTM2_N37W008 N37 - N38 W008 - W007● ASTGTM2_N36W008 N36 - N37 W008 - W007

http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/feature.jsp


ALGARVE : modelo digital do terreno (com base no ASTER GDEM ver.2)

As três tiles DEM que correspondem ao Algarve logo após ‘abertas’ no QGIS:

● ASTGTM2_N37W009 N37 - N38 W009 - W008● ASTGTM2_N37W008 N37 - N38 W008 - W007● ASTGTM2_N36W008 N36 - N37 W008 - W007



Os procedimentos iniciais, depois de ter as três tiles no ambiente de trabalho do QGIS, são a sua junção, o recorte para o ajustamento ao limite da região do Algarve e, eventualmente, a transformação para outro EPSG.

A junção das três tiles numa única é feita através do seguinte procedimento:

Raster >>> Miscellaneous >>> Merge...

Parametrização da funcionalidade Merge, para a criação de um novo GeoTIFF.

O recorte para o ajustamento ao limite da região do Algarve é feito através do seguinte procedimento:

Raster >>> Extraction >>> Clipper...

Para esta operação é também necessária uma shapefile com uma única ocorrência (polígono) contendo o limite administrativo do distrito de Faro. Esta shapefile pode ser obtida a partir da CAOP...



Parametrização da funcionalidade Clipper, para a criação de um novo GeoTIFF.

A transformação para outro EPSG é feita através de um simples Save as...

O modelo digital do terreno do Algarve, com base noASTER GDEM ver.2. Em cima em WGS84 (EPSG: 4326)

e em baixo em ETRS89 / Portugal TM06 (EPSG: 3763).



Os procedimentos finais são a reclassificação do DEM para criar classes hipsométricas e a atribuição de uma paleta de cores na legenda para que, de forma gráfica e intuitiva, se transmita uma boa percepção do relevo do Algarve.

Porque o cume da Fóia, com 902 metros, é o ponto mais alto do Algarve, optou-se por se estabelecerem 10 classes hipsométricas; as nove primeiras com intervalos de 100 metros e a última correspondendo a altitudes superiores a 800 metros.

A reclassificação do DEM implica o recurso ao GRASS. Para aceder ao GRASS, no ambiente QGIS, utiliza-se a funcionalidade Processing >>> Toolbox.

O Processing Toolbox tem de estar em Advanced interface para que o GRASS esteja acessível...

No GRASS commands é necessário escolher Raster (r.*) e depois r.reclass...

Em paralelo, num editor de *.txt ou de *.html é necessário criar um ficheiro com as classes hipsométricas.

O ficheiro *.txt com as 10 classes hipsométricas (reclass rules).

Parametrização da funcionalidade r.reclass, para a criação de um DEM do Algarve com as classes hipsométricas.

DEM do Algarvereclassificado emclasses hipsomé-tricas de 100 m...



A atribuição da paleta de cores da legenda, para que se apresente e comunique de forma intuitiva e através de classes hipso- métricas o RELEVO DO ALGARVE tem, por um lado, uma vertente de boa linguagem cartográfica e, por outro, a utilização de funcionalidades próprias do QGIS...

LEGENDA

Uma sequência harmoniosa de cores, entre o amarelo, o laranja e o castanho averme- lhado, é uma das várias possibilidades.

No QGIS, recorre-se a Layer Properties >>> Styles e é bastante recomendável criar e guardar um ficheiro com o Style (*.qml).

EU-DEM (Digital Elevation Model over Europe)


OBTENÇÃOdo DEM disponível a partir do EU-DEM

O acesso ao DEM do EU-DEM (European Environment Agency) é livre e gratuito.Para a região do Algarve é necessário descarregar em Original data o ficheiro eudem_dem_5deg_n35w010.tif AQUI...

ALGARVE(limite administrativo do distrito)sobre o EU-DEM(ficheiro eudem_dem_5deg_n35w010.tif)

EPSG: 4258

O EU-DEM é um output do Programa Copernicus, uma iniciativa da DG Enterprise and Industry, European Commission. Quando é apresentada informação baseada no EU-DEM é necessário mencionar:Produced using Copernicus data and information funded by the European Union - EU-DEM layers

O EU-DEM foi obtido a partir de detecção remota, por análise e interpretação de imagens provenientes do SRTM e do ASTER.

É fornecido em GeoTIFFs, em tiles de 5º de longitude por 5º de latitude, georreferenciados em ETRS89 (EPSG: 4258) e com uma resolução de aproximadamente 30 metros. A altimetria é expressa em metros e tem como nível 0 o geóide EGG08.

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/eu-dem#tab-original-data

ALGARVE : modelo digital do terreno (com base no EU-DEM)


LEGENDA

O modelo digital do terreno (DEM ou MDT) do ALGARVE, com base no EU-DEM.

Foram executadas as operações de Clipper, r.reclass e foi usado o mesmo Style que foi utilizado no DEM já apresentado (e baseado no ASTER GDEM ver.2).

Para facilitar uma primeira comparação entre os dois mapas, o EPSG foi transfor- mado de 4258 para 3763.

As diferenças, que na realidade existem, são aparentemente diminutas e dificilmente perceptíveis numa comparação a olho nú...


Avaliação da qualidade dos ASTER GDEM ver.2 e EU-DEMCom o intuito de avaliar a qualidade dos dois DEM disponíveis na Internet, o ASTER GDEM ver.2 e o EU-DEM, comparando-os com a Carta Militar de Portugal à escala 1:25.000 (3.ª ed.), executou-se o seguinte exercício:

● geração de 250 pontos aleatórios

● identificação da altitude em cada um dos 250 pontos, na CMP, no ASTER GDEM ver.2 e no EU-DEM

● análise estatística● conclusões

A geração dos pontos aleatórios foi feita utilizando a funcionalidade Vector >>> Research Tools >>> Random Points...

Utilizou-se a Layer com o limite administrativo do Algarve (EPSG: 3763) para que todos os pontos ficassem localizados no interior do Algarve e que a shapefile com os pontos aleatórios ficasse nesse EPSG.

a vermelho os 250 pontos aleatórios (Random Points)


Avaliação da qualidade dos ASTER GDEM ver.2 e EU-DEMA identificação da altitude em cada um dos 250 pontos aleatórios do ASTER GDEM ver.2 e do EU-DEM foi conseguida recorrendo ao plugin Point Sampling Tool.

A shapefile com os pontos aleatórios foi sucessivamente transformada para os EPSG originais do ASTER GDEM ver.2 e do EU-DEM e as identificações automáticas das altitudes foram feitas recorrendo aos rasters originais, antes das respectivas reclassificações.

Na Carta Militar de Portugal a identi- ficação foi levada a cabo consultando cada um dos pontos e preenchendo manualmente a tabela de atributos.

excerto da CMP Folha n.º 575, com três pontos aleatórios


Avaliação da qualidade dos ASTER GDEM ver.2 e EU-DEMA análise estatística foi feita com base em duas diferenças:

● altitude na CMP - altitude no ASTER GDEM ver.2

● altitude na CMP - altitude no EU-DEM

Essas diferenças foram calculadas no QGIS recorrendo às funcionalidades do Field calculator da Attribute table.

Depois a shapefile foi exportada (Save vector layer as...) para *.CSV (Comma Separated Values Format) e a análise estatística levada a cabo numa folha de cálculo.

As principais conclusões estão na tabela ao lado...

Em média, o ASTER GDEM ver.2 estima a altitude 0.81 metros abaixo do valor da Carta Militar de Portugal (CMP). Em oposição, o EU-DEM estima a altitude 0.47 metros acima.Em valores absolutos, a estimação do EU-DEM parece ser melhor porque a diferença é inferior!

No desvio padrão da amostra, o ASTER GDEM ver.2 apresenta 7.20 metros, enquanto que o EU-DEM apresenta 6.78 metros.Assim, a estimação do EU-DEM parece ser melhor porque o valor da estatística é inferior!

Em 204 dos 250 pontos, no ASTER GDEM ver.2, a diferença entre a altitude estimada e a medida na CMP é inferior a 10 metros; nos restantes 46 pontos é igual ou superior. No EU-DEM esses números são, respectivamente, 214 e 36 pontos.Em valores absolutos, a estimação do EU-DEM parece ser melhor porque há menos pontos com uma “grande” diferença de estimação!

A análise de quartis evidencia que os pontos que estão nos 50% médios da estimação apresentam uma amplitude de 8.0 metros no ASTER GDEM ver.2 e 5.9 metros no EU-DEM.Consequentemente, a estimação do EU-DEM parece ser, uma vez mais, melhor... (CONT.)


Avaliação da qualidade dos ASTER GDEM ver.2 e EU-DEM(CONT.)

No entanto, a análise de quartis também evidencia que os pontos que estão nos 50% extremos da estimação (25% inferiores + 25% superiores) apresentam amplitudes de 17.00 e 15.00 metros no ASTER GDEM ver.2, e de 18.84 e 18.44 metros no EU-DEM.Assim sendo e de acordo com diversas estatísticas observadas, a estimação do EU-DEM parece ser, em termos gerais, melhor do que a estimação do ASTER GDEM ver.2. Mas quando essa estimação é menos bem sucedida, a diferença do EU-DEM em relação à CMP é maior do que a diferença do ASTER GDEM ver.2 em relação à CMP...

Por último, representaram-se cartograficamente os 250 pontos aleatórios, distinguindo aqueles em que o valor absoluto da diferença entre a CMP e o DEM é inferior a 10 metros e aqueles em que é igual ou superior.A tarefa foi precedida de uma operação no Field

calculator da Attribute table, para a criação de uma nova coluna (uma para cada DEM). A Expression, no caso do ASTER GDEM ver.2, usada foi a seguinte:if( abs( “CMP-ASTER” ) >= 10, ‘B’, ‘A’ ), em queCMP-ASTER é a coluna onde foram calculadas as dife- renças de altimetria entre a CMP e o ASTER GDEM...

SRTM


OBTENÇÃOdo DEM disponível a partir de www.fc.up.pt/pessoas/jagoncal/srtm/

O acesso ao DEM do SRTM é livre e gratuito.

Para a região do Algarve é possível descarregar a informação original AQUI, no EarthExplorer do USGS, e consultar todos os detalhes relativos ao DEM do SRTM, que teve recentemente (2014-2015) um importante upgrade, AQUI.

Para Portugal continental a tarefa foi já muito facilitada pelo Prof. José Alberto Gonçalves, da Universidade do Porto, que preparou um GeoTIFF em ETRS89 / PT- EPSG: 3763, com resolução planimétrica (X,Y) de aproximadamente 25 metros.

LEGENDA

http://www.fc.up.pt/pessoas/jagoncal/srtm/

http://earthexplorer.usgs.gov/

http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/


Avaliação da qualidade do SRTM (GeoTIFF preparado pelo Prof. José A. Gonçalves)

A análise estatística foi feita seguindo a mesma metodo- logia adoptada para o ASTER GDEM ver.2 e para o EU-DEM.

As principais conclusões estão na tabela seguinte...

Em média, o SRTM estima a altitude 0.90 metros acima do valor da Carta Militar de Portugal (CMP).Para o ASTER GDEM ver.2 o valor é 0.81 metros abaixo e para o EU-DEM é 0.47 metros acima.Em valores absolutos, a estimação do EU-DEM parece ser melhor porque é a diferença menor.

É também necessário ter sempre presente que qualquer um dos DEM baseados em informação proveniente de detecção remota é, na verdade, um MDS (modelo digital da superfície) e não um verdadeiro MDT (modelo digital do terreno).Construções (casas, prédios, etc.) e vegetação densa condicionam significativamente a análise e interpretação das imagens de satélite e estimam uma altitude superior à existente ao nível do solo.

No desvio padrão da amostra, o SRTM apresenta 4.19 metros. Para o ASTER GDEM o valor é de 7.20 metros, enquanto que para o EU-DEM é de 6.78 metros.Assim, a estimação do SRTM parece ser melhor porque o valor da estatística é inferior!

Em 241 dos 250 pontos, no SRTM, a diferença entre a altitude estimada e a medida na CMP, é inferior a 10 metros; nos restantes 9 pontos é igual ou superior.Para o ASTER GDEM os números são 204 e 46 pontos, enquanto que para o EU-DEM são 214 e 36 pontos.Em valores absolutos, a estimação do SRTM parece ser melhor porque há menos pontos com uma “grande” diferença de estimação!

A análise de quartis evidencia que os pontos que, no SRTM, estão nos 50% médios da estimação apresentam apenas 5.0 metros de amplitude.No ASTER GDEM esse valor é de 8.0 metros e de 5.9 metros no EU-DEM. (CONT.)


(CONT.)

A análise de quartis também evidencia que os pontos que estão nos 50% extremos da estimação (25% inferiores + 25% superiores) apresentam amplitudes de 12.00 e 10.00 metros no SRTM.No ASTER GDEM os valores são de 17.00 e 15.00 metros, e no EU-DEM de 18.84 e 18.44 metros.

Assim sendo e de acordo com diversas estatísticas observadas, a estimação da altitude, ou seja, o MDT para a região do Algarve através do SRTM parece ser, em termos gerais, melhor do que a estimação conseguida através do ASTER GDEM ver.2 ou do EU-DEM.O modelo pode ser considerado mais previsível e robusto, e consequentemente como menos outliers.

Acresce ao melhor desempenho na análise estatística o facto de que a resolução planimétrica do SRTM é de cerca de X = 25 metros e Y = 25 metros. No ASTER GDEM ver.2 e no EU-DEM é, em ambos, de cerca de X = 30 metros e Y = 25 metros.

É, por isso, o DEM que será utilizado para a concretização das próximas tarefas do presente TUTORIAL.

Avaliação da qualidade do SRTM (GeoTIFF preparado pelo Prof. José A. Gonçalves)


2. Análise Fisiográfica I


CARTA DE DECLIVES

A Carta de Declives pode ser realizada através de diversas funcionalidades do QGIS.

Neste TUTORIAL vai utilizar-se uma funcionalidade do GRASS Raster (r.*), o r.slope.

Parametrização do r.slope para obter o mapa ao lado...

O mapa que surge como primeiro output do r.slope deve, depois, ser reclassificado e apresentado recorrendo a uma paleta adequada de cores.

Para a reclassificação, conseguidaatravés do r.reclass do GRASS, épreviamente necessário estabeleceras classes de declives e criar umficheiro *.txt com as mesmas.

Escolheram-se cinco classes, indicadasno ficheiro slope.txt...


CARTA DE DECLIVES

Dois excertos da Carta de Declives na Serra de Monchique:

● na imagem da esquerda as linhas de talvegue são muito perceptíveis

● na imagem da direita com a rede hidrográfica (a amarelo)...


O mapa que surge como primeiro output do r.aspect deve, depois, ser reclassificado e apresentado recorrendo a uma paleta adequada de cores.

Para a reclassificação, uma vez maisconseguida através do r.reclass doGRASS, é previamente necessárioestabelecer categorias de exposição ecriar um ficheiro *.txt com as mesmas.

The aspect categories represent the numberdegrees of east and they increase counterclock-wise: 90deg is North, 180 is West, 270 is South,360 is East. The aspect value 0 is used to indicateundefined aspect in flat areas with slope=0.

CARTA DE EXPOSIÇÃO DE ENCOSTAS

A Carta de Exposição de Encostas também pode ser realizada com o auxílio de diversas funcionalidades do QGIS. Por exemplo, o r.aspect do GRASS Raster (r.*)...

parametrização do r.aspect para obter o mapa ao lado...


CARTA DE EXPOSIÇÃO DE ENCOSTAS

PALETA DE CORES RGB PARA A CARTA DE DECLIVES

NE R 000 G 171 B 068NORTE R 132 G 214 B 000NO R 244 G 250 B 000OESTE R 255 G 171 B 071SO R 255 G 085 B 104SUL R 202 G 000 B 156SE R 108 G 000 B 163ESTE R 000 G 104 B 192

Excerto da Carta de Exposição de Encostas na serra de Tavira, com a rede hidrográfica (a preto)...


3. DEM por interpolação


concelho de LAGOA : modelo digital do terreno (por interpolação)

O objectivo é, agora, produzir um DEM ou MDT para o concelho algarvio de Lagoa, tendo como fonte inicial de informação a cartografia topográfica digital (curvas de nível e pontos cotados) da Carta Militar de

Portugal à escala 1:25.000, 2.ª edição.

Lagoa está representada pelas Folhas n.º 594 (1979), n.º 595 (1979), n.º 603 (1978) e n.º 604 (1979).



O primeiro procedimento é a criação de um buffer envolvendo o concelho de Lagoa, para que o DEM seja inicial e provisoriamente feito para um território mais vasto e, então, não existam erros nos limites do concelho que resultem apenas de falta de informação.

O buffer é criado através da funcionalidadeVector >>> Geoprocessing Tools >>> Buffer(s)...e no exercício adoptou-se uma Buffer distance de 1.000 metros.

Seguidamente, para cada uma das quatro shapefiles de pontos cotados e das quatro shapefiles de curvas de nível, foi feito um clip com o buffer, para eliminar toda a informação de altimetria exterior ao mesmo e se limitar, consequentemente, a quantidade de informação a processar nos procedimentos seguintes!

buffer de 1.000 m limite administrativo do concelho de Lagoa

Exemplo do Clip para as curvas de nível da Folha n.º 604...

Vector >>> Geoprocessing Tools >>> Clip...

Para uma boa organização da informação, e também para facilitar o procedimento seguinte de junção das várias shapefiles, devem ser criadas duas pastas, uma para a informação vectorial em linhas e outra para a informação vectorial em pontos.



As quatro shapefiles de pontos cotados e as quatro shapefiles de curvas de nível, depois de todos os clips, estão representadas na figura ao lado...

O procedimento seguinte é a junção das quatro layers de pontos cotados numa só.

Para tal vai utilizar-se a funcionalidade Merge Layers do plugin MMQGIS.

Mas antes é necessário verificar que os campos com a altitude estão parametrizados da mesma forma em todas as quatro layers. Só assim a junção é correctamente efectuada. Caso não estejam a resolução é muito simples com o uso do Field calculator...

Consulta aos campos (Fields) na Tabela de Atributos, para verificar como estão parametrizados.



O procedimento de junção das quatro layers de curvas de nível numa só é executado com a mesma funcionalidade (Merge Layers do plugin MMQGIS) e depois de se verificar que os campos com a altitude estão parametrizados da mesma forma nas quatro layers...

O Topology Checker permite verificar a inexistência de erros, quer de informação duplicada (must not have duplicates), quer de geometrias inválidas (must not have invalid geometries).

A inexistência de erros topológicos é indispensável para que não ocorram problemas nos procedimentos seguintes...

TOPOLOGY CHECKER Validade All



O terceiro procedimento, que é efectuado apenas para a layer das curvas de nível, é a extracção dos nós, ou seja, a transformação da shapefile de linhas numa shapefile de pontos, em que esses pontos são os nós que permitiram desenhar vectorialmente as próprias linhas...

A tarefa é executada com a funcionalidade Vector >>> Extract Nodes... do QGIS.

Na imagem acima já são visíveis osnós extraídos das curvas de nível

(pontos a verde), bem como as próprias curvas de nível (linhas a verde) e os

pontos cotados (pontos a azul)...



O Topology Checker deve ser novamente utilizado para testar a inexistência de erros, nomeadamente informação duplicada (must not have duplicates), na shapefile resultante do Extract nodes.

Se existirem erros o problema resolve-se com a utilização da funcionalidade Delete Duplicate Geometries do plugin MMQGIS.

A execução do procedimento pode ser demorada, mas no final deverá ficar criada uma nova shapefile que não apresentará quaisquer erros quando for analisada com o Topology Checker.

Esta nova shape deve ser objecto de junção (MMQGIS Merge Layers) com a shape dos pontos cotados. A shapefile resultante é, assim, a nova layer fundamental de trabalho.

Nela está reunida toda a informação disponível sobre a altimetria do concelho de Lagoa, e que foi sendo preparada para integrar uma única shapefile com 57.474 pontos...

os pontos vermelhos são os erros



No quarto procedimento, a INTERPOLAÇÃO, executam-se em simultâneo duas tarefas:

1. converter a informação de pontos (formato vectorial) para quadrí- culas (formato raster);

2. atribuir a cada quadrí- cula um valor de altitude, ou seja, está-se a gerar um DEM RASTER.

O Interpolation tem uma janela de Input e outra de Output. A de Input permite seleccionar a Vector layere o Interpolation attribute...

A de Output permite seleccionar o Interpolation method, a Cellsize X e Y (ou em alternativa o Number of columns e rows) e o Output file... Depois de seleccionado o

Interpolation method é ainda possível detalhar a sua parametrização e criar

uma shapefile adicional com o desenho do próprio network de

triângulos...

O DEM RASTER teráuma resolução de 5 metros(a dimensão dos lados da quadrícula).

O método de interpolação TIN - TRIANGULATED IRREGULAR NETWORK

The TIN model represents a surface as a set of contiguous, non-overlapping triangles. Within each triangle the surface is represented by a plane. The triangles are made from a set of points called mass points.Mass points can occur at any location, the more carefully selected, the more accurate the model of the surface. Well-placed mass points occur where there is a major change in the shape of the surface, for example, at the peak of a mountain, the floor of a valley, or at the edge (top and bottom) of cliffs.

The Delaunay TriangulationDelaunay triangulation is a proximal method that satisfies therequirement that a circle drawn through the three nodes of atriangle will contain no other node.Delaunay triangulation has several advantages over othertriangulation methods:

● The triangles are as equi-angular as possible, thusreducing potential numerical precision problemscreated by long skinny triangles;

● Ensures that any point on the surface is as close aspossible to a node;

● The triangulation is independent of the order the pointsare processed.

TINs from contoursContours are a common source of digital elevation data. In general all the vertices of the contour lines are used as mass points for triangulation. In many cases this will cause the presence of flat triangles in the surface.Flat triangles are created whenever a triangle is formed from three nodes with the same elevation value.Flat triangles are frequently generated along contours when the sample points occur along the contour at a distance that is less than the distance between contours. When these "excess" vertices are not removed, the Delaunay triangulation discovers that the closest sample points are those along the same contour, causing the generation of flat triangles.The flat triangles have a slope of 0 and do not have defined aspect. They might cause problems when the surface is used for modeling.



How can we avoid the flat triangles?● by adding more mass points● generalizing the contours● by adding break lines

Break linesLinear features which define and control surface behavior in terms of smoothness and continuity are called break lines.

Types break lines:● Soft break lines are used to ensure that linear features and polygon edges are maintained in the tin surface model by enforcing the

break line as tin edges. However, they do not define interruptions in surface smoothness – break lines with no Z value● Hard break lines define interruptions in surface smoothness – break lines with Z value

curvas de nível e ‘mass points’ declives (a verde os declives = 0)classes hipsométricastriangulação



sem break lines soft break lines hard break lines (com altitude)

DADOS

TIN

DEM

http://www.ian-ko.com/ET_SolutionCenter/sc_main.htm






O primeiro resultado da funcionalidade Interpolation...



A “base” do TIN e do Interpolation, com os nós e os triângulos.As quadrículas do DEM RASTER, com os 5 metros de lado, estão também apresentadas.As linhas a azul claro são parte da rede hidrográfica...



Para a preparação desta imagem, a partir do primeiro resultado do Interpolation, começou por se efectuar um Clipper..., depois um GRASS r.reclass e, por fim, por se utilizar uma paleta de cores adequada...

Legenda



O DEM de uma parte do concelho de Lagoa,com as classes hipsométricas de 10 metros,os nós e os triângulos, e tambéma rede hidrográfica(a espessura das linhas é função da classificação hierárquica de Strahler).

As deficiências no DEM relacionadas com a inexistência de soft ou hard break lines são claramente perceptíveis...



Outra funcionalidade provavelmente bastante útil do GRASS, para os DEM e para a análise fisiográfica, é o r.contour.step.

Permite criar curvas de nível para altitudes determinadas, a partir do DEM RASTER e das classes hipsomé- tricas. O output é uma shapefile vectorial (linhas)...

Parametrização do r.contour.step...

Nesta imagem estão representadasas curvas de nível de 10 em 10 metros,a partir do DEM e da funcionalidade GRASS r.contour.step...

Não podem ser ignoradas as diferenças entre as curvas de nível originais (provenientes da CMP) e as re-sultantes desteencadeado deprocedimentos...



Por último, se em alternativa a uma shapefile de linhas se pretender uma de polígonos, na qual cada polígono corresponde a uma classe hipsomé- trica, a funcionalidade a utilizar é:

Raster >>> Conversion >>> Polygonize (Raster to Vector)...

Neste caso, para a layer de polígonos o raster a usar é o resultado do GRASS r.reclass. Para a layer de linhas foi o DEM inicial, antes de ser classificado!


4. Análise Fisiográfica II


concelho de LAGOA : análise fisiográfica (DEM por interpolação)

CARTA DE DECLIVESPara a preparação da Carta de Declives do concelho de Lagoa seguiram-se os mesmos procedimentos já antes referidos, naCarta de Declives do Algarve...


concelho de LAGOA : análise fisiográfica (DEM por interpolação)

CARTA DE EXPOSIÇÃO DE ENCOSTASPara a preparação da Carta de Exposição de Encostas do concelho de Lagoa seguiram-se os mesmos procedimentos já antes referidos, na Carta de Exposiçãode Encostas do Algarve...

Notas:- a preto, zonas planas (declive < 2.5%)- a azul, a rede hidrográfica (espessura das linhas é função da classificação de Strahler)


Avaliação da qualidade dos DEM

Carta Hipsométrica do concelho de Lagoa a partir do SRTM + curvas de

nível da CMP (1:25.000)

Carta Hipsométrica do concelho de Lagoa a partir do DEM (interpolação) + curvas de nível da CMP (1:25.000)

São bastante perceptíveis as diferenças entre a Carta Hipsométrica do concelho de Lagoa, preparada a partirdo DEM por interpolação das curvas de nível e pontos cotados da CMP, e a Carta preparada a partir do SRTM...

Para a avaliação da qualidade dos DEM e da análise fisiográfica, comparando a CMP, as cartas hipsométricas e as cartas de declives e exposição de encostas, gerou-se inicialmente um conjun- to de 85 pontos aleatórios.

A tabela ao lado apresenta alguns dos resultados da avaliação...


Uma análise estatística sumária não evidencia com clareza diferenças de qualidade entre as duas soluções relativamen- te ao MDT (DEM). Por comparação com a Carta Militar de Portugal, o SRTM tem um erro médio de cerca de 50 cm e o DEM obtido por interpolação de cerca de 70 cm.

Há 66 pontos com erros inferiores a 3 metros no DEM por interpolação e 57 pontos no caso do SRTM, o que faz este último parecer um melhor modelo.

O SRTM tem uma amplitude total de erros 14.0 metros e o DEM interp. de 16.2 metros. Mas a amplitude de 50% dos pontos no SRTM é de 3.0 m e a do DEM interp. é de 2.5 m.

Em síntese, o SRTM é, aparentemente, um melhor modelo, de acordo com diversas medidas estatísticas, mas segundo outras não tem um desempenho superior ao do DEM obtido por interpolação das curvas de nível e pontos cotados da Carta Militar de Portugal à escala 1:25.000.

Avaliação comparativa da Análise Fisiográfica

Avaliação da qualidade dos DEM

Os dois pares de cartas, quer de declives quer de exposições de encostas, evidenciam com clareza diferenças acentuadas.

As cartas produzidas a partir do DEM obtido por interpolação têm uma forte ‘marca’ do TIN, ou seja, os procedimentos de triangulação a partir dos nós condicionam a existência de numerosos triângulos planos (flat triangles), muito facilmente identificáveis quer na Carta de Exposição de Encostas e também perceptíveis na Carta de Declives.

As cartas produzidas a partir do SRTM têm gradientes muito mais ‘suaves’, resultantes das cerca de 141.600 quadrículas, que são de dimensão menor do que muitos dos triângulos e todas de igual dimensão (625 m2). Quer a Carta de Exposição de Encostas, quer a de Declives, parecem assim mais ‘naturais’ e ‘realistas’, e menos resultantes de um exercício de modelação não muito bem sucedido...

Uma comparação entre as duas cartas de declives, utilizando os mesmos 85 pontos aleatórios, permitiu concluir que em 37 deles a classe de declive é igual, mas em 33 há uma diferença de uma classe; em 15 a diferença é de duas ou mais classes.

Para as duas cartas de exposição de encostas apenas 32 pontos estão na mesma categoria; em 30 há uma diferença de uma categoria; em 23 a diferença é de duas ou mais classes.


Carta de Declives do concelho de Lagoaa partir do DEM por interpolação (CMP)

Carta de Exposição de Encostas de Lagoa a partir do DEM (interpolação)

Carta de Exposição de Encostas do concelho de Lagoa a partir do SRTM

Carta de Declives do concelho de Lagoaa partir do SRTM (GeoTIFF J. Gonçalves)

ligações úteis● QGIS (Quantum GIS) - ligação● QGIS PT (grupo de utilizadores de QGIS em língua portuguesa) - ligação● ASTER Global Digital Elevation Model (ASTER GDEM) - ligação● Digital Elevation Model over Europe (EU-DEM) - ligação● Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) - Portugal continental - ligação● Carta Administrativa Oficial de Portugal (CAOP) - Direcção-Geral do Território - ligação● Rede Geodésica Nacional - Direcção-Geral do Território - ligação● Instituto Geográfico do Exército (IGeoE) - ligação

● Universidade do Algarve - ligação● QGIS - tutoriais by nsloureiro.pt - ligação

Se tiver dúvidas, quiser fazer sugestões ou recomendar alterações não deixe de contactar!


http://www.qgis.org/en/site/

http://qgis.pt/


http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/eu-dem

http://www.fc.up.pt/pessoas/jagoncal/srtm/

http://www.dgterritorio.pt/cartografia_e_geodesia/cartografia/carta_administrativa_oficial_de_portugal__caop_/caop_em_vigor/

http://www.dgterritorio.pt/cartografia_e_geodesia/geodesia/redes_geodesicas/rede_geodesica_nacional/

http://www.igeoe.pt/

http://www.ualg.pt/

http://www.nsloureiro.pt/qgis-tutoriais-nsl

Education

Tutorial QGIS sobre Análise Fisiográfica