Extração de redes de drenagem utilizando limiares de área acumulada máxima através de modelos digitais de elevação em diferentes escalas.

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1 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Extração de redes de drenagem utilizando limiares de área acumulada máxima através de modelos digitais de elevação em diferentes escalas. Cézar Clemente Pires dos Santos 1,2 Shozo Shiraiwa 1 1 Programa de Pós-Graduação em Recursos hídricos, Universidade Federal do Estado de Mato Grosso (UFMT) Av. Fernando Corrêa da Costa, nº Bairro Boa Esperança. Cuiabá - MT 2 Bolsista da Fundação de Amparo à Pesquisa de Mato Grosso (FAPEMAT) Rua 03 s/n - 3º andar - C.P.A Cuiabá, MT - Prédio do IOMAT cezarbiologo@gmail.com Resumo. A topologia e geometria das redes de drenagem têm contribuído substancialmente para os estudos em geomorfologia e hidrologia, incluindo modernos modelos de evolução da paisagem. Este trabalho tem como objetivo a extração e a padronização de redes de drenagem através de limiares de fluxo acumulado por meio de modelos digitais de elevação (SRTM e Aster Gdem) em diferentes escalas. A metodologia utilizada pode ser dividida nas seguintes etapas: (a) construção do Modelo Digital de Elevação hidrologicamente corrigido (MDEHC), (b) delimitação das bacias de drenagem a partir de Modelos digitais de elevação considerando a hierarquização de bacias de drenagem proposta por Strahler. Os resultados indicaram que as redes de drenagem extraídas a partir dos limiares de fluxo acumulado variaram entre 727,94 km no limiar de 1.0% para 2032,66 km no limiar de 0.1% utilizando dados SRTM, já para o sensor ASTER as redes de drenagem variaram entre 1365,88 km no limiar de 1.0% para 4153,85 km no limiar de 0.1%. A partir da análise dos resultados o limiar de fluxo acumulado mínimo testado de 0.1% para o sensor ASTER foi o que mais se aproximou com a rede de drenagem utilizada como referência. Fatores como gratuidade, precisão e acurácia dos dados do SRTM e Aster Gdem proporcionam economia de tempo e de recursos para a realização de pesquisas e diagnósticos ambientais apoiados nesses dados, especialmente em regiões que não possuem registros cartográficos. Neste sentido a metodologia aplicada mostra-se adequada e de fácil utilização, podendo ser empregada a estudos em outras localidades.. Palavras-chave: bacia hidrográfica; Modelo Digital de Elevação; Analise morfométrica. 50

2 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Abstract. The topology and geometry of the drainage networks have substantially contributed to the studies in geomorphology and hydrology, including modern models of landscape evolution. This work aims at the extraction and standardization of drainage networks via threshold cumulative flow through digital elevation models (SRTM and Aster GDEM) at different scales. The methodology can be divided into the following steps: (a) construction of Digital Elevation Model hydrologically corrected (MDEHC), (b) delineation of drainage basins from digital elevation models considering the hierarchy of drainage basins proposed by Strahler. The results indicated that the drainage networks extracted from the accumulated flow thresholds ranged between km on the threshold of 1.0% to km on the threshold of 0.1% using SRTM, ASTER has for drainage networks ranged from km on the threshold of 1.0% to km on the threshold of 0.1%. The results from the analysis of the threshold of accumulated flow tested at least 0.1% for ASTER was the one closest to the drainage network used as a reference. Factors such as gratuity, precision and accuracy of the SRTM data and Aster GDEM provide economy of time and resources to conduct research and environmental diagnostics supported in these data, especially in regions that lack cartographic records. In this sense the methodology proved to be adequate and easy to use and can be used for studies in other locations. Key-words: watershed; Digital Elevation Model; morphometric analysis 1. Introdução O Modelo Digital de Elevação (MDE) é uma representação digital de uma seção da superfície, por meio de uma matriz de células com coordenadas planimétricas (x,y) e um valor da célula, correspondente à elevação Luiz et al., (2007). O desenvolvimento de Modelos Digitais de Elevação e de técnicas mais precisas de extração de drenagem numérica e a delimitação de bacias hidrográficas propiciaram o uso dos sistemas de informações geográficas para obtenção automática das características físicas das bacias de drenagem Baena, (2002) apud Marques, (2006). Redes de drenagem são feições topográficas que favorecem o acúmulo e escoamento das águas superficiais Soille e Gratin, (1994), composta por canais organizados em um padrão característico podendo ser: dendrítico, treliçado e paralelo. A análise das redes de drenagem é utilizada como insumo básico para a caracterização do ambiente físico Jarvis, (1977), além de fornecer indicadores sobre possíveis controles ambientais no sistema fluvial, tais como mudanças climáticas e atividades tectônicas Knighton, (1998). A extração de redes de drenagem através de MDEs é gerada a partir da definição de um limiar de área de captação, que representa o número mínimo de células necessárias para iniciar um canal Freeman, (1990); Montgomery, (1993); Cano, (2005). No entanto, o MDE não é capaz de representar todas as variações topográficas existentes dentro de uma área, particularmente as feições que possuem tamanho inferior a sua resolução (tamanho da célula). Isto pode gerar discrepâncias entre as posições da drenagem real e da extraída computacionalmente Garbrecht et al., (2001). Contudo, qualquer outro valor de limiar pode ser selecionado, sendo que quanto menor o limiar mais densa será a rede de drenagem. Jing Zhang et al. (2010) utilizou limiar de 0,5% para extrair as características na bacia hidrografica do Rio Hillsborough, com o objetivo de obter o delineado das bacias hidrográficas para a investigação futura de um modelo hidrológico. Collischonn e Tucci (2001) utilizaram limiares de 1 e 0,5% para desenvolver o modelo de grandes bacias (MGB) desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) para extração de dedes de 51

3 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p drenagem em diferentes bacias hidrográficas utilizando dados SRTM 2. Objetivo O presente trabalho tem por objetivo a extração e padronização hierárquica de redes de drenagem utilizando limiares de área acumulada máxima de 1%, 0,5%, 0,4%, 0,3%, 0,2%, 0,1% adquiridos através de dados SRTM e ASTER GDEM, para as escalas de 1: bacia do rio Cuiabá e 1: sub-bacia do rio Jangada. 3. Material e Métodos 3.1. Área de estudo Para escala de 1: foi utilizada a bacia do rio Cuiabá localizada na bacia hidrográfica Paraguai Paraná no estado de Mato Grosso. De acordo com o Plano de Conservação da Bacia do Alto Paraguai PCBAP (1997) a bacia possui uma área de aproximadamente ,00 km2 e com perímetro de 841 km. Para escala de 1: foi selecionada aleatoriamente a sub-bacia do rio Jangada entre as 23 sub-bacias delimitadas pelo método de delimitação automática de bacias e sub-bacias hidrográficas utilizando MDEs. A sub-bacia do rio Jangada está inserida a sudoeste na bacia do rio Cuiabá entre os municípios de Acorizal, Jangada, Rosário Oeste e Nossa Senhora do Livramento com a área aproximada de 1690,00 km2, e o perímetro de 305 Km (Figura 1). Todos os procedimentos computacionais foram realizados com o módulo ArcHydro ArcGISR 9.3. Figura 1. Bacia do Rio Cuiabá e Micro Bacia do Rio Jangada. 52

4 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Processamento da Imagem ASTER GDEM e SRTM A metodologia utilizada no processamento e no condicionamento dos MDE s está apresentada na (Figura 2). O principal objetivo em processar as informações digitais dos sensores remotos é minimizar ou recuperar as falhas existentes. Essas são originadas devido ao relevo acidentado, corpos hídricos, fumaça, densidade de nuvens e influência da vegetação. As falhas que mais prejudicam os estudos hidrológicos são denominadas de sinks ou falsas depressões espúrias, ou seja, áreas rodeadas por elevações com valores de cotas superiores. O arquivo de MDE contem informações de altitude para cada pixel. A correção das falhas contidas nessa imagem e realizada com a utilização do comando Fill, que preenche as falhas detectadas pelo algoritmo, obtendo-se assim uma imagem corrigida. Com as depressões preenchidas determina-se a direção do escoamento por meio da função flow direction utilizando o algoritmo de direção e fluxo D8 introduzido por O Callaghan e Mark (1984). Este algoritmo define que, a partir de uma célula central envolvida por oito células vizinhas, a direção do fluxo da célula central terá que se deslocar para somente uma célula vizinha que apresentar a maior declividade em relação às outras, essa numeração varia de 1 a 128 em fatorial de 2 (Figura 03). Figura 2. Sequência de processos aplicados para a obtenção da rede hidrográfica. 53

5 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Figura 3. Funcionamento da determinação da direção de escoamento superficial. Fonte: ESRI (2008). O escoamento acumulado é feito por meio da função flow accumulation utilizando a direção de escoamento determinada anteriormente. Esta função calcula uma grade de fluxo que contém um valor de 1 para celulas que representão cursos d água, e para as outras células na grade que possuem valores maiores que o limite indicado não são consideradas como células Stream. Este valor é obtido pelo total de células de fluxo acumulado multiplicado pela porcentagem padrão que é 1. Nessa etapa é executada a acumulação do fluxo por célula. O ArcGis 9.3 utiliza este valor como padrão para a delimitação dos limites dos rios. Neste estudo foram utilizados limiares inferiores a este valor como 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, 0,1%, que resultaram em uma rede hidrográfica mais densa. Estes valores indicaram qual limiar é mais específico para realização de estudos morfométricos em bacias hidrográficas sendo necessária a validações de campo. Após a determinação dos limiares de área acumulada máxima se faz necessário determinar a hierarquia entre os rios, essa determinação é feita pelo comando Stream Order, utilizando o modelo Strahler. Por fim e necessária a conversão do arquivo gerado com o comando, Stream Order cujo formato é matricial, para o formato vetorial. Esta conversão é realizada com o comando Stream to Feature, e conta com dados do arquivo de direção de fluxo. Com isso chega-se ao arquivo vetorial contendo a rede hidrográfica da região selecionada. As redes de drenagem extraídas pelo método foram comparadas com a rede de drenagem da bacia do rio Cuiabá, fornecida pela Secretaria do Meio Ambiente de Mato Grosso (SEMA MT). 4. Resultados e Discussão A bacia do Rio Cuiabá presenteou células de área total de drenagem para dados SRTM e para dados GDEM, já a sub-bacia do Rio Jangada apresentou células de área total de rede de drenagem para dados SRTM e células de área total de rede de drenagem para o sensor GDEM. Com a utilização da área total de 54

6 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p drenagem das bacias é possível estipular os limiares de área de acumulação multiplicando o valor total pelo limiar testado. Os resultados estão expressos na Tabela 1 Tabela 1. Numero de células de área de acumulação para aferir redes de drenagem na bacia do Rio Cuiabá e sub-bacia do Rio Jangada. Os limiares utilizados para extração das redes de drenagem da bacia do rio Cuiabá, e da sub-bacia do rio Jangada mostrarão que a escala influenciou apenas na identificação do comprimento das redes de drenagem, e na hierarquia fluvial na bacia do rio Cuiabá para os produtos SRTM. Já os dados SRTM para sub-bacia do rio Jangada tiveram resultados similares aos produtos extraídos pelo ASTER na escala 1: (sub-bacia), demonstrando que a escala não interferiu no ordenamento hídrico. Os limiares extraídos pelo ASTER indicarão um maior detalhamento no comprimento das redes de drenagem e na hierarquia fluvial. Este detalhamento mais acurado se deve a sua resolução que é de 30/30, podendo ser observada na Tabela 2. Tabela 2. Identificação da hierarquia fluvial da bacia do Rio Cuiabá e sub-bacia do Rio Jangada de acordo com os limiares de área acumulada máxima. 55

7 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p As redes de drenagem extraídas apresentaram variações no comprimento entre os dois modelos de elevação utilizados, e entre os limiares de fluxo acumulado utilizado para extração das redes de drenagem conforme a Tabela 3. Tabela 3. Comprimento das redes de drenagem aferidos pelos limiares de fluxo acumulado dos dados do sensor SRTM e ASTER Gdem. A rede de drenagem extraída pelo modelo digital de elevação ASTER foi a que mais se aproximou a rede de drenagem da SEMA MT, utilizada como modelo de referência tendo como diferença 306 km. Já o modelo extraído pelo Radar SRTM apresentou uma diferença de km (Figura 4). SEMA Figura 4. Comparação entre as redes de drenagem extraídas pelos MDEs, e a rede de drenagem de referência. 56

8 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p A Tabela 5 expressa a comparação entre as características principais das redes de drenagens extraídas em relação à rede de drenagem da SEMA MT. Tabela 5. Características das redes de drenagens extraídas por MDE s e Rede de drenagem de Referência. Stralher (1952) considera as nascentes como de primeira ordem e os canais subsequentes de segunda ordem, assim por diante. Se comparar os limiares testados, os dados SRTM não identificaram canais sem tributários classificados como de 1ª ordem Esta deficiência se deve ao tamanho dos pixels de 90 metros. Já o sensor Aster Gdem obteve resultados satisfatórios na identificação das nascentes por virtude da sua resolução que é 30 metros, a diferença na extração das redes de drenagem pode ser identificada nas Figuras 5 (A, B, C, D) para limiar de fluxo acumulado de 1.0% (limiar padrão) e nas Figuras 6 (A, B, C, D) para limiar de fluxo acumulado de 0.1% (limite mínimo testado). A B C D Figura 5. Redes de drenagem extraidas pelo limiar de fluxo acumulado padrão (1%), para produtos SRTM e Aster Gdem na escala 1: (Bacia) e 1: (sub-bacia). 57

9 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p A B C D Figura 5. Redes de drenagem extraidas pelo limiar de fluxo acumulado padrão (1%), para produtos SRTM e Aster Gdem na escala 1: (Bacia) e 1: (sub-bacia). 5. Conclusão A metodologia aplicada mostra-se adequada e de fácil utilização, podendo ser empregada a estudos em outras localidades. Fatores como gratuidade, precisão e acurácia dos dados do SRTM e Aster Gdem proporcionam economia de tempo e de recursos para a realização de pesquisas e diagnósticos ambientais apoiados nesses dados, especialmente em regiões que não possuem registros cartográficos. As análises realizadas permitiram caracterizar limiares para identificar o ordenamento dos canais de drenagem e hierarquização de bacias hidrográficas em diferentes escalas. Os produtos SRTM apresentaram resultados satisfatórios para sub-bacias de escalas maiores que 1: , ou seja bacias com área inferior a 1690,00 km2. Os produtos ASTER GDEM apresentaram resultados satisfatórios para ambas as 58

10 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p escalas devido a sua melhor resolução espacial de 30 metros. É necessário validar a metodologia in loco para confrontar se a rede de drenagem de 1ª ordem identificada com o limiar de 0,1% condiz com a informação obtida pelo método proposto. 6. Referencias Bibliográfica Baena, L.G.N.; Silva, D.D da.; Pruski, F.F.; Calijuri, M.L. Regionalização devazões com base em Modelo Digital de Elevação para a Bacia do Rio Paraíba do Sul. Eng. Agríc. Jaboticabal, v.24, n.3, p , set./dez Christofolett, A Análise morfométrica de bacias hidrográficas. Notícia Geomorfológica, 9 (18), pp Garbrecht, J., Ogden, F.L., Debarry, P.A.; Maidment, D.R. GIS and distributed watershed models: I, Data coverages and sources. Journal of Hydrologic Engineering, v.6, n.6, p , Horton, R.E Erosional development of streams and their drainage basins: hydrophysical approach to quantitative morphology, Geol. Soc. America Bulletin, 56 (3), pp Jarvis, R. S. Drainage Network Analysis. Progress in Physical Geography, v.1, p , Knighton, A. D., Woodroffe, C. D., Mills, K. The evolution of tidal creek networks, Mary River, northern Australia. Earth Surface Processes and Landforms, v.17, n.2, p , Luiz, S.; Santos, A.R.S.; Brenner, T.L. Geração de Modelo Digital de Elevação a partir de Imagens Reference Stereo do Satélite IKONOS. Anais XIII Simpósio Brasileiro desensoriamento Remoto, Florianópoli SC, 2007, INPE, p O callaghan, J.F. & Mark, D.M. The extraction of drainage networks from digital elevation data. Computer vision, graphics, and image processing, 28: Soille, P.; Gratin, C. An Efficient Algorihtm for Drainage Network Extraction on DEMs. Journal of Visual Comunication and Image Representation, v. 5, n.2 p , Strahler, A.N Hypsometric analysis of erosional topography. Geol. Soc. America Bulletin, 63, pp Zhang, J., Li, Q., Gong, H., Li, X., Song, L., Huang, J. Hydrologie information extraction based on ARC hydro tool and DEM (2010) International Conference on Challenges in Environmental Science and Computer Engineering, CESCE 2010, 1, art. Nº , pp