INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS Divisão de Sensoriamento Remoto Geoprocessamento Relatório do Laboratório 3: Modelo Numérico do Terreno (MNT) Fátima Lorena Benítez Ramírez Professores Responsáveis: Dr. Miguel Viera Monteiro Dr. Cláudio Barbosa Docente Colaborador: Dr. Carlos Felgueiras São José dos Campos Maio, 2013
Sumario 1. INTRODUÇÃO... 4 2. MATERIAIS... 4 3. DESENVOLVIMENTO DO LABORATÓRIO 3... 4 3.1. Criação de um MNT a partir de dados de Altimetría.... 4 3.2. Edição de modelo numérico de terreno... 5 3.3. Gerar grade triangular com e sem linha de quebra... 7 3.4. Gerar grades retangulares de amostras e de outras grades... 8 3.5. Geração de Imagem para Modelo Numérico... 11 3.6. Geração de Grade de Declividade... 12 3.7. Fatiamento de Grade Numérica Mapa de Declividade... 12 3.8. Geração de Perfil a partir de grades... 14 3.9. Visualização de Imagem em 3D... 15 4. CONCLUSÃO... 16 5. REFERÊNCIAS... 16
Tabela de Ilustrações Ilustração 1: Isolinhas e Pontos cotados, que representam as amostras do MNT.... 5 Ilustração 2: Amostra selecionada para realizar a edição... 5 Ilustração 3: Criação de Isolinhas e pontos cotados... 6 Ilustração 4: Verificação do valor Z... 6 Ilustração 5: isolinhas e pontos cotados + rede de drenage (linha de quebra)... 7 Ilustração 6: TIM sem a linha de quebra... 8 Ilustração 7: TIM com a linha de quebra... 8 Ilustração 8: Criação de uma grade retangular (Interpolador: média ponderada_cot_quad) a partir de amostras... 9 Ilustração 9: Comparação entre interpoladores para o mesmo conjunto de amostras. À esquerda, vizinho mais próximo; no centro, média simples; á direita, média ponderada.... 9 Ilustração 10: Refinamento de Grade Retangular... 10 Ilustração 11: Comparação entre grade retangular a partir de amostras (esquerda) e grade retangular a partir de TIM(direita).... 11 Ilustração 12: Imagem MDT em níveis de cinza... 11 Ilustração 13: Imagem MNT sombreada... 11 Ilustração 14: Visualização da Grade de Declividade... 12 Ilustração 15: Mapa de Declividade... 13 Ilustração 16: Mapa de Hipsometria... 13 Ilustração 17: Digitalização de 5 trajetórias para gerar Perfis... 14 Ilustração 18: Perfil de 5 trajetórias... 14 Ilustração 19: Visualização em 3D do Mapa de Sombras... 15 Ilustração 20: Visualização em 3D de uma imagem sintética... 15
1. INTRODUÇÃO Um Modelo Numérico de Terreno (MNT) é um conjunto de dados numéricos que representa a distribuição espacial de um fenômeno da superfície terrestre (Doyle, 1978:1481). Os modelos digitais de elevação (MDE), a declividade e o modelo ombro-térmico de uma região específica, são alguns exemplos de MNT. A partir da importância que o MNT tem para o conhecimento ou predição das propriedades desconhecidas de um fenômeno ou objeto real, surge o objetivo deste relatório, o qual procura que o usuário crie diferentes modelos numéricos de terreno a partir da relação de diferentes tipos de variáveis e utilizando diferentes metodologias para finalmente gerar imagens em níveis de cinza e relevo sombreado a partir de um MNT com a finalidade de ter uma visualização similar à realidade do fenômeno modelado. Este exercício será feito dentro do ambiente de trabalho do software SPRING. 2. MATERIAIS Para a execução deste laboratório foram utilizados pontos cotados e isolinhas para a geração dos diferentes MNTs. Além disso, se utilizou informação referente a drenagens, que foram utilizados como linhas que quebre. 3. DESENVOLVIMENTO DO LABORATÓRIO 3 3.1. Criação de um MNT a partir de dados de Altimetría. A criação de um MDT envolve duas etapas importantes, a primeira fazer referência à aquisição de um conjunto de amostras representativas do fenômeno de interesse, para este exercício serão utilizadas isolinhas e pontos cotados, variáveis que representam a altimetría de terreno, as quais foram digitalizadas em um CAD e armazenadas no formato DXF-R12. Esta informação será importada dentro de um PI numérico.
Ilustração 1: Isolinhas e Pontos cotados, que representam as amostras do MNT. 3.2. Edição de modelo numérico de terreno Spring possui uma ferramenta de edição topológica, que permite a edição vetorial de um plano de informação. O objetivo deste exercício é editar o MNT, para isso, serão editadas as isolinhas e pontos cotados num PI numérico para ajustar o modelo e assim, obter uma representação da realidade mais acertada. A edição será feita somente numa amostra do mapa de altimetría. Ilustração 2: Amostra selecionada para realizar a edição
1075 1055 1072 1005 1105 1018 Ilustração 3: Criação de Isolinhas e pontos cotados Ilustração 4: Verificação do valor Z
3.3. Gerar grade triangular com e sem linha de quebra As grades triangulares são geradas a partir dos próprios pontos amostrados sem a necessidade de qualquer tipo de interpolação sobre os mesmos. A união dos pontos amostrados para gerar a triangulação não é única, deve-se escolher uma triangulação na qual os segmentos unindo os diversos pontos amostrados não sejam excessivamente longos e onde os triângulos não sejam muito finos (Delaunay). As grades triangulares, por utilizarem os próprios pontos amostrados, apresentam resultados qualitativos melhores que os das grades regurales (retangulares). Na construção de um modelo é muito importante que as características topográficas da superfície sejam preservadas. Assim é interessante que o conjunto de amostras de entrada contenha as linhas características da superfície tais como: linhas divisoras de águas (linhas de máximos) e linhas de drenagem (linhas de mínimos). A estrutura do modelo de grade triangular é mais propícia para a inclusão de linhas características nos modelos. As linhas características são chamadas de linhas de quebra. Ilustração 5: isolinhas e pontos cotados + rede de drenagens (linha de quebra)
Ilustração 6: TIM sem a linha de quebra Ilustração 7: TIM com a linha de quebra 3.4. Gerar grades retangulares de amostras e de outras grades O processo de geração de uma grade regular consiste em estimar os valores de cota de cada ponto da grade a partir do conjunto de amostras de entrada. O processo de geração de uma grade retangular a partir de outra grade também retangular, objetivando uma melhora na resolução da grade, é conhecido como refinamento da grade. Alem disso, a partir de um modeloo de grade triangular é possível criar-se um modelo de grade retangular. Para isto, inicialmente é necessária a definição dos parâmetros que definem a grade regular, ou seja, referência geográfica, resoluções espacial e tamanho da grade em número de linhas e colunas. Quando um ponto da grade regular não está localizado dentro de nenhum triângulo então se pode marcá-lo como sem valor.
Ilustração 8: Criação de uma grade retangular (Interpolador: média ponderada_cot_quad) a partir de amostras Ilustração 9: Comparação entre interpoladores para o mesmo conjunto de amostras. À esquerda, vizinho mais próximo; no centro, média simples; á direita, média ponderada.
Grade: 50x50 Interpolador: Média ponderada (cot/quad) Grade: 10x10 Interpolador: Bilinear Grade: 10x10 Interpolador: Bicúbica Ilustração 10: Refinamento de Grade Retangular
Ilustração 11: Comparação entre grade retangular a partir de amostras (esquerda) e grade retangular a partir de TIM (direita). 3.5. Geração de Imagem para Modelo Numérico A partir de um MDT pode-se criar imagens em níveis de cinza e imagens sombreadas. Uma imagem de MDT sombreada é gerada a partir do modelo e do posicionamento, em relação à superfície, de uma fonte de iluminação local. Neste contexto, o objetivo deste exercício é criar imagens em níveis de cinza e relevo sombreado. Ilustração 12: Imagem MDT em níveis de cinza Ilustração 13: Imagem MNT sombreada
3.6. Geração de Grade de Declividade A declividade é a inclinação da superfície do terreno em relação à horizontal, ou seja, a relação entre a diferença de altura entre dois pontos e a distância horizontal entre esses pontos. É dada pelo ângulo de inclinação (zenital) da superfície do terreno em relação à horizontal. Os valores de declividade podem variar de 0 a 90, embora seja mais comumente expressa em porcentagem. Neste contexto, o objetivo deste exercício é criar uma grade de declividade (em graus) a partir de uma grade retangular, que será posteriormente fatiada pelo próximo exercício. Ilustração 14: Visualização da Grade de Declividade 3.7. Fatiamento de Grade Numérica Mapa de Declividade O fatiamento de um modelo consiste em se definir intervalos, ou fatias, de cotas com a finalidade de se gerar uma imagem temática a partir do modelo. Para se criar um mapa de declividade é necessário saber quais serão os intervalos de declividade a ser utilizados no fatiamento e nas classes temáticas (legenda); portanto, é importante conhecer quais os valos mínimos e máximos de declividade apresentados na grade criada, pois isso possibilitará estabelecer os intervalos de forma mais coerente.
Ilustração 15: Mapa de Declividade Ilustração 16: Mapa de Hipsometria
3.8. Geração de Perfil a partir de grades A partir de um modelo de grade retangular ou triangular pode-se criar gráficos de perfis do fenômeno ao longo de uma trajetória. Um gráfico de perfil representa a variação do fenômeno estudado em função da distância planar percorrida numa trajetória predefinida. Ilustração 17: Digitalização de 5 trajetórias para gerar Perfis Ilustração 18: Perfil de 5 trajetórias
3.9. Visualização de Imagem em 3D A visualização 3D é gerada pela projeção geométrica planar de uma grade retangular de relevo com textura definida pelos dados de uma imagem de textura. O produto final é uma imagem do relevo, com textura definida pelo usuário, projetada na tela ativa do SPRING. Neste contexto, o objetivo deste exercício é gerar uma imagem em 3D utilizando como textura o mapa de sombras gerado anteriormente, que permita uma melhor visualização do fenômeno e posteriormente salvar a imagem para futuras aplicações. Ilustração 19: Visualização em 3D do Mapa de Sombras Ilustração 20: Visualização em 3D de uma imagem sintética
4. CONCLUSÃO O MNT sendo uma representação matemática tem que levar em conta duas considerações importantes para sua geração: primeiro tem que existir uma estrutura interna que represente as relações espaciais entre os dados, y a segunda é que a variável representada no modelo tem que ser quantitativa e de distribuição continua. A introdução da linha de quebra permite melhorar a qualidade do modelo O processo de visualização do MDT em projeção planar fornece um resultado mais realista quando se usa o modelo de grade retangular ao invés da grade triangular. Conhecer a declividade de um terreno é um importante para estudos geológicos e geomorfológicos, entre outros, onde, por exemplo, é necessário encontrar regiões pouco acidentadas. A análise da adequação de uma determinada modelação do relevo do terreno para um dado fim não é trivial, requerendo estudo cuidado das características de construção do modelo digital de terreno, para que os resultados que com ele se pretendam atingir sejam suficientemente próximos da realidade. 5. REFERÊNCIAS Câmara, G.; Davis.C.; Monteiro, A.M.; D'Alge, J.C. Introdução à Ciência da Geoinformação. São José dos Campos, INPE, 2001 (on-line, 2a. edição, revista e ampliada).