A Extração da rede de drenagem

De acordo com Mark (1984), vários algoritmos foram descritos para extração de características da drenagem por Peucker e Douglas (1975). Estes algoritmos identificam porções côncavas onde a superfície de escoamento tende a uma concentração. Assim, um mapa de zonas côncavas oriundo de um MDE pode ser um indicador da rede de drenagem. Mas estes apresentam feições locais sem apresentar

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uma continuidade, com muitas depressões aparecendo em pixels isolados como consequência os canais se apresentam “quebrados” (MARK, 1983) (Figura 3.8).

Fonte: Peucker e Douglas (1975)

Figura 3.8 – Identificação de áreas côncavas

Muitos algoritmos vêm sendo utilizados em SIGs ou em softwares stand-alone para a delineação de canais e cálculo áreas de contribuição em MDE em estrutura de grade. Entre estes, destaca-se o algoritmo D8 (deterministic eight-node), algoritmo de O'Callaghan e Mark (1984); outros se sucederam a este como: o algoritmo Rho8 (random eight-node)  versão estatística do algoritmo D8 de Fairfield e Leymarie (1991); o algoritmo FD8 e FRh08, cujo o fluxo é distribuído em função do declive (Freeman,1991 e Quinn et al.,1991) e o algoritmo DEMON, cujo o fluxo é orientado seguindo a orientação da vertente desenvolvido por Costa-Cabral e Burges (1994). Um método mais recente, o algoritmo D-infinity (Dinf), desenvolvido por Tarboton (1997), surge como uma adaptação do algoritmo DEMON, com vantagens para direcionar o fluxo entre 0 e 2, ainda pouco empregado, inserido no módulo TauDEM (Terrain

Analysis Using Digital Elevation Models) software livre, um plug-in que trabalha junto ao

ArcGIS ou MapWindow.

Moore (1996), Tarboton (1997), Burrough e McDonnell (1998), e Wilson e Gallant (2000) afirmam que o método D8 (8 direções de fluxo) de O'Callaghan e Mark (1984) é o mais simples para delinear direções de fluxo de um pixel central para um de seus oito vizinhos adjacentes ou diagonalmente na direção do declive mais acentuado. Em função disso, este vem sendo incorporado em muitos SIGs comerciais e amplamente

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utilizado por Marks et al. (1984); Band (1986); Jenson e Domingue (1988); Mark (1988); Morris e Heerdegen (1988); Tarboton et al. (1988); Tarboton (1989); Jenson (1991); Martz e Garbrecht (1992).

A Figura 3.9 ilustra o direcionamento do fluxo do pixel central para a declividade mais acentuada ou para a mais baixa cota de elevação com um único pixel vizinho à jusante capaz de receber este fluxo.

Fonte: Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH/UFRGS, s.d.).

Figura 3.9 - Direção de fluxo à jusante para pixel vizinho

O produto resultante do processamento do fluxo do canal em 8 direções é denominado LDD (local drain directions), Figura 3.10, no qual cada pixel recebe um valor inteiro para uma direção de fluxo, podendo ser expresso em graus ou em códigos numéricos (BURROUGH e McDONNELL, 1998).

Fonte: Burrough e McDonnell (1998)

Figura 3.10 - Vetores LDD (Local Drain Directions) fluxo à jusante

A grade de fluxo de direção então é codificada com um valor específico para indicar a direção de fluxo. Este processo é muito variável em função do software adotado. No caso do SIG ILWIS, o pixel central da Figura 3.9 receberia a letra SE (para direção sudeste), já para o TauDEM receberia o valor 8, considerando a codificação a partir do E no sentido anti-horário.

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A característica básica do algoritmo D8 é que o fluxo pode acumular em um pixel de vários pixels à montante, mas somente pode fluir à jusante para um único pixel de oito possíveis direções. Esse método pode modelar a convergência do fluxo em vales, mas não a divergência do fluxo em áreas de topo. Outra limitação desse algoritmo é a delineação do fluxo à jusante sobre uma sub-matrix 3x3, o que conduz automaticamente para uma discretização do fluxo em um ângulo fixo de 45° nas direções diagonais. Alguns pesquisadores consideram este fato como uma séria deficiência (COSTA-CABRAL e BURGES, 1994; FAIRFIELD e LEYMARIE, 1991; QUINN et al., 1991; TARBOTON, 1997).

Diversas regras foram criadas para solucionar alguns problemas, como: preencher depressões simples, situações nas quais mais de um pixel vizinho apresenta declividades iguais, e quando ocorrem regiões planas. Esses fatores podem impedir a delineação do fluxo de drenagem (JENSON e DOMINGUE, 1988).

Apesar dessas limitações, o algoritmo D8 ainda é o mais empregado, especialmente em função de sua simplicidade na determinação de áreas de contribuição à montante do canal. Mesmo com a incapacidade de modelar fluxo divergente, é adequado para delinear os limites de sub-bacias (WILSON e GALLANT, 2000).

Para a definição da rede de drenagem, ainda se faz necessário gerar uma grade de fluxo acumulado. As áreas de drenagem acumuladas são determinadas a partir de uma grade de direção de fluxo (LDD) e a partir da escolha de um threshold de área, ou seja, um valor de área de drenagem capaz de formar um canal de drenagem. Assim, cada pixel recebe o valor correspondente à soma de todas as áreas de drenagem de todos os pixels à montante cujo escoamento contribui para o pixel analisado (JENSON e DOMINGUE, 1988; MARK, 1984).

A extração da rede de drenagem, então, é realizada por meio da grade de fluxo de direção e do threshold de área adotado. Este threshold é um dos fatores mais sensíveis nesse processo, pois se o valor do threshold escolhido for muito baixo a rede de drenagem será muito densa. Por outro lado, se o valor de threshold for muito alto, poderá resultar em uma rede de drenagem muito esparsa. Portanto, a rede de

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drenagem é definida pelos pixels com valor de fluxo acumulado maior ou igual ao valor de threshold de área adotado (WILSON e GALLANT, 2000).

As Figuras 3.11 A / B / C / D apresentam a área de contribuição computada a partir do algoritmo D8, Rho8, FD8 e DEMON, respectivamente, a partir do MDE com resolução espacial de 15m do Ribeirão Cottonwood. Os fundos de vale estão definidos por um segmento claro indicando valores altos da área de contribuição e os cumes definidos por pixels mais escuros, indicando valores baixos da área de contribuição. Ambos definem o divisor topográfico das sub-bacias.