Informações preliminares acerca do potencial de inundação por meio da ferramenta
O Height Above to the Nearest -HAND
Preliminary information about the flood potential through the tool Height Above to the
Nearest
–
HAND
Rhavel Salviano Dias Paulista1, Dr. Flávio Alessandro Crispim2
Resumo: O sistema de drenagem urbana na cidade Sinop-MT é ineficiente o que provoca permanentemente
descontentamentos referentes à ocorrência de empoçamentos e alagamentos nas ruas do município no período das chuvas. Esse transbordamento das galerias pode ser considerado uma inundação, que é definida como o aumento do nível dos canais, até que ocorra o transbordamento de suas águas. Durante as épocas de estiagem a agua escoa apenas pelo canal principal, mais em épocas ou eventos de cheias de intensidade elevada ocorre a extravasamento do escoamento. Nestes casos a planície atua como uma área de armazenamento temporário. Para aquisição de dados foi empregado o sensoriamento remoto (SR) uma técnica empregada em larga escala na primeira e segunda guerra mundial afim de auxiliar no planejamento de missões militares. Desde então inúmeros sistemas veem sendo desenvolvidos com o objetivo de obter informações acerca da superfície, A aplicação deste método vem se mostrando simples e promissora. A plataforma orbital Terra ASTER é um exemplo da expansão do SR, ela foi criada através de uma parceria entre a NASA e o Ministério do Comercio e Indústria do Japão e foi lançada em 18 de dezembro de 1999. Ela produz Modelos Digitais de Elevação-MDE é uma representação digital da superfície, dada por uma matriz de pixels (imagem) com coordenadas planimétricas (x,y) e um valor de intensidade, tal intensidade correspondente a um valor altimétrico. Com o intuito de obter informações preliminares acerca do potencial de inundação, o Height Above to the Nearest Drainage - HAND foi utilizado ele é um algoritmo descritor do terreno que utiliza as informações topográficas dos MDE’s para obter informações hidrológicas. Ele foi empregado através do software terraview, um aplicativo visualizador de dados geográficos que contém recursos para consulta e analise, e o terrahidro um plug-in do terraview para modelagem hidrológica distribuída
Palavras-chave: HAND; Inundação; Sensoriamento Remoto
Abstract:
The urban drainage system in the city Sinop-MT is inefficient which permanently causes discontent regarding the occurrence of puddles and flooding in the municipality's streets during the rainy season. This overflow of the galleries can be considered a flood, which is defined as the increased level of the channels, until there is the overflow of its waters. During times of drought the water flows only through the main channel, more times or high intensity of flood events occurs the leakage flow. In these cases the plain acts as a temporary storage area. For data acquisition was employed remote sensing (RS) a large-scale technique used in the first and second world war in order to assist in planning military missions. Since then numerous systems see being developed in order to obtain information about the surface, the application of this method has proved to be simple and promising. The orbital platform Terra ASTER is an example of the expansion of SR, it was created through a partnership between NASA and the Ministry of Trade and Industry of Japan and was launched on 18 December 1999. It produces Digital Elevation Models-MDE It is a digital representation of the surface, given by an array of pixels (picture) with planimetric coordinates (x, y) and an intensity value, such intensity corresponding to a value altimeter. In order to obtain preliminary information on the flood potential, the Height Above the Nearest Drainage to - HAND was used it is a terrain descriptor algorithm that uses topographical information of MDE's for hydrological information. He was employed by TerraView software, a geograficos data viewer application that contains resources for query and analysis, and terrahidro one TerraView plug-in for distributed hydrological modeling.
Keywords: HAND; Flood; Remote sensing.
1 Introdução
A região norte do Estado de Mato Grosso tem apresentado expressivo crescimento na última década. O município de Sinop, é um exemplo deste crescimento, ele tem a quarta maior população do Estado (113.099 habitantes em 2010) e apresentou crescimento populacional da ordem de 50% entre 2000 e 2010 e de mais de 50% (crescimento real) do PIB municipal entre 2004 e 2009 (IBGE, 2011). Segundo dados da Prefeitura Municipal (TREVISOL, 2011), a emissão de alvarás de construção na cidade subiu de cerca de 12.000 alvarás em 1999 para cerca de 26.000 em 2010, um crescimento de 15%. Com isso, o nível de sofisticação das obras no município tem aumentado.
Considerando o atual cenário do município é imprescindível obter informações acerca do Potencial de inundação, já que as informações hidrológicas sobre a região são escassas. Dentro deste contexto, se torna cada vez mais necessário ampliar os conhecimentos hidrológicos da região a fim de dar suporte às obras de infraestrutura.
características físicas dos objetos sem que haja contato. De acordo Rosa (2003, p.01) o termo sensoriamento remoto (SR) foi elaborado justamente para nomear a tecnologia capaz de obter imagens da superfície terrestre de forma remota. A aplicação deste método vem se mostrando simples e promissora (Epiphanio et al.1992).
Dentre os diversos itens hidrológicos a serem estudados existe o potencial de inundação. Ele é um parâmetro levado em consideração na elaboração de diversos projetos, e de grande relevância para a construção civil. Atualmente existem vários métodos para se obter o potencial de inundação, no entanto estes métodos necessitam de um número elevado de dados de entrada.
Sem a necessidade de processos complexos de modelagem o HAND- Height Above to the Nearest Drainage extrai informações hidrológicas a cerca de uma superfície através de um dos produtos do sensoriamento remoto, os MDE’s, grades (imagens) que representam a topografia de um dado local.
2 Fundamentação teórica
Nesta seção serão abordados os fundamentos teóricos que possibilitaram a execução deste projeto. O texto tratara de assuntos relacionados a inundação, Sensoriamento Remoto e o algoritmo HAND.
De acordo com Silva (2013) o município de Sinop sofre constantemente com inundações e alagamentos. O que trás certo descontentamento a população. Buscando contribuir para a geração de informações neste sentido o Sensoriamento Remoto pode contribuir diretamente, servindo como fonte de dados. Através dos dados do Sensoriamento Remoto conseguimos obter informações sobre o terreno, tais como, a declividade, curvatura, altitude e também o potencial de inundação.
2.1 inundação
Quando o volume da água que atinge simultaneamente o leito de um canal é igual à capacidade de drenagem de sua calha principal temos uma enchente. Quando essa capacidade de escoamento é superada acontece a inundação (CPRM, 2004). Kobiyama et al., (2006) descrevem a inundação como sendo o aumento do nível dos rios, até que ocorra o transbordamento de suas águas. As áreas planas próximas aos rios cuja as águas ocupam são denominadas planícies de inundação.
Em seu estudo Paz e Tucci (2010) explicam que extravasamento da água do rio para as planícies de inundação é algo natural do regime hidrológico. Durante as épocas de estiagem a agua escoa apenas pelo canal principal, mas em épocas ou eventos de cheias de intensidade elevada ocorre o extravasamento do escoamento. Nestes casos a planície atua como uma área de armazenamento temporário. Na planície os canais de escoamento preferíveis podem conduzir a água a pontos mais a jusante ou a depressões distantes do canal. Em regiões com menor variação altimetrica, o escoamento pode seguir sobre a planície e alcançar diretamente o corpo d’água receptor da bacia, sem passar pela seção do canal que representa seu exutório (Paz e Tucci, 2010). As trocas de água entre canal e planície e o Escoamento na planície comandam a propagação da
onda de cheia de montante que também é influenciado pelas condições locais de chuva e hidrológicas
.
2.2 Sensoriamento remoto
O Sensoriamento Remoto - SR é utilizado desde 1859 quando o processo fotográfico foi descoberto, mas só recentemente o termo Sensoriamento Remoto foi utilizado pela comunidade cientifica. A técnica foi empregada em larga escala na primeira e segunda guerra mundial afim de auxiliar no planejamento de missões militares. Desde então inúmeros sistemas veem sendo desenvolvidos com o objetivo de obter informações acerca da superfície terrestre (Rosa, 2003, p.01).
2.3 Sensor Advanced Spacebone Thermal Emission -ASTER
A plataforma orbital Terra ASTER é um exemplo da expansão do SR, ela foi criada através de uma parceria entre a NASA e o Ministério do Comercio e Indústria do Japão e foi lançada em 18 de dezembro de 1999. Ela carrega três sensores o infravermelho próximo visível – VNIR o infravermelho médio - SWIR e o Infravermelho térmico - TIR que possuem resoluções espaciais de 15, 30 e 90 m respectivamente.
O produto de tais sensores são dados altimétricos e espectrais dispostos em uma grade regular(|imagem) com 2500 linhas por 2500 colunas, cada grade corresponde a uma área de 3.600 Km² na superfície terrestre.
2.4 Modelo Digital de elevação
O Modelo Digital de Elevação-MDE é uma representação digital da superfície, dada por uma matriz de pixels (imagem) com coordenadas planimétricas (x,y) e um valor de intensidade, tal intensidade correspondente a um valor de elevação (Luiz et. al. 2007). Tons mais escuros representam altitudes mais baixas, quanto que, tons mais claros indicam áreas com maiores altitudes.
O MDE ASTER, baseia-se nos princípios da fotogrametria, que vem sendo empregados a mais de 70 anos (WELCH et. al., 1998). Em seu sensor VNIR existe uma banda com visada lateral 3N (Nadir), ou seja, posicionada verticalmente. Além da visada vertical, o sistema possui um segundo sensor o 3B (back) visando a ré na mesma órbita, e que registra só no espectro do infravermelho próximo (IVP), a qual permite gerar por estereoscópia, junto à banda natural no IVP, o MDE. (PARMA, 2007).
2.5 Height Above to the Nearest Drainage - HAND O HAND é um algoritmo descritor do terreno que utiliza as informações topográficas dos MDE’s para extrair dados hidrológicas de uma superfície (Rennó et al. 2008). Segundo Nobre et al.,(2010) o HAND foi desenvolvido pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais-INPE, o algoritmo auxilia na compreensão da relevo através de uma abordagem relaciona hidrologia e geomorfologia, partindo normalização de dados topográficos. Em seu trabalho Rodrigues et. al. (2011) afirma que a cota topográfica passa a ser considerada na formatação da rede de drenagem, es estima gera grandes implicações, o que possibilita presumir que a dicotomia das topografias e tem capacidade de predizer a água contida no solo.
Pinheiro et. al. 2009 diz em seu trabalho que o algoritmo estima a diferença de altura relativa entre cada pixel do MDE e o ponto de drenagem mais próximo associado a um curso d’água. Ele agrupa os pixels parecidos em áreas equiprováveis, ponderando seu potencial hidrológico. Para a obtenção do hand alguns dados preliminares devem ser gerados o primeiro deles é o Local Drain Directions – LDD onde define-se, para cada célula da grade regular do MDE, a continuidade do fluxo relacionando os seus oito elementos vizinhos. A célula que apresenta maior declividade é selecionada, formando-se um fluxo entre as duas células partindo da célula central. Uma grade de saída é gerada contendo o código que representa o sentido do fluxo local para cada célula da grade de altimetria. A Figura 01 demonstra o processo.
Figura 1 - Sentido dos fluxos Fonte: Adaptado de Rosim et. al. (2014)
O cálculo da área acumulada é o segundo passo para geração do HAND e utiliza a grade LDD para sua formação. Para cada célula da grade, a soma das áreas relacionadas a todas as células que contribuem com água para a célula considerada (Figura 02)
Figura 2 - Área acumulada Fonte: Adaptado de Rosim et. al. (2014)
A rede de drenagem é o último atributo necessário para elaboração do HAND. Ela é um subconjunto da grade de áreas acumuladas. No processo de construção desta rede é necessário que o operador
estabeleça um limiar, a escolha de um limiar correto depende do conhecimento e da experiência do operador. Desta forma somente os elementos da grade de área acumulada maior ou igual ao limiar estabelecido pelo operador farão parte da rede de drenagem. A Figura 03 ilustra o processo para um valor limiar 9.
Figura 3 - Drenagem. Fonte: Adaptado de Rosim et. al. (2014).
O HAND estabelece a cota zero para as drenagens e atribui para cada célula da grade a altura relativa ao elemento de drenagem mais próximo.
Figura 4 - Hand. Fonte: Adaptado de Rosim et. al. (2014)
Desta forma o algoritmo identifica as potenciais áreas de inundação. De acordo com Jorge (2015) valores de HAND próximos de 0 apresentam áreas com o potencial de inundação elevado. Segundo INPE (2015) o HAND esta relacionado indiretamente com a profundidade do lençol freático, o que indica a disponibilidade da água do solo. Valores pequenos do HAND indicam regiões cujo lençol está próximo a superfície, logo, o solo apresenta condições próximas à saturação. Valores altos demostram regiões com áreas bem drenadas e lençol freático profundos.
3 Materiais métodos
3.1Area de estudo
as galerias dispostas na região central não suportam o volume de água, afirma que tais problemas ocorrem tanto na área central como nas áreas mais afastadas do centro, como resultado da inexpressiva declividade do relevo da cidade
Figura 5 - Declividade. Fonte: Autor
A área urbana ainda comporta muitas nascentes. De acordo com a prefeitura de Sinop são 6 (seis) córregos dentro do espaço urbano.
Figura 6 - Área de estudo
3.2 Materiais
Para realizar este estudo , foram utilizados os modelos digitais de elevação disponibilizados pela plataforma ASTER GDEM, um projeto mantido pelo Ministério da Economia, Comércio e Indústria do Japão (METI) e a Aeronautics and Space Administration (NASA), que oferece gratuitamente dados MDE’s ASRTER com resolução espacial de 30 metros. Os arquivos vetorias que se referem as dimensões territoriais do municipio foram obtidos pelo instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). .
3.3 Terraview
O terraview é um aplicativo visualizador de dados geograficos que contem recursos para consulta e analise. Ele trabalha com elementos vetoriais (pontos, linhas e polígonos) e matriciais (grades e imagens) e sua armazenagem de informações pode ser efetua com diferentes tipos de banco de dados.
Plugins são módulos de software que possibilitam
acrescentar novas funcionalidades ao TerraView.
Dentre os diversos plugins disponibilizados para software dois deles foram empregados neste estudo o plugim Processamento Digital de Imagem-PDI
que prove um conjunto de ferramentas de processamento de dados matriciais e o Terrahidro um plugim para modelagem hidrológica distribuída.
3.4 Metodo
O pré-processamento foi realizado no plugin PDI. Para compor o MDE do município de Sinop foram necessárias duas grades ASTER. A mosaicagem, processo que efetua a união de imagens foi empregado para unir as duas grades. Um vetor com as delimitações territoriais do munícipio foi utilizado para efetuar um recorte no MDE (Figura 05).
Figura 7 - MDE do município de Sinop. Fonte: Autor
O mesmo processo foi efetuado para obter um MDE retangular referente a área urbana.
O processamento foi realizado pelo plugin terrahidro, que a partir do MDE gerado na etapa anterior criou-se a grade de direção dos fluxos de drenagem locais.
Em seguida de forma semiautomática foi gerado a grade de área de contribuição.
O próximo passo é a geração de uma rede drenagem. Para a sua criação da mesma foi estabelecido um limiar de 262. Tal limiar apresentou uma rede drenagem condizente com a realidade da região, ele foi obtido de forma automática pelo plugin terrahidro.
Figura 9 - Drenagem. Fonte: Autor
Por fim tem-se o HAND indicando as áreas com maior potencial de inundação (Figura 10).
Figura 10 - HAND, valores de 0 a 1. Fonte: Autor
4 Analise dos resultados
A grade HAND foi dividida em 3 classes. A classe com 33% de chance de inundação possui 4,84 km², a classe com 66% detém uma área de 16,43 km² e a classe 99% de inundação representa uma área de 19,57km². Fica claro que a área urbana do município, em grande parte do seu território, possuem um valor de HAND próximo de 0, logo, 47% do território da área urbana detém um potencial de inundação elevado. Já 53% do território apresenta um menor valor de HAND, logo, possui potencial de inundação reduzido.
Figura 11-Classes. Fonte: Autor
Em seu trabalho Carvalho (2015) destaca para uma chuva com tempo de retorno de 10 anos alguns pontos críticos, lugares onde futuramente podem causar problemas relacionados a inundação. A figura 10 descreve os pontos críticos e as microbacias que contribuem.
Figura 12- pontos críticos e as microbacias que contribuem. Fonte: Carvalho (2015).
Figura 13-Sobreposição Fonte: Autor
Os dois pontos críticos, em amarelo, apontados por Carvalho (2015) estão contidos dentro da classe com potencial de inundação elevado.
5 Conclusões
Os dados ASTER se apresentaram como uma forma rápida e eficiente de obter informações de relevo de uma região. Quanto que o terraview aliado a seus diversos plugins se mostrou como um meio fácil para a aplicação do HAND.A ferramenta é capaz de formular mapas automaticamente, independentemente de padrões pré-estabelecidos. Vale pena ressaltar que o limiar gerado automaticamente pelo terrahidro para rede de drenagem, satisfez e foi condizente com as características do local. A figura 14 ilustra a sobreposição.
Figura 14-HAND sobre SINOP-MT
O HAND apresentou resultados satisfatórios para aquisição de dados preliminares. Fica claro que para ir mais a fundo no problema de inundação na área urbana outros estudos e modelagens devem ser efetuadas
6 Sugestões
Fica claro que para ir mais a fundo no problema de inundação na área urbana outros estudos e
modelagens devem ser efetuadas, modelagens mais complexas e com um número maior de dados de entrada.
7 Agradecimentos
Primeiramente eu gostaria de agradecer a UNEMAT por me apresentar a ciência, e expandir os meus conhecimentos sobre o mundo. Agradeço também a minha querida mãe Maria Lucilia Salviano e minha avó Ordalia Pires Salviano por terem acreditado em mim desde o momento do meu nascimento. Agradeço a todos do LAID por aturar todos os meus devaneios e esquisitices e ao meu orientador Flávio Alessandro Crispim por me guiar e garantir que eu estava no caminho certo. Agradeço a minha namorada Amanda Akemi Konzen que sempre me apoiou em várias questões e me deu força para superar os obstáculos. Agradeço a todas as pessoas que um dia me ajudaram e também as que não me ajudaram, pois ambas me deram ótimas lições e contribuíram para vida.
Em uma certa carta para Hooke, sir Isac Newtom escreveu as seguintes palavras “Se pude enxergar mais longe foi porque estava sobre os ombros de gigantes” esta frase pode parecer meio abstrata, mas faz todo sentido, Faço das palavras de Newtom as minhas e ainda acrescento, meu coração está inundado de gratidão por estes gigantes.
Referências
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