Modelo hidrológico distribuído MGB-IPH ETAPA 1 de preparação das informações de entrada

INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS

Adriano Rolim da Paz

Modelo hidrológico distribuído

MGB-IPH

ETAPA 1 de preparação das informações de entrada

versão 2.0 março/2008

O modelo MGB-IPH e sua documentação

O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído desenvolvido na tese de doutorado de Walter Collischonn, no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, em 2001, sob orientação do prof. Carlos E. M. Tucci. Diversas aplicações do modelo MGB-IPH já foram conduzidas em bacias brasileiras e da América do Sul. Algumas alterações do código do programa foram realizadas posteriormente no que diz respeito principalmente à entrada e saída de informações.

Diversos artigos científicos foram publicados descrevendo o modelo MGB-IPH, algoritmos para preparação de informações de entrada e aplicações com resultados. No que diz respeito a esta etapa (MGBgis), os seguintes artigos podem ser usados como referência:

- descrição geral do modelo e das informações de entrada

COLLISCHONN, W. (2001). “Simulação Hidrológica de Grandes Bacias”. Porto Alegre: UFRGS. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental), Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 194 p.

COLLISCHONN, W.; TUCCI, C.E.M. (2001). “Simulação hidrológica de grandes bacias”. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. vol. 6, no. 1, pp. 95-118.

COLLISCHONN, W., ALLASIA, D., SILVA, B. C., and TUCCI, C. E. M. (2007) “The MGB-IPH model for large scale rainfall runoff modeling.” Hydrological Sciences Journal, 52(5), 878-895, doi: 10.1623/hysj.52.5.878.

- derivação das direções de fluxo das células

PAZ, A. R., W. COLLISCHONN, e A. L. L. SILVEIRA (2006), Improvements in large scale drainage networks derived from digital elevation models, Water Resources Research, 42 (8), doi: 10.1029/2005WR004544.

- extração de comprimentos e declividades dos trechos de rio

PAZ, A. R., W. COLLISCHONN (2007), River reach length and slope estimates for large-scale hydrological models based on relatively high-resolution digital elevation model, Journal of Hydrology, 343 (3-4), 127-139. doi: 10.1016/ j.jhydrol.2007.06.006.

MGBgis

Este manual é denominado MGBgis e se refere à primeira parte de preparação das informações para entrada no modelo MGB-IPH, que são as informações processadas a partir do Modelo Numérico do Terreno (direções de fluxo, rede de drenagem, divisão da bacia, comprimentos e declividades dos trechos de rio, etc). A documentação completa de aplicação do modelo MGB-IPH consta ainda de outros dois manuais, referentes às duas etapas posteriores (quadro abaixo):

Etapas de preparação dos dados e execução do modelo MGB-IPH MGBgis

Etapa de preparação de informações derivadas do Modelo Numérico do Terreno (direções de fluxo, rede de

drenagem, divisão da bacia, etc). MGBauxi

Preparação dos arquivos de entrada para o modelo hidrológico, como dados de chuva e clima, e compilação das informações da etapa MGBgis.

MGBexe

Configuração do modelo hidrológico e execução (calibração manual ou automática, arquivos de saída gerados, etc).

Este manual foi revisado por: Walter Collischonn Daniel Allasia Adriano Rolim da Paz Juan Martín Bravo

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...5

2 APLICAÇÃO...10

2.1DEFINIÇÃO DA DIMENSÃO DAS CÉLULAS E DA GRADE DE ALTA RESOLUÇÃO...10

2.2DEFINIÇÃO DA JANELA DE TRABALHO...11

2.3PREPARAÇÃO DO MNT DE ALTA RESOLUÇÃO...12

2.4PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO...17

2.5GERAÇÃO DE DIREÇÕES DE FLUXO DE ALTA RESOLUÇÃO...19

2.6DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS DE DRENAGEM ACUMULADAS DE ALTA RESOLUÇÃO...24

2.7GERAÇÃODEREDEDEDRENAGEMVETORIALDEALTARESOLUÇÃO...26

2.8PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO...28

2.9DERIVAÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO...31

2.10EXTRAÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO...35

2.11GERAÇÃO DA REDE DE DRENAGEM VETORIAL DE BAIXA RESOLUÇÃO...42

2.12VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO...44

2.13DETERMINAÇÃODASÁREASACUMULADASDEBAIXARESOLUÇÃO ...46

2.14DELIMITAÇÃO DA BACIA E SUB-BACIAS...48

2.15VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO...54

1

INTRODUÇÃO

A etapa inicial de preparação das informações para entrada no Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB-IPH) consiste em efetuar diversas operações de geoprocessamento e produzir planos de informação tais como o Modelo Numérico do Terreno (MNT), direções de fluxo, divisão da bacia em sub-bacias, áreas de drenagem acumuladas, comprimentos e declividades dos trechos de rio, etc. Essa etapa é denominada de MGBgis.

Este documento descreve passo a passo a etapa MGBgis de preparação de informações para aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH. A seguir são abordadas algumas questões gerais e no capítulo 2 é descrita pormenorizadamente todos os passos.

Rotinas em Fortran + Idrisi

São empregadas rotinas específicas desenvolvidas em linguagem Fortran, enquanto operações auxiliares de manipulação de arquivos são realizadas com o emprego de softwares comerciais de geoprocessamento como Idrisi ou ArcGis, por exemplo. Recomenda-se o emprego das rotinas conjuntamente com o sofware Idrisi, por dois motivos: o formato dos arquivos de entrada e saída das rotinas segue o padrão do Idrisi; as operações auxiliares de preparação e manipulação de tais arquivos são facilmente realizadas no Idrisi. Portanto, este manual aborda explicitamente o uso do Idrisi como ferramenta auxiliar à execução das rotinas desenvolvidas.

Compilador Fortran e execução das rotinas

As rotinas em Fortran foram desenvolvidas usando o compilador Compaq Visual Fortran. Além dos códigos fontes (arquivos com extensão .f90), são disponibilizados os projetos ou worskpaces, que já estão configurados apropriadamente. Para executar cada rotina, é possível utilizar diretamente os arquivos executáveis já compilados, bastando colocar na mesma pasta o arquivo .exe e suas entradas correspondentes, e sem a necessidade de ter instalado o compilador Fortran.

Caso haja interesse em rodar as rotinas em ambiente Fortran, deve-se ter instalado o compilador. O arquivo de projeto .dsp localizado na pasta correspondente da rotina deve ser aberto, compilado e executado. Todos os arquivos de entrada devem estar inseridos na pasta referente à rotina, onde também serão gerados todos os arquivos de saída. Para usar um compilador Fortran diferente do mencionado, algumas mudanças quanto à leitura de arquivos binários podem ser necessárias. Pede-se para entrar em contato nesse caso.

Conceitos básicos de geoprocessamento

Este documento não tem a intenção de ser um guia de geoprocessamento, mas sim de como executar as rotinas necessárias à preparação dos planos de informação de entrada do modelo MGB-IPH. Assume-se que o usuário esteja familiarizado com conceitos e operações básicas como reamostragem ou recorte de uma imagem, por exemplo. Como já comentado, o software Idrisi é referenciado para todas as tarefas auxiliares de processamento dos arquivos. Os comandos desse software são brevemente descritos quando necessários, porém informação

mais completa é facilmente acessível na documentação do software (por exemplo, na janela de cada comando existe um botão HELP que direciona para a ajuda específica do comando). O manual completo e o tutorial do Idrisi podem ser acessados a partir do Menu Help do software, como indicado na Figura 1.

Figura 1 – Indicação de acesso ao manual e ao tutorial do software Idrisi.

Arquivos raster

Basicamente, um arquivo tipo raster é composto por um conjunto de pontos distribuídos em uma grade regular nas dimensões x e y, onde a cada elemento da grade está associado um valor referente à grandeza representada pela imagem (por exemplo: elevação do terreno, precipitação, tipo de solo, etc). Na Figura 2 é apresentado um exemplo de imagem raster, onde cada elemento apresenta uma coloração correspondente ao valor da grandeza representada.

Figura 2 – Exemplo de imagem raster.

Formato de arquivos do Idrisi

As rotinas desenvolvidas em Fortran para o MGB-IPH trabalham com um formato de arquivos raster que segue o formato padrão do Idrisi. Nesse formato, cada imagem raster é composta por dois arquivos de mesmo nome, um arquivo com extensão .rst que contém a informação propriamente dita da imagem (ou seja, os valores referentes a cada pixel), e um arquivo com extensão .rdc, que constitui a documentação da imagem (contém informações sobre o sistema de referência e projeção, número de linhas e de colunas, resolução, vértices, valores máximos e mínimos da imagem, etc). O arquivo .rdc pode ser aberto e editado tanto no próprio Idrisi quanto em um editor de texto qualquer, ou mesmo via alguma rotina específica (trata-se de um arquivo em formato ascii). Mas atenção:dependendo de como o arquivo .rdc foi gerado e de qual informação se quer editar, é possível ou não utilizar algum processador de texto ou o próprio software Idrisi. Na Figura 3 é exemplificado o conteúdo de um arquivo .rdc referente a uma imagem raster cujos dados estão no formato real e o arquivo no formato

e unidades em graus, etc. Maiores informações sobre arquivos .rdc e .rst podem ser encontradas nos manuais do Idrisi.

Figura 3 – Exemplo de arquivo (.rdc) de documentação de uma imagem raster no formato padrão do Idrisi, aberto no editor de texto WordPad.

Referência de linhas e colunas no Idrisi

Ao utilizar o Idrisi durante alguns passos do procedimento descrito neste manual, atenção deve ser dispensada ao fazer referência às linhas e colunas de arquivos raster. O Idrisi nomeia as linhas e colunas iniciando com o valor ‘0’ e não ‘1’, como é mais comum. Isto faz com que a numeração das linhas varie de 0 até NL-1, onde NL é o número de linhas do raster, e analogamente para as colunas. Se em alguma operação for necessário, por exemplo, alterar valores da primeira linha do raster, deve-se modificar os valores da linha ‘0’. A numeração das linhas aumenta de cima para baixo na imagem, enquanto as colunas aumentam da esquerda para a direita (Figura 4).

Sistema de referências em latitude-longitude

As rotinas descritas neste documento foram desenvolvidas para trabalhar usando como coordenadas geográficas a latitude e a longitude (sistema de referência denominado latlong no Idrisi e neste documento), com unidades em graus. O elipsóide de referência é o WGS-84. Tal sistema é adotado em todos os módulos que compõem o MGB-IPH, e tem como uma das vantagens evitar distorções de projeção como podem ocorrer no sistema UTM, por exemplo, ao se trabalhar com áreas extensas que se prolongam além da região localizada nas proximidades do fuso de referência. O Brasil está situado no Hemisfério Sul e na metade oriental do Globo, de forma que os valores de latitude e longitude são negativos.

Linha 0 Linha 1 Linha NL ... Co lu n a 0 Co lu n a 1 Co lu n a NC ...

Figura 4 – Referência de linhas e colunas utilizadas pelo Idrisi para uma imagem raster com NL número de linhas e NC número de colunas.

Simplificadamente, uma distância de 1º equivale a 100 km no Equador, mas à medida que se distancia dessa linha imaginária, ocorre distorção e tais medidas vão se tornando menos equivalentes entre si. Embora se trabalhe no sistema latlong, é usual se referir à unidade métrica correspondente, como se estivesse no Equador, apenas por facilitar a noção de grandeza. Por exemplo, a distância de 0,1º denota a dimensão usual da célula do modelo MGB-IPH, e é comumente referida como 10 km. A conversão entre graus e metros é realizada diretamente por regra de três para obter valores de referência. Entretanto, quando necessário, algumas rotinas de preparação de dados para o modelo MGB-IPH fazem a projeção de coordenadas usando o elipsóide de referência, a fim de obter valores aproximados de área ou distância em unidades planas.

A conversão do sistema de referência dos arquivos pode ser realizada no Idrisi usando o comando PROJECT (opção do menu Reformat). Deve-se escolher o tipo de arquivo (raster ou vetor), o nome do arquivo a ser convertido e a ser gerado e os respectivos sistemas de referência (Figura 5). Há duas opções para o cálculo: uso do vizinho mais próximo (Nearest

Neighbor) ou cálculo envolvendo os vizinhos (Bilinear). A opção output reference information

permite que na mesma operação seja efetuado um recorte na imagem gerada. Para que o arquivo resultante seja referente a toda a região da imagem de entrada, basta clicar em tal opção e fechá-la em seguida, sem alterar nada.

Figura 5 – Janela de diálogo do comando Project (menu Reformat) do Idrisi.

Imagens raster em duas resoluções: alta e baixa

sistema latlong). Entretanto, o modelo permite representar a variabilidade espacial das características físicas da bacia em uma escala mais detalhada. Internamente a cada célula do modelo, existem diversas informações em uma maior resolução espacial. Tais elementos de maior resolução (ou seja, menores dimensões) serão referidos como pixels daqui por diante neste texto, enquanto que as células do modelo hidrológico compõem a grade de baixa resolução. A Figura 6 ilustra os conceitos de pixels e células.

Uma das exigências quanto à definição das resoluções alta e baixa é que as dimensões dos pixels e as dimensões das células do modelo sejam múltiplas entre si, de tal forma que em cada célula esteja contido o mesmo número inteiro de pixels. Por exemplo, usualmente se adota a dimensão de 0,1º (~10 km) para a célula do modelo, e elementos de 0,001º (~ 100 m) para denotar a informação de mais alta resolução. Nesse exemplo, em cada célula existirão 10.000 pixels internamente a uma célula. Para a mesma dimensão de célula do exemplo, outras resoluções altas possíveis seriam: 0,002º (~ 200 m), 0,0025º (~ 250 m), 0,005º (~ 500 m), etc. A Figura 7 exemplifica as resoluções alta (0,002º) e baixa (0,1º) utilizadas para aplicação do MGB-IPH à bacia do Rio Grande.

(a) (b)

Grade de baixa resolução - células (modelo hidrológico) Grade alta resolução - pixels

(MNT disponível)

Figura 6 – Conceito das duas resoluções: (a) alta resolução (pixels) e (b) baixa resolução (células) empregada pelo modelo hidrológico.

Figura 7 – Malha de baixa resolução (0,1º x 0,1º) referente às células do MGB-IPH sobre a bacia do Rio Grande, e em destaque a malha de alta resolução interna a uma célula (pixels de 0,002º x 0,002º).

2

APLICAÇÃO

A metodologia de geração dos diversos planos de informação de entrada requeridos pelo modelo MGB-IPH e contemplados neste documento (MGBgis) é composta pelas etapas enumeradas na Tabela 1. A ordem de execução foi estabelecida de forma a tornar mais fácil o entendimento de todo o processo e a aplicação das várias rotinas. Algumas etapas não têm como pré-requisitos as etapas anteriores, mas recomenda-se seguir a ordem proposta. Cada uma das etapas é descrita detalhadamente a seguir.

Tabela 1 – Lista das etapas que constituem a metodologia descrita no MGBgis.

ETAPAS

1 Definição das dimensões das células do modelo hidrológico e da alta resolução

2 Definição da janela de trabalho 3 Preparação do MNT de alta resolução 4 Preparação de máscara de alta resolução

5 Geração das direções de fluxo de alta resolução

6 Determinação das áreas de drenagem acumuladas de alta resolução

7 Geração de rede de drenagem vetorial de alta resolução 8 Preparação de máscara de baixa resolução

9 Derivação das direções de fluxo de baixa resolução

10 Extração dos comprimentos e declividades dos trechos de rio 11 Geração da rede de drenagem vetorial de baixa resolução 12 Verificação e correção das direções de fluxo de baixa resolução 13 Determinação das áreas acumuladas de baixa resolução

14 Delimitação da bacia e sub-bacias

15 Verificação e correção dos comprimentos e declividades dos trechos de rio

2.1 DEFINIÇÃO DA DIMENSÃO DAS CÉLULAS E DA GRADE DE ALTA RESOLUÇÃO

Descrição

A dimensão das células (grade de baixa resolução) é definida observando vários critérios envolvendo principalmente o objetivo do estudo e a dimensão da bacia, e respeitando também as hipóteses consideradas na formulação do modelo, desenvolvido

para trabalhar com grandes bacias. Valores usuais são de 0,05º, 0,1º e 0,2º, que equivalem a aproximadamente 5, 10 e 20 km, respectivamente.

A malha de alta resolução é definida tendo em vista a mais alta resolução das informações disponíveis, desde que seja múltipla da dimensão das células, e de forma a não aumentar excessivamente o custo computacional. Normalmente, há disponibilidade do Modelo Numérico do Terreno em uma resolução espacial de 90 m (ou 0,00083333º). Considerando células de 10 km (0,1º), a resolução de mais alta definição possível de ser empregada é a de 100 m (0,001º). Dependendo do tamanho da bacia, isso pode conduzir a elevado custo computacional, e resoluções de 200 m (0,002º), 250 m (0,0025º) ou até 500 m (0,005º) podem ser empregadas para denotar as informações de mais alta resolução. Exemplos das resoluções alta e baixa adotadas em diversas aplicações do MGB-IPH são apresentados na Tabela 2.

Operação

Não necessita de operação.

Produto

Definição das resoluções baixa e alta, ou seja, os valores das dimensões das células e dos pixels, respectivamente, a serem adotados na modelagem.

Tabela 2 – Exemplos de resoluções adotadas em aplicações do MGB-IPH.

Bacia Área (km2)

Alta resolução Baixa resolução

Rio Grande 165.000 200 m (0,002º) 10 km (0,1º) Rio São

Francisco*

640.000 * Parte da bacia com 10 km (0,1º) e outra parte com 20 km (0,2º)

Rio Tapajós 500.000 200 m (0,002º) 10 km (0,1º) Rio Uruguai 206.000 200 m (0,002º) 10 km (0,1º)

* Não foi empregada a metodologia atual.

2.2 DEFINIÇÃO DA JANELA DE TRABALHO

Descrição

Diversos planos de informação serão produzidos envolvendo diferentes operações de geoprocessamento. A maioria das operações tem como restrição que os planos de informação no formato raster apresentem os mesmos limites espaciais (além da mesma resolução). Logo, é importante definir a janela de trabalho que será adotada durante todas as etapas de aplicação do MGB-IPH, não só na fase inicial descrita neste documento como também em procedimentos posteriores como geração de mapas com distribuição espacial da chuva por exemplo. Esta etapa pode ser feita conjuntamente com a etapa seguinte.

A janela de trabalho é definida estabelecendo um retângulo envolvente que contenha a bacia a ser modelada. O contorno da bacia propriamente dito será extraído em um dos módulos descritos adiante, porém é possível identificar razoavelmente a

localização da bacia visualizando o MNT e com isso definir os vértices do retângulo envolvente. É fundamental reservar uma folga na definição da janela entre seus limites e o suposto contorno da bacia, no mínimo com uma distância de 5 vezes a dimensão da célula do modelo. As coordenadas (latitude e longitude) dos vértices devem ser definidas lembrando que nas duas dimensões (x e y) deve estar contido um número inteiro de células (obviamente não necessariamente iguais). Por exemplo, se a dimensão da célula do modelo hidrológico será de 0,1º, as coordenadas dos vértices em uma dimensão podem ser, por exemplo, -19,8º e -22,1º (entre essas coordenadas existirão 23 células), mas nunca -19,8º e -22,06º, pois não existe um número inteiro de células de 0,1º entre essas coordenadas.

Uma vez definidas as coordenadas da janela de trabalho, pode-se facilmente calcular o número de linhas e colunas que correspondem à imagem raster em ambas as resoluções. Considerando que as coordenadas da janela de trabalho nas direções x e y tenham valores mínimos e máximos denotados por Xmin, Xmax, Ymin e Ymax, para uma dada resolução res, o número de linhas e colunas da imagem é calculado pelas equações (1) e (2). Aplicando tais expressões para as resoluções alta e baixa, tem-se a dimensão da matriz para cada caso.

res min Y max Y nlin= − (1) res min X max X ncol = − (2) Operação

Operação visual, observando algum mapa da bacia ou imagem raster do MNT, para identificar e difinir os vértices da janela de trabalho.

Operação matemática usando as equações (1) e (2) para calcular o tamanho das matrizes nas resoluções alta e baixa.

Produto

O produto desta etapa são as coordenadas dos vértices da janela de trabalho, e o tamanho da matriz (número de linhas e colunas) referente às resoluções alta e baixa.

2.3 PREPARAÇÃO DO MNT DE ALTA RESOLUÇÃO

Descrição

Deve ser preparado um Modelo Numérico do Terreno no formato raster, onde a

cada elemento (x,y) da grade regular está associado um valor de elevação do terreno, em

metros. Normalmente, emprega-se o MNT disponibilizado pelo CGIAR-CSI, referente

ao NASA Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). O SRTM constitui um projeto

conjunto entre duas agências dos Estados Unidos, a National GeoSpatial Intelligence Agency (NGA) e a National Aeronautics and Space Administration (NASA). A precisão

vertical absoluta é estimada em torno de 16 m (CGIAR-CSI, 2006). Para a região da América do Sul, estão disponíveis dados em uma resolução de 3 arcos de segundo (90 m ou 0,00083333...º).

Os dados do SRTM são disponibilizados em quadros de 5º por 5º, como ilustrado na Figura 8, onde é apresentado também o contorno da bacia do Rio Grande como exemplo. Cada imagem ou cena do SRTM é referida pela órbita percorrida pelo sensor durante a aquisição. A referida bacia está incluída em 5 quadros ou cenas do SRTM, sendo que foram selecionadas as 6 cenas indicadas na Figura 7, compondo um retângulo completo, por questões de facilidade no geoprocessamento dos arquivos. A partir do MNT referente ao conjunto de todas as 6 cenas (Figura 9) foi efetuado o recorte do MNT da área restrita à janela de trabalho (Figura 10). Depois de reamostrado para a alta resolução pré-definida, tem-se o MNT de entrada para as rotinas descritas adiante. Qualquer outra fonte ou formato de dados pode ser utilizada para compor o MNT, desde que ao final seja gerada uma imagem raster da janela de trabalho, no formato especificado.

(a)

(b)

Bacia do Rio Grande

SRTM_26_16 SRTM27_16

SRTM_26_17 SRTM_27_17 SRTM_28_17 SRTM_28_16

Brasil

Figura 8 – (a) Articulação das imagens do radar SRTM sobre parte da América do Sul (malha de 5º x 5º), com indicação da localização da Bacia do Rio Grande como exemplo; (b) articulação das imagens usadas para elaborar o MNT da referida bacia.

Figura 9 – MNT referente às 6 cenas do SRTM selecionadas para a região da bacia do Rio Grande (indicada pelo contorno azul) (cotas em m).

Figura 10 – MNT da bacia do Rio Grande (cotas em metros) – janela de trabalho.

Operação

Caso se opte por trabalhar com o MNT do SRTM-90m, a operação consiste em: - fazer o download dos dados: atualmente os dados do SRTM-90m estão disponíveis a partir do CSI-Geoportal, na página eletrônica http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/ inputCoord.asp. São obtidas imagens raster em quadros de 5º x 5º contendo o MNT na resolução espacial de 90 m, no formato .tif;

- converter de .tif para raster do Idrisi (.rst e .rdc), usando a opção File/Import/Government/Data Provider Formats/GEOTIFF do Idrisi (Figura 11). Deve-se informar o arquivo de entrada (.tif) e o nome do arquivo a Deve-ser gerado (.rst);

Figura 11 – Importação do MNT proveniente do SRTM-90m no formato .tiff para gerar raster do Idrisi.

- caso a janela de trabalho pré-definida esteja situada em mais de um quadro de 5º x 5º, deve-se repetir as duas operações anteriores para cada um dos quadros. Em seguida, fazer a composição dos vários quadros em uma única imagem. No Idrisi, isto pode ser efetuado pelo comando CONCAT (opção do menu Reformat), que gera uma imagem raster a partir da junção de duas ou mais imagens. Deve-se escolher a opção de locar automaticamente as imagens em função das coordenadas e o tipo de concatenação transparente, como indicado na Figura 12.

Figura 12 – Geração de imagem raster a partir da junção de outras duas imagens raster, usando o comando CONCAT do Idrisi.

- usando o comando RESAMPLE do Idrisi (na versão Kilimanjaro 14.02), pode-se efetuar a reamostragem do MNT e o recorte da janela de trabalho ao mesmo tempo, a partir da imagem raster contendo o MNT completo na resolução de 90 m. Tal comando consta no menu Reformat. Depois de indicar como arquivo de entrada a imagem raster referente à composição dos vários quadros do SRTM e o arquivo de saída a ser gerado, deve-se indicar as coordenadas de pelo menos três pontos de controle na parte central da janela de diálogo (Figura 13). Os pontos de controle são usados para fazer o georreferenciamento da imagem. Embora os dados do SRTM já estejam georreferenciados, o comando Resample exige que sejam informadas as coordenadas dos pontos de controle. São informadas as coordenadas de três pontos espacialmente distribuídos sobre a imagem, mantendo as coordenadas originais e de saída iguais em cada ponto. A entrada de valores negativos nos campos das coordenadas faz com que apareça mensagem indicativa de que “não se trata de um valor decimal aceito”, o que deve ser ignorado. Na parte direita da janela de diálogo, deve-se escolher as opções de cálculo. Por fim, deve-se clicar no botão “output reference information” e, na janela

que se abre (Figura 14), informar as características da imagem a ser gerada. O número de linhas e colunas e as coordenadas dos vértices da imagem dizem respeito à janela de trabalho e à alta resolução, definidos nos itens 2.1 e 2.2. O sistema de referência e unidade devem sempre ser latlong e graus. Em versões mais antigas do Idrisi, é

necessário fazer duas operações, uma com o RESAMPLE para reamostrar a imagem, e a seguinte com o comando WINDOW para fazer o recorte da janela de trabalho.

- Ressalta-se que os pontos de controle inseridos no comando RESAMPLE devem ser pontos localizados no interior da área da imagem e espacialmente distribuídos sobre a mesma. Não podem ser escolhidos pontos nos vértices da imagem.

- Caso a área de estudo seja muito grande, a manipulação do arquivo raster resultante da concatenação dos vários quadros na resolução original (90 m) pode ter um custo computacional exagerado. Nesse caso, pode-se optar por realizar uma reamostragem de cada quadro individualmente (comando RESAMPLE), passando-os para a alta resolução pré-definida, e depois fazer a junção deles com o comando CONCAT. Em seguida, pode-se utilizar o comando WINDOW para efetuar o recorte da janela de trabalho.

- Se necessária em alguma etapa, a transformação de uma imagem raster no formato real/binary para o formato integer/binary é facilmente realizada pelo comando CONVERT (opção do menu Reformat) do Idrisi;

Figura 13 – Comando Resample do Idrisi, usado para reamostrar e recortar o MNT da janela de trabalho na resolução alta pré-definida, a partir dos dados provenientes do SRTM-90.

Figura 14 – Definição das características da imagem a ser gerada com o comando Resample do Idrisi (“output reference parameters”).

Produto

Imagem raster contendo o MNT da região de estudo, recortado para a janela de trabalho e na resolução definida no item 2.1, no formato integer/binary do Idrisi (arquivos .rdc e .rst).

2.4 PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO

Descrição

Dependendo da dimensão do arquivo raster (número de linhas e de colunas), o processamento das informações pode conduzir a um excessivo tempo computacional. Dentro da janela de trabalho (ou seja, do retângulo que constitui a imagem), apenas uma parcela da área é referente à área de estudo e, logo, o custo computacional pode ser diminuído fazendo com que as rotinas não processem as informações nas regiões sem interesse. Obviamente, a região de interesse é a bacia a ser modelada, cujo contorno será definido apenas em etapa posterior. Tendo-se uma idéia da localização da bacia dentro da janela de trabalho, pode-se definir uma máscara que envolva uma região que com certeza não faz parte da área de estudo. Essa máscara consiste em um arquivo raster de mesma resolução do MNT e com mesmos vértices (janela de trabalho), onde cada pixel assume ou o valor 0 ou o valor 1. Os pixels na região de interesse têm valor 0 e os

pixels na região a ser excluída dos cálculos têm valor 1 (Figura 15).

Em particular, a máscara tem grande utilidade para excluir regiões de mar que estejam contidas na imagem raster da janela de trabalho do MNT. Em tais regiões o valor do MNT associado a cada pixel não tem significado, e elas constituem imensas áreas planas a serem tratadas pelos algoritmos que se baseiam no MNT, elevando substancialmente o custo computacional. Deve ser ressaltado que, caso se decida por trabalhar usando uma máscara na primeira rotina, a máscara deve ser empregada em

todas as etapas posteriores.

Muita atenção deve ser dada na definição da máscara, de modo que não acabe englobando parte da bacia estudada. E atenção também quanto à definição dos valores 0 ou 1 para cada pixel, pois se inverterem os valores o cálculo será feito exclusivamente para a região que se queria excluir!

Figura 15 – Exemplo de máscara de alta resolução, onde os pixels na região branca têm valor zero (serão considerados nos processos de cálculo posteriores), e os pixels nas regiões em cinza têm valor 1 e serão excluídos do cálculo nas rotinas de preparação de informações para o MGB-IPH.

Operação

Uma das formas de gerar a máscara é fazer o display do MNT da janela de

trabalho no Idrisi e usar o comando DIGITIZE (botão indicado na Figura 16) para digitalizar um polígono cujo interior englobe a região a ser excluída nos demais procedimentos de cálculo. No comando DIGITIZE, deve-se escolher a opção polygon

com valor igual a 1, e digitalizar o polígono sobre o MNT. Ao final da digitalização, clica-se com o botão direito do mouse e em seguida deve-se clicar no botão “Save Digitized Data” (indicado na seta da Figura 16).

Figura 16 – Digitalização da máscara sobre o MNT, usando o comando Digitize do Idrisi (a seta azul indica o botão que aciona o referido comando, e a seta vermelha indica o botão para finalizar o projeto de digitalização).

O arquivo vetorial gerado deve ser convertido a raster, usando o comando RASTERVECTOR do Idrisi (opção do menu Reformat) com a opção polygon do raster

(Figura 17-a). Deve-se sugerir um nome de um arquivo não existente para a imagem raster a ser criada, e isso permitirá que seja criada uma nova a partir daquele vetor

(clicar em ok na Figura 17-b). O comando RASTERVECTOR permite que as

características da imagem raster a ser gerada (número de linhas e colunas, resolução, vértices) sejam automaticamente tomadas a partir de outra imagem raster que servirá de base (Figura 17-c). O MNT de alta resolução é usado como base, garantindo assim que a máscara e o MNT tenham características iguais, exigências das etapas posteriores descritas adiante.

Produto

Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos mascara.rst e mascara.rdc), de alta resolução e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor 0 ou 1, conforme devam ou não ser incluídos em processos de cálculo posteriores, respectivamente.

Figura 17 – Comando RasterVector do Idrisi sendo usado para transformar um vetor na forma de polígono (a) e gerar uma imagem raster ainda não existente (b), cujas características (resolução, vértices, etc) serão copiados de outro arquivo raster (c).

2.5 GERAÇÃO DE DIREÇÕES DE FLUXO DE ALTA RESOLUÇÃO

Descrição

Esta etapa consiste em gerar as direções de fluxo de alta resolução, ou seja, gerar uma imagem raster onde cada elemento (pixel) contém um código que indica para qual pixel vizinho ocorre a drenagem. Atribui-se uma única direção para cada pixel, que pode ter oito valores (Figura 18-a). A determinação das direções de fluxo é feita com a rotina MNTAlta4A, cujo algoritmo de cálculo segue o algoritmo D8 ( eight-deterministic neighbours) descrito por Jenson e Domingue (1988), com algumas

variações. O algoritmo D8 consiste basicamente em atribuir a direção de fluxo de um pixel para aquele pixel vizinho conforme a maior declividade (diferença de elevação/distância entre os pixels) (Figura 18-d). A rotina MNTAlta4A emprega um algoritmo que leva em conta ainda um fator de aleatoriedade na busca por direções de fluxo em áreas planas, tal qual adotado por Fairfield e Leymarie (1991), o que têm evitado satisfatoriamente a tendência do algoritmo D8 em criar drenagens excessivamente paralelas (Figura 19).

Figura 18 – Indicação das oito direções de fluxo possíveis para cada pixel, com os respectivos códigos usados pelo MGB-IPH (a), ArcView (b) e Idrisi (c). Em (d): direção de fluxo escolhida em função da maior declividade (diferença de cota/distância) entre o pixel central e os vizinhos, segundo o método D8 (Jenson e Domingue, 1988).

Figura 19 – Áreas acumuladas de drenagem (tons mais escuros indicam valores maiores) mostrando: (a) problema observado na geração de direções de fluxo em regiões planas usando o algoritmo D8, com o surgimento de rios paralelos irreais; (b) minimização do problema pela introdução de um fator aleatório no processo de atribuição de direções de fluxo em regiões planas.

A rotina MNTAlta4A determina uma imagem raster contendo as direções de fluxo correspondentes ao MNT de alta resolução (arquivo Dir.rst), de modo que cada pixel da imagem assume um dos oito valores apresentados na Figura 18-a. Procedimento similar (usando algoritmos parecidos baseados no método D8) pode ser efetuado via softwares comerciais, como Idrisi, ArcView ou ArcGis. Importante destacar que tais softwares usam códigos distintos para as direções relativamente às rotinas do modelo MGB-IPH (Figura 18). Isso não impede que os referidos softwares sejam empregados para gerar as direções de fluxo de alta resolução, desde que seja feita uma conversão dos códigos para entrada nas rotinas posteriores descritas neste manual. Além disso, tem-se observado que tais softwares não são capazes de trabalhar com matrizes muito grandes (a execução é interrompida). A rotina MNTAlta4A a princípio não tem limitação de tamanho da matriz, mas ressalta-se que o tempo de processamento pode ser elevado substancialmente com o aumento do número de linhas e colunas, principalmente quando há grandes regiões planas. Tem sido observado que o tempo gasto pela rotina MNTAlta4A pode ser muito superior ao tempo necessário para outros softwares.

A evolução do número de pixels sem direção definida pode ser acompanhada ao longo da execução da rotina através do arquivo execucao.txt. Em função do algoritmo utilizado, que eleva a cota dos pixels situados em depressões e tenta encontrar uma saída para o fluxo, a evolução do número de pixels com direção indefinida ocorre por batelada, podendo ocorrer aumento desse número de um ciclo do algoritmo para o outro

modificado (removidas as depressões), denominado de MNTfill, que será utilizado em algunas rotinas de cálculo posteriores.

Figura 20 - Evolução do número de pixels com direção indefinida na execução da rotina MNTAlta4A aplicada à bacia do Rio Uruguai (matriz com 4800 colunas e 2850 linhas, resolução de 0,002º).

Operação

A rotina a ser executada é a MNTAlta4A.

O arquivo Combina.dir deve estar na pasta raiz da rotina, e não ser alterado (é o mesmo para qualquer aplicação).

Trata-se de uma nova aplicação e, portanto, deve ser indicada a opção 1 referente a “iniciar novo cálculo”. Os arquivos de entrada são MNT.rst e MNT.rdc (arquivo raster .rst do MNT da janela de trabalho no formato do Idrisi integer/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus, incluindo o arquivo de documentação .rdc) – arquivos gerados na etapa 2.3.

Escolhe-se a opção de entrar ou não com a máscara, descrita no item anterior. Novamente se ressalta que uma vez decidido trabalhar com a máscara, obrigatoriamente deve-se usar a máscara em todas as etapas posteriores.

Os arquivos de saída são Dir.rst e MNTfill.rst, além do arquivo Execução.txt. Este último consiste apenas em um histórico do número de pixels com direção indefinida ao longo dos ciclos do algoritmo. Ressalta-se que cada linha se refere ao início do ciclo e, logo, na última linha sempre constará um determinado número de pixels, e não ‘0’ como poderia ser esperado por o algoritmo ter concluído.

O arquivo Dir.rst consiste em uma imagem raster contendo a direção de fluxo de cada pixel, enquanto o MNTfill.rst corresponde ao MNT modificado pelo algoritmo. A rotina não gera os arquivos de documentação (.rdc) correspondentes a essas duas imagens raster. Mas isso é realizado facilmente fazendo duas cópias do arquivo MNT.rdc. Renomeie uma delas para Dir.rdc e a outra para MNTfill.rdc. Para cada um desses arquivos renomeados, abra-o no Idrisi e mande calcular a resolução e os valores mínimo e máximo, usando a funções Calculate Resolution e Calculate Min/Max no

menu TOOLS da janela do próprio arquivo .rdc (Figura 21). Como ambos os arquivos raster estão no formato integer/binary, e são referentes à mesma janela de trabalho, a atualização da resolução e dos valores mínimo e máximo é suficiente para ajustar os arquivos .rdc novos. A atualização da resolução é apenas preventiva e serve para checar inconsistências. Para verificar se a operação foi efetuada corretamente, abra as imagens raster geradas pela rotina MNTAlta4a (arquivos Dir.rst e MNTfill.rst). O arquivo de

direções de fluxo deve ter aspecto semelhante àquele da Figura 22, enquanto o MNTfill.rst deve ser semelhante ao MNT.rst.

Figura 21 – Atualização da resolução e dos valores mínimo e máximo da imagem raster no arquivo de documentação .rdc do Idrisi.

Figura 22 – Imagem raster com direções de fluxo de alta resolução geradas pela rotina MNTAlta4A – exemplo gerado para a bacia do Rio Grande (usando paleta de cores

Qual no Idrisi). A região em cor verde homogênea no canto inferior direito corresponde

à região pertencente à máscara (região de mar, nesse caso).

Uma operação interessante mas opcional é analisar o quanto o algoritmo modificou o MNT de forma a conseguir atribuir as direções de fluxo. Usando o comando OVERLAY (opção do menu Gis Analysis/Database Query), gera-se uma imagem definida pela diferença entre as imagens MNTfill e MNT (Figura 23 e Figura

Figura 23 – Comando Overlay do Idrisi, para operações matemáticas simples entre duas imagens raster de igual resolução e número de linhas/colunas.

Figura 24 – Imagem representando a diferença entre o MNT original e o MNT com depressões removidas pelo algoritmo de direções de fluxo (valores em metros) – exemplo da bacia do Rio Grande, usando paleta de cores UnipolarWred do Idrisi e

ajuste manual dos valores mínimo e máximo na paleta.

A rotina MNTAlta4a está configurada para escrever imagens raster Dir.rst e MNTfill.rst ao final de cada ciclo de execução ou seja, resultados parciais do algoritmo de direções de fluxo. Isso tem duas grandes utilidades: primeiro, permite a continuação do cálculo em outro momento caso haja uma eventual interrupção da execução do algoritmo; segundo, permite avaliar o desempenho do algoritmo ao longo das interações.

A opção de reiniciar o procedimento de cálculo da rotina MNTAlta4a a partir de um ponto anterior foi criada devido ao elevado tempo computacional que pode ser gasto no processamento. Para retomar o cálculo interrompido, basta executar novamente a rotina e optar pela opção “2 - continuar cálculo interrompido”. Vão ser lidas as imagens

Dir.rst e MNTfill.rst escritas ao final do último ciclo da execução anterior e o cálculo prossegue normalmente.

Ao longo da execução da rotina MNTAlta4a, é interessante visualizar as imagens de direções de fluxo, embora sejam resultados parciais. Basta tomar o arquivo ‘Dir.rst’, fazer uma cópia, renomear e gerar o arquivo ‘.rdc’ correspondente, tal qual explicado anteriormente neste mesmo item. Recomenda-se fazer uma cópia por que o algoritmo sobrescreve em tal arquivo ao final de cada ciclo. Tipicamente, após o final do primeiro ou segundo ciclo do algoritmo, a grande parte dos pixels já foi resolvida, isto é, já foram definidas direções de fluxo, restando basicamente pixels situados exatamente ao longo da rede de drenagem principal (Figura 25-a). Com o passar dos ciclos do algoritmo, os pixels com direção indefinida vão se concentrando cada vez mais ao longo da drenagem, principalmente nos rios mais largos e demais corpos d’água como lagos e reservatórios, que constituem áreas planas e demandam tratamento mais demorado (Figura 25-b e Figura 25-c).

a b c

Figura 25 – Exemplo de evolução do algoritmo de determinação das direções de fluxo: seqüência de imagens Dir.rst parciais geradas ao longo da execução da rotina

MNTAlta4a (usando paleta do Idrisi ‘QualW1’ e fazendo contraste para valores mínimo ‘-1’ e máximo ‘0’, correspondente às cores branca e verde, respectivamente).

Produto

- Imagem raster com as direções de fluxo de alta resolução (arquivos Dir.rst e Dir.rdc), abrangendo a janela de trabalho (formato Idrisi/integer/binary), onde cada pixel contém um valor referente a sua direção seguindo codificação exemplificada na Figura 18-a.

- Imagem raster de alta resolução abrangendo a janela de trabalho (formato Idrisi/integer/binary), com o MNT modificado pelo algoritmo (MNTfill.rst e MNTfill.rdc).

2.6 DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS DE DRENAGEM ACUMULADAS DE ALTA RESOLUÇÃO

Descrição

A partir das direções de fluxo de alta resolução determinadas no item anterior, a rotina ‘AreaAcu’ deve ser empregada para gerar imagem raster com as áreas acumuladas de drenagem na mesma resolução. Trata-se de uma imagem onde cada pixel

contém um valor referente a sua área de drenagem (Figura 26). Usualmente os algoritmos disponíveis em softwares comerciais de geoprocessamento representam a área de drenagem pelo número de pixels que contribuem para um determinado pixel, ou mesmo em unidades de área, mas considerando todos os pixels com mesma área superficial. O algoritmo que consta na rotina AreaAcu determina a área superficial de cada pixel para contabilizar a área de drenagem total ou acumulada em um pixel. Ao se trabalhar com coordenadas em latitude e longitude, a área exata de um pixel no plano (em km2, por exemplo) varia conforme sua localização geográfica. Como se trata de grandes bacias, há uma variação da posição geográfica considerável e que pode influenciar na área da bacia caso não seja feita a projeção de cada pixel. A rotina ‘AreaAcu’ faz a projeção de coordenadas de cada pixel para determinar sua área superficial, considerando o elipsóide de referência WGS-84.

Alguns softwares comerciais também dispõem de algoritmo semelhante para calcular as áreas de drenagem acumuladas, como Idrisi e ArcGis. Entretanto, novamente devem ser ressaltadas algumas questões: limitação do tamanho da imagem; codificação das direções de fluxo distinta da empregada na série de rotinas aqui descritas; consideração de área superficial constante para todos os pixels.

Figura 26 – Exemplo de imagem raster com áreas acumuladas de drenagem (áreas em km2), referente à parte da bacia do Rio Grande (visualização no Idrisi usando a paleta

UnipolarWblue e escala automática tipo quantiles, e aplicação de zoom). Operação

A operação é realizada usando a rotina ‘AreaAcu’.

Os arquivos de entrada são ‘Dir.rst’ e ‘Dir.rdc’ gerados no item anterior (arquivo raster de direções de fluxo no formato Idrisi, integer/binary, abrangendo a janela de trabalho). Caso esteja trabalhando com máscara, deve ser fornecido arquivo mascara.rst (alta resolução, tipo raster do Idrisi, integer/binary).

Devem ser informadas a resolução em graus e as coordenadas Xmin e Ymax da imagem (usar ponto para indicar a casa decimal). As coordenadas Xmin e Ymax se

referem ao valor mínimo da longitude e ao valor máximo da latitude, respectivamente. Tais informações constam no arquivo de documentação ‘Dir.rdc’ (ou ‘MNT.rdc’) e constituem o vértice superior esquerdo da imagem (que é o vértice superior esquerdo da janela de trabalho).

Durante a execução da rotina ‘AreaAcu’, escreve-se na tela de saída o número da coluna que foi iniciado o cálculo (a cada dez colunas). Quanto maior a imagem (maior número de linhas e colunas), mais tempo levará o cálculo. Entretanto, caso a rotina fique parada em determinada coluna por tempo indeterminado (um tempo bem maior do que o gasto para fazer o cálculo nos grupos de colunas anteriores), é um indicativo de que o arquivo raster contendo as direções de fluxo está incoerente. Um exemplo típico de situação que causaria tal problema seria a existência de loops nas direções de fluxo (um determinado pixel A drena para o pixel B que drena para o pixel C e este drena para o pixel A). O algoritmo utilizado para gerar direções de fluxo que consta na rotina MNTAlta4A não deve gerar tais loops e, logo, outro problema deve ter ocorrido. Recomenda-se refazer os passos anteriores com atenção principalmente à questão da máscara; e executar novamente a rotina AreaAcu certificando que os valores fornecidos de resolução, Xmin e Ymax estejam corretos.

Gera-se como saída o arquivo ‘AreaAcu.rst’. Trata-se de uma imagem raster da janela de trabalho com mesma resolução dos arquivos de entrada (alta resolução), mas no formato Idrisi/real/binary. O arquivo de documentação correspondente (arquivo ‘AreaAcu.rdc’) deve ser gerado a partir de cópia do arquivo ‘Dir.rdc’. Após renomear a cópia do arquivo ‘Dir.rdc’ para ‘AreaAcu.rdc’, deve-se abri-lo no Idrisi e mudar o tipo de dados para real. No menu TOOLS, procede-se ao cálculo (atualização) da resolução e dos valores mínimo e máximo da imagem (Figura 21). Ao visualizar a imagem no Idrisi, ela deve ter aspecto semelhante ao exemplo da Figura 26, na qual foi usada a paleta de cores UnipolarWblue e escala automática tipo quantile. Geralmente a

visualização da imagem completa não permite distinguir os cursos d’água tão bem, sendo necessário aplicar um zoom, como no caso do exemplo da referida figura.

Produto

Arquivo raster do Idrisi de alta resolução, abrangendo a janela de trabalho, no formato real/binary denominado ‘AreaAcu.rst’, com o arquivo de documentação correspondente (AreaAcu.rdc).

2.7 GERAÇÃO DE REDE DE DRENAGEM VETORIAL DE ALTA RESOLUÇÃO

Descrição

O raster de áreas acumuladas de alta resolução contém a informação da área drenada por cada pixel. Supondo um valor limite de área de drenagem para caracterizar o início da drenagem propriamente dita (formação de córregos e rios), é possível diferenciar os pixels acima e abaixo de tal limite. Com essa classificação, pode-se considerar que todos os pixels acima do limite constituem rios e córregos e, com isso, é possível derivar uma rede de drenagem vetorial a partir do referido raster. Aqui denomina-se de rede vetorial de alta resolução apenas para denotar que esse vetor é oriundo das informações de alta resolução.

Cabe salientar que o critério de um valor mínimo de área de contribuição para caracterizar o início de um rio é bastante simplista e apenas deve ser utilizado visando obter uma layer de rede de drenagem ilustrativo, mas que não necessariamente indica a existência dos rios contidos nele. Quanto menor o valor da área de drenagem limite utilizada para diferenciar os pixels pertencentes ou não ao rio, maior ramificação será obtida na rede de drenagem vetorial. O valor utilizado deve ser escolhido de forma a não carregar demais a imagem nem deixar de exibir drenagem em grandes áreas da imagem.

Operação

O primeiro passo consiste em gerar uma imagem raster diferenciando os pixels situados acima e abaixo do limite de área de contribuição escolhido. Pode ser utilizado o comando RECLASS do Idrisi (opção do menu GisAnalysis/DatabaseQuery) para gerar tal imagem, como exemplificado na Figura 27. Nesse exemplo, foi escolhido o valor limite de 50 km2, de forma que os pixels cuja área de drenagem eram inferiores a 50 km2 recebem valor ‘0’ na nova imagem, e os pixels com área acima de 50 km2 (e abaixo de um valor limite bem extremo) ficam com valor ‘1’ na imagem a ser gerada, denominada de ‘DrenAlta.rst’.

Com a opção RASTERVECTOR (menu Reformat) do Idrisi, faz-se a conversão da imagem ‘DrenAlta.rst’ gerada no passo anterior para o formato vetorial. Deve-se escolher as opções ‘Raster to vector’ e ‘Raster to line’ tal qual exemplificado na Figura 28. Como se tratam de formatos distintos (raster e vetorial), optou-se por utilizar mesmo nome para o arquivo de saída. Na Figura 29 consta exemplo da imagem raster com pixels diferenciados se pertencentes (em cor vermelha) ou não (em cor branca) à rede de drenagem, e o respectivo resultado da conversão para a forma vetorial.

Figura 27 – Geração de imagem raster diferenciando pixels situados acima e abaixo do limite de 50 km2 de área de drenagem.

Figura 28 – Operação RASTERVECTOR para gerar a drenagem vetorial a partir da imagem raster com classificação dos pixels pertencentes à drenagem.

a b

Figura 29 – Exemplo de (a) raster com pixels classificados entre pertencentes (vermelho) ou não (branco) à rede de drenagem (imagem usando paleta QualW1 do

Idrisi); (b) imagem (a) convertida para vetor (visualização usando paleta

LineWdeUniformBlue1). Produto

- Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos DrenAlta.rst e DrenAlta.rdc), de alta resolução e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor 0 ou 1, conforme pertençam ou não à rede de drenagem, respectivamente.

- Arquivo vetorial DrenAlta.vct e documentação correspondente (DrenAlta.vdc) representando a rede de drenagem derivada das informações de alta resolução.

2.8 PREPARAÇÃO DE MÁSCARA DE BAIXA RESOLUÇÃO

Descrição

Caso tenha sido usada máscara de alta resolução nas etapas anteriores, obrigatoriamente deve-se empregar máscara de baixa resolução nas próximas etapas que apresentarem tal opção e, logo, esta etapa deve ser realizada. Caso não tenha sido utilizada máscara de alta resolução, esta etapa deve ser pulada.

A máscara de baixa resolução tem definição análoga à máscara de alta resolução: imagem raster da janela de trabalho onde cada elemento da imagem (agora denominado

respectivamente. Ou seja, a máscara de baixa resolução é a máscara de alta resolução reamostrada (Figura 30).

Figura 30 – Máscara de baixa resolução (corresponde à máscara de alta resolução da Figura 15), onde os pixels na região branca têm valor zero (serão considerados nos processos de cálculo posteriores), e os pixels nas regiões em cinza têm valor 1 e serão excluídos do cálculo nas rotinas de preparação de informações para o MGB-IPH.

Operação

Há duas formas simples de gerar a máscara de baixa resolução:

(a) usando o comando CONTRACT (opção do menu Reformat) do Idrisi (Figura 31): definem-se os fatores de contração nas direções x e y, sendo valores iguais e dados pelo quociente entre a baixa e a alta resolução; deve-se utilizar a opção pixel thinning (a

opção pixel aggregation geraria valores intermediários entre 0 e 1). Este comando

gerará arquivo raster da mesma região (mesmos vértices) do arquivo de entrada (máscara de alta resolução gerada no item 2.4), o qual constituirá a máscara de baixa resolução. Para essa operação, recomenda-se renomear os arquivos Mascara.rst e Mascara.rdc gerados no item 2.4 para MascaraAlta.rst e MascaraAlta.rdc.

Figura 31 – Geração de imagem de baixa resolução a partir de imagem de alta resolução, usando o comando Contract do Idrisi.

(b) usando o comando RASTERVECTOR do Idrisi (Figura 32): gera-se arquivo raster que corresponde à máscara de baixa resolução a partir da conversão do arquivo vetorial referente à máscara digitalizada no item 2.4. Deve-se sugerir um nome de um arquivo não existente para a imagem raster a ser criada (MascaraBaixa.rst, por exemplo), e isso permitirá que seja criada uma nova a partir daquele vetor. Deve-se usar

a opção polygon do raster. Como até este ponto ainda não existe nenhum arquivo raster

de baixa resolução da janela de trabalho, deve-se usar a opção “Define spatial parameters individually” e depois “output reference information” para definir

manualmente o número de linhas e colunas (valores pré-definidos já no item 2.2). Deve-se checar ainda Deve-se as coordenadas dos vértices da imagem correspondem aos vértices da janela de trabalho, bem como se o sistema de referência é “latlong” com unidade em

graus (“degrees”).

Após gerar o arquivo MascaraBaixa, seja no procedimento (a) ou no procedimento (b), deve-se usar o comando BUFFER (opção do menu Gis Analysis/Distance Operators) para alargar a região mascarada (cujos elementos têm valor 1), de forma que garanta que em nenhuma célula não mascarada existam pixels mascarados. Comumente isso pode ocorrer na região de fronteira entre as regiões mascarada e não mascarada. Com o comando BUFFER, escolhe-se o arquivo MascaraBaixa.rst como entrada e a distância de alargamento da máscara, em unidades da imagem. Caso a baixa resolução seja de 0.1º, por exemplo, o buffer width pode ser

definido como 0.2, ou seja, duas células de alargamento. As demais opções do comando devem ser especificadas tal qual apresentado na Figura 33. Isso gerará uma segunda máscara de baixa resolução que se difere da primeira apenas por ter a região mascarada ampliada. Essa segunda máscara deve substituir a original.

Figura 32 – Comando RasterVector do Idrisi sendo usado para transformar um vetor na forma de polígono (a) e gerar uma imagem raster ainda não existente (b), cujas

características (resolução, vértices, etc) são especificadas individualmente (c) e (d).

Produto

Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos MascaraBaixa.rst e MascaraBaixa.rdc), de baixa resolução (resolução definida no item 2.1) e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor 0 ou 1, conforme devam ou não ser incluídos em processos de cálculo posteriores, respectivamente.

Figura 33 – Comando BUFFER do Idrisi usado para alargar a região definida pela máscara de baixa resolução.

2.9 DERIVAÇÃO DAS DIREÇÕES DE FLUXO DE BAIXA RESOLUÇÃO

Descrição

A determinação das direções de fluxo e das áreas de drenagem acumuladas de alta resolução tem como objetivo principal servir como informação para a derivação das direções de fluxo de baixa resolução, isto é, a direção de fluxo de cada célula do modelo hidrológico. Esse processo é conhecido como upscaling de direções de fluxo e tem

apresentado resultados muito mais coerentes do que o procedimento mais simples que consistiria em determinar as direções de fluxo a partir do MNT reamostrado para a baixa resolução, através de algoritmos como o da rotina MNTAlta4A.

No procedimento de upscaling, geram-se direções de fluxo de baixa resolução

que se apresentam em boa concordância com as informações de mais alta definição, que são as direções de fluxo e as áreas de drenagem de alta resolução. Diversos algoritmos

de upscaling de direções de fluxo são apresentados na literatura, tais como: O’Donnell

et al. (1999), Wang et al. (2000), Fekete et al. (2001), Döll e Lehner (2002), Olivera et al. (2002), Reed (2003), Olivera e Raina (2003) e Shaw et al. (2005a, 2005b). Os softwares comerciais de geoprocessamento mais conhecidos (Idrisi, ArcView, ArcGis) não realizam operações desse tipo. Dentro do conjunto de pesquisas envolvendo o MGB-IPH, desenvolveu-se um algoritmo de upscaling de direções de fluxo baseado no

trabalho de Reed (2003), o qual está descrito em Paz et al. (2006) e implementado na rotina DirFluxo4.

O algoritmo da rotina DirFluxo4 consiste basicamente em identificar um pixel exutório para cada célula, seguir o caminho de fluxo de pixel em pixel a partir do pixel exutório da célula e conforme esse caminho traçado determinar para qual célula vizinha a célula analisada drena. O referido algoritmo pode ser resumidamente descrito em três etapas:

i. Determinação do pixel exutório de cada célula: para uma determinada célula,

escolhe-se inicialmente como pixel exutório aquele que apresenta a maior área de drenagem acumulada dentre todos os pixels contidos na célula; verifica-se o comprimento do curso d’água principal a montante desse pixel dentro da célula; caso esse comprimento seja superior a um valor mínimo pré-definido,

o pixel testado é aceito como pixel exutório; tal valor mínimo corresponde ao parâmetro denominado de Caminho Mínimo de Montante ou CMM, cujo valor recomendado é igual a 1/5 da dimensão da célula; caso não seja atendido o critério do CMM, verifica-se se o pixel testado é o que drena a maior porção da célula e, em caso positivo, tal pixel é aceito para pixel exutório; caso contrário, escolhe-se novo pixel para ser testado dentre os demais de acordo com a maior área de drenagem acumulada e repetem-se as verificações subsequentes (Figura 34);

ii. Atribuição das direções de fluxo: a atribuição da direção de fluxo para cada

uma das células é realizada percorrendo-se o caminho do escoamento desde seu pixel exutório; a cada pixel exutório de uma célula vizinha encontrado, verifica-se o incremento na área de drenagem; caso seja superior a um valor mínimo pré-definido, a célula analisada drena para essa célula vizinha; tal valor mínimo constitui um parâmetro denominado Área Incremental Mínima ou AIM, e tem valor recomendado igual à área da célula; caso não atenda ao critério da AIM, continua-se a percorrer o caminho do escoamento, até encontrar o pixel exutório de uma célula vizinha que satisfaça o critério mencionado ou que saia da vizinhança; nesse último caso, atribui-se a direção para a última célula visitada (Figura 35); situações particulares são tratadas especificamente, como descrito em Paz et al. (2006);

iii. Correção de cruzamentos: esporadicamente podem ocorrer cruzamentos entre

direções de fluxo de duas células, o que é desfeito com a correção da direção da célula cujo pixel exutório apresenta a menor área de drenagem acumulada dentre as duas células envolvidas (Figura 36).

Figura 34 – Determinação do pixel exutório no algoritmo de upscaling de direções de

fluxo. Para a célula B2 (a), inicialmente o pixel I é testado (maior área de drenagem acumulada) e rejeitado para pixel exutório (comprimento do curso d’água dentro da célula menor do que CMM); pelo mesmo motivo o pixel III é rejeitado; o pixel IV é então testado e aceito para pixel exutório da célula B2 (b). Fonte: adaptado de Paz et al. (2006).

Figura 35 - Exemplo de definição da direção de fluxo nas células (grade de baixa resolução) pelo algoritmo apresentado, com base nas informações dos pixels (grade de alta resolução). Para a célula 2, por exemplo: (a) seguindo o caminho de fluxo desde seu pixel exutório (PE2), encontra-se o pixel exutório da célula 3 (PE3); se o incremento de área > AIM, célula 2 drena para a célula 3 (b); caso contrário continua-se o caminho de fluxo e encontra-se o pixel PE4, e a célula 2 drena para a célula 4 (c). Fonte: adaptado de Paz et al. (2006).

Figura 36 - Correção de cruzamentos (a). Caso a área de drenagem do pixel exutório da célula 2 seja maior do que a área de drenagem do pixel exutório da célula 3, a direção de fluxo da célula 3 é alterada (b); caso contrário, altera-se a direção da célula 2 (c). Fonte: adaptado de Paz et al. (2006).

Operação

A rotina a ser executada é a DirFluxo4.

Um dos arquivos de entrada é o arquivo raster com as direções de fluxo de alta resolução, gerado no item 2.5. Deve-se renomear os arquivos Dir.rst (formato Idrisi/integer/binary) e Dir.rdc para DirAlta.rst e DirAlta.rdc, respectivamente. O outro plano de informação de entrada são as áreas de drenagem acumuladas de alta resolução (formato Idrisi/real/binary), geradas no item 2.6. Deve-se renomear os arquivos AreaAcu.rst e AreaAcu.rdc para AreaAlta.rst e AreaAlta.rdc.

Ao executar a rotina DirFluxo4, deve-se informar os valores em graus da baixa e da alta resoluções, e depois checar se o número de linhas e colunas calculados para a baixa resolução e apresentado na tela de saída da rotina está correto. Caso esteja correto deve-se prosseguir a execução da rotina, e informar se deseja ou não que seja lido arquivo referente à máscara de baixa resolução. Essa máscara foi gerada na etapa 2.7 e deve ser renomeada para Mascara.rst para entrada nesta rotina.

O passo seguinte é informar os valores dos parâmetros Área Incremental Mínima (AIM) e Caminho Mínimo de Montante (CMM). O valor usual de AIM é igual à área da célula (por exemplo, 100 km2 para células de 0,1º x 0,1º que equivale a 10 km x 10 km). Para o parâmetro CMM, o valor recomendado é igual a 1/5 da dimensão da célula (por exemplo, 2 km para célula de 0,1º x 0,1º). Atenção para as unidades dos parâmetros

AIM (km2) e CMM (km). Os valores do parâmetro AIM e principalmente do parâmetro CMM não foram exaustivamente analisados quanto à influência sobre o processo de upscaling de direções de fluxo. Sugere-se testar variações dos valores recomendados e observar a qualidade dos resultados.

A principal saída da rotina DirFluxo4 é o arquivo raster DirBaixa.rst (formato Idrisi/integer/binary), contendo as direções de fluxo dos elementos de baixa resolução (células), seguindo a mesma codificação usada pela rotina MNTAlta4A (Figura 18-a). O arquivo de documentação correspondente deve ser gerado fazendo cópia do arquivo Mascara.rdc (de baixa resolução). Após renomear o arquivo copiado para DirBaixa.rdc, abra-o no Idrisi e atualize a resolução e os valores mínimo e máximo da imagem usando o menu TOOLS (Figura 21). A imagem DirBaixa.rst deve ter aspecto semelhante à imagem DirAlta.rst, mas com elementos de maiores dimensões devido à diferença de resolução (Figura 37).

Dois arquivos de saída da rotina DirFluxo4 dizem respeito aos pixels exutórios determinados pelo algoritmo. O arquivo pixelexu.dat (em formato ascii) contém a linha

e a coluna do pixel exutório de cada célula, e serve como informação de entrada para a rotina Trechos posteriormente descrita. O outro arquivo é denominado PixelExu.rst (formato Idrisi/integer/binary), e trata-se de uma imagem raster de alta resolução onde todos os pixels têm valor 0 exceto aqueles selecionados como pixel exutório de alguma célula, que têm valor 1. Essa imagem é apenas informativa e pode ser usada para visualizar quais os pixels exutórios escolhidos pelo algoritmo, e entender como foi determinada a direção de fluxo de cada célula. É preciso gerar o arquivo de documentação PixelExu.rdc, o que pode ser feito copiando o arquivo DirAlta.rdc e renomeando essa cópia. Em seguida deve-se abrir o arquivo PixelExu.rdc no Idrisi e atualizar a resolução e os valores mínimo e máximo pelo comando TOOLS (Figura 21).

Figura 37 – Imagem raster com direções de fluxo de baixa resolução geradas pela rotina MNTAlta4A. Exemplo gerado para a bacia do Rio Grande (correspondente ao exemplo da Figura 22).

Produto

- imagem raster com as direções de fluxo de baixa resolução (arquivos DirBaixa.rst e DirBaixa.rdc), abrangendo a janela de trabalho (formato Idrisi/integer/binary), onde cada pixel contém um valor referente a sua direção seguindo codificação exemplificada na Figura 18-a;

- arquivo em formato ascii contendo o número da linha e da coluna do pixel

exutório de cada célula (arquivo pixelexu.dat);

- imagem raster de alta resolução (formato Idrisi/integer/binary), onde os pixels selecionados como pixel exutório de alguma célula têm valor 1 e os demais têm valor 0, abrangendo a janela de trabalho (arquivos PixelExu.rst e PixelExu.rdc).

2.10 EXTRAÇÃO DOS COMPRIMENTOS E DECLIVIDADES DOS TRECHOS DE RIO

Descrição

Alguns modelos hidrológicos têm um módulo para efetuar a propagação do escoamento ao longo da rede de drenagem, isto é, entre as células da discretização. O modelo MGB-IPH utiliza o método Muskingun-Cunge. Esse método, assim como outros métodos de propagação do escoamento, necessita de informações sobre o trecho de rio ao longo do qual é feita a propagação. No caso, precisa-se do comprimento e da declividade de cada trecho de rio associado à ligação entre duas células.

Na etapa 2.8 foram geradas as direções de fluxo de baixa resolução, isto é, a indicação de qual célula vizinha recebe o escoamento resultante de uma determinada célula. Para a propagação do escoamento, a maior simplificação quanto ao comprimento do trecho de rio seria considerar todos os trechos com comprimento igual à dimensão da célula, quando o trecho é entre duas células localizadas ortogonalmente entre si, ou igual a 1.4142 vezes a dimensão da célula, no caso de células em diagonal. Entretanto, isso significa uma enorme perda na qualidade da representação do processo físico, que pode conduzir ao mau ajuste do modelo ou forçar o ajuste dos parâmetros de forma compensatória. Por outro lado, informações de comprimentos e declividades dos trechos de rio, principalmente em grandes bacias, raramente estão disponíveis e a extração manual de tais informações a partir de mapas impressos representa tarefa inviável face às dimensões das bacias.

Seguindo as pesquisas envolvendo o desenvolvimento e aplicação do MGB-IPH, foi desenvolvido um algoritmo para extrair automaticamente os comprimentos e declividades dos trechos de rio associados à drenagem entre cada duas células. O algoritmo se baseia em informações de alta resolução já geradas em etapas anteriores (MNT, MNT com depressões removidas, áreas de drenagem acumuladas) e foi desenvolvido a partir do algoritmo de upscaling de direções de fluxo.

Basicamente, o algoritmo proposto consiste em associar a cada célula e calcular o comprimento de um trecho de rio, que pode ser composto por um sub-trecho (a montante do pixel exutório) ou dois sub-trechos (um a montante e outro a jusante do pixel exutório). As células que não recebem contribuição de outras células (ou seja, não têm nenhuma célula a montante) são consideradas células de cabeceira e não têm trecho de rio associado. Esse procedimento foi adotado visando estar compatível com a metodologia de simulação adotada no modelo hidrológico MGB-IPH. No referido

modelo, o escoamento superficial resultante do balanço em uma célula de cabeceira contribui diretamente para a célula de jusante, sem propagação ao longo de um trecho de rio (Collischonn e Tucci, 2001). O algoritmo está descrito em Paz e Collischonn (2007), podendo ser resumido da seguinte forma:

i. Identificação dos pixels exutórios: são lidas informações quanto à localização dos

pixels exutórios de cada célula, geradas pelo algoritmo de upscaling de direções de

fluxo (Figura 38-a e Figura 38-b);

ii. Determinação dos sub-trechos de rio a montante dos pixels exutórios: para cada

célula, excluindo as de cabeceira, calcula-se o comprimento do trecho de rio situado a montante do pixel exutório e até a borda da célula; para percorrer o caminho da drenagem no sentido oposto ao fluxo natural, o problema consiste em identificar a cada passo o pixel de montante; neste algoritmo o pixel de montante de um determinado pixel é definido como sendo aquele com a maior área de drenagem acumulada que drena para o pixel analisado; todos os pixels encontrados no caminho são marcados; a cada passo ortogonal é contabilizado o tamanho do pixel e a cada passo diagonal contabiliza-se 1.4142 vezes o tamanho do pixel (Figura 38-c);

iii. Determinação dos sub-trechos de rio a jusante dos pixels exutórios: todas as

células que não sejam de cabeceira são ordenadas em função da área de drenagem dos pixels exutórios de forma decrescente; seguindo tal ordem, para cada célula calcula-se o comprimento do trecho de rio situado a jusante do pixel exutório (fora da própria célula); o pixel de jusante de um determinado pixel é diretamente indicado pela sua direção de fluxo; assim como descrito no item anterior, cada pixel encontrado no caminho é marcado e o mesmo cálculo é adotado quanto a um passo ortogonal ou diagonal; o traçado do trecho a jusante do pixel exutório é encerrado apenas ao encontrar um pixel já marcado (seja no passo ii ou neste passo iii) ou quando sai da área de estudo (Figura 38-d);

iv. Cálculo do comprimento total dos trechos de rio: para cada célula, excluídas as de

cabeceira, o comprimento do trecho de rio associado é dado pela soma dos comprimentos dos sub-trechos de montante e de jusante (Figura 38-e);

v. Cálculo da declividade dos trechos de rio: para uma determinada célula i, a

declividade do trecho de rio correspondente (Srioceli) é calculada pela expressão

(

)

Z são a elevação do terreno dos pixels mais jusante e mais a montante, respectivamente, do trecho de rio associado à célula; e Lrioceli é o comprimento do trecho de rio da célula.

O algoritmo proposto associa a cada célula de baixa resolução um trecho de rio composto por pixels (grade de alta resolução), de modo que a rede de drenagem de alta resolução é dividida entre as várias células. Com a possibilidade de que parte do trecho de rio associado a uma célula esteja situada fora dos seus limites (o que se denominou sub-trecho de jusante), evita-se que trechos de rio de alta resolução não sejam contabilizados nem associados a nenhuma célula. Por outro lado, a marcação dos pixels já contabilizados, seja no sub-trecho de montante seja no sub-trecho de jusante, garante que nenhum pixel (ou seja, nenhum trecho de drenagem de alta resolução) seja