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Escola Superior de Tecnologia e de Gestão

Licenciatura em Engenharia Civil

4º ano

Hidráulica Aplicada 2 – Trabalho Prático

Caracterização geométrica de bacias hidrográficas a partir de Imagens de Satélite

Guião para execução do trabalho

Mário Nuno Moreira Matos Valente

2004

ESTIG – Engenharia Civil

Hidráulica Aplicada 2 – Trabalho Prático de Hidrologia – 1ª Parte


Mário Nuno Valente – 24 Nov 2004 1

1º Passo – Instalação do 3DEM

Obtenção do software de visualização de dados da NASA Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). Um exemplo

para ler estes dados é o 3DEM Software for Terrain Visualization and Flyby Animation.

2º Passo – DEM de Portugal

Obtenção dos modelos digitais de terreno disponibilizados pela missão SRTM da NASA.

NOTA: Os dados disponibilizados pela NASA estão divididos em elementos com um grau

latitude por um grau de longitude de dimensão em projecção “geográfica”, o que quer dizer

que são apresentações restar sem projecção nenhuma mas fáceis de manipular e juntar em

mosaico.

Os nomes do ficheiros referem-se à latitude e longitude do canto inferior esquerdo do

elemento, por exemplo o ficheiro N37W105 tem o seu canto inferior esquerdo a 37º Norte

latitude e 105º Oeste longitude.

As Alturas estão em metro referenciadas ao geóide WGS84.

3º Passo – Preparação do DEM da área em estudo

Através da ferramenta 3DEM deverá ser preparado o ficheiro em formato USGS ASCII DEM para importação para o

ArcView 3.2. Para esse efeito deverá ser escolhida somente a área da bacia em estudo de forma a aliviar o peso do

ficheiro final.

NOTA: Sugere-se a visualização do Atlas do Ambiente Digital disponibilizado pelo

Instituto do Ambiente para localização da bacia em estudo, nomeadamente através das

layers “Principais Bacias Hidrográficas”, “Rede Hidrográfica” e “Concelhos”. (o registo

no site do Instituto do ambiente é gratuito)

4º Passo – Obtenção do Software HEC-geoHMS 1.1

O Geospatial Hydrologig Modeling Extension é uma extensão para o ArcView 3.2 que permite delinear automaticamente

bacias hidrográficas a partir de imagens de satélite. É fornecido gratuitamente pelo US Army Corps of Engineers –

Hydrologic Engineering Center.

5º Passo – Processamento da área delimitada no passo 3

Depois de activada a extensão HEC-geoHMS 1.1 no ArcView deverão ser seguidos os passos descritos no capítulo 11

do manual do HEC-geoHMS 1.1 para a área em estudo

6º Passo – Preparação do relatório

Deverá ser apresentado um relatório com os parâmetros de caracterização da bacia hidrográfica em estudo de acordo

com o resumo apresentado nas aulas práticas (exclui-se nesta fase a curva hidrodinâmica).





3º Passo – Preparação do DEM da área em estudo 1. Lançar a aplicação 3DEM.

2. No menu FILE,

opção LOAD TERRAIN

MODEL, seleccionar o

tipo de ficheiro relativo

ao projecto SRTM

(como na figura ao

lado)

3. Os ficheiros obtidos do site da NASA

ftp://edcsgs9.cr.usgs.gov/pub/data/srtm/Eurasia/

deverão ser descompactados antes de se

iniciar este processo. Na janela OPEN

SRTM HEIGHT DATA FILE escolher os

diferentes elementos para a área em

estudo. (No exemplo ao lado, todo o Norte

de Portugal).

4. Com o auxílio do Atlas do Ambiente

Digital (que pode ser obtido gratuitamente

no site do Instituto do Ambiente:

http://www.iambiente.pt/atlas/est/index.jsp )

localizar a área da bacia pretendida.





5. No menu OPERATION, aplicar a função

SELECT SMALLER AREA à zona

pretendida. (cuidado para abranger a

totalidade da zona em estudo) Na figura ao

lado apresenta-se o exemplo da zona que

abrange o Rio Fervença, o Rio Sabor e o

Rio Maçãs.

6. No menu OPERATION, opção CHANGE

PROJECTION, escolher CONVERT TO

UTM PROJECTION de forma a mudar a

projecção do modelo. Escolher o Elipsóide

WGS84.

7. No menu FILE, escolher a opção SAVE

USGS ASCII DEM para exportar o modelo

do terreno para um formato compatível com

o ArcView 3.2. Dar um nome ao ficheiro

representativo da bacia em questão. (neste

caso o nome escolhido será

FERVENCA.DEM)





3º Passo – Preparação do DEM da área em estudo (Localização da área

em estudo)

1. No site do Instituto do Ambiente, fazer o

download da rede hidrográfica portuguesa

em formato compatível com ArcView 3.2.

No fundo da página aparece um botão para

download do ficheiro, mas é necessário

proceder a um registo gratuito antes de

aceder à página de downloads.

http://www.iambiente.pt/atlas/est/index.jsp

2. Executar o ArcView GIS 3.2. Na janela de WELCOME, criar um novo

projecto com uma nova vista (VIEW).

3. Adicionar dados à vista criada.

4. A janela de ADD THEME permite

procurar o ficheiro RIOS.SHP (Shape File –

formato dos ficheiros do ArcView) que foi

descarregado do Atlas do Ambiente.

ATENÇÃO: é importante definir o DATA

SOURCE TYPE no canto inferior esquerdo

para FEATURA DATA SOURCE.





5. O aspecto do ArcView GIS 3.2 deverá

ser qualquer coisa próxima da figura ao

lado. A janela da vista que foi criada no

passo 2 (VIEW1), mostra o ficheiro

RIOS.SHP que foi adicionado no passo 4.

6. Para visualizar a forma dos RIOS

seleccionar o quadrado vazio que aparece

na janela VIEW1 perto do RIOS.SHP.

7. Para efectuar um ZOOM IN utilizar o

botão:

8. Para obter informação sobre os diversos

rios, seleccionar o botão IDENTIFY:

E clicar sobre o elemento que se pretende

identificar. (Neste caso o Rio Fervença)





5º Passo – Processamento da área delimitada no passo 3 Os passos que se seguem pressupõem que o ArcView 3.2 se encontra instalado bem como o HEC-geoHMS 1.1. Para

fazer o download gratuito do HEC-geoHMS visitar o site http://www.hec.usace.army.mil/

1. Abrir o ArcView e criar um novo projecto

em branco (AS A BLANK PROJECT):

- no menu FILE seleccionar

EXTENSIONS…

- procurar na lista o HEC-GeoHMS 1.1.

- activar a extensão HEC-GeoHMS 1.1.

- fazer OK.

2. Se o GeoHMS foi bem instalado e

activado, deverá acrescentar dois novos

tipos de vistas MAINVIEW e PROJVIEW.

3. Antes de iniciar o tratamento das

imagens será necessário proceder à sua

importação para o ArcView:

- criar uma nova vista VIEW1 (botão NEW).

- no menu FILE seleccionar a opção

IMPORT DATA SOURCE.

4. Seleccionar o tipo de ficheiro como

USGS DEM.





5. Escolher o ficheiro DEM que foi

preparado anteriormente no programa

3DEM. (FERVENCA.DEM)

6. Escolher um nome e um directório para o

ficheiro GRID (formato dos modelos digitais

de terreno compatível com o ArcView).

Neste caso FERVENCA.

O NOME E O DIRECTÓRIO NÃO PODEM

CONTER ESPAÇOS!!!!

O ArcView durante o processo de

conversão cria dois directórios, um com o

nome escolhido – FERVENCA e outro com

o nome INFO.

7. Não adicionar o GRID criado à vista

actual

8. Criar uma nova MAINVIEW:

- seleccionar MAINVIEW na janela do

projecto (janela da esquerda na figura ao

lado).

- carregar no botão NEW para criar uma

nova MAINVIEW.





9. Adicionar o ficheiro GRID criado

anteriormente:

- no menu VIEW seleccionar a opção ADD

THEME…

- na janela de diálogo de ADD THEME

seleccionar o GRID DATA SOURCE em

DATA SOURCE TYPES.

- escolher o ficheiro GRID criado

anteriormente.

10. Gravar o projecto em FILE, opção

SAVE PROJECT AS…

10. No menu THEME seleccionar a opção

PROPERTIES. Notar que neste caso

existem cerca de 500 mil células (895

linhas por 590 colunas) com 90m de

definição, o que cobre uma área total de

4277 km2.

11. Iniciar o pré-processamento do terreno

através do menu TERRAIN

PREPROCESSING, opção FILL SINKS. Na

janela de diálogo deste passo deverá

aparecer em RAWDEM o ficheiro criado no

passo 6.





12. No final do passo anterior (que demorou

cerca de 5 minutos para a área em exemplo

e pode demorar bastante mais dependendo

da área total e da capacidade do

computador) aparece a seguinte janela de

confirmação:

13. No menu TERRAIN

PREPROCESSING, opção FLOW

DIRECTION deverá aparecer a seguinte

janela:

Após o processamento (20 segundos)

obtém-se a imagem ao lado.





14. No menu TERRAIN

PREPROCESSING, opção FLOW

ACCUMULATION deverá aparecer a

seguinte janela:

Após o processamento (2 minutos) obtém-

se a imagem ao lado.

15. No menu VIEW, opção PROPERTIES,

deverão ser escolhidas as unidades do

mapa (neste caso METERS) e as unidades

de distância (também METERS).

16. No menu TERRAIN

PREPROCESSING, opção STREAM

DEFINITION deverá aparecer a seguinte

janela:

17. Na janela seguinte define-se o tipo de

área mínima para iniciação de cursos de

água AREA IN DISTANCE UNITS

SQUARED.

É de notar que a planta em estudo tem 4277 km2 (passo 10), que equivale a 4.277E9 m2. Na janela seguinte o

programa identifica a maior bacia que existe dentro da planta em estudo, neste caso 2.82E9 m2, e pede ao utilizador

para definir o seu critério de definição de bacias. Se a planta foi criado com cuidado o valor apresentado pelo programa

será a área da bacia pretendida.





18. Na janela seguinte define-se a área

contributiva mínima que um determinado

curso de água deverá ter para ser

reconhecido como curso de água principal.

Neste exemplo está a ser avaliada a sub-bacia do Rio Fervença que foi

estudada na aula prática, portanto pretendemos identificar bacias com

áreas da ordem dos 7000 ha.

19. No menu TERRAIN


SEGMENTATION deverá aparecer a

seguinte janela:

Após o processamento (1 minuto) obtém-se

a imagem ao lado.





20. No menu TERRAIN

PREPROCESSING, opção WATERSHED

DELINEATION deverá aparecer a seguinte

janela:

Após o processamento (5 minutos) obtém-

se a imagem ao lado.

21. No menu TERRAIN


POLYGON PROCESSING deverá aparecer

a seguinte janela:







22. No menu TERRAIN


SEGMENT PROCESSING deverá aparecer

a seguinte janela:



23. No menu TERRAIN


AGGREGATION deverá aparecer a

seguinte janela:



Reconhece-se na imagem a Sub-Bacia do

Fervença que foi estudada nas aulas

práticas.





6º Passo – Preparação do relatório O menu HMS PROJECT SETUP na MAINVIEW é responsável pela extracção da informação necessária da base de

dados espacial e pela criação de um projecto de HMS. O procedimento para extracção de informação envolve a

especificação de pontos de controlo na secção de jusante dos rios em estudo para definição da bacia.

1. Para definir um novo nome de projecto e

criar um directório para conter os ficheiros

que lhe estão associados:

- no menu HMS PROJECT SETUP

seleccionar STAR NEW PROJECT…

- introduzir o nome do novo projecto

(máximo de 8 caracteres

- fazer OK.

2. Definir a secção de jusante do rio em estudo:

- seleccionar a ferramenta (Specify Outlet Point),

- escolher a secção de jusante do rio em estudo.

- Definir o nome do ponto (Outlet).

3. Activando o tema PROJAREA.SHP

visualiza-se a área contribuinte para secção

definida anteriormente.

4. Seleccionar no menu HMS PROJECT SETUP

a opção GENERATE PROJECT:

- Seleccionar o método para geração do projecto.





1º método: ORIGINAL STREAM DEFINITION – este método utilizará a definição dos rios utilizada anteriormente (5º

passo – nº 18).

2º método: A NEW THRESHOLD – este método permite definir um novo limite para definição de sub-bacias. Na janela

seguinte escolhe-se o tipo de limite a definir (AREA IN DISTANCE UNITS SQUARED).

Na janela seguinte (ENTER THE AREA IN DISTANCE UNITS SQUARED TO INITIATE A STREAM), o programa

informa qual o tamanho da maior bacia existente na área em estudo e sugere iniciar um rio para cada bacia com 1% do

tamanho da maior bacia. Em muitos casos 1% será insuficiente para se conseguir uma malha de rios com uma

densidade suficiente para a análise pretendida. Valores como 0.1% ou 0.01% poderão gerar um maior número de rios,

mas ao mesmo tempo geram um grande número de sub-bacias. (ver sugestão no final deste passo)

5. Na janela (GENERATE THE NEW

PROJECT) responder YES.

6. Na janela seguinte, escolher uma

descrição para o projecto criado (6º passo-

nº 1).

7. No final da criação do projecto o

programa indica o directório onde estão

armazenados todos os ficheiros relativos à

bacia definida. Esta localização é

fundamental para mais tarde se localizarem

os ficheiros.





8. O projecto criado surge agora numa

PROJVIEW com o nome definido no nº1.

SUGESTÃO: Para os mesmos dados de base, ie, para a mesma MAINVIEW, é possível criar diversos projectos

independentes. Desta maneira será aconselhável gerar diferentes projectos (repetindo os números 1 a 8) com limites

para definição de rios diferentes, de forma a escolher o projecto que apresente a melhor densidade de linhas de água.

Exemplos:

Limite para definição de rios 10%

Limite para definição de rios 1%

Limite para definição de rios 0.1%





6º Passo – Preparação do Relatório – Perguntas Frequentes

Como juntar sub-bacias?

Após o pré-processamento do terreno ter sido realizado na janela MAINVIEW, os dados relevantes para o projecto da

secção definida são colocados numa janela PROJVIEW, que permite ao utilizador rever a delineação de sub-bacias. A

junção de duas sub-bacias deve obedecer às seguintes regras:

- As sub-bacias devem partilhar um ponto de confluência ou

- As sub-bacias devem ser adjacentes a montante ou jusante

- É permitido juntar mais que duas sub-bacias.

Para juntar duas bacias:

- Activar o tema WATERSHP.SHP, clicando no seu nome

na lista de temas da vista PROJVIEW com a ferramenta

POINTER . O tema activo aparece em relevo.

- Com a ferramenta SELECT escolher as sub-bacias

a unir.

- No menu BACIN PROCESSING escolher BASIN

MERGE.

- Os resultados da operação de junção aparecem com um

contorno vermelho. Para aceitar esses resultados

seleccionar YES.

Como definir o comprimento do curso de água mais longo?

No menu BASIN CHARACTERISTICS através da opção LONGEST FLOW PATH pode-se calcular uma série de

características físicas da bacia em estudo.

SUGESTÃO: É de notar que esta função calcula o comprimento do curso de água mais longo de cada sub-bacia, para

se obter o comprimento do curso de água mais longo de toda a bacia em estudo será conveniente juntar todas as sub-

bacias numa só antes de executar este passo.

- No menu BASIN CHARACTERISTICS seleccionar a

opção LONGEST FLOW PATH.

- O programa pergunta qual o nome dos ficheiros a utilizar

(utilizar os valores por defeito).

- A unidade vertical do DEM é metros.





Como definir um perfil longitudinal?

- Activar o tema RIVER.SHP com a

ferramenta POINTER .

- Seleccionar os segmentos do rio que se

pretende estudar com a ferramenta SELECT

.

- No menu BASIN PROCESSING escolher

a opção RIVER PROFILE.

Como criar um histograma com a distribuição de altitudes?

A função de histograma de valores está incluída no ArcView. Para adicionar um histograma de altitudes:

- Criar uma VIEW nova.

- Adicionar um tema novo no menu VIEW opção ADD THEME.

- Escolher o tipo de tema como GRID DATA SOURCE.

- Na pasta com o nome do projecto (definido no 6º passo – nº1) seleccionar o tema FILGRI1. (os ficheiros respeitantes

ao projecto criado no 6º passo encontram-se todos na pasta indicada no 6º passo – nº7)

- Para editar as cores utilizadas bem como o

espaçamento dos intervalos de cotas no menu THEME

seleccionar EDIT LEGEND.

- Para alterar os valores de cada intervalo de cores editar

o campo VALUE.

- Para acrescentar mais linhas utilizar o botão +

- Criar o Histograma com o botão .

- Para obter o número de células em cada intervalo de

cotas, utilizar a ferramenta IDENTIFY.

(é necessário relembrar que cada célula tem por

dimensões 90 m x 90 m)





Como medir o comprimento de todos os cursos de água?

- Activar o tema RIVER.SHP com a ferramenta POINTER (o tema RIVER.SHP deverá aparecer em relevo)

- No menu THEME seleccionar EDIT LEGEND.

- Carregar no botão STATISTICS.

- Na lista de campos (FIELD) seleccionar o campo

LENGTH.

- Os valores apresentados representam parâmetros

estatísticos relativos ao campo escolhido (comprimento)

de todos os objectos que fazem parte do tema

seleccionado.

Como imprimir a rede de cursos de água da bacia em estudo?

- Ligar os temas que se pretendem imprimir com a ferramenta POINTER .

- No menu VIEW seleccionar LAYOUT.

- Escolher a orientação pretendida para a folha.

- Editar os diversos elementos e as suas posições na

página.

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