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
Caracterização geométrica de bacias hidrográficas a partir de Imagens de Satélite
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).
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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.
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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)
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
PREPROCESSING, opção STREAM
SEGMENTATION deverá aparecer a
seguinte janela:
Após o processamento (1 minuto) obtém-se
a imagem ao lado.
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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
PREPROCESSING, opção WATERSHED
POLYGON PROCESSING deverá aparecer
a seguinte janela:
Após o processamento (10 segundos)
obtém-se a imagem ao lado.
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22. No menu TERRAIN
PREPROCESSING, opção STREAM
SEGMENT PROCESSING deverá aparecer
a seguinte janela:
Após o processamento (10 segundos)
obtém-se a imagem ao lado.
23. No menu TERRAIN
PREPROCESSING, opção WATERSHED
AGGREGATION deverá aparecer a
seguinte janela:
Após o processamento (30 segundos)
obtém-se a imagem ao lado.
Reconhece-se na imagem a Sub-Bacia do
Fervença que foi estudada nas aulas
práticas.
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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.
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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.
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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%
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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.
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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)
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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.