Estrutura baseada em grafos para representação unificada de fluxos locais para modelagem hidrológica distribuída

• Ano de defesa: 2008
• Autor(a) principal: Sergio Rosim
• Orientador(a): Antonio Miguel Vieira Monteiro, Camilo Daleles Rennó
• Banca de defesa: Luiz Antonio Nogueira Lorena, Antonio Donato Nobre, Marcelo Tílio M. de Carvalho, Sérgio Roberto Matiello Pellegrino
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
• País: BR
• Resumo em Inglês: The local flow distribution in a water basin is the most important element to develop distributed hydrology modeling oriented to hydrological resources management. Water flow is primary determined by the surface characteristics. The underlying premise is that terrain topography is the primary factor in determining these local flows. GIS practitioners have long explored mathematical representations and computer data structures for terrain topography and a set of functions, for extracting the surface water flow. The basis for terrain topography representation in GIS is the partitioning of the tota region extent in a set of elements. Different computer data structures based on regular grids (DEM), triangular irregular networks (TIN), contour lines and irregular polygons tessellations have long been used to represent terrain topography. This situation establishes that the local flow representation is entirely dependent upon the data structure used to represent the terrain topography. To overcome the drawback of having a local flow representation strongly coupled with a particular data structure for terrain topography we present in this thesis a new framework named Geographical Aware Graphbased Coupling Structure - G-GCS. Its fundamental concept is to provide a formal representation as a basis for a unified computer local water flow data structure independent of the data structures used for representing terrain topography. The main advantage of our proposed approach is to decouple the local flow representation from the set of operations needed for its manipulation. A set of operations for water basin modeling and management applications can then be formally defined and a computational framework for spatially explicit distributed hydrology modeling can be designed. New data structures for surface representation can be incorporated into this framework with no impact on existing running models. The set of basic operations can be easily extended and more complex operation can be built on the top of the basic operators set. In order to proof the concepts of the G-GCS proposal a simple, but much used, distributed hydrology model have been implemented using a hydrology modeling prototyping environment based in Haskell and the TerraLib GIS library (Terra-HS) The same model was implemented in the PCRaster system that has local flow representations bound to a grid structure and a comparative analysis is made.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2008/07.14.18.25

A distribuição dos fluxos locais em uma bacia hidrográfica é o elemento mais importante para o desenvolvimento de modelos hidrológicos distribuídos. A premissa fundamental é que a topografia do terreno é o principal fator para a determinação dos fluxos locais. As representações matemáticas e as estruturas computacionais, que armazenam a topografia do terreno, e o conjunto de funções, que extraem o fluxo da superfície de uma bacia, têm sido explorados pelos usuários dos Sistemas de Informações Geográficas (SIG). A idéia básica para a representação da topografia do terreno em SIG é a partição do terreno em um conjunto de elementos, chamados de células. As estruturas de grades regulares (DEM), redes triangulares irregulares (TIN), curvas de nível e polígonos irregulares (Diagramas de Voronoi) são diferentes estruturas computacionais empregadas na partição da topografia do relevo de bacias hidrográficas. Os fluxos locais são inteiramente dependentes da estrutura de dados empregada na representação da topografia do terreno. Apresenta-se nesta tese uma nova abordagem para representar e manipular os fluxos locais chamada de Geographical Aware Graph-based Coupling Structure - G-GCS. Esta proposta supera a limitação imposta pelo acoplamento entre fluxo local e as estruturas de representação do terreno unificando de fluxos locais obtidos a partir de diferentes estruturas de representação do terreno. A G-GCS desacopla a representação dos fluxos locais e as funções necessárias à sua manipulação. Define-se formalmente um conjunto de operações, que executam aplicações de modelagem hidrológica em uma bacia hidrográfica. A inserção de novas estruturas para representação da superfície não impacta os modelos já construídos. O conjunto de operações básicas pode ser facilmente estendido, servindo de suporte para a elaboração de funções mais complexas. Para provar o conceito da G-GCS, utilizou-se um modelo hidrológico distribuído simples, mas muito utilizado. O protótipo desenvolvido para esta abordagem utilizou um ambiente de programação que integra a linguagem funcional Haskell com a biblioteca GIS TerraLib (Terra-HS). O mesmo modelo foi implementado no sistema PCRaster que possui o modelo DEM como estrutura de dados para representação da topologia do terreno e um modelo matricial para a representação do fluxo local. Uma análise comparativa dos resultados alcançados pelos dois sistemas é apresentada.