Detalhes bibliográficos
| Ano de defesa: |
2017 |
| Autor(a) principal: |
Alexandre Copertino Jardim |
| Orientador(a): |
Antônio Miguel Vieira Monteiro,
João Ricardo de Freitas Oliveira |
| Banca de defesa: |
Sidnei João Siqueira Sant'Anna,
Camilo Daleles Rennó,
Conrado de Moraes Rudorff,
Sergio Roberto Matiello Pellegrino |
| Tipo de documento: |
Tese
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| Tipo de acesso: |
Acesso aberto |
| Idioma: |
por |
| Instituição de defesa: |
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
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| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
BR
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| Resumo em Inglês: |
The flow directions are essential data in hydrological modeling. These directions allow simulating the stream path of water and transported materials such as sediments, contaminants, nutrients, etc. River basin delimitations, river contribution areas, drainage network, length and slope of drainage stretches, terrain descriptors, topographic index, among others, are derived from flow directions. The quality of these products depends on the quality of the flow directions. The flow directions are extracted from computational terrain relief models known as the Digital Elevation Model (DEM). The most common and used DEM representation is the regular rectangular grid. However, DEMs almost always have cells in their grid where it is not possible to define a flow direction. These cells are called pits. The pits removal is necessary to generate MDE hydrologically consistent. However, the removal process alters the original EDM altimetry values. These changes can introduce errors and directly influence the quality of the flow directions obtained and, consequently, all products derived from the flow direction grid. This Thesis deals with aspects relevant to methods of extracting flow directions. There are two main contributions of this work: (1) presents innovations in the methodology to define flow directions from DEMs represented by regular rectangular grids, with improvement in the quality of the estimation of the flow directions and, consequently, an improvement in the products derived from these directions and, (2) designs, implements and tests a set of functions that allows the computation of these methodological innovations and their use to work with DEMs databases on global scale. A new hybrid approach is proposed for pits correction, which seeks to establish the least modification of the original DEM and, at the same time, not to impair the quality of the flow directions and derived products. A proof of concept was established based on a comparative study, for the results of the methodology proposed in this Thesis. The proposed methodology was evaluated against five methodologies present in different computational processing environments for the definition of flow directions. The differences between the original and the corrected DEM generated by each methodology were compared. The flow directions were compared indirectly through the quality of the drainage networks obtained when using each of the methodologies. Two test areas were used. The first area comprises a stretch of the Crepori River, a tributary of the Tapajós River located in the city of Jacareacanga in the state of Pará. The second area comprises the entire catchment area of the Purus River. This basin covers the Brazilian states of Acre and of Amazon and, part of Peru. In a final classification, using quality metrics that consider two questions together: (a) the lowest change in the original DEM and, (b) the quality of the flow direction estimates observed indirectly by the quality of the drainage network. The methodology of this thesis obtained the best performance. |
| Link de acesso: |
http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/05.17.13.26
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Resumo: |
As direções de fluxo são dados essenciais para modelagem hidrológica. Estas direções permitem simular o caminho que a água e materiais transportados como sedimentos, contaminantes, nutrientes, etc., podem percorrer. Das direções de fluxo são derivadas as delimitações de bacias hidrográficas, as áreas de contribuição dos rios, a rede de drenagem, o comprimento e declividade de trechos de drenagem, os descritores de terreno, o índice topográfico, entre outros. A qualidade destes produtos depende da qualidade das direções de fluxo. As direções de fluxo são extraídas de modelos computacionais de representação do relevo do terreno conhecidos como Modelo Digital de Elevação (MDE). A representação para MDE mais comum e utilizada é a grade regular retangular. Entretanto, os MDE quase sempre possuem células da sua grade onde não é possível definir uma direção de fluxo. Essas células são chamadas de fossos. A remoção dos fossos é necessária para a geração de MDE hidrologicamente consistente. Mas o processo de remoção altera os valores originais de altimetria do MDE. Essas alterações podem introduzir erros e influenciam diretamente na qualidade das direções de fluxo obtidas e, consequentemente, em todos os produtos derivados da grade de direção de fluxos. Esta Tese trata dos aspectos relevantes aos métodos de extração de direção de fluxos. São duas as principais contribuições deste trabalho: (1) apresenta inovações no método para definir direções de fluxo de MDE representado por grade regular, com melhora na qualidade da estimativa para as direções de fluxo e, consequentemente, uma melhora nos produtos derivados destas direções e, (2) projeta, implementa e testa um conjunto de funções que permite a computação destas inovações metodológicas e seu uso para trabalhar com bases de dados de MDE em escala global. Uma nova abordagem híbrida é proposta para a correção de fossos, que procura estabelecer a menor modificação do MDE original e, ao mesmo tempo, não prejudicar a qualidade das direções de fluxos e dos produtos derivados. Uma prova de conceito foi estabelecida com base em estudo comparado, para os resultados do método proposto nesta Tese. O método proposto foi avaliado contra cinco métodos presentes em diferentes ambientes computacionais de processamento para definição de direções de fluxo. Foram comparadas as diferenças entre o MDE original e o corrigido, gerado por cada método testada. As direções de fluxo foram comparadas indiretamente através da qualidade das redes de drenagem obtidas quando se utiliza cada um dos métodos. Foram utilizadas duas áreas-teste. A primeira área compreende um trecho do rio Crepori, um afluente do rio Tapajós localizado na cidade Jacareacanga do estado do Pará. A segunda área compreende toda bacia hidrográfica do Rio Purus. Esta bacia abrange os estados brasileiros do Acre e do Amazonas e parte do Peru. Em uma classificação final, utilizando métricas de qualidade que consideram dois quesitos em conjunto: (a) a menor alteração no MDE original e, (b) a qualidade das estimativas de direção dos fluxos observada indiretamente pela qualidade da rede de drenagem derivada, o método proposto desta Tese obteve o melhor desempenho. |
