@PhDThesis{Jardim:2017:MéFoQu,
author = "Jardim, Alexandre Copertino",
title = "Dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo em modelos digitais de
eleva{\c{c}}{\~a}o: um m{\'e}todo com foco na qualidade da
estimativa e processamento de grande volume de dados",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2017",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2017-04-07",
keywords = "algoritmo, dire{\c{c}}{\~o}es de Fluxo, modelo digital de
eleva{\c{c}}{\~a}o, redes de drenagem, fossos, algorithm, flow
direction, digital elevation model, drainage networks, pits.",
abstract = "As dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo s{\~a}o dados essenciais para
modelagem hidrol{\'o}gica. Estas dire{\c{c}}{\~o}es permitem
simular o caminho que a {\'a}gua e materiais transportados como
sedimentos, contaminantes, nutrientes, etc., podem percorrer. Das
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo s{\~a}o derivadas as
delimita{\c{c}}{\~o}es de bacias hidrogr{\'a}ficas, as
{\'a}reas de contribui{\c{c}}{\~a}o dos rios, a rede de
drenagem, o comprimento e declividade de trechos de drenagem, os
descritores de terreno, o {\'{\i}}ndice topogr{\'a}fico, entre
outros. A qualidade destes produtos depende da qualidade das
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo. As dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo
s{\~a}o extra{\'{\i}}das de modelos computacionais de
representa{\c{c}}{\~a}o do relevo do terreno conhecidos como
Modelo Digital de Eleva{\c{c}}{\~a}o (MDE). A
representa{\c{c}}{\~a}o para MDE mais comum e utilizada {\'e} a
grade regular retangular. Entretanto, os MDE quase sempre possuem
c{\'e}lulas da sua grade onde n{\~a}o {\'e} poss{\'{\i}}vel
definir uma dire{\c{c}}{\~a}o de fluxo. Essas c{\'e}lulas
s{\~a}o chamadas de fossos. A remo{\c{c}}{\~a}o dos fossos
{\'e} necess{\'a}ria para a gera{\c{c}}{\~a}o de MDE
hidrologicamente consistente. Mas o processo de
remo{\c{c}}{\~a}o altera os valores originais de altimetria do
MDE. Essas altera{\c{c}}{\~o}es podem introduzir erros e
influenciam diretamente na qualidade das dire{\c{c}}{\~o}es de
fluxo obtidas e, consequentemente, em todos os produtos derivados
da grade de dire{\c{c}}{\~a}o de fluxos. Esta Tese trata dos
aspectos relevantes aos m{\'e}todos de extra{\c{c}}{\~a}o de
dire{\c{c}}{\~a}o de fluxos. S{\~a}o duas as principais
contribui{\c{c}}{\~o}es deste trabalho: (1) apresenta
inova{\c{c}}{\~o}es no m{\'e}todo para definir
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo de MDE representado por grade
regular, com melhora na qualidade da estimativa para as
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo e, consequentemente, uma melhora nos
produtos derivados destas dire{\c{c}}{\~o}es e, (2) projeta,
implementa e testa um conjunto de fun{\c{c}}{\~o}es que permite
a computa{\c{c}}{\~a}o destas inova{\c{c}}{\~o}es
metodol{\'o}gicas e seu uso para trabalhar com bases de dados de
MDE em escala global. Uma nova abordagem h{\'{\i}}brida {\'e}
proposta para a corre{\c{c}}{\~a}o de fossos, que procura
estabelecer a menor modifica{\c{c}}{\~a}o do MDE original e, ao
mesmo tempo, n{\~a}o prejudicar a qualidade das
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxos e dos produtos derivados. Uma prova
de conceito foi estabelecida com base em estudo comparado, para os
resultados do m{\'e}todo proposto nesta Tese. O m{\'e}todo
proposto foi avaliado contra cinco m{\'e}todos presentes em
diferentes ambientes computacionais de processamento para
defini{\c{c}}{\~a}o de dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo. Foram
comparadas as diferen{\c{c}}as entre o MDE original e o
corrigido, gerado por cada m{\'e}todo testada. As
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo foram comparadas indiretamente
atrav{\'e}s da qualidade das redes de drenagem obtidas quando se
utiliza cada um dos m{\'e}todos. Foram utilizadas duas
{\'a}reas-teste. A primeira {\'a}rea compreende um trecho do rio
Crepori, um afluente do rio Tapaj{\'o}s localizado na cidade
Jacareacanga do estado do Par{\'a}. A segunda {\'a}rea
compreende toda bacia hidrogr{\'a}fica do Rio Purus. Esta bacia
abrange os estados brasileiros do Acre e do Amazonas e parte do
Peru. Em uma classifica{\c{c}}{\~a}o final, utilizando
m{\'e}tricas de qualidade que consideram dois quesitos em
conjunto: (a) a menor altera{\c{c}}{\~a}o no MDE original e, (b)
a qualidade das estimativas de dire{\c{c}}{\~a}o dos fluxos
observada indiretamente pela qualidade da rede de drenagem
derivada, o m{\'e}todo proposto desta Tese obteve o melhor
desempenho. ABSTRACT: 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 Tapaj{\'o}s River located
in the city of Jacareacanga in the state of Par{\'a}. 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.",
committee = "Vijaykumar, Nandamudi Lankalapalli (presidente) and Monteiro,
Ant{\^o}nio Miguel Vieira (orientador) and Oliveira, Jo{\~a}o
Ricardo de Freitas (orientador) and Sant'Anna, Sidnei Jo{\~a}o
Siqueira and Renn{\'o}, Camilo Daleles and Rudorff, Conrado de
Moraes and Pellegrino, Sergio Roberto Matiello",
englishtitle = "Flow directions from digital elevation models: a methodology
focused on the quality of estimation and processing of large
data",
language = "pt",
pages = "133",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3NT7EN5",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3NT7EN5",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}