@MastersThesis{Freitas:2014:DrNeWa,
author = "Freitas, Henrique Renn{\'o} de Azeredo",
title = "Drainage networks and watersheds delineation derived from
TIN-based digital elevation models",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2014",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2014-10-02",
keywords = "digital elevation models, triangulated irregular networks (TIN),
flats (landforms), pits, drainage, modelos digitais de
eleva{\c{c}}{\~a}o, redes irregulares trianguladas, {\'a}reas
planas, fossos, drenagem.",
abstract = "Digital Elevation Models (DEMs) are objects of great importance in
many studies of natural sciences and one relevant area of their
application is hydrology, as from a DEM it is possible to generate
drainage networks and watersheds, which are essential elements in
the understanding of hydrological processes. All the methods
developed to generate drainage networks from a DEM depend on its
representation and the most common representation is given by
regular grids, where elevation values are assigned to cells
uniformly distributed over space. However, this representation
presents limitations in the flow directions, which are defined in
only eight distinct directions. This work considers the terrain
model given by a Triangulated Irregular Network (TIN) generated
from contour lines and sampled points, where the terrain surface
is modeled by several triangles defined from a set of points
adequately distributed over space, so that the TIN can efficiently
adapt to its irregularities. In addition, flow directions on TINs
encompass a11 the possible directions and depend on the slope of
the triangles, so this structure is more flexible regarding the
calculation of water flows. The triangulation used in this work is
the constrained Delaunay triangulation and the method that
generates drainage networks considers flow directions given by the
gradient of the plane defined from each triangle. Problems that
commonly occur in DEMs such as flat areas and pits, which create
inconsistencies in the terrain model and discontinuities in flows,
also deserve special attention. In the present work, flat areas
are removed by the insertion of new points into the triangulation
with interpolated elevation values and pits by the definition of
paths of points starting from the pit until reaching another point
of lower elevation, where all these points have their elevation
values re-interpolated. Most importantly, this work describes a
methodology for calculating drainage paths from a TIN traced by
processing the triangles with an associated priority and then
connected defining a drainage graph structure, which is proposed
in this work for the calculation of accumulated flows. Afterwards,
drainage networks are generated according to given threshold
values and watersheds are then delineated from the drainage
networks. A11 the results from the TIN are qualitatively compared
to regular grid results generated with the TerraHidro
computational platform developed at INPE and also to an available
drainage network produced by specialists and considered here as a
reference of the main courses of water over the terrain. Results
are very promising showing that TIN terrain models can be used to
generate drainage networks from accumulated flows consistent with
real-world hydrological patterns. RESUMO: Modelos Digitais de
Eleva{\c{c}}{\~a}o (MDEs) s{\~a}o objetos de grande
import{\^a}ncia em muitos estudos das ci{\^e}ncias naturais e
uma {\'a}rea relevante de sua aplica{\c{c}}{\~a}o {\'e} a
hidrologia, pois a partir de um MDE {\'e} poss{\'{\i}}vel gerar
redes de drenagem e bacias hidrogr{\'a}ficas, as quais s{\~a}o
elementos essenciais no entendimento de processos
hidrol{\'o}gicos. Todos os m{\'e}todos desenvolvidos para gerar
redes de drenagem a partir de um MDE dependem da sua
representa{\c{c}}{\~a}o e a representa{\c{c}}{\~a}o mais comum
{\'e} dada por grades regulares, onde valores de
eleva{\c{c}}{\~a}o s{\~a}o atribu{\'{\i}}dos em c{\'e}lulas
uniformemente distribu{\'{\i}}das no espa{\c{c}}o. Entretanto,
essa representa{\c{c}}{\~a}o apresenta limita{\c{c}}{\~o}es
nas dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo, as quais s{\~a}o definidas em
apenas oito dire{\c{c}}{\~o}es distintas. Este trabalho
considera o modelo de terreno dado por uma Rede Triangular
Irregular (Triangulated Irregular Network ou TIN) gerada de curvas
de n{\'{\i}}vel e pontos amestrados, onde a superf{\'{\i}}cie
do terreno {\'e} modelada por v{\'a}rios tri{\^a}ngulos
definidos a partir de um conjunto de pontos adequadamente
distribu{\'{\i}}dos no espa{\c{c}}o, de forma que o TIN pode
eficientemente se adaptar as suas irregularidades. Al{\'e}m
disso, dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo sobre TINs abrangem todas as
dire{\c{c}}{\~o}es poss{\'{\i}}veis e dependem da declividade
dos tri{\^a}ngulos, de modo que essa estrutura {\'e} mais
flex{\'{\i}}vel ao se considerar o c{\'a}lculo dos fluxos de
{\'a}gua. A triangula{\c{c}}{\~a}o utilizada neste trabalho
{\'e} a triangula{\c{c}}{\~a}o de Delaunay restrita e o
m{\'e}todo que gera redes de drenagem considera
dire{\c{c}}{\~o}es de fluxo dadas pelo gradiente do plano
definido por cada tri{\^a}ngulo. Problemas que comumente ocorrem
em MDEs tais como {\'a}reas planas e fossos, os quais criam
inconsist{\^e}ncias no modelo de terreno e descontinuidades nos
fluxos, tamb{\'e}m merecem aten{\c{c}}{\~a}o especial. No
presente trabalho, {\'a}reas planas s{\~a}o removidas pela
inser{\c{c}}{\~a}o de novos pontos na triangula{\c{c}}{\~a}o
com valores de eleva{\c{c}}{\~a}o interpolados e fossos pela
defini{\c{c}}{\~a}o de caminhos de pontos iniciando do fosso
at{\'e} alcan{\c{c}}ar um outro ponto de menor
eleva{\c{c}}{\~a}o, onde todos esses pontos t{\^e}m seus
valores de eleva{\c{c}}{\~a}o reinterpolados. Sobretudo, este
trabalho descreve uma metodologia para calcular caminhos de
drenagem a partir de um TIN tra{\c{c}}ados ao processar os
tri{\^a}ngulos com uma prioridade associada e depois conectados
definindo uma estrutura de grafo de drenagem, a qual {\'e}
proposta neste trabalho para o c{\'a}lculo de fluxos acumulados.
Posteriormente, redes de drenagem s{\~a}o geradas de acordo com
determinado ti valores ele limiar e bacias hidrogr{\'a}ficas
s{\~a}o ent{\~a}o delimitadas a partir das redes de drenagem.
Todos os resultados do TIN s{\~a}o comparados qualitativamente a
resultados de grade regular gerados com a plataforma computacional
TerraHidro desenvolvida no INPE e tamb{\'e}m a uma rede de
drenagem dispon{\'{\i}}vel, produzida por especialistas e
considerada aqui como uma refer{\^e}ncia dos principais cursos
d'{\'a}gua no terreno. Os resultados s{\~a}o bastante
promissores mostrando que modelos de terreno TIN podem ser
utilizados para gerar redes de drenagem a partir de fluxos
acumulados consistentes com padr{\~o}es hidrol{\'o}gicos
reais.",
committee = "Vinhas, L{\'u}bia (Presidente) and Freitas, Corina da Costa
(Orientador) and Rosim, Sergio (Orientador) and Oliveira,
Jo{\~a}o Ricardo de Freitas (Orientador) and Santos, Rafael
Duarte Coelho dos and Sousa J{\'u}nior, Wilson Cabral de",
englishtitle = "Redes de drenagem e delimita{\c{c}}{\~a}o de bacias
hidrogr{\'a}ficas derivadas de modelos digitais de
eleva{\c{c}}{\~a}o baseados em TIN",
language = "en",
pages = "115",
ibi = "8JMKD3MGP3W/3HDPRRS",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W/3HDPRRS",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}