| Home | Página Principal | Módulo Mix | Módulo Usuários | |
EXTRAÇÃO DE REDE DE DRENAGEM DE IMAGEM DE RADAR USANDO MODELOS DIGITAIS DE TERRENOSergio Rosim Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Sergio Roberto Matielo Pellegrino ResumoA extração automática de rede de drenagem de uma região do Polígono das Secas no nordeste do país é mostrada. A metodologia empregada faz uso de um modelo numérico de elevação gerado por interferometria SAR representado em modelo de grade regular retangular. O algoritmo que implementa essa metodologia extrai a rede em duas fases principais: definição dos fluxos da rede, que usa apenas um fator Kt (Kt = 3 até Kt = 6) relacionado ao detalhamento da rede, e eliminação de artefatos indesejáveis, como por exemplo "loops" gerados na fase anterior. Um complemento é usado para tratamento de depressões que, normalmente, não aparecem no relevo real. A visualização dos resultados será apresentada sobrepondo a rede de drenagem e a imagem original, sendo que será gerado um resultado para cada fator Kt. Este trabalho foi desenvolvido sob a plataforma SPRING - Sistema de Processamento de Informações Georeferenciadas, um produto da Divisão de Processamento de Imagens – DPI, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE. AbstractThis paper presents an automatic extraction of drainage network for the "Polígono das Secas" in the Northeastern Brazil. The methodology uses a regular grid digital terrain model obtained through SAR interferometry. The automatic procedure has two main steps: network stream definition, which uses a threshold Kt (ranging from 3 to 6) to establish detail level, and unwanted artifact elimination (like loops, for example). The method also removes depressions that are unlikely to exist in the real topography. Each threshold Kt generates a result, which is displayed superimposed to the original image. This study used SPRING (Georeferenced Information Processing System), a GIS developed at the Image Processing Division (DPI) of the Brazilian National Institute for Space Research (INPE). MOTIVAÇÃOA rede de drenagem de uma região geográfica define os caminhos de escoamento de líquidos, normalmente água de chuva, de acordo com o relevo da região. A informação por ela gerada é usada em atividades diversas, tais como: estudo de relevo, determinação de áreas com risco de erosão do solo, transporte de poluentes, delimitação de áreas inundadas e estudo de bacias hidrográficas. Nas últimas duas décadas vários métodos foram criados com o objetivo de extrair a rede de drenagem automaticamente, usando modelos de dados conhecidos como Modelos Numéricos de Terrenos – MNT, em particular o modelo de grade regular retangular. Este modelo é regular pois apresenta espaçamento igual na horizontal e na vertical podendo ser diferente nos dois eixos (FELGUEIRAS, 1998). Cada ponto da grade possui uma posição geográfica e um valor de elevação. Esta elevação é calculada, na maioria das vezes, por um processo de interpolação das amostras adquiridas, que representam o relevo da região alvo, segundo algum critério de vizinhança. A grade, pela facilidade em utilizá-la, tornou-se o modelo sobre o qual desenvolveu-se a maioria dos métodos de extração de rede de drenagem, como o método empregado neste trabalho. Uma fora de gerar a grade regular consiste em utilizar a técnica de interferometria. A essa grade deu-se o nome de modelo de elevação de radar ou modelo de elevação interferométrico (MURA, 1992). Este modelo é gerado a partir de duas imagens complexas SAR (de intensidade e fase). Elas podem ser adquiridas em uma mesma plataforma, com duas antenas separadas de uma distância chamada de linha de base, ou utilizando uma antena com duas passagens sobre a mesma área. A fase de cada pixel da imagem original está relacionada com a elevação do terreno. A diferença de fase entre pixels correspondentes nas duas imagens originais possibilita a criação modelo de elevação do terreno, ou seja, de uma grade regular retangular. EXTRAÇÃO DA REDE DE DRENAGEMO método utilizado (MEISELS, 1995), conhecido como Algoritmo de Esqueletização em Vários Níveis, extrai a rede de drenagem por um processo de busca contínua em caminhos de mesma elevação, produzindo uma série de esqueletos que formarão os fluxos da rede. É composto por um núcleo principal de extração da rede, um algoritmo de enumeração para eliminação de "loops", resultantes da esqueletização, e de processamento auxiliar para eliminação de depressões que, normalmente, aparecem em um modelo digital mas não existem no terreno. Um aspecto de destaque deste método é o fato de não necessitar de parâmetros fornecidos pelo usuário, como na maioria dos métodos de extração de redes usando grade regular. O usuário deve fornecer somente um valor de patamar Kt, para definir o nível de detalhamento da rede, sendo que Kt com valor menor gera uma rede mais detalhada. A seguir, são descritos os principais elementos deste método. O algoritmo do núcleo principal extrai a rede de drenagem percorrendo a grade toda, repetidamente, para cada valor de elevação nela existente, ou seja, percorre a grade por linhas de contorno. Existe uma ligação entre curvatura de uma linha de contorno com a existência de escoamento d’água. Como a busca é feita do início do fluxo para seu final é necessário que se ordene os valores de elevação da grade na forma decrescente. Inicialmente, a cada ponto, com valor de elevação máximo, atribui-se o valor de elevação de fundo ou "background" (DELAZARI, 1996), iniciando a busca a partir da elevação imediatamente inferior. Esse valor de fundo é usado para determinação dos pontos da grade que pertencem à rede. Assim, justifica-se a troca inicial pois elevações maiores definem, potencialmente, fluxo passando por seus vizinhos. Neste método, o fluxo será definido em relação ao número de vizinhos que tenham elevação maior que o ponto pesquisado, em relação a duas condições: grau de curvatura e conectividade, descritas a seguir. O grau de curvatura de um ponto é estimado de acordo com o número de valores de fundo (de elevação maior) contíguos necessários, com o patamar Kt, considerando os seus oito vizinhos. A Figura 1 (MEISELS, 1995) mostra esta regra para todos os valores de Kt utilizados neste método com elipses brancas como "background".
A conectividade pesquisa o número de vezes que há o cruzamento de valor de fundo na vizinhança do ponto central. O encontro de dois ou mais cruzamentos na sua vizinhança implica em fluxo passando pelo ponto. Para que se defina um ponto da grade como pertencendo a um fluxo da rede de drenagem basta que uma das condições anteriores seja verdadeira. O algoritmo, mostrado a seguir, apresenta os passos para determinar a rede de drenagem sendo dividido em duas fases. A primeira faz uma busca de acordo com o critério de grau de curvatura das linhas de contorno. A segunda fase usa o critério de conectividade para determinar a continuidade de toda rede, a partir dos pontos extraídos na fase anterior. A Figura 2 mostra o resultado do algoritmo de extração da rede de drenagem aonde pode-se observar que alguns artefatos não pertencentes à rede (loops e pontos terminais) foram também gerados.
Para resolver esses problemas efetua-se uma fase de pós processamento onde empregam-se, em seqüência, dois algoritmos conhecidos como algoritmo de enumeração e algoritmo que percorre a rede. O algoritmo de enumeração atua sobre todos os valores de elevação da grade enumerando os pontos pertencentes ao fluxo de baixo para cima. O algoritmo seguinte finaliza a rede percorrendo-a de cima para baixo eliminado os artefatos anteriormente citados. O resultado é apresentado na Figura 3 sobrepondo-se a rede final e no estágio anterior, sem enumeração.
RESULTADOS OBTIDOSA região de estudo utilizada encontra-se no Polígono das Secas do Nordeste brasileiro e faz parte do projeto de transposição das águas do Rio São Francisco. Nesta fase, que é de levantamento de dados, a execução está sendo feita pela Fundação FUNCATE, de São José dos Campos, que cedeu as imagens para este trabalho. O conjunto de dados é composto por uma imagem que mostra a região e outra que contém o modelo de elevação já convertido para níveis de cinza. A Figura 4a mostra a imagem da região com um retângulo que delimita a parcela da imagem que foi realmente utilizada e a Figura 4b a imagem de elevação.
O programa foi executado quatro vezes, usando Kt = 3, Kt = 4, Kt = 5 e Kt = 6. Pode-se observar a diferença de detalhamento entre as três representações. A Figura 5 mostra cada resultado sobrepondo a imagem original à rede de drenagem.
O resultado da rede de drenagem foi convertido de imagem para representação vetorial. Dessa forma, pode-se editar a rede e corrigir falhas ou inserir segmento que não foram extraídos automaticamente. A edição sempre será necessária para complementar o processo automático. A continuidade deste trabalho irá no sentido de verificação de qualidade dos resultados com métodos manuais para que se possa chegar a um ponto de utilização real dessa metodologia. Além disso, no que se refere ao sistema SPRING o objetivo é dotá-lo de um módulo completo para extração de redes de drenagens usando também modelos de redes triangulares irregulares. BIBIOGRAFIADELAZARI, L.S. 1996; "Extração Automática de Redes de Drenagem a partir de Modelos Digitais de Terrenos", Dissertação de Mestrado, Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas, Universidade Federal do Paraná. FELGUEIRAS, C.A. 1998, "Curso de Modelagem Digital de Terrenos e Aplicações", apostila do curso de SPRING. MEISELS, A.; RAIZMAN, S.; KARNIELI, A. 1995; "Skeletonizing a DEM into Drainage Network", Computers & Geosciences, V. 1, pp. 187-196. MURA, J.C. 1992; "Mapeamento Topográfico por Interferometria utilizando Imagens SAR do ERS-1", SIBGRAPI V, pp. 61-64.
| Home | Página Principal | Módulo Mix | Módulo Usuários | |
