Qual Limite de Acúmulo de Fluxo Devo Usar?

basperheim

Uma versão mais antiga deste blog referencia o USGS WaterWatch como a fonte dos dados de escoamento para a ferramenta de geoprocessamento Create Runoff Raster. A ferramenta e o blog foram atualizados para usar um conjunto de dados global de escoamento de resolução mais alta do TerraClimate.<\/EM><\/FONT><\/P>Contexto<\/FONT><\/H2>A delimitação e análise das redes de córregos dentro de um ambiente de Sistema de Informação Geográfica (GIS) é uma tarefa fundamental na análise hidrológica e do terreno. Essas redes servem como uma estrutura espacial para modelar o fluxo de água, limites da bacia hidrográfica e processos de hidrologia superficial. Embora criar redes de córregos possa ser computacionalmente intensivo e metodologicamente complexo, os benefícios que elas proporcionam à análise espacial e modelagem ambiental são substanciais.<\/P>Em fluxos de trabalho típicos de GIS, as redes de córregos são derivadas de Modelos Digitais de Elevação(DEMs) através de uma sequência de etapas de processamento hidrológico: preenchimento de depressões, modelagem da direção do fluxo, acumulação do fluxo e limiarização dos córregos. Entre essas, definir o limiar de iniciação do córrego, a área mínima contribuinte necessária para que um canal seja considerado um córrego, é particularmente desafiador e altamente dependente do contexto.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Muitos usuários perguntam pelo limiar "perfeito" para sua área de interesse, mas nenhum valor universal se aplica a todas as paisagens. O limiar apropriado varia com os padrões regionais de precipitação, permeabilidade do solo, cobertura vegetal, relevo topográfico e geologia subjacente. Por exemplo, em ambientes áridos ou semiáridos, o escoamento superficial é menos frequente e tende a se concentrar em canais menos numerosos e mais episódicos, necessitando um limiar maior de acumulação do fluxo para definir características significativas dos córregos. Por outro lado, em regiões úmidas ou com baixo relevo, o fluxo superficial raso pode formar caminhos contínuos de drenagem com áreas contribuintes relativamente baixas, exigindo um limiar menor para representação precisa.<\/P>Nossa abordagem para delimitação dos córregos baseia-se na metodologia desenvolvida pelo U.S. Geological Survey (USGS) para fornecer um meio consistente e baseado em critérios hidrológicos para delimitação da rede de córregos. Especificamente, ela se baseia no \u201c<\/EM>Método Baseado em Fluxo para Geração de Córregos em GIS\u201d<\/EM><\/A> por Michael E. Wieczorek (USGS, 2017), que introduz um fluxo de trabalho baseado em GIS para gerar redes de córregos baseadas em valores estimados de fluxo, ao invés apenas em limiares arbitrários de acumulação da área. Este método aproveita dados públicos disponíveis sobre escoamento juntamente com DEMs para produzir redes que correspondem a um limiar definido de fluxo; como mencionado acima, não existe um limiar "perfeito", mas por padrão a ferramenta usa um limiar de fluxo de 1 pé cúbico por segundo. Ao ancorar a delimitação em critérios hidrológicos, esta técnica melhora a consistência e interpretabilidade entre paisagens e oferece uma alternativa cientificamente robusta às abordagens mais subjetivas baseadas apenas na acumulação da área. <\/P> <\/P>

Novas Ferramentas Arc\u202fHydro<\/FONT><\/H2>Para incorporar mais fatores físicos e climáticos na delimitação dos córregos, Arc Hydro<\/A> a extensão gratuita para ArcGIS Pro, agora inclui duas ferramentas de geoprocessamento:<\/P>

1. Create Runoff Raster<\/STRONG><\/LI>Create Streams with Flow Threshold<\/STRONG><\/LI><\/OL> <\/SPAN><\/P><\/span><\/P> <\/P>Juntas, essas ferramentas implementam o método baseado em fluxo do USGS. Em vez de definir córregos por um número fixo de células a montante, essa abordagem usa dados reais de escoamento e estimativas da taxa do fluxo para determinar onde os córregos iniciam.<\/P>O fluxo começa calculando dados anuais do escoamento e convertendo-os em um raster com a mesma resolução do DEM. Uma grade de fluxo é então criada usando o DEM e o raster do escoamento via uma função de acumulação do fluxo, com o raster do escoamento servindo como raster peso. Isso resulta em uma grade onde cada célula representa o volume total da água que flui para ela em um ano.<\/P>Esses valores anuais do fluxo são convertidos para taxas tradicionais (pés cúbicos por segundo - cfs - ou metros cúbicos por segundo - cms) via álgebra cartográfica. Os analistas podem então aplicar um limiar hidrológico absoluto (por exemplo, 1cfs) para definir onde os córregos começam, ao invés de depender apenas da contagem relativa das células. Os limiares podem ser baseados em fluxos médios, medianos, sazonais ou baseados em eventos, permitindo uma abordagem flexível porém padronizada entre regiões diversas.<\/P> <\/P>

Create Runoff Raster<\/FONT><\/H3>Esta ferramenta baixa valores do escoamento para uma área definida e ano selecionado, convertendo-os em um raster com a mesma extensão, tamanho das células e projeção que o DEM fornecido. Os dados do escoamento vêm do TerraClimate<\/A>, um conjunto mensal climático e balanço hídrico climático para superfícies terrestres globais desde 1950 até o presente. Esses dados fornecem entradas importantes para estudos ecológicos e hidrológicos em escala global que requerem alta resolução espacial e dados variáveis no tempo. Todos os dados têm resolução temporal mensal e resolução espacial ~4 km (1\u002F24 grau) sendo atualizados anualmente. <\/SPAN><\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>

Create Streams with Flow Threshold<\/FONT><\/H3>Esta ferramenta produz um raster binário dos córregos calculando a direção do fluxo e acumulação do fluxo a partir do DEM, ponderando esses resultados com o raster do escoamento para gerar valores nos pixels representando o fluxo (volume por tempo). O parâmetro Flow Threshold<\/EM> define o escoamento mínimo necessário para que uma célula qualifique-se como córrego. O valor padrão é 1cfs, conforme recomendado pelo USGS, mas você pode ajustá-lo para obter redes mais densas ou mais dispersas.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Caso Prático<\/FONT><\/H2>Abaixo está um exemplo simplificado da geração da rede dos córregos baseada no escoamento. O único pré-requisito é um DEM. (Se você precisar dele, use a ferramenta Download<\/>DEM<\/><\/><\/> Arc Hydro)<\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/><\/><\/> <\/>  

Passo 1 \u2013 Create Runoff Raster

Execute Create Runoff Raster com seu DEM como Input \u202fDEM \u202fRaster e selecione o ano desejado.

 

 

Threshold<\/STRONG>, usando:<\/P>Input<\/EM><\/EM>DEM<\/EM><\/EM>Raster<\/EM>: o mesmo DEM do Passo1<\/LI>Input<\/EM><\/EM>Runoff<\/EM><\/EM>Raster<\/EM>: o raster de runoff do Passo1<\/LI>Flow<\/EM>Threshold<\/EM>: deixe em 1cfs ou modifique conforme necessário<\/LI><\/UL> <\/P><\/span><\/P> <\/P>O raster de fluxo de saída (Str.tif neste caso) pode parecer sutil em escalas pequenas; ao dar zoom, revela a rede de fluxo derivada.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Passo 3<\/FONT>013;-<\/SPAN>Converter Para Vetor (Opcional)<\/FONT><\/H3>Opcionalmente, execute Stream to Feature<\/STRONG> para converter a rede raster em feições vetoriais.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Em apenas três passos de geoprocessamento, dados locais de runoff foram incorporados aos dados de terreno para derivar uma rede de fluxo.<\/P> <\/P>Por Que Duas Ferramentas Separadas?<\/FONT><\/H3>Para maximizar a flexibilidade, o fluxo de trabalho para derivação da rede foi intencionalmente dividido em duas ferramentas de geoprocessamento. Isso permite que analistas usem seus próprios dados de runoff, especialmente aqueles que trabalham com conjuntos de dados de resolução mais alta. Embora esses usuários possam pular a ferramenta Create Runoff Raster<\/STRONG>, eles ainda podem aproveitar totalmente Create Streams with Flow<\/STRONG> Threshold<\/STRONG> para gerar redes de fluxo. Ao desacoplar as ferramentas, o fluxo de trabalho suporta uma gama mais ampla de dados hidrológicos além do TerraClimate.<\/P> <\/P>Conclusão<\/FONT><\/H2>Definir um limite de acumulação de fluxo para delineamento da rede de fluxo tem sido um desafio para os profissionais GIS hidrológicos. Limites tradicionais arbitrários baseados na contagem de células frequentemente falham em paisagens com clima, terreno e hidrologia variados. Ao utilizar Create Runoff Raster<\/STRONG> e Create Streams with Flow Threshold<\/STRONG>, os analistas agora dispõem de um método objetivo e baseado em dados para a iniciação dos fluxos, ancorado em medições reais de runoff e fluxo.<\/P>Essa abordagem baseada no fluxo melhora a consistência, transparência e reprodutibilidade das redes derivadas, seja você trabalhar em bacias alpinas íngremes ou planícies aluviais de baixa elevação. À medida que a modelagem hidrológica evolui, integrar dados do mundo real nos fluxos GIS será essencial. Essas ferramentas ArcHydro ajudam a preencher essa lacuna, permitindo redes que representam com mais precisão os processos da paisagem. Encorajamos profissionais GIS, pesquisadores e gestores de recursos a explorar essa metodologia e compartilhar feedback para refinar e expandir sua utilidade.<\/P> <\/P>Notas Adicionais<\/FONT><\/H2>Requisitos de Software: Ambas as ferramentas utilizam funções das extensões ArcGIS Spatial Analyst e ArcGIS Image Analyst; certifique-se de possuir licenças válidas.<\/P>