O documento descreve o Hydroflow, um software livre que processa dados geográficos vetoriais de redes de drenagem sem necessidade de dados altimétricos. O Hydroflow associa fluxos de escoamento à geometria das drenagens e hierarquiza a rede usando métodos como Strahler. Ele fornece resultados úteis para análises de grafos e modelagem hidrológica.

1. Software livre
Hydroflow 1.0
O lançamento - 01/set/2015

2. O que é o Hydroflow?
Um software livre que processa dados
geográficos vetoriais de uma rede de
drenagem - contexto de Sistemas de
Informações Geográficas (SIG)!

3. Um exemplo de representação da rede de
drenagem - Bacia do Rio do Turvo

4. Elementos notáveis da rede
Exutório
Afluência/Foz
Nascente

5. O que o Hydroflow faz?
1) Associa à geometria das drenagens o
respectivo fluxo de escoamento da água.
2) Hierarquiza uma rede de drenagem pelos
métodos Strahler e Shreve.

6. As drenagens são representadas por polilinhas
vetoriais, geralmente o fluxo da drenagem é
dado pela sequência dos vértices da
geometria:
1) Associar o fluxo à geometria
1 2
3
4
5
6

7. Nem sempre a criação
da linha de drenagem
respeita o fluxo de
escoamento...
1) Associar o fluxo à geometria

8. 2) Hierarquizar a rede - ex. Strahler
Técnicas para
agrupar canais
para estudos
hidrológicos e
correlatos...

9. Para que o resultado do Hydroflow serve?
Geralmente o resultado não é um fim em si -
aplicado a outros processamentos no SIG.
Principais aplicações com o fluxo da
drenagem:
- Análises de grafo sobre a rede
- Modelagem de superfícies - ex. MDT-HC

10. Para que o resultado do Hydroflow serve?
Principais aplicação com a hierarquização:
- Identificação explícita das nascentes e dos canais de
ordem 1;
- Determinação da ordem máxima da bacia e seleção da
ordem para divisão em sub-bacias;
- Agrupamento dos canais para estudos hidrológicos
(inundação, erosão, infiltração no solo, …)

11. Motivação inicial do Hydroflow
Eu era um técnico e me colocaram para hierarquizar o
Bacia do Rio do Turvo manualmente:

12. Motivação atual do Hydroflow
+ dados produzidos
+ aplicativos disponíveis
+ cultura do SIG espraiada
Precisamos de ferramentas de análise também
mais fáceis para que possamos agregar mais
valor a nossas análises!

13. Como o Hydroflow faz?
Por princípio de análise de grafos:
- Determina a topologia da rede (qual drenagem se
conecta em qual)
- Cria uma árvore binária
- Visita a árvore em pré-ordem para determinar fluxos e
hierarquia

14. Como o Hydroflow faz?
O principal esforço é determinar a topologia:
quem está conectado em quem?

15. Como o Hydroflow faz?
Utiliza-se do algoritmo de varredura do plano
(plane sweep) para determinar a topologia com
eficiência.

16. Como o Hydroflow faz?
Sabendo a topologia, o segredo é o exutório!

17. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
No início, se olha o exutório.
Exutório

18. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Fase 1: o exutório é a única extremidade de drenagem
que não toca em outra drenagem E não é uma
nascente...

19. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
O fluxo do segmento que toca o exutório só pode ser
um!

20. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Anda-se à montante. Em cada afluência duas
drenagens confluem e outra diverge. Já sabemos
quem diverge...

21. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
E se segue com a lógica, sempre andando à montante

22. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
E se segue com a lógica...

23. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
E se segue com a lógica...

24. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Todos os segmentos visitados quando se chega em
todas as nascentes!

25. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Fase 2: retorna-se calculando a ordem (ex. Strahler)

26. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Anda-se agora à jusante. Primeiro os segmentos de
ordem 1
1
11
1
1
1
1

27. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Se segue à jusante. Só se classifica um segmento
quando todos aos seu montante estão classificados
1
11
1
1
1
2
2
1

28. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Se segue à jusante. Só se classifica um segmento
quando todos aos seu montante estão classificados
1
11
1
1
1
2
2
12
2

29. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Se segue à jusante. Só se classifica um segmento
quando todos aos seu montante estão classificados
1
11
1
1
1
2
2
12
22

30. Ilustrativo exemplo do algoritmo...
Fim!
Obs: o algoritmo não é exatamente assim por questão de desempenho...
1
11
1
1
1
2
2
12
22
3

31. O que o Hydroflow faz de diferente?
Não depende de dados altimétricos;
É totalmente automático (sem intervenção do
usuário)
Calcula a topologia da rede, uma vez que
normalmente não a temos.

32. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Baseiam-se na análise de superfície MDT-HC.
Vejamos os passos típicos no ArcGIS for
Desktop...

33. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Passo 1 - se gera uma superfície interpolada:
ou se tem um MDT pronto (ex. SRTM)

34. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Passo 2 - se remove as depressões (sinks) da
superfície (passível de distorções)
Passo 3 - Cálculo do
D8 para direção de
fluxo

35. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Passo 4 - se calcula o acúmulo de fluxo

36. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Passo 5 - o usuário escolhe um limiar de corte,
células com acúmulo de fluxo maior do que o
limiar são consideradas drenagens!
Passo 6 - identificar os segmentos e a rede
Passo 7 - hierarquizar a rede
Passo 8 - converter para vetor

37. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Então se tem uma rede hieraquizada e com
fluxo correto:

38. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Mas essas drenagens são aproximadas, pois
dependem do limiar de corte escolhido e não
refletem as condições que resultam em
drenagens reais!

39. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Colocando
as drenagens
mapeadas
em vermelho
sobre as
aproximadas:

40. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Damos 8 passos para termos drenagens
aproximadas com fluxos e hierarquias, o
Hydroflow faz em um passo apenas e sem
necessitar do MDT.
Obs: MDT-HC e análise de escoamento
superficial possuem outras aplicações além
desta que o Hydroflow cobre.

41. Por comparação, como outros aplicativos
de SIG fazem hoje?
Por fim, uma das entradas que podemos
fornecer para gerar um melhor MDT-HC são as
drenagens mapeadas com fluxo associado - o
Hydroflow faz essa atribuição de fluxo
automaticamente!

42. O que é preciso fornecer ao Hydroflow?
1) Um arquivo Shapefile (*.shp) com a rede de
drenagem;
2) Um arquivo Shapefile com o ponto do
exutório;
a) Alternativamente é possível fornecer o limite da
bacia, pois então o Hydroflow considera como
exutório o ponto onde uma das drenagens da rede
toca o limite da bacia.

43. Estrutura dos dados de entrada para o
Hydroflow
Para que a topologia seja corretamente
calculada, é necessário um controle de
qualidade sobre a rede de drenagem:
- Drenagens afluentes conectadas
- Drenagens fragmentadas em segmentos
- Não representação de corpos hídricos, apenas linhas
(que são arcos do grafo)

44. Vamos à
demostração do
Hydroflow!

45. Por que software livre?
Como algoritmo a ser publicado em periódicos,
o paper e a implementação ficam à disposição
da comunidade de desenvolvedores!
- é multiplataforma - Windows, Linux, MacOS, ...
Sem custo para utilização, é um conhecimento
aberto.
+ que um software aberto

46. Próximos passos?
Incorporar o código em aplicativos como QGIS,
gvSIG e ArcGIS na forma de plugins;
Preparar o programa para corrigir algumas
falhas topológicas da rede de drenagem
automaticamente.

47. Obrigado pela atenção!
Perguntas??
Contatos: labgis@labgis.uerj.br
Baixe o Hydroflow em:
http://www.labgis.uerj.br/hydroflow