Avaliação da Qualidade da Rede de Drenagem Fornecida pelo MERIT Hydro: uma Base de Dados com a Rede Hidrográfica Disponibilizada em Escala Global

<jats:p>O mapa de representação dos rios é importante em diversos estudos e costuma ser obtido através do processamento de dados de elevação provenientes do Modelo de Digital de Elevação (MDE). Com base nisso, foi desenvolvido o MERIT Hydro, que fornece a rede hidrográfica de todo o globo, obtida através do processamento do MDE e de informações da posição de rios, lagos e demais corpos d’água em escala global. Nesse sentido, este trabalho avaliou a qualidade da rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro e comparou com o desempenho da rede de drenagem obtida com o processamento do MDE disponibilizado pelo projeto Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). Para tanto foi utilizada uma rede de drenagem de referência disponível para alguns rios das bacias hidrográficas do Rio Uruguai e do Rio São Francisco, e obtida através da digitalização manual de rios com base em imagens de satélite. Foram avaliadas métricas de comprimento da rede de drenagem, percentagem dentro do buffer e distância média. Os resultados mostraram que a rede de drenagem proveniente do MERIT Hydro representou com maior precisão os rios avaliados e o desempenho do MERIT Hydro foi no geral superior ao desempenho da rede obtida a partir do processamento do MDE do SRTM.</jats:p>

section_content: O mapa de representação dos rios de uma região é uma informação importante em diversos estudos, como em modelos hidrológicos e no mapeamento de áreas inundadas, por exemplo (ZHENG et al., 2018; COSTA; PAZ; PICCILLI, 2019). 

Atualmente, uma das técnicas comumente utilizadas para obter a rede de drenagem de uma região é o processamento do Modelo Digital de Elevação (MDE). O MDE, obtido através de sensores remotos, a bordo de aviões ou satélites, armazena os dados topográficos a partir da utilização de uma grade ou matriz em que cada elemento contém um valor que corresponde à altitude local. A representação mais tradicional de um MDE é através de uma imagem raster, onde cada pixel tem como atributo o valor de elevação do terreno em relação a um determinado referencial (BURROUGH; MCDONNEL, 1998). 

O procedimento mais comum consiste em determinar a direção do escoamento da água (direção de fluxo) em cada pixel, considerando que cada pixel drena para um de seus oito vizinhos, e a partir da direção de fluxo, definir a rede de drenagem. 

A determinação de qual direção de fluxo atribuir é normalmente feita escolhendo a direção que proporcione a maior declividade, calculada como sendo a diferença de elevação entre o pixel vizinho e o pixel central dividida pela distância entre eles, método conhecido como D8 ou Deterministic Eight Neighbours, e utilizado nos algoritmos apresentados por Jenson e Domingue (1988) e Planchon e Darboux (2001), por exemplo. A diferença entre tais métodos está na forma com que são tratadas as situações em que não existe uma declividade máxima única, na forma como são consideradas as regiões planas, e na forma como são resolvidas as áreas de depressões, que são regiões isoladas com cotas mais baixas que a vizinhança (BUARQUE et al., 2009). 

Nesse sentido, a correta definição da posição da rede de drenagem está relacionada à determinação da direção do escoamento no pixel, que depende do método utilizado e da qualidade do MDE, que geralmente contém erros não negligenciáveis, aleatórios ou devidos à vegetação, por exemplo (BUARQUE et al., 2009). Dessa forma, rios muito pequenos, cuja largura é menor que o tamanho do pixel do MDE não são bem representados em muitos casos. Além disso, o MDE não retrata adequadamente a elevação de pontos do terreno abaixo da superfície da água, o que interfere na representação de rios largos, por exemplo (YAMAZAKI et al., 2019). 

Essa dificuldade do MDE de representar adequadamente a rede de drenagem resultou no desenvolvimento de técnicas conhecidas como stream-burning, que se baseiam no pré-processamento do MDE através da incorporação de uma rede hidrográfica vetorial existente, deixando o MDE hidrologicamente compatível. Esse pré-processamento pode incluir, por exemplo, a impressão da rede vetorial existente no MDE, rebaixando a elevação dos pixels ao longo dessa rede. Dessa forma, as direções de fluxo entram em conformidade com a rede vetorial (CALLOW; VAN NIEL; BOGGS, 2007; BUARQUE et al., 2009). 

Baseados nesses conceitos, Yamazaki et al. (2019) desenvolveram um mapa, denominado MERIT Hydro, que contém a rede de drenagem em escala global com resolução de 90 metros, e disponibilizaram essa informação de forma gratuita na internet (YAMAZAKI, 2019). Essa rede de drenagem foi obtida através de dados de elevação fornecidos pelo MERIT DEM. 

O MERIT DEM tem resolução espacial de 90 metros, abrange todo o globo, com exceção da Antártica (entre 90° N e 60° S), foi desenvolvido por Yamazaki et al. (2017) e foi obtido através da remoção de múltiplos erros advindos do MDE com resolução de 90 metros fornecido pelo projeto Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) (FARR et al., 2007), para áreas abaixo da latitude 60° N. Para latitudes acima de 60° S, foram removidos os erros provenientes do MDE com resolução de 30 metros fornecido pelo projeto ALOS World 3D (AW3D) (TADONO et al., 2016). 

Para gerar o MERIT Hydro, o MERIT DEM foi melhorado através de técnicas de stream-burning que utilizaram como rede hidrográfica de referência a combinação de bases de dados globais georreferenciados que contém a informação sobre o posicionamento de rios, lagos e demais corpos d'água no globo, são elas: G1WBM (YAMAZAKI; TRIGG; IKESHIMA, 2015) e o OpenStreetMap. Também foram combinadas informações sobre a frequência de ocorrência de água em cada pixel do globo, fornecidas pelo GSWO (PEKEL et al., 2016). 

Nesse sentido, a rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro tem grande potencial para ser utilizada em estudos hidrológicos, por exemplo, uma vez que pode diminuir erros na representação dos cursos d´água. Na modelagem hidrológica, erros na representação dos rios podem comprometer a estimativa de diversos parâmetros e características da drenagem, como o comprimento, sinuosidade e a localização dos pontos de confluência dos rios, assim como características da bacia hidrográfica, como a delimitação e a área da bacia. Esses erros se propagam e comprometem os resultados do modelo hidrológico, o que acaba sendo compensado na calibração dos parâmetros, fazendo com que o modelo tenha um menor embasamento físico (SOUSA; PAZ, 2017). 

Diante disso, este estudo teve como objetivo avaliar a qualidade da rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro em relação a uma rede de drenagem de referência e comparar com o desempenho da rede de drenagem obtida através do processamento do MDE de 90 metros fornecido pelo SRTM e que não sofreu alterações para entrar em conformidade com uma rede hidrográfica de referência. Dessa forma é possível comparar o MERIT Hydro com a rede obtida através de um procedimento mais popularizado e avaliar se existe um ganho real ao utilizá-lo. 

Para tanto, foram avaliadas características como o comprimento do curso d'água em relação ao comprimento da rede de drenagem de referência e métricas como a percentagem dentro do buffer (PWB) e a distância média (DM), utilizando como objeto de estudo alguns rios pertencentes às bacias do Rio Uruguai e do Rio São Francisco.
section_name: INTRODUÇÃO

section_name: METODOLOGIA

section_content: Foi utilizada como área de estudo a Bacia do Rio Uruguai e a Bacia do Rio São Francisco (Figura 1), com uma área de aproximadamente 206,000 km² e 641,000 km², respectivamente. As bacias foram escolhidas como área de estudo por causa da disponibilidade de uma rede de drenagem de referência para os rios principais e alguns de seus afluentes. Essa rede de drenagem de referência foi utilizada nos trabalhos de Paz e Collischonn (2007), Paz et al. (2008), Sousa e Paz (2017), Saraiva e Paz (2014) e foi obtida manualmente através da digitalização de linhas sobre o centro dos rios com base em composições coloridas de imagens obtidas entre 1999 e 2000 pelos sensores Landsat7 ETM + e Landsat 5 TM e que possuem uma resolução espacial de aproximadamente 0,00028° (90 m). 

A rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro para a região estudada foi obtida no endereço eletrônico do projeto (YAMAZAKI, 2019). 

O MDE de 90 metros fornecido pelo SRTM foi obtido no endereço disponibilizado pelo Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI) (CGIAR-CSI, 2018) e não sofreu alterações para entrar em conformidade com uma rede hidrográfica de referência. A base de dados topográficos do SRTM é uma das principais fontes de aquisição do MDE atualmente. Esses dados foram obtidos através de um sensor ativo do tipo radar a bordo do ônibus espacial Endeavour. A missão foi realizada no ano de 2000 e os dados estão disponibilizados para 80% do globo. 

A partir do MDE do SRTM foram determinadas as direções de fluxo através do algoritmo FLOW presente no software TerrSet, que é uma adaptação do algoritmo desenvolvido por Jenson e Domingue (1988). A partir das direções do fluxo é possível estimar a área acumulada de drenagem em cada pixel, na sequência, admite-se que existe uma área mínima de drenagem a partir da qual se formam os rios na região de estudo, possibilitando a determinação da rede de drenagem.
section_name: Área de estudo e dados disponíveis

section_name: Principais métricas para avaliação da qualidade da rede de drenagem

section_content: Em modelos hidrológicos ou em modelos ambientais, o comprimento de um rio é uma das características mais importantes (PAZ et al., 2008). No contexto da simulação da propagação do escoamento em cursos d´água, por exemplo, erros na determinação do comprimento do rio acabam resultando em uma estimativa incorreta do tempo de propagação do escoamento e uma previsão imprecisa em relação à atenuação de ondas de cheia (PAZ; COLLISCHONN, 2007). 

Para comparar o desempenho das duas redes de drenagem (MERIT Hydro e SRTM) na estimativa do comprimento do rio foi utilizado o erro relativo (Er), calculado de acordo com a Eq. ( 1 ). 

onde Lcal representa o comprimento calculado e Lref o valor do comprimento da rede de drenagem de referência. Neste trabalho, esses comprimentos foram calculados com base na ferramenta "calculate geometry" do software ArcGis.
section_name: COMPRIMENTO DO RIO

section_content: Essa métrica estima a percentagem da rede de drenagem derivada do MDE que está dentro de um buffer localizado em volta da rede hidrográfica de referência e é dada pela Eq. ( 2 ) (CHEN et al., 2012). 

• 100

(2)

onde ′ é o comprimento do trecho "i" pertencente à rede de drenagem derivada do MDE que está dentro do buffer e Lref é o comprimento total da rede de drenagem de referência (Figura 2). Para obtenção do ′ foi aplicada a ferramenta "clip" do software ArcGis, de modo a selecionar só os as partes que estavam dentro do buffer e assim obter o comprimento total. 

Se a PWB é igual ou maior do que 100%, toda a rede de drenagem avaliada está dentro do buffer que envolve a rede de drenagem de referência, indicando um desempenho máximo do produto avaliado. Por outro lado, quando a PWB é 0%, toda a rede de drenagem avaliada está fora do buffer. 

A vantagem dessa métrica é que a rede de drenagem derivada do MDE não precisa ser exatamente igual à rede de drenagem de referência para que se possa obter bons resultados, o que é razoável, considerando que a localização da rede de referência pode ser inexata já que é obtida muitas vezes através da digitalização manual do rio a partir de imagens de satélite, estando associada a erros relacionados à influência da subjetividade do operador do procedimento, por exemplo. A definição de um buffer também é coerente porque o caminho real do fluxo do rio engloba toda a largura do rio e não só a sua linha central (SOUSA; PAZ, 2017). Por essa razão, autores como Collischonn et al. ( 2010 ) calcularam a PWB considerando a largura do buffer igual à largura do rio, critério também utilizado nesse trabalho.
section_name: PERCENTAGEM DENTRO DO BUFFER

section_content: Nesse método é avaliado o grau de discordância entre rede de drenagem obtida via MDE e a rede de drenagem de referência através da estimativa da DM que separa cada ponto da rede de referência da rede que se quer avaliar (Figura 3a). Quanto maior a DM, maior é a discordância da rede avaliada em relação à rede de referência. 

A DM pode ser obtida através da Eq. (3) (CHEN et al., 2012). 

A área formada entre os dois vetores é dada pelo somatório de cada incremento de área identificado durante o trecho avaliado (Figura 3b). 

Figura 3 -Estimativa da DM. 

Fonte: Os autores (2021). 

Neste trabalho, as áreas entre os dois vetores foram calculadas a partir da ferramenta "feature to polygon" disponível no software ArcGis.
section_name: DISTÂNCIA MÉDIA

section_name: RESULTADOS E DISCUSSÃO

section_content: A Tabela 1 apresenta o comprimento extraído de cada trecho avaliado para a rede de drenagem de referência e para as redes de drenagem fornecidas pelo MERIT Hydro e obtidas pelo processamento do MDE do SRTM, assim como o erro relativo das duas redes na estimativa do comprimento em relação à rede de referência. 

Tabela 1 -Comprimentos dos trechos da rede de drenagem avaliados e seus respectivos erros relativos em relação à rede de referência. Na Figura 4, cada ponto representa um trecho de rio. A linha que cruza o gráfico tem inclinação 1:1, isso significa que quanto mais próximo da linha, melhor foi o desempenho do trecho avaliado, ou seja, mais próximo foi o comprimento do trecho da rede de drenagem avaliada em relação ao comprimento do trecho da rede de drenagem de referência. Se o ponto se encontra acima da linha, significa que o comprimento do trecho da rede de drenagem avaliada foi superestimado, se o ponto de encontra abaixo, o comprimento foi subestimado. A Figura 5 mostra o erro relativo em relação à rede de drenagem de referência para cada trecho avaliado. Os dados mostram que o erro relativo do MERIT Hydro em relação ao comprimento da rede de drenagem foi menor em 10 dos 19 trechos avaliados, nos outros 9 trechos, a rede de drenagem obtida através do SRTM obteve melhor desempenho nesse quesito.
section_name: Comprimento do rio

section_content: É possível observar na Figura 5 que para o Rio Icamaquã, a rede de drenagem do MERIT Hydro teve um desempenho consideravelmente superior à rede proveniente do processamento do SRTM, o que pode ser verificado visualmente em um trecho do Rio Icamaquã apresentado na Figura 6a. 

É possível observar na Figura 6a que a rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro (em azul) conseguiu reproduzir com fidelidade a rede de referência (tracejada). Por outro lado, a rede obtida via MDE do SRTM (em vermelho) não acompanhou satisfatoriamente as curvas da rede de referência, omitindo algumas curvas e criando outras inexistentes. Ainda na Figura 6a é possível observar que a rede em vermelho não conseguiu representar o ponto de confluência do Rio Icamaquã com o Rio Uruguai com precisão, criando um trecho de rio inexiste que acaba se encontrando com o Rio Uruguai alguns quilômetros a jusante de onde o encontro realmente acontece, o que pode interferir significativamente em estudos ambientais, em projetos de engenharia e na modelagem hidrológica, por exemplo. 

Figura 5 -Erro relativo em relação à rede de drenagem de referência para cada trecho avaliado.
section_name: Bacia

section_content: A Figura 6b apresenta o comportamento das redes de drenagem avaliadas para um trecho do Rio Piratinim, em que a rede de drenagem do MERIT Hydro superestimou em 2% o comprimento do rio, enquanto a rede de drenagem obtida através do processamento do MDE do SRTM subestimou em 7% (Figura 5). Na Figura 6b é possível observar que a drenagem do MDE do SRTM omitiu uma série de curvas do rio, enquanto a drenagem do MERIT Hydro representou o rio com uma considerável precisão. Outro caso que merece destaque é o do Alto Ijuí (Figura 6c), onde a rede de drenagem obtida via MDE do SRTM subestimou em 16% o comprimento do rio (Figura 5). A rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro obteve um desempenho melhor e o erro relativo foi de -5%. Ainda na Figura 6c é possível notar que a drenagem do SRTM omitiu uma série de curvas do trecho avaliado. 

Para realizar uma avaliação do desempenho geral das duas redes em relação à estimativa do comprimento do rio, foi calculado o módulo dos erros apresentados na Tabela 1 para cada trecho, em seguida foi determinada a média desses erros absolutos ponderada pelo comprimento dos trechos, o que resultou em um erro médio de 4% e 5% para o MERIT Hydro e SRTM, respectivamente. Esse resultado indica uma performance geral ligeiramente superior do MERIT Hydro na estimativa do comprimento do rio.
section_name: Fonte: Os autores (2021).

section_name: Percentagem dentro do buffer

section_content: A DM obtida em cada trecho e para cada produto é apresentada na Figura 9. É possível perceber que para todos os trechos, exceto para o Alto Uruguai, a rede de drenagem do MERIT Hydro obteve melhor desempenho do que a rede de drenagem derivada do processamento do MDE do SRTM. O melhor desempenho do MERIT Hydro em relação à rede derivada do SRTM foi no Médio São Francisco, muito em função da presença da Represa de Sobradinho. A rede de drenagem de referência foi orientada pelo centro da represa e a rede do SRTM teve dificuldade em se orientar por esse caminho, como é mostrado na Figura 10.
section_name: Distância média

section_content: Os resultados mostraram que quando a métrica é o comprimento do rio, a rede de drenagem fornecida pelo MERIT Hydro e a obtida via SRTM apresentaram desempenho muito semelhante (erro médio absoluto de 4% e 5% para o MERIT Hydro e SRTM, respectivamente), embora o desempenho do MERIT Hydro seja ligeiramente melhor. Esses resultados indicam que no geral ambas as redes apresentaram um erro médio relativamente pequeno, embora em alguns trechos esses erros possam ser significativos, principalmente no caso da rede obtida via SRTM. 

Em relação à PWB, o MERIT Hydro apresentou uma melhor performance na maior parte dos trechos avaliados e em ambas as bacias hidrográficas estudadas. Em média, a drenagem do MERIT Hydro esteve dentro do buffer em 68% do comprimento do rio, enquanto para a rede obtida via SRTM esse valor ficou em torno de 52%. 

O melhor desempenho do MERIT Hydro em ambas as bacias e para a maior parte dos trechos também foi identificado ao utilizar a DM como métrica. Os resultados mostraram que em média o MERIT Hydro esteve a uma distância de 114 m da rede de drenagem de referência. No caso da rede de drenagem do SRTM, essa distância foi quase 3 vezes maior (316 m). 

Dessa forma, é possível dizer que no geral a rede de drenagem proveniente do MERIT Hydro representou com maior precisão os rios das bacias estudadas. De acordo com as métricas utilizadas e para as regiões estudadas, o desempenho do MERIT Hydro foi superior ao desempenho da rede obtida a partir do processamento do MDE do SRTM. Portanto, o MERIT Hydro coloca-se como uma alternativa valiosa em diversos estudos que utilizam a rede hidrográfica como informação de entrada.
section_name: CONCLUSÕES

section_content: Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), que concedeu bolsas no âmbito do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental da Universidade Federal da Paraíba (PPGECAM) e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental (PPGECA) da Universidade Federal de Campina Grande. As bolsas foram concedidas através do processos 88882. 440669/2019-01, 88882. 440673/2019-01 e 88887. 487899/2020-00.
section_name: Agradecimentos

section_content: Dário Macedo Lima contribuiu na conceptualização, análise formal, metodologia, visualização e redação (minuta inicial e revisão e edição). Adriano Rolim da Paz contribuiu na conceptualização, metodologia e com recursos. Aricson Garcia Lopes contribuiu na análise formal e metodologia. Thiago de Sá Sena e Cinthia Maria de Abreu Claudino contribuíram na supervisão, visualização e redação (minuta inicial e revisão e edição).
section_name: Contribuição dos Autores

section_content: Os autores declaram que não há conflitos de interesse.
section_name: Conflitos de Interesse