Geomorfometria - Geomorphometry

Geomorfometria , ou geomorfometria ( grego antigo : γῆ , romanizado :  gê , lit.  'terra' + Grego antigo : μορφή , romanizado :  morphḗ , lit.  'forma, forma' + Grego antigo : μέτρον , romanizado :  métron , lit.  ' '), é a ciência e a prática de medir as características do terreno , a forma da superfície da Terra e os efeitos dessa forma de superfície na geografia humana e natural. Reúne várias técnicas matemáticas, estatísticas e de processamento de imagens que podem ser utilizadas para quantificar aspectos morfológicos, hidrológicos, ecológicos e outros da superfície terrestre. Sinônimos comuns para geomorphometry são análise geomorfológica (após geomorfologia ), morfometria terreno , análise de terreno e análise de superfície de terra . Geomorfometria é a disciplina baseada nas medidas computacionais da geometria , topografia e forma dos horizontes da Terra e sua mudança temporal . Este é um dos principais componentes dos sistemas de informação geográfica (GIS) e outras ferramentas de software para análise espacial.

Em termos simples, a geomorfometria visa extrair parâmetros de superfície (terrestres) (morfométricos, hidrológicos, climáticos etc.) e objetos (bacias hidrográficas, redes de riachos, formas de relevo etc.) usando o modelo digital de superfície terrestre de entrada (também conhecido como modelo digital de elevação , DEM) e software de parametrização. Parâmetros de superfície extraídos e objetos podem então ser usados, por exemplo, para melhorar o mapeamento e modelagem de solos, vegetação, uso da terra, características geomorfológicas e geológicas e similares.

Com o rápido aumento de fontes de DEMs hoje (e especialmente devido à missão de topografia do radar de transporte e projetos baseados em LIDAR ), a extração de parâmetros da superfície da terra está se tornando cada vez mais atraente para vários campos que vão desde agricultura de precisão , modelagem de solo-paisagem, aplicações climáticas e hidrológicas ao planejamento urbano, educação e pesquisa espacial. A topografia de quase toda a Terra foi hoje amostrada ou digitalizada, de modo que os DEMs estão disponíveis em resoluções de 100 m ou melhor em escala global. Os parâmetros da superfície do terreno são hoje usados ​​com sucesso para modelagem estocástica e baseada em processo, sendo que a única questão remanescente é o nível de detalhe e a precisão vertical do DEM.

História

Embora a geomorfometria tenha começado com as idéias de Brisson (1808) e Gauss (1827), o campo não evoluiu muito até o desenvolvimento de conjuntos de dados GIS e DEM na década de 1970.

A geomorfologia (que enfoca os processos que modificam a superfície do solo) tem uma longa história como conceito e área de estudo, sendo a geomorfometria uma das disciplinas relacionadas mais antigas. Geomática é uma subdisciplina desenvolvida mais recentemente, e ainda mais recente é o conceito de geomorfometria. Isso só foi desenvolvido recentemente, desde a disponibilidade de um software de sistema de informação geográfica (GIS) mais flexível e capaz , bem como o Modelo Digital de Elevação (DEM) de maior resolução . É uma resposta ao desenvolvimento desta tecnologia GIS para coletar e processar dados DEM (por exemplo , sensoriamento remoto , o programa Landsat e fotogrametria ). Como a rede irregular triangulada (TIN) surgiu como um modelo alternativo para representar a superfície do terreno, algoritmos correspondentes foram desenvolvidos para derivar medidas a partir dela.

Gradiente de superfície

Uma variedade de medidas básicas pode ser derivada da superfície do terreno, geralmente aplicando as técnicas de cálculo vetorial . Dito isso, os algoritmos normalmente usados ​​em GIS e outros softwares usam cálculos aproximados que produzem resultados semelhantes em muito menos tempo com conjuntos de dados discretos do que os métodos de função contínua pura.

Superfície normal e gradiente

Uma superfície com uma amostra de vetores normais

A normal da superfície em qualquer ponto da superfície do terreno é um raio vetorial perpendicular à superfície. O gradiente da superfície ( ) é o raio vetorial tangente à superfície, na direção do declive mais acentuado. ${\ displaystyle \ nabla f}$

Declive

A geometria do cálculo da inclinação

Slope ou grau é uma medida de quão íngreme do terreno é em qualquer ponto da superfície, desviando-se de uma superfície horizontal. Em princípio, é o ângulo entre o vetor gradiente e o plano horizontal, dado como uma medida angular α (comum em aplicações científicas) ou como a razão , comumente expressa em porcentagem, tal que p = tan α . Este último é comumente usado em aplicações de engenharia, como construção de estradas e ferrovias. ${\ displaystyle p = {\ frac {rise} {run}}}$

Derivar a inclinação de um modelo de elevação digital raster requer o cálculo de uma aproximação discreta da derivada de superfície com base na elevação de uma célula e as de suas células circundantes, e vários métodos foram desenvolvidos. Por exemplo, o método Horne, implementado no ArcGIS , usa a elevação de uma célula e seus oito vizinhos imediatos, espaçados pelo tamanho da célula ou resolução r :

As derivadas parciais são então aproximadas como médias ponderadas das diferenças entre os lados opostos:

${\ displaystyle {\ frac {\ partial z} {\ partial x}} \ approx {\ frac {e_ {NE} + 2e_ {E} + e_ {SE} -e_ {NW} -2e_ {W} -e_ { SW}} {8r}}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial z} {\ partial y}} \ approx {\ frac {e_ {NE} + 2e_ {N} + e_ {NE} -e_ {SW} -2e_ {S} -e_ { SW}} {8r}}}$

A inclinação (em porcentagem) é então calculada usando o teorema de Pitágoras :

${\ displaystyle \ tan \ alpha = {\ sqrt {({\ frac {\ parcial z} {\ parcial x}}) ^ {2} + ({\ frac {\ parcial z} {\ parcial y}}) ^ {2}}}}$

A segunda derivada da superfície (ou seja, curvatura) pode ser derivada usando cálculos semelhantes.

Aspecto

O aspecto do terreno em qualquer ponto da superfície é a direção para a qual a encosta está "voltada" ou a direção cardinal da encosta mais íngreme. Em princípio, é a projeção do gradiente na inclinação horizontal. Na prática, usando um modelo de elevação digital raster , ele é aproximado usando um dos mesmos métodos de aproximação derivada parcial desenvolvidos para declive. Então, o aspecto é calculado como:

${\ displaystyle \ tan \ beta = {\ frac {\ frac {\ parcial z} {\ parcial y}} {- {\ frac {\ parcial z} {\ parcial x}}}}}$

Isso resulta em uma direção anti-horária, com 0 ° a leste.

Outros produtos derivados

Iluminação / relevo sombreado / sombreamento analítico

Mapa de relevo sombreado de Nova Jersey

Outro produto útil que pode ser derivado da superfície do terreno é uma imagem de relevo sombreada , que aproxima o grau de iluminação da superfície de uma fonte de luz vinda de uma determinada direção. Em princípio, o grau de iluminação é inversamente proporcional ao ângulo entre o vetor normal de superfície e o vetor de iluminação; quanto maior o ângulo entre os vetores, mais escuro é o ponto da superfície. Na prática, pode ser calculado a partir da inclinação α e do aspecto β , em comparação com uma altitude φ e azimute θ correspondentes da fonte de luz:

${\ displaystyle i = \ cos \ phi \ cos \ alpha + \ sin \ phi \ sin \ alpha \ cos (\ theta - \ beta)}$

A imagem resultante raramente é útil para fins analíticos, mas é mais comumente usada como uma visualização intuitiva da superfície do terreno, porque se parece com um modelo tridimensional iluminado da superfície.

Extração de característica topográfica

As características naturais do terreno, como montanhas e desfiladeiros, muitas vezes podem ser reconhecidas como padrões de elevação e suas propriedades derivadas. Os padrões mais básicos incluem locais onde o terreno muda abruptamente, como picos (máximos de elevação local), poços (mínimos de elevação local), cristas (máximos lineares), canais (mínimos lineares) e passagens (as interseções de cristas e canais) .

Devido às limitações de resolução , orientação do eixo e definições de objeto, os dados espaciais derivados podem render significado com observação subjetiva ou parametrização ou, alternativamente, processados ​​como dados difusos para lidar com os erros de contribuição variáveis ​​de forma mais quantitativa - por exemplo, como uma chance geral de 70% de um ponto que representa o pico de uma montanha, dados os dados disponíveis, em vez de uma estimativa fundamentada para lidar com a incerteza.

Alívio Local

Em muitas aplicações, é útil saber o quanto a superfície varia em cada área local. Por exemplo, pode-se precisar distinguir entre áreas montanhosas e planaltos, ambos altos em elevação, mas com diferentes graus de "robustez". O relevo local de uma célula é uma medida dessa variabilidade na vizinhança (normalmente as células dentro de um determinado raio), para a qual várias medidas foram usadas, incluindo estatísticas de resumo simples, como a faixa total de valores na vizinhança, um intervalo interquantil, ou o desvio padrão. Fórmulas mais complexas também foram desenvolvidas para capturar variações mais sutis.

Formulários

A análise quantitativa da superfície por meio da geomorfometria fornece uma variedade de ferramentas para cientistas e gestores interessados ​​no gerenciamento de terras. As áreas de aplicativos incluem:

Ecologia da paisagem

Efeito de inclinação da vegetação que é diferente nas encostas orientadas a norte e orientadas a sul.

Biogeografia

Em muitas situações, o terreno pode ter um efeito profundo nos ambientes locais, especialmente em climas semi-áridos e áreas montanhosas, incluindo efeitos bem conhecidos, como zoneamento Altitudinal e o efeito Declive . Isso pode torná-lo um fator significativo na modelagem e mapeamento de microclimas , distribuição da vegetação , habitat da vida selvagem e agricultura de precisão .

Hidrologia

Devido ao simples fato de que a água flui colina abaixo, os derivados da superfície do terreno podem prever o fluxo do fluxo superficial. Isso pode ser usado para construir redes de riachos, delinear bacias de drenagem e calcular o acúmulo de fluxo total.

Visibilidade

Montanhas e outras formas de relevo podem bloquear a visibilidade entre locais em lados opostos. Prever esse efeito é uma ferramenta valiosa para aplicações tão variadas quanto táticas militares e localização de células . As ferramentas comuns no software de análise de terreno incluem o cálculo da visibilidade da linha de visão entre dois pontos e a geração de um enquadramento visual , a região de todos os pontos visíveis a partir de um único ponto.

Mapa representando áreas de corte e aterro para um canteiro de obras.

Earthworks

Muitos projetos de construção requerem modificação significativa da superfície do terreno, incluindo a remoção e adição de material. Ao modelar a superfície atual e projetada, os engenheiros podem calcular o volume de cortes e aterros e prever problemas potenciais, como estabilidade de taludes e potencial de erosão.

Geomorfométricos

Como um ramo relativamente novo e desconhecido do GIS, o tópico da geomorfometria tem poucas figuras pioneiras 'famosas', como é o caso de outros campos como a hidrologia ( Robert Horton ) ou a geomorfologia ( GK Gilbert ). No passado, a geomorfometria foi usada em uma ampla gama de estudos (incluindo alguns artigos de geomorfologia de alto nível por acadêmicos como Evans, Leopold e Wolman), mas só recentemente os praticantes de GIS começaram a integrá-la em seu trabalho. No entanto, está se tornando cada vez mais usado por pesquisadores como Andy Turner e Joseph Wood.

Organizações Internacionais

Grandes instituições estão desenvolvendo cada vez mais aplicativos geomorfométricos baseados em GIS, um exemplo sendo a criação de um pacote de software baseado em Java para geomorfometria em associação com a Universidade de Leeds .

Treinamento

As instituições acadêmicas estão dedicando cada vez mais recursos ao treinamento em geomorfometria e cursos específicos, embora estes ainda estejam atualmente limitados a algumas universidades e centros de treinamento. Os mais acessíveis no momento incluem biblioteca de recursos geomorfométricos online em conjunto com a Universidade de Leeds e palestras e práticas entregues como parte de módulos GIS mais amplos, o mais abrangente oferecido atualmente na Universidade de British Columbia (supervisionado por Brian Klinkenberg) e em Dalhousie Universidade .

Software de geomorfometria / geomorfometria

O seguinte software de computador tem módulos ou extensões de análise de terreno especializados (listados em ordem alfabética):

• ANUDEM
• ArcGIS (extensão do analista espacial)
• GRASS GIS (r.param.scale, r.slope.aspect, etc.)
• ILWIS
• LandSerf
• SAGA GIS (módulos de análise de terreno)
• Ferramentas de análise geoespacial da caixa branca (análise de terreno, análise LiDAR, ferramentas hidrológicas e módulos de análise de rede de córregos)

Veja também

• Modelo Digital de Elevação
• Geografia
• Geomática
• Geometria
• Sistema de Informações Geográficas
• Geomorfologia
• Landforms
• Programa Landsat
• Morfometria
• Fotogrametria
• Sensoriamento remoto
• Modelagem científica
• Topografia

Referências

Leitura adicional

• Mark, DM (1975) Parâmetros geomorfométricos: uma revisão e avaliação Anais geográficos, 57, (1); pp 165-177
• Miller, CL e Laflamme, RA (1958): The Digital Terrain Model-Theory & Application . Laboratório de Fotogrametria do MIT.
• Pike, RJ. Geomorfometria - progresso, prática e perspectiva . Zeitschrift für Geomorphologie Supplementband 101 (1995): 221-238.
• Pike, RJ, Evans, I., Hengl, T., 2008. Geomorphometry: A Brief Guide . Em: Geomorphometry - Concepts, Software, Applications , Hengl, T. e Hannes I. Reuter (eds.), Series Developments in Soil Science vol. 33, Elsevier, pp. 3-33, ISBN  978-0-12-374345-9
• Hengl, Tomislav; Reuter, Hannes I., eds. (2009). Geomorfometria: conceitos, software, aplicações . Amsterdã: Elsevier. ISBN 978-0-12-374345-9.

links externos

• www.geomorphometry.org - uma associação não comercial de pesquisadores e especialistas.
• Uma extensa revisão da bibliografia da literatura de Geomorfometria por Richard J. Pike (relatório 02-465)
• [2] - University of Leeds - escola de Geografia, página inicial de geomorfometria
• [3] - exemplo de saída de geomorfometria desenvolvida pela Universidade de Leeds com parâmetros baseados em processamento e resolução
• [4] - University of British Columbia - departamento de Geografia
• [5] - Dalhousie University - módulo de geomorfologia e evolução da paisagem