Sensoriamento remoto de parâmetros hidráulicos geométricos para estimativas da vazão de um rio de médio porte
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Remote sensing of geometric hydraulic parameters to estimate the discharge of a medium-sized river
Primeiro orientador
Membros da banca
Eber Jose de Andrade Pinto
Walter Collischonn
Otto Correa Rottuno Filho
Cristina Helena Ribeiro Rocha Augustin
Walter Collischonn
Otto Correa Rottuno Filho
Cristina Helena Ribeiro Rocha Augustin
Resumo
Imagens de satélite são valiosas para o registro da ocorrência e da dinâmica espaço-temporal dos rios do mundo, especialmente para regiões sem ou com baixa densidade espacial de estações de monitoramento. Com a expansão da observação da Terra por satélites, o regime fluviométrico está sendo observado a partir de diferentes técnicas de sensoriamento remoto (altimétricas ou de imageamento) e em diferentes frequências e resoluções. Porém, os parâmetros técnicos de muitos sensores limitam observação de rios de menores proporções ($<$~800~m de largura), o que resultou em uma lacuna na literatura pertinente em relação a esse porte de rio. Assim, o objetivo central da pesquisa é de investigar a extração e o uso de séries temporais de parâmetros hidráulicos geométricos, derivados de multissensores orbitais, para a estimar a vazão fluvial de um rio de médio porte. A primeira fase investiga o nível de acurácia na detecção de superfícies de água pelos dados das missões Sentinel-1, Sentinel-2 e Landsat-8 e por sete algoritmos classificadores (k-means, Expectation Maximization, Random Forest, k-nearest neighbors, Maximum Likelihood Classification, Support Vector Machine, Mahalanobis). Os resultados mostraram que as três missões permitem atingir acurácias acima de 86\%, usando classificadores relativamente simples. Baseando-se em princípios de geometria hidráulica, a segunda fase tem como objetivo propor um esquema metodológico para aplicação de série temporal de largura de rio para estimar a vazão em trechos sem monitoramento in situ. Propõe-se um método de implementação de estação virtual (largura-vazão), baseado em análise estatística-espacial, que, em 70\% das situações investigadas, retornou modelos com bons ajustes (NSE ~0,7). A terceira fase propõe uma metodologia para combinar séries temporais de largura e nível de água (derivado de altimetria radar) para estimar a vazão. Os melhores modelos alcançaram valores de NSE de 0,5 e 0,8. A inserção da variável nível de água gerou um impacto positivo na redução do erro de previsão percentual para as baixas vazões da área teste (tempo de permanência superior a 57% ~420m³/s), quando comparadas às estimativas realizadas somente a partir da série temporal da largura. Um procedimento de recuperação sistemática da morfologia fluvial, combinando dados de satélite a dados in situ, revelou que a calha da área teste apresenta seções que variam de trapezoidal a retangular. Os resultados da pesquisa evidenciam o quão promissora é a aplicação de dados orbitais para inferir a vazão de rios de médio porte, posicionando-se na literatura pertinente como amparo teórico aos estudos futuros que envolvam o uso de parâmetros hidráulicos geométricos derivados de dados orbitais em rios dessas proporções.
Abstract
In view of the increasing number of Earth observing missions, remote sensing stands ever
more as an alternate means of acquiring hydrological data in regions where these data are
difficult to obtain or infrequent because of logistical, political or economical reasons. The
fluvial regime of a river can now be monitored and measured from a number of remote sensing
techniques and instruments (imaging and altimetry) in diverse spectral regions and spatial,
radiometric and temporal resolutions. So far the technology and parameters of these sensors
still offer limited use for smaller rivers (width < 800 m) and this represents many research
challenges for such hydrological applications. Within this context, the central objective of
this thesis circles around the investigation of inferring river discharge from time series of
hydraulic geometry variables extracted from satellite multi-mission and multi-sensor data. A
number of methodological approaches are suggested to reach this objective. The first phase
of the thesis consists in invertigating the level of accuracy attainable in delineating the water
surface using image data from the Sentinel-1, Sentinel-2 and Landsat-8 missions and a batery
of classification algorithms (k-means, Expectation Maximization, Random Forest, k-nearest
neighbors, Maximum Likelihood Classification, Support Vector Machine, Mahalanobis ). The
results show that accuracies better than 90% were reached with the three types of image
data and with relatively simple classification algorithms. In the second phase, the method
aims at estimating the discharge of a medium-sized river by combining time series of river
width (extracted from Sentinel and Landsat images) and power functions from Hydraulic
Geometry Theory. About 70% of the models generated by the approach based on the concept
of virtual station, produced NSE values of 0.7 or better. In the third phase, the width time
series was complemented with water stage time series from satellite radar altimetry missions
to estimate river discharge using a modified version of the Manning equation. Here, the
challenge resided in evaluating the contribution of altimetry considering some of its inherent
limitation in continental waters, especially medium-sized rivers. The best of these models
reached NSE values between 0.5 and 0.77. Inserting altimetry data had a positive effect in
reducing prediction errors for discharges situation with flow permanence of 57% of more when
compared with using only the river width. Overall, the study was well succeeded in using
multi-mission, multi-sensor remote sensing data to estimate discharge in rivers of medium
width. In addition some attention was given on the effect of the morphology of the river
channel of the discharge estimates.
Assunto
Sensoriamento remoto – São Francisco, Rio, Vazante – São Francisco, Rio, Imagens de sensoriamento remoto – São Francisco, Rio, Hidráulica – Modelos, Nível da água – São Francisco, Rio
Palavras-chave
Sensoriamento remoto, Vazão, Rio de médio porte, Largura fluvial, Imagem de satélite, Altimetria radar, Extração de superfície de água
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