Obtenção de níveis e declividade da linha d'água a partir de altimetria por satélite no Rio São Francisco
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
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Otto Corrêa Rotunno Filho
Talita Fernanda das Graças Silva
Rodrigo Cauduro Dias de Paiva
Talita Fernanda das Graças Silva
Rodrigo Cauduro Dias de Paiva
Resumo
Mediante os desafios da produção de dados hidrológicos convencionais, a utilização de informações obtidas por sensoriamento remoto na Hidrologia já é considerada uma fonte complementar e/ou alternativa. A altimetria por satélite (AS) é uma das técnicas que fornece dados com potencial uso em estudos hidrológicos e hidráulicos. As missões espaciais com radar altimétrico ainda hoje têm foco na obtenção dos níveis dos oceanos, calotas polares e gelo de mar, entretanto inúmeros estudos vêm demonstrando ao longo de quase três décadas a viabilidade de seu uso em águas continentais, sobretudo em rios de grande porte. A consolidação de dados de altimetria em cursos d’água de médio e pequeno porte permanece como desafio, pois à medida que se trabalha com cursos d’água mais estreitos (largura inferior a 1 km) há uma série de limitações inerentes às características de operação do altímetro e processamento dos dados que impactam na acurácia do dado obtido. Contudo, os avanços tecnológicos nos altímetros e o bom número de missões previstas tornam o uso de dados de AS ainda mais promissor. Nesse contexto, a presente pesquisa objetiva avaliar a performance da AS multimissão num rio tropical de médio porte (Rio São Francisco) e seu potencial uso na obtenção de variáveis hidráulicas. Foram utilizadas cinco missões altimétricas (Envisat, Saral, Jason, Sentinel-3 e Cryosat) e dados in situ de doze estações fluviométricas (EFs) com nivelamento altimétrico (WGS84) num trecho de 1400 km do Rio São Francisco. O fato das EFs estarem niveladas viabilizou a comparação direta de suas séries às séries de satélite, ou seja, uma análise estatística dos desvios em termos absolutos, raramente encontrada na literatura. Ademais, os dados in situ foram interpolados de forma a produzir dados sincronizados ao local e horário de passagem do satélite sobre o rio, chamadas de EVs (estações virtuais), o que reduziu em 0,29 m o RMSE (Root mean square error – raiz do erro quadrático médio). Ao todo foram analisadas 76 EVs para os satélites de órbita fixa e 850 pontos do satélite Cryosat (órbita derivativa). A partir dos dados destas EVs foi feita a análise de desempenho para os diferentes satélites e estimado o viés característico de cada um deles, algo inédito para um rio tropical de médio porte. Outras conclusões puderam ser extraídas: as características ambientais do entorno das EVs determinam o nível dos erros para diferentes satélites ocasionando grande amplitude dos desvios; os satélites Sentinel-3 apresentam performance superior aos demais, o que é atribuído a tecnologia SAR (radar de abertura sintética) aliada ao modelo de operação que usa informação prévia da altitude do alvo (open loop tracking mode) e, por fim, há uma tendência geral dos satélites em superestimar os níveis d’água. A declividade da linha d’água é uma variável de grande valia em estudos hidrológicos e hidráulicos, porém de difícil obtenção com níveis de precisão aceitáveis. Na ausência de dados locais disponíveis, tipicamente se utilizam dados da missão SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), com resolução espacial de 90 m. Nesse contexto, os dados consistidos de EFs niveladas e os dados livres de vieses das dezenas de EVs analisadas foram utilizados na obtenção de perfis longitudinais e de declividade da linha d’água, em diferentes escalas temporais, de forma separada e em conjunto. Os resultados obtidos, especialmente pelo modelo conjunto de EFs com EVs, foram compatíveis aos valores mencionados na literatura para o trecho do Médio Rio São Francisco, mas com uma resolução espacial superior ao SRTM.
Abstract
Given the challenges of producing conventional hydrological data, remote sensing data are a complementary and/or alternative source of information in hydrology. Satellite altimetry (SA) is one of the techniques that provides data with potential use in hydrological and hydraulic studies. Altimetric space missions are still focused on obtaining ocean levels, ice caps and sea ice, however numerous studies have demonstrated over almost three decades the viability of its use in continental waters, especially in large rivers. The consolidation of altimetric data in medium/small watercourses remains a challenge, as working with narrow watercourses (width less than 1 km) implies a series of limitations, due to the characteristics of altimeter operation and data processing. However, technological advances in altimeters and the good number of planned missions make the use of SA data even more promising. In this context, this research aims to evaluate the performance of multimission SA in a medium-sized tropical river (São Francisco River) and its potential use to obtain hydraulic variables. Five altimetric missions (Envisat, Saral, Jason, Sentinel-3 and Cryosat) and in situ data from twelve fluviometric stations (FS or EF in Portuguese) with altimetric leveling (WGS84) in a 1400 km stretch of the São Francisco River were used, which enabled a statistical analysis in absolute terms, rarely found in the literature. Furthermore, the in situ data were interpolated in order to produce data synchronized to the location and time of the satellite's passage over the river, called VSs (virtual stations or EV in Portuguese), which reduced the RMSE by 0.29 m. In all, 76 EVs were analyzed for the fixed orbit satellites and 850 points for the Cryosat satellite (derivative orbit). Based on the data from these EVs, the performance analysis for the different satellites was conducted and the characteristic bias of each of them was estimated, something unprecedented for a medium-sized tropical river. Other conclusions could be drawn: the environmental characteristics of the surroundings of the EVs determine the level of errors for different satellites causing great amplitude of the deviations; the Sentinel-3 satellites present superior performance to the others, which is attributed to the SAR (synthetic aperture radar) technology combined with the operation model that uses previous information on the target's altitude (“open loop tracking mode”) and, finally, there is a general tendency for satellites to overestimate water levels. The slope of the waterline is a very valuable variable in hydrological and hydraulic studies, but it is difficult to obtain with acceptable levels of precision. In the absence of available local information, data from the SRTM mission (Shuttle Radar Topography Mission) are typically used, but its spatial resolution is 90 m. In this context, the consisted data of leveled EFs and bias-free data from dozens of analyzed EVs were used to obtain longitudinal and slope profiles of the waterline, in different temporal scales, separately and together. The results achieved, especially by the model of EFs merged with EVs, were compatible with the values mentioned in the literature for the Middle RSF stretch, but with a better spatial resolution than SRTM.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Cursos de água - Fluxo, Altitudes - Levantamento, São Francisco, Rio (MG)
Palavras-chave
Séries de nível d’água, Declividade da linha d’água, Altimetria por satélite, Rio São Francisco, Acurácia
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