Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/88772
Title: Integração de Informação Geográfica Voluntária em Modelos Digitais de Elevação Globais na Representação de Linhas de Água
Authors: Monteiro, Elisabete dos Santos Veiga
Orientador: Fonte, Cidália Maria Parreira da Costa
Lima, João Luís Mendes Pedroso de
Keywords: Modelos Digitais de Elevação Globais; Informação Geográfica Voluntária; OpenStreetMap; Exatidão; Redes Hidrográficas; Global Digital Elevation Models; Volunteered Geographic Information; OpenStreetMap; Accuracy; Drainage Networks
Issue Date: 26-Jul-2019
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: Os Modelos Digitais de Elevação (MDEs) permitem a extração de parâmetros topográficos que servem a modelação hidrológica. A definição altimétrica da bacia hidrográfica permite traçar o seu limite, extrair a rede hidrográfica e outros parâmetros, nomeadamente, o número de ordem, o comprimento do curso de água, o comprimento total da rede hidrométrica e o declive. A exatidão de todos estes parâmetros está dependente da exatidão do MDE. A presente tese apresenta uma metodologia que permite melhorar a exatidão dos Modelos Digitais de Elevação Globais (MDEGs) Advanced Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) e Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), bem como a exatidão dos parâmetros topográficos deles extraídos, recorrendo a dados do projeto colaborativo OpenStreetMap (OSM) (linhas de água). São criados novos MDEs a partir dos pontos cotados extraídos dos MDEs originais que são interpolados com as linhas de água disponíveis no OSM. As redes hidrográficas foram extraídas a partir dos MDEs originais e dos MDEs reconstruídos. Foi avaliada a exatidão dos novos MDEs e dos parâmetros topográficos derivados, nomeadamente, as redes hidrográficas. Foram utilizados dados de referência para efetuar a comparação entre estes e os dados em análise. A metodologia foi aplicada de forma faseada em três estudos de caso. O estudo de caso 1 foi aplicado a uma zona inserida na bacia hidrográfica do rio Mondego, região de Gouveia, Guarda, Portugal. O estudo teve por objetivo verificar se as linhas de água do OSM tinham uma exatidão posicional superior à exatidão posicional das linhas de água extraídas dos MDEGs ASTER e SRTM com 30 m e 90 m de resolução espacial, respetivamente. Como dados de referência foi utilizada a rede hidrográfica da série cartográfica M888 do Centro de Informação Geoespacial do Exército (CIGeoE) à escala 1/25 000. Os resultados mostraram que as linhas de água extraídas do OSM possuem maior exatidão posicional que as linhas de água extraídas dos MDEGs SRTM e ASTER, sendo que, as linhas de água extraídas do SRTM possuem maior exatidão posicional que as linhas extraídas do ASTER, apesar de este último modelo ter maior resolução espacial (30 m). O estudo de caso 2 teve por objetivo desenvolver uma metodologia que permitisse construir novos MDEs criados a partir de altimetria derivada dos MDEs originais ASTER e SRTM e de linhas de água do OSM, de modo a que fosse possível extrair linhas de água dos novos MDEs com maior exatidão posicional em relação à exatidão das linhas de água extraídas dos MDEs originais. O estudo foi aplicado a duas bacias localizadas no Reino Unido e como dados de referência foi utilizada a rede hidrográfica do Ordnance Survey para as duas áreas de estudo. Foi analisada a exatidão posicional das redes extraídas dos MDEs originais e as redes extraídas dos MDEs reconstruídos, calculando-se a média e desvio padrão das distâncias horizontais entre a rede de referência a cada uma das redes em análise, dentro de uma região situada no interior de um buffer definido em torno da rede de referência. Os resultados mostraram para as duas áreas de estudo e para os dois MDEs ASTER e SRTM (com 90 metros de resolução espacial), uma diminuição nos valores da média e do desvio padrão das distâncias. Este estudo de caso mostrou que a integração dos dados OSM (linhas de água) com os dados altimétricos dos MDEs (pontos cotados) permitiram criar novos MDEs a partir dos quais é possível extrair redes hidrográficas com maior exatidão posicional em relação à exatidão posicional das redes extraídas dos MDEs originais. De seguida, foi feita a análise para verificar se a aplicação da metodologia desenvolvida permitiria melhorar a altimetria das redes hidrográficas (estudo de caso 3). O estudo de caso 3 engloba as metodologias aplicadas nos dois casos anteriores (1 e 2) e, para além disso, teve por objetivo verificar se as redes hidrográficas extraídas dos MDEs reconstruídos segundo a metodologia desenvolvida, possuíam também maior exatidão vertical em relação às redes extraídas do MDE original. Neste estudo de caso, o MDE utilizado foi o SRTM de 30 metros de resolução espacial e a metodologia foi aplicada a uma região do Reino Unido e mostrou que as redes hidrográficas obtidas com o novo MDE possuem maior exatidão horizontal e vertical e que os novos modelos são mais exatos, permitindo também a extração de alguns parâmetros topográficos com maior exatidão. A metodologia proposta nesta tese utiliza apenas dados de acesso livre disponíveis para qualquer região do mundo. Importa referir a aplicabilidade da metodologia a regiões do mundo que não dispõem de dados hidrológicos (e.g. redes hidrográficas) de grande exatidão. A metodologia também poderá ser aplicada em estudos cuja área ocupe mais do que um país, pois, caso se utilizasse cartografia oficial, as diferentes especificações técnicas tornariam o processo mais complexo na medida em que seria necessário uniformizar a cartografia proveniente dos dois países. Por conseguinte, o uso deste tipo de informação geográfica global traduz-se numa agilização do desenvolvimento dos estudos e de aplicações hidrológicas. Algumas limitações a apontar são o facto de existirem regiões do mundo onde a cobertura OSM é insuficiente; no entanto, a literatura também refere que a primeira informação a ser registada pelos voluntários são os rios. Deve-se acrescentar também que, de dia para dia, aumenta o volume de informação disponível no OSM, o que eliminará o problema da falta de dados e poderá assim permitir obter parâmetros topográficos para a Hidrologia em qualquer parte do planeta.
The Digital Elevation Models (DEMs) allow the extraction of topographic parameters used in hydrological modelling. The altimetric definition of the river basin allows to delineate its boundary, the extraction of the drainage network as well as other topographic parameters such as the network ramification, the watercourse length, the total length of the network and the slope. The accuracy of all these parameters is dependent on the accuracy of the DEM. The present thesis presents a methodology that allows to improve the accuracy of the Global Digital Elevation Models (GDEMs), as well as the accuracy of the topographic parameters extracted from them, using data from the OpenStreetMap (OSM) collaborative project, namely the water lines. New DEMs are created from the elevation points extracted from the original GDEMs Advanced Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) and Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) that are interpolated with the water lines available in OSM. The drainage networks were extracted from the original and the rebuilt DEMs. The accuracy of the new DEMs and derived topographic parameters, namely the drainage networks, was evaluated. Reference data were used to compare them with the data under analysis. The methodology was applied in a phased way to three case studies. Case study 1 was applied to an area within the basin of the Mondego river, Gouveia region, Guarda, Portugal. The study aimed to verify if the OSM water lines had a higher positional accuracy than the positional accuracy of the water lines extracted from the ASTER and SRTM (with 90 m spatial resolution) global DEMs. The drainage network of the cartographic series M888 at 1/25,000 scale of the Army Geospatial Information Center was used as reference data. The results showed that the water lines extracted from OSM have a greater positional accuracy than the accuracy of the water lines extracted from the SRTM and ASTER global DEMs, and the lines extracted from the SRTM have greater positional accuracy than the lines derived from ASTER, even though this last DEM has a higher spatial resolution (30 m) Case study 2 aimed to develop a methodology that would allow the construction of new DEMs generated from altimetry derived from the original ASTER and SRTM DEMs and OSM water lines so that the water lines derived from the new DEMs would have a higher positional accuracy than the accuracy of the water lines derived from the original DEMs. The study was applied to two basins located in the UK and as reference data the Ordnance Survey hydrographic network was used for the both study areas. The positional accuracy of the networks extracted from the original DEMs and the networks extracted from the reconstructed DEMs was computed, by calculating the mean and standard deviation of the horizontal distances between the reference drainage network and each drainage network under analysis, within a region located inside a buffer defined around the reference network. The obtained results for both study areas and for the two DEMs (ASTER and SRTM with 90 m of spatial resolution) show a decrease in the mean and standard deviation of those distances. This case study showed that the integration of the OSM data (water lines) with the altimetric data of the DEMs (elevation points) allowed to create new DEMs from which it is possible to extract drainage networks with greater positional accuracy in relation to the accuracy of the networks extracted from the original DEMs. Then, the analysis was made to verify if the application of the developed methodology would allow to improve the altimetry of the drainage networks (case study 3). Case study 3 includes the methodologies applied in the previous cases (1 and 2). In addition, the objective was to verify if the drainage networks extracted from the rebuilt DEMs according to the developed methodology also had greater vertical accuracy in relation to the drainage networks extracted from the original DEMs. In this case study the SRTM DEM with a spatial resolution of 30 m was used and the methodology was applied to a region of the United Kingdom. The results showed that the drainage networks obtained from the new DEMs have greater horizontal and vertical accuracy and also that the new models are more accurate, allowing also the extraction of some topographic parameters with greater accuracy. The methodology proposed in this thesis uses only open data and may be applied to any region of the world. It is important to mention the applicability of the methodology to regions of the world that do not have hydrological data (e.g. drainage networks) with great accuracy. The methodology may also be applied in studies that occupy areas in more than one country, because if official cartography is used the different technical specifications may make the process more complex, as it would be necessary to standardize the cartography from the involved countries. Therefore, the use of this type of global geographic information allows to facilitate the development of studies and applications. Some limitations are the fact that there are regions of the world where the OSM coverage is insufficient. However, the literature also states that usually the first information to be added by volunteers in OSM are the rivers. Moreover, every day the volume of available data in OSM increases, which will solve the problem of lack of data and may therefore enable to obtain more accurate topographical parameters for hydrology in any part of the world.
Description: Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Civil, especialidade de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente e apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/88772
Rights: openAccess
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