Como a ferramenta Relevos Geomorfos funciona

Compreender as diversas características do terreno é essencial para uma ampla gama de aplicações, desde estudos hidrológicos até avaliações de suscetibilidade a deslizamentos de terra. Uma dessas aplicações é a classificação do terreno no formato da superfície. Um formato da superfície é a forma natural do terreno, como vales ou picos.

Dentre as diversas técnicas de classificação de terreno, o método Geomorphon (Jasiewicz e Stepiski, 2013) identifica formatos da superfície com base em dados topográficos, utilizando diferenças de elevação e conceitos de visibilidade. A ferramenta Relevos geomorfos aplica esses conceitos para encontrar um padrão distinto que represente uma área do terreno.

O método Geomorphon consegue identificar um total de 498 padrões únicos. Alguns geomorfos descrevem formatos da superfície que não são encontradas no ambiente natural, enquanto outros descrevem o mesmo tipo de relevo. Portanto, existe uma correspondência do tipo muitos-para-um entre geomorfos e tipos de formato da superfície. Uma vez identificado o geomorfo, ele pode ser associado a uma forma de relevo usando uma tabela de consulta.

Lógica da ferramenta Relevos geomorfos

A ferramenta Relevos geomorfos utiliza o método Geomorphon para classificar o terreno em formatos da superfície.

Para cada célula no raster de entrada, a ferramenta executa as seguintes operações:

1. Configure a área de análise. Isso determina a área de análise usando os parâmetros Distância de pesquisa e Distância de salto.
2. Obtenha o padrão de geomorfos usando o Padrão ternário local (LTP). Para encontrar o Padrão ternário local (LTP) para cada uma das 8 direções cardeais, estenda uma linha de visão e classifique-a com base nos ângulos do nadir e do zênite.
3. Transforme o LTP em um número de base 3 que registre o padrão único ou geomorfo. Armazene esse valor para a célula de destino.
4. Combine o padrão geomorfológico com uma das 10 formatos da superfície mais comuns usando uma tabela de consulta.

Cada uma dessas etapas é explicada com mais detalhes nas seções abaixo.

Configure a área de análise para calcular o padrão do geomorfo

A área de análise da ferramenta é a área do terreno usada para calcular o padrão geomorfológico em uma célula alvo. Define quais células vizinhas a ferramenta utiliza para determinar o padrão do geomorfo.

A área de análise é determinada pelos parâmetros Distância de pesquisa e Distância de salto. O parâmetro Distância de pesquisa determina a extensão da área abrangida. O parâmetro Distância de salto identifica qual área das imediações da célula alvo será excluída da classificação. A ilustração a seguir mostra um exemplo da área de análise definida por uma distância de pesquisa de 3 células e uma distância de salto de 1 célula. As células incluídas no processamento são determinadas comparando a distância entre o centro de cada célula e a célula alvo com o valor da distância de pesquisa. Se o valor da distância de pesquisa for maior, a célula será incluída no processamento.

Figura 1. A área de análise é definida pelas distâncias de pesquisa e de salto medidas a partir da célula alvo. a) A célula alvo é identificada. b) As distâncias de pesquisa e de salto são medidas a partir da célula alvo. c) A área de análise resultante.

Especificar valores maiores para a distância de pesquisa pode generalizar o terreno circundante. Valores menores capturarão mais detalhes no resultado. Aumentar o valor da distância de salto é útil para reduzir o ruído de células próximas que podem representar valores de elevação errôneos ou que podem não fornecer informações adicionais em termos de diferença de elevação.

Esses dois parâmetros também podem ajudar a identificar feições do terreno, dependendo de seu tamanho. Para isso, ajuste esses parâmetros para valores que representem o que você deseja classificar. Seguem algumas diretrizes gerais para a configuração desses parâmetros:

• Utilize um valor entre 50 e 100 vezes o tamanho da célula de entrada para o parâmetro Distância de pesquisa para identificar elementos de terreno amplos ou extensos, como rios. A identificação de feições de terreno amplas ou extensas também identificaria as pequenas no processo, mas dependendo do valor do parâmetro Distância de salto elas podem não ser identificadas. Portanto, recomenda-se variar um parâmetro de cada vez para encontrar o valor ideal para cada um.
• Utilize de 5 a 15 vezes o tamanho da célula de entrada para identificar feições do terreno estreitas ou pequenas, como riachos estreitos.
• Use valores menores para identificar feições do terreno muito estreitas, como linhas de crista.

Obtenha o padrão do geomorfo

Uma vez definida a área de análise, o próximo passo é calcular o padrão geomorfológico com base no Padrão ternário local (LTP).

Determine o padrão ternário local usando os ângulos zênite e nadir

Em primeiro lugar, o LTP é equivalente a atribuir um valor de 0, 1 ou -1 a cada uma das 8 direções cardinais. O valor atribuído a uma determinada direção é determinado pela diferença entre os ângulos zênite e nadir.

O ângulo zenital, Z, é o ângulo formado entre a direção do zênite (diretamente acima da cabeça) e a linha de visão estendida até o limite da área de análise ao longo da direção que está sendo analisada. Esta linha representa tudo o que pode ser visto da célula alvo.

O ângulo nadir, N, é definido de maneira semelhante. Isso corresponde ao ângulo formado entre a direção do nadir (diretamente abaixo dos pés) e uma hipotética linha de visão seguindo a elevação mais baixa dentro da área até o limite da área de análise.

A Figura 2 mostra o perfil de elevação do terreno analisado em uma direção (por exemplo, Norte) e cada um dos ângulos definidos usando suas respectivas linhas de visada.

Figura 2. Perfil de elevação em uma das direções cardeais a partir da célula alvo. A linha de visada e a linha de visada hipotética estendem-se da célula alvo até o limite da área de análise. Essas linhas, juntamente com as direções do zênite e do nadir, são usadas para definir os ângulos utilizados nas próximas etapas do algoritmo.

Após a determinação dos dois ângulos, o limite do ângulo de terreno plano é utilizado para determinar o valor LTP a ser atribuído à direção em análise. A expressão matemática é a seguinte:

onde,

• A_D são os valores atribuídos à direção em análise.
• Δ_D é a diferença entre os ângulos de nadir e zênite, Z e N.
• t é o valor limite do ângulo do terreno plano.

O limite de ângulo para terreno plano é um valor em graus que permite definir um limite para o terreno que será classificado como plano. Seguindo o mesmo exemplo mostrado na Figura 2, especificar um limite de ângulo de terreno plano de 1 (t = 1 grau) resultará na atribuição de um valor de 1 à direção em análise. Isso ocorre porque 90° - 45° = 45° > 1°.

O mesmo processo é repetido no sentido horário em cada direção cardeal.

Construindo o padrão geomorfológico para a célula alvo

Após cada uma das 8 direções ter recebido um valor, o resultado é concatenado em uma 8-tupla (8 elementos) que será armazenada na célula de destino. Um exemplo da 8-tupla seria (0, -1, 0, 1, 0, 0, 1, 1). Para facilitar o armazenamento, a tupla é transformada em um número ternário (base 3). Esse resultado é o padrão geomorfo.

O número total de padrões geomorfológicos possíveis é 6561. (3⁸). Muitos deles são resultado da rotação ou reflexão de outros padrões, e o número total pode ser reduzido para 498.

Combine o padrão do geomorfo com o tipo de relevo

A ferramenta utiliza a tabela de consulta para associar um padrão de geomorfo a um tipo específico de forma de relevo, seguindo os argumentos apresentados em Jasiewicz e Stepinski (2013). A tabela relaciona um padrão de geomorfo a uma das 10 formatos da superfície mais comuns.

Figura 3. Os 10 tipos de formato da superfície mais comuns.

Mais de um padrão geomórfico diferente pode ser associado a um formato da superfície específica se houver pouca variação em sua definição. A variação aceitável é uma premissa necessária para a criação da tabela de consulta.

Figura 4. Consulte a tabela que relaciona um padrão geomorfológico a um dos 10 tipos de formato da superfície mais comuns. Cada eixo mostra o número total de valores (1) ou (-1) presentes no padrão.

Apenas os tipos de relevo de pico e depressão correspondem a um padrão geomórfico único. Para o tipo de formato da superfície de Pico (-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1), essencialmente todas as células ao redor da célula alvo são mais baixas. Da mesma forma, para o tipo de formato da superfície Depressão (1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1), essencialmente todas as células ao redor da célula alvo são mais altas.

Resultados finais do raster de formato da superfície e geomorfologia

A etapa final consiste em armazenar o resultado da correspondência no valor do parâmetro Raster de formatos da superfície de saída. O padrão geomorfológico é uma saída opcional que pode ser usada para análises ou diagnósticos adicionais.

Referências

Jasiewicz, Juroslav e Tomasz F. Stepinski. 2013. "Geomorphons - uma abordagem de reconhecimento de padrões para classificação e mapeamento de formatos da superfície." Geomorfologia, volume 182, 15 de janeiro, pp. 147–56. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2012.11.005