Modelo HAND no QGIS com o LFTools: drenagem, relevo e suscetibilidade a inundação

O modelo HAND, sigla para Height Above Nearest Drainage, permite representar quanto cada ponto do terreno está verticalmente acima da drenagem mais próxima alcançada pelo caminho natural do escoamento. Agora esse processamento pode ser executado diretamente no QGIS por meio do LFTools, desde a preparação do Modelo Digital de Elevação até a organização e a simbologia das camadas de saída.

A ferramenta foi criada a partir de uma necessidade prática em sala de aula. O aplicativo tradicional associado ao INPE teve papel importante na difusão do HAND, mas meus alunos passaram a encontrar dificuldades de instalação e compatibilidade. Além disso, o procedimento frequentemente exigia baixar ou instalar programas ou complementos adicionais antes que pudéssemos discutir o conceito hidrológico propriamente dito.

Ao integrar esse fluxo ao LFTools, tornou-se possível manter e atualizar continuamente o algoritmo, adaptá-lo às versões atuais do QGIS 3.44 ou superiores e utilizá-lo em diferentes sistemas operacionais, desde que estejam disponíveis os provedores de processamento do QGIS, o GRASS 2.12 e o LFTools 2.17 ou superior. O objetivo não foi apenas automatizar o cálculo do HAND, mas também oferecer uma experiência didática: o usuário acompanha os produtos intermediários, compreende cada etapa do processamento e, ao final, recebe as camadas organizadas e com estilos exclusivos do LFTools, deixando o mapa praticamente pronto com pouquíssimos cliques.

O que é o modelo HAND?

O HAND calcula a diferença vertical entre a altitude de uma célula do terreno e a altitude da primeira célula de drenagem alcançada a jusante ao longo do seu caminho de fluxo. Em termos simples, ele responde à pergunta: quanto este ponto está acima da drenagem para a qual ele escoa? O conceito foi proposto por Rennó et al. (2008) e posteriormente aprofundado por Nobre et al. (2011).

Valores baixos costumam ocorrer próximos aos canais e em áreas topograficamente conectadas à drenagem. Valores elevados representam terrenos verticalmente mais afastados desse nível de referência. Essa relação torna o HAND muito útil para interpretar o relevo, reconhecer fundos de vale e produzir análises preliminares de suscetibilidade a inundação.

Aviso: É importante destacar que o HAND é um descritor do terreno. Ele não substitui uma simulação hidráulica, não calcula profundidade da água, velocidade do escoamento ou probabilidade de ocorrência de uma cheia. Seus resultados devem ser interpretados em conjunto com a qualidade do MDE, a hidrografia, o histórico de eventos e outros dados da área estudada.

Por que integrar o HAND ao LFTools?

A proposta da ferramenta é reduzir as barreiras técnicas sem esconder as decisões que influenciam o resultado. Em uma única janela, o usuário fornece o MDE, define como será extraída a drenagem e escolhe como tratar os caminhos de fluxo que saem da área válida. O processamento gera automaticamente todas as camadas necessárias para compreender e verificar o modelo.

• Não é necessário fornecer previamente a direção de fluxo D8, a acumulação ou a drenagem raster.
• O limiar da drenagem pode ser informado em células, quilômetros quadrados ou hectares.
• São aceitos MDEs em SRC projetado ou geográfico, desde que as altitudes estejam em metros.
• A drenagem é entregue em formato raster e também como rede vetorial ordenada.
• O HAND recebe automaticamente uma simbologia de suscetibilidade e as camadas são organizadas em um grupo no painel do QGIS.
• Os produtos intermediários permanecem disponíveis para conferência e para uso didático.

Como a ferramenta funciona?

O processamento foi desenvolvido em Python utilizando PyQGIS, NumPy e acesso raster pelo GDAL. As etapas hidrológicas de preenchimento de depressões, direção de fluxo e acumulação utilizam algoritmos do GRASS GIS disponíveis no ambiente de processamento do QGIS.

1. Condicionamento hidrológico do MDE

Quando a opção de condicionamento está ativada, o módulo r.fill.dir é utilizado para preencher depressões que poderiam interromper o caminho do escoamento. Essa etapa é útil quando o MDE contém pequenos sumidouros artificiais, mas não deve ser aplicada automaticamente em qualquer situação. Lagos, depressões naturais, diques, estradas, pontes e bueiros podem exigir uma avaliação específica ou um condicionamento hidrológico mais detalhado.

2. Direção D8 e acumulação de fluxo

O módulo r.watershed é executado no modo de direção única de fluxo. Cada célula é ligada a um dos seus oito vizinhos, formando o caminho D8. A acumulação representa a quantidade de células que contribui para cada posição do raster e constitui a base para definir onde a rede de drenagem deve começar.

3. Extração da drenagem

A drenagem é extraída quando a acumulação alcança o limiar mínimo definido pelo usuário. Quanto menor o limiar, mais densa será a rede e maior será a quantidade de canais de primeira ordem. Quanto maior o valor, mais a rede ficará restrita aos canais principais.

4. Cálculo do HAND e da rede ordenada

Depois de identificar a drenagem, o algoritmo percorre os caminhos de fluxo e associa cada célula do terreno à primeira célula de canal encontrada a jusante. A diferença entre as duas altitudes produz o raster HAND. A rede também é transformada em segmentos vetoriais delimitados por nascentes, confluências e exutórios, permitindo calcular as ordens de Strahler e Shreve.

Videoaula: demonstração completa da ferramenta

Acompanhe a execução do Modelo HAND no QGIS, a configuração dos parâmetros e a interpretação das camadas geradas nesta videoaula prática: assista à demonstração no YouTube.

Os parâmetros de entrada

MDE de entrada

O arquivo deve ser um Modelo Digital de Elevação com valores altimétricos em metros e NoData corretamente definido. A ferramenta aceita SRC projetado e geográfico. Quando o raster está em coordenadas geográficas, a área da célula central é calculada geodesicamente para converter quilômetros quadrados ou hectares em número de células. Em áreas muito extensas, essa conversão deve ser considerada aproximada.

Condicionar hidrologicamente o MDE

Ativa ou desativa o preenchimento de depressões. A opção é recomendável para MDEs com pequenos sumidouros artificiais, mas pode ser desligada quando o modelo já estiver hidrologicamente condicionado ou quando as depressões reais precisarem ser preservadas.

Limiar para iniciar a drenagem

Representa a menor área contribuinte necessária para que uma célula seja considerada parte da drenagem. Esse é um dos parâmetros mais importantes da ferramenta. O valor deve ser escolhido de acordo com a escala do estudo, a resolução do MDE, a densidade esperada da rede e uma referência hidrográfica independente.

Unidade do limiar

O usuário pode informar o limiar em número de células, quilômetros quadrados ou hectares. Para comparar resultados produzidos com diferentes resoluções, recomenda-se utilizar uma unidade de área. Um limiar de mil células não representa a mesma área em um raster de 30 metros e em um MDT de 1 metro.

Caminhos de fluxo que saem do MDE válido

Nem todo caminho D8 alcança a drenagem extraída antes de sair do raster ou entrar em uma região NoData. A ferramenta oferece três comportamentos: manter essas células como NoData; utilizar a altitude da última célula válida do caminho; ou aplicar um nível de referência fixo. A segunda opção é particularmente útil em áreas costeiras, estuarinas e lagunares.

Nível de referência fixo

Esse valor é utilizado somente quando o modo de referência fixa estiver selecionado. O nível zero pode representar o mar apenas quando for compatível com o referencial vertical do MDE. Em outros casos, deve-se informar e documentar o nível da água ou a cota de referência adotada.

Memória disponível para o GRASS

Define a quantidade de memória que poderá ser utilizada pelas etapas do GRASS. O valor influencia o desempenho, mas não modifica o significado hidrológico do resultado. Rasters de alta resolução podem exigir mais memória e um recorte prévio da área de interesse.

O mesmo limiar não serve para todos os MDEs

A resolução espacial muda completamente o significado de um limiar expresso em pixels. Para células quadradas de tamanho r e uma área contribuinte A, o número aproximado de células é dado por A dividido por r². A tabela abaixo mostra quantas células seriam necessárias para representar aproximadamente 1 km² em diferentes produtos.

Esse exemplo mostra por que a unidade de área é mais didática e mais segura quando o objetivo é comparar diferentes fontes. Um limiar de 1.000 pixels corresponde a aproximadamente 62,5 km² em um raster de 250 m, 0,9 km² em um raster de 30 m, 0,001 km² em um MDT de 1 m e somente 0,00001 km² em um MDT de 10 cm.

Resolução também não deve ser confundida com acurácia. Um MDT de 10 cm pode representar pequenos detalhes, mas também pode registrar ruídos, vegetação remanescente, veículos e artefatos da reconstrução fotogramétrica. Da mesma forma, um MDE mais grosseiro pode ser adequado para uma análise regional, desde que as conclusões respeitem sua escala.

Camadas geradas pelo Modelo HAND

A execução produz cinco rasters e uma camada vetorial. As camadas intermediárias ajudam a diagnosticar o resultado e permitem explicar aos alunos como cada etapa influencia o produto final.

Campos da rede de drenagem vetorial

A drenagem vetorial não é apenas uma representação visual. Cada segmento recebe atributos que permitem analisar a hierarquia, a conectividade e algumas características básicas da rede.

Simbologia e organização automática no QGIS

Depois do processamento, o LFTools cria um grupo específico no painel de camadas. O raster HAND e a drenagem ordenada ficam no topo. O MDE condicionado, a direção D8, a acumulação e a drenagem raster são colocados abaixo e permanecem inicialmente ocultos. Assim, o mapa principal fica pronto para apresentação, mas os dados intermediários continuam disponíveis para inspeção.

A rede vetorial recebe linhas azuis cuja espessura aumenta conforme a ordem de Strahler. O raster HAND utiliza cinco classes didáticas de suscetibilidade:

• 0 a 1 m — vermelho — suscetibilidade muito alta;
• maior que 1 até 5 m — laranja — suscetibilidade alta;
• maior que 5 até 10 m — amarelo — suscetibilidade moderada;
• maior que 10 até 25 m — verde-claro — suscetibilidade baixa;
• maior que 25 m — verde-escuro — suscetibilidade muito baixa.

As linhas de drenagem correspondem à referência zero do HAND e, portanto, integram a classe vermelha. Essa classificação facilita a leitura inicial, mas os intervalos devem ser avaliados de acordo com o objetivo do estudo, a qualidade do MDE e as características hidrológicas locais.

O caso das áreas costeiras e da Lagoa dos Patos

Durante os testes, uma situação importante foi observada na região da Lagoa dos Patos. Alguns terrenos estreitos próximos ao mar possuíam valores válidos no MDE, mas desapareciam do HAND porque seus caminhos de fluxo saíam da área válida antes de alcançar a drenagem extraída pelo limiar.

Para resolver esse problema, foi implementada a opção que utiliza a cota da última célula válida do caminho de saída. O terreno passou a manter valores coerentes em vez de se transformar em NoData. A alternativa de referência fixa também permite utilizar, quando tecnicamente adequado, um nível de água conhecido, como o nível médio do mar ou a cota de uma lagoa.

Como avaliar se o resultado ficou adequado

Um mapa visualmente agradável não é suficiente. A rede deve ser comparada com uma hidrografia de referência e com a interpretação do relevo. Recomenda-se testar mais de um limiar e observar a densidade da drenagem, a presença de canais paralelos a estradas, tributários ausentes, interrupções na borda e valores incoerentes próximos a corpos d’água.

Para comparar o LFTools com o software tradicional do HAND, o procedimento mais seguro é utilizar exatamente o mesmo MDE, extensão, limiar, condicionamento e regra de borda. Os rasters devem ser registrados na mesma grade e comparados célula a célula. Diferença média, erro absoluto médio, raiz do erro quadrático médio, viés e concordância por classe são métricas úteis. Direção, acumulação e máscara de drenagem também precisam ser comparadas, pois qualquer diferença nessas etapas será propagada para o HAND.

Conclusão

O Modelo HAND do LFTools transforma um fluxo que antes exigia diferentes programas, arquivos intermediários e configurações em uma única ferramenta do QGIS. Ao mesmo tempo, mantém visíveis as etapas necessárias para compreender o processo: MDE condicionado, direção D8, acumulação, drenagem raster, rede vetorial ordenada e raster HAND.

A principal recomendação é não tratar o limiar como um número universal. GMTED2010, SRTM, um MDT de 1 metro e um MDT de drone com 10 centímetros representam escalas, níveis de detalhe e custos computacionais muito diferentes. O resultado será tão confiável quanto a qualidade do MDE, o condicionamento adotado, o limiar escolhido e a coerência do referencial vertical.

Com a ferramenta integrada ao LFTools, será possível ensinar o conceito diretamente no QGIS, reduzir dificuldades de instalação e manter o algoritmo atualizado para novas versões do programa. Mais do que gerar um mapa pronto, a proposta é oferecer um fluxo transparente, reprodutível e didático para análise hidrológica do terreno.

Referências

Rennó, C. D. et al. (2008). HAND, a new terrain descriptor using SRTM-DEM: Mapping terra-firme rainforest environments in Amazonia. Remote Sensing of Environment, 112(9), 3469–3481. https://doi.org/10.1016/j.rse.2008.03.018

Nobre, A. D. et al. (2011). Height Above the Nearest Drainage — a hydrologically relevant new terrain model. Journal of Hydrology, 404(1–2), 13–29. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.03.051

GRASS GIS. Documentação dos módulos r.fill.dir e r.watershed. https://grass.osgeo.org/grass-stable/manuals/

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