Comparison of drainage network extracted from global digital elevation models with simple-flow and multi-flow direction

Autores

DOI:

https://doi.org/10.5380/raega.v62i1.98168

Resumo

In 2022, the FABDEM model was released. Its developers used machine learning techniques to remove the height of forest canopy and buildings from the COPDEM digital elevation model (DEM). In this context, the objective of this study was to analyze and compare the drainage networks extracted from the SRTM, COPDEM and FABDEM global models using single and multiple flow direction methods, focusing on a floodplain area in the central-eastern region of the State of Paraná. Elevation and slope data from the three models were compared, and vertical accuracy was calculated from the root mean square error (RMSE) between each model and the reference data obtained from an official 1:50000 cartographic base. Drainage networks were extracted using different methods to define the flow direction and parameters of the algorithms implemented in GRASS GIS. The quality of the extracted drainage networks was analyzed by comparing them with the official 1:50000 hydrographic network and with topographic and longitudinal profiles. The results showed the higher vertical accuracy of FABDEM, as well as its better performance in extracting the drainage network when combined with the multiple flow direction method. However, the FABDEM model still has limitations when it comes to extracting drainage networks in floodplains, mainly because it was not successful to completely filter out the influence of vegetation in its altimetric data.

Biografia do Autor

Willian Bortolini, Universidade Federal do Paraná

Doutor e mestre em Geografia pela Universidade Federal do Paraná (UFPR). Bacharel e licenciado em Geografia pela mesma instituição. Atualmente é Professor Colaborador no Departamento de Geografia da Universidade Estadual do Centro-Oeste (Unicentro), Campus Guarapuava. Possui experiência em análise digital e quantitativa do relevo, sistema de informação geográfica (SIG), estudos em evolução do relevo e mapeamento geomorfológico.

Claudinei Taborda da Silveira, Departamento de Geografia, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Paraná

Graduado em Geografia (2002), com mestrado em Geologia (2005) e doutorado em Geografia (2010), pela Universidade Federal do Paraná (UFPR). É professor do Departamento de Geografia e do Programa de Pós-Grauduação em Geografia da UFPR. Atua principalmente nos seguintes temas de geomorfologia: cartografia geomorfológica, estudo de processos em vertentes, geomorfometria e geomorfologia ambiental. É Bolsista de Produtividade em Pesquisa do CNPq e meliponicultor.

Lionel Siame, Aix Marseille Univ, CNRS, IRD, INRAE, CEREGE, Aix-en-Provence, França

Possui doutorado em Active Tectonics - Université Paris-Sud 11 (1998). Atualmente seu maître de conférences (HDR) - Aix-Marseille Université. Tem experiência na área de Geociências, com ênfase em Geotectônica e Geomorfologia. Meu trabalho de pesquisa diz respeito à evolução das superfícies continentais devido à tectônica ou forçantes do clima, ou uma combinação das duas. Minha caixa de ferramentas inclui geomorfologia quantitativa e nuclídeos cosmogênicos (in situ ou atmosféricos). Eu costumava trabalhar em ambientes geodinâmicos ativos, principalmente ao longo de limites de placas convergentes (Argentina, Irã, Marrocos, Taiwan). Também desenvolvo um programa de pesquisa no Brasil para estudar a evolução da paisagem a longo prazo e os impactos das mudanças globais nas superfícies continentais.

Referências

AHMADI, H.; DAS, A.; POURTAHERI, M.; KOMAKI, C. B.; KHAIRY, H. Redefining the watershed line and stream networks via digital resources and topographic map using GIS and remote sensing (case study: the Neka River’s watershed). Natural hazards, v. 72, p. 711-722, 2014. Available from: https://doi.org/10.1007/s11069-014-1031-9.

BARRETO, K. T.; PINTO, M. L. C. Caracterização dos Indicadores Geomorfológicos na Bacia Hidrográfica do Rio Verde, Ponta Grossa-PR. Geografia, Ensino e Pesquisa. v. 21, n. 2, p. 164-173, 2017. Available from: https://doi.org/10.5902/2236499424088.

BIELSKI, C.; LÓPEZ-VÁZQUEZ, C.; GROHMANN, C. H.; GUTH, P. L.; HAWKER, L.; GESCH, D.; TREVISANI, S; HERRERA-CRUZ, V.; RIAZANOFF, S.; CORSEAUX, A.; REUTER, H. I.; STROBL, P. Novel approach for ranking DEMs: Copernicus DEM improves one arc second open global topography. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, v. 62, p. 1-22, 2024. Available from: https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3368015.

BORGOHAIN; A.; KHAJURIA, V.; GARG, V.; KOTI, S. R.; BHARDWAJ, A. Comparison of Geomorphological Parameters Detected Using MERIT and FABDEM Products. Environmental Sciences Proceedings, v. 25, n. 1, p. 59, 2023. Available from: https://doi.org/10.3390/ECWS-7-14298.

CHEN, Q.; MUDD, S. M.; ATTAL, M.; HANCOCK, S. Extracting an accurate river network: Stream burning re-revisited. Remote Sensing of Environment, v. 312, p. 114333, 2024. Available from: https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114333.

CONRAD, O.; BECHTEL, B.; BOCK, M.; DIETRICH, H.; FISCHER, E.; GERLITZ, L.; WEHBERG, J.; WICHMANN, V.; BÖHNER, J. System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) v. 2.1.4, Geosci. Model Dev. v. 8, p. 1991-2007. 2015. Available from: https://doi.org/10.5194/gmd-8-1991-2015.

COPERNICUS. Copernicus DEM – Global and European Digital Elevation Model. 2024. Available from: https://dataspace.copernicus.eu/explore-data/data-collections/copernicus-contributing-missions/collections-description/COP-DEM#:~:text=The%20Copernicus%20DEM%20is%20a,mission%20between%202011%20and%202015. Access in: September 2024.

DANDABATHULA, G.; HARI, R.; GHOSH, K.; BERA, A. K.; SRIVASTAV, S. K. Accuracy assessment of digital bare-earth model using ICESat-2 photons: analysis of the FABDEM. Modeling Earth Systems and Environment, v. 9, n. 2, p. 2677-2694, 2023. Available from: https://link.springer.com/article/10.1007/s40808-022-01648-4.

DUARTE, T. F.; STEFANES, M.; BRONAUT, R. P. M.; FINAZZI, A. E. M. Extração automática de drenagem utilizando dados SRTM da sub-bacia do Ribeirão Laranjal Nova Andradina/MS. In: 27o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2013, Goiânia (GO). Anais Eletrônicos […]. Goiânia (GO), Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental (ABES), 2013. Available from: https://abes-dn.org.br/anaiseletronicos/22_Download/TrabalhosCompletosPDF/IV-139.pdf.

EL-SHEIMY, N.; VALEO, C.; HABIB, A. Digital terrain modeling: acquisition, manipulation, and applications. Artech House Inc., Norwood-Massachusetts, 2005.

FALORNI, G.; TELES, V.; VIVONE, E. R.; BRAS, R. L.; AMARATUNGA, K. S. Analysis and characterization of the vertical accuracy of digital elevation models from the Shuttle Radar Topography Mission. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, v. 110, n. F2, 2005. Available from: https://doi.org/10.1029/2003JF000113.

FERREIRA, F. J. F. Integração de dados aeromagnéticos e geológicos: configuração e evolução tectônica do Arco de Ponta Grossa. 1982. Dissertação (Mestrado em Geologia). Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo. 169 p. 1982.

FIRMINO, I. Identificação de anomalias de drenagem na bacia do rio Sabão (PR) por meio do índice RDE e do Fator de Simetria Topográfica Transversal (FSTT). Bol. geogr. v. 33, número especial, p. 61-73, 2015. Available from: http://doi.org/10.4025/bolgeogr.v33i0.31927.

FIRMINO, I. G. SOUZA FILHO, E. E. Análise de padrões e de anomalias de drenagem da porção média da bacia do rio Tibagi (PR). Revista Brasileira de Geomorfologia. v.18, n.1, p.37-49, 2017. Available from: http://doi.org/10.4025/bolgeogr.v33i0.31927.

GAIDA, W.; ERTHAL, D. A.; BREUNIG; F. M.; SAMPAIO; T. V. M.; SPOHR, R. B. Avaliação de modelos digitais de elevação para análise hidrológica em ambientes florestais: estudo de caso do Parque Estadual do Turvo, Rio Grande do Sul. Geografia Ensino & Pesquisa, v. 28, p. e85914-e85914, 2024. Available from: https://doi.org/10.5902/2236499485914.

GIANNONI, F.; ROTH, G.; RUDARI, R. A procedure for drainage network identification from geomorphology and its application to the prediction of the hydrologic response. Advances in Water Resources, v. 28, n. 6, p. 567-581, 2005. Available from: https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2004.11.013.

GRASS Development Team, 2017. Geographic Resources Analysis Support System (GRASS) Software, Version 7.2. Open Source Geospatial Foundation. Electronic document: http://grass.osgeo.org.

HACK, J. T. Stream-profile analysis and stream-gradient index. Jour. Research U.S. Geol. Survey. v. 1, n. 4, p. 421-429, 1973.

HAWKER, L.; UHE, P.; PAULO, L.; SOSA, J.; SAVAGE, J.; SAMPSON, C.; NEAL, J. A 30 m global map of elevation with forests and buildings removed. Environmental Research Letters, v. 17, n. 2, p. 024016, 2022. Available from: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac4d4f.

HENGL, T.; MACMILLAN, R. A. Geomorphometry—a key to landscape mapping and modelling. Developments in Soil Science, v. 33, p. 433-460, 2009.

HORTON, R. E. Erosional development of streams and their drainage basins; hidrophysical approach to quantitative morphology. Bulletin of the Geological Society of America. v. 56, p. 275-370, 1945. Available from: https://doi.org/10.1177/030913339501900406.

HU, Z.; PENG, J.; HOU, Y.; SHAN, J. Evaluation of recently released open global digital elevation models of Hubei, China. Remote Sensing, v. 9, n. 3, p. 262, 2017. Available from: https://doi.org/10.3390/rs9030262.

IQBAL, A.; MONDAL, M. S.; VEERBEEK, W.; KHAN, M. S. A.; HAKVOORT, H. Effectiveness of UAV‐based DTM and satellite‐based DEMs for local‐level flood modeling in Jamuna floodplain. Journal of Flood Risk Management, v. 16, n. 4, p. e12937, 2023. Available from: https://doi.org/10.1111/jfr3.12937.

KIDNER, D. B.; SMITH, D. H. Advances in the data compression of digital elevation models. Computers & Geosciences, v. 29, n. 8, p. 985-1002, 2003. Available from: https://doi.org/10.1016/S0098-3004(03)00097-9.

KRDŽALIĆ, D.; ĆATIĆ, J.; VRCE, E.; OMIĆEVIĆ, D. Evaluating the accuracy of the digital elevation models (DEMs) within the territory of Bosnia and Herzegovina. Remote Sensing Applications: Society and Environment, v. 34, p. 101187, 2024. Available from: https://doi.org/10.1016/j.rsase.2024.101187.

LAKSHMI, S. E.; YARRAKULA, K. Review and critical analysis on digital elevation models. Geofizika, v. 35, n. 2, p. 129–157-129–157, 2018. Available from: https://doi.org/10.15233/gfz.2018.35.7.

LINDSAY, J. B.; YANG, W.; HORNBY, D. D. Drainage network analysis and structuring of topologically noisy vector stream data. ISPRS International Journal of Geo-Information, v. 8, n. 9, p. 422, 2019. Available from: https://doi.org/10.3390/ijgi8090422.

MEADOWS, M.; JONES, S.; REINKE, K. Vertical accuracy assessment of freely available global DEMs (FABDEM, Copernicus DEM, NASADEM, AW3D30 and SRTM) in flood-prone environments. International Journal of Digital Earth, v. 17, n. 1, p. 2308734, 2024. Available from: https://doi.org/10.1080/17538947.2024.2308734.

MINEROPAR – Minerais do Paraná S/A. Atlas geológico do estado do Paraná. 116 p. Curitiba, 2001.

MINEROPAR – Minerais do Paraná S/A. Mapa Geológico do Estado do Paraná -Cartas Geológicas 1:250.000. 2006. Available from: https://www.iat.pr.gov.br/Pagina/Mapeamento-Geologico.

MUKHERJEE, S.; JOSHI, P. K.; MUKHERJEE, S.; GHOSH, A.; GARG, R. D.; MUKHOPADHYAY, A. Evaluation of vertical accuracy of open source Digital Elevation Model (DEM). International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, v. 21, p. 205-217, 2013. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jag.2012.09.004.

NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION. Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). 2024. Available from: https://www.earthdata.nasa.gov/sensors/srtm. Access in: September 2024.

OKA-FIORI, C.; SANTOS, L. J. C.; CANALI, N. E.; FIORI, A. P.; SILVEIRA, C. T.; BRISKI, S. J.; FELIPE, R. S.; SILVA, J. M. F.; ROSS, J. L. S. Atlas Geomorfológico do Estado do Paraná: escala base 1:250.000, modelos reduzidos 1:500.000. MINEROPAR; Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 63 p., 2006.

OLIVEIRA, K. A.; PINTO, M. L. C. Correlação morfoestrutural da rede de drenagem na bacia do Alto Curso do rio Pitangui – Paraná. Geoingá: Revista do Programa de Pós-Graduação em Geografia. v. 7, n.1, p. 25-41, 2015. Available from: http://doi.org/10.4025/geoinga.v7i1.49291.

PERRON, J.; ROYDEN, L. An integral approach to bedrock river profile analysis. Earth Surface Processes and Landforms. v. 38, p. 570-576, 2013. Available from: http://doi.org/10.1002/esp.3302.

PIKE, R. J.; EVANS, I. S.; HENGL, T. Geomorphometry: a brief guide. Developments in soil science, v. 33, p. 3-30, 2009. Available from: https://doi.org/10.1016/S0166-2481(08)00001-9.

SANTOS, L. J. C.; OKA-FIORI, C.; CANALI, N. E.; FIORI, A. P.; DA SILVEIRA, C. T.; DA SILVA, J. M. F.; ROSS, J. L. S. Mapeamento geomorfológico do Estado do Paraná. Revista Brasileira de Geomorfologia, v. 7, n. 2, 2006. Available from: https://doi.org/10.20502/rbg.v7i2.74.

SCHWANGHART, W.; SCHERLER, D. TopoToolbox 2–MATLAB-based software for topographic analysis and modeling in Earth surface sciences. Earth Surface Dynamics, v. 2, n. 1, p. 1-7, 2014. Available from: http://doi.org/10.5194/esurf-2-1-2014.

SILVEIRA, R. M. P.; SILVEIRA, C. T. Análise comparativa entre modelos digitais de elevação com distintas características de processamento e aquisição. Boletim de Geografia, v. 33, p. 106-121, 2015. Available from: https://doi.org/10.4025/bolgeogr.v33i0.31930.

SNYDER, N. P.; WHIPPLE, K. X.; TUCKER, G. E.; MERRITTS, D. J. Landscape response to tectonic forcing: Digital elevation model analysis of stream profiles in the Mendocino triple junction region, northern California. GSA Bulletin. v. 112, n. 8, p. 1250-1263, 2000. Available from: http://doi.org/10.1130/0016-7606(2000)112<1250:LRTTFD>2.0.CO;2.

SOUSA, M. S.; SAMPAIO, T. V. M. Avaliação da acurácia de bases cartográficas: um estudo de caso da rede de drenagem do estado do Paraná na escala 1:50.000 para a carta MI 2818-4. Anais... XVII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, João Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE, [s. l.], n. 1, pp. 6381–6388, 2015.

TRAN, T. N. D.; NGUYEN, B. Q.; VO, N. D.; LE, M. H.; NGUYEN, Q. D.; LAKSHMI, V.; BOLTEN, J. D. Quantification of global Digital Elevation Model (DEM)–A case study of the newly released NASADEM for a river basin in Central Vietnam. Journal of Hydrology: Regional Studies, v. 45, p. 101282, 2023. Available from: https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2022.101282.

ZALÁN, P. V.; OLIVEIRA, J. A. B. Origem e evolução estrutural do Sistema de Riftes Cenozóicos do Sudeste do Brasil. Boletim de Geociencias da PETROBRAS, v. 13, n. 2, p. 269-300, 2005.

ZALÁN, P. V.; WOLFF, S.; CONCEIÇÃO, J. C.; ASTOLFI, M. A. M; VIEIRA, I. S.; APPI, V. T.; ZANOTTO, O. A. Tectônica e sedimentação do Bacia do Paraná. Atas do III Simpósio Sul-Brasileiro de Geologia. Curitiba. v. 1, p. 441-477, 1987.

Downloads

Publicado

2025-04-28

Como Citar

Bortolini, W., Taborda da Silveira, C., & Siame, L. (2025). Comparison of drainage network extracted from global digital elevation models with simple-flow and multi-flow direction. Ra’e Ga: O Espaço Geográfico Em Análise, 62(1), 90–110. https://doi.org/10.5380/raega.v62i1.98168

Edição

v. 62 n. 1 (2025)

Seção

Artigos

Licença

Declaro que o ARTIGO submetido é INÉDITO, ORIGINAL e de MINHA RESPONSABILIDADE. Declaro que o artigo não foi submetido ou está em avaliação em outra revista/periódico.

Estou ciente dos itens presentes na LEI Nº 9.610/98 (DIREITOS AUTORAIS) e me responsabilizo por quaisquer problemas relacionados a PLÁGIO.

Estou ciente de que o artigo submetido poderá ser removido da Revista, caso se observe A QUALQUER TEMPO que ele se encontra publicado integralmente ou em parte em outro PERIÓDICO científico. 

Declaro, COMO PRIMEIRO AUTOR, que os demais autores do trabalho estão cientes desta submissão e de que NÃO receberão qualquer tipo de remuneração pela divulgação do trabalho. 

Como primeiro autor, autorizo, de antemão, a RA’E GA - O Espaço Geográfico em Análise(ISSN 2177-2738), a publicar o artigo, caso aceito.