Obliczanie topograficznego wskaźnika wilgotności (wybór z różnych algorytmów)

Topograficzny wskaźnik wilgotności można wyrazić jako

 Ln(a/tanB) based on the idea of Beven and Kirkby (1979)

gdzie

  a is the specific catchment area (a=A/L, catchment area (A)divided by contour length(L))

i

  tanB is the slope 

Podstawowa idea tutaj jest prosta, ale ponieważ istnieje wiele sposobów obliczania zarówno a, jak i tanB, wyniki TWI mogą się znacznie różnić (Qin i in. 2011).

Obszar akumulacji przepływu i zlewni można obliczyć, na przykład:

 D8 (O'Callaghan, J.F. / Mark, D.M. (1984))
 D-infinity  (Tarboton, D.G. (1997)
 Triangular Multiple flow direction (Seibert, J. / McGlynn, B. (2007)

algorytmy, a także dostępnych jest wiele innych algorytmów.

Nachylenie jest zwykle obliczane jako lokalne nachylenie wokół piksela (Sorensen i in. 2005). Lokalne nachylenie można również obliczyć jako minimalne, średnie i maksymalne nachylenie wokół piksela. Inny sposób obliczania nachylenia zaprezentowali Hjerdt i in. 2004, gdzie nachylenie jest obliczane do punktu d metrów poniżej centrum komórki.

Nachylenie jest podstawowym narzędziem w większości programów GIS, jednak obliczenia mogą się różnić. Oto kilka przykładów: ESRI: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Calculating_slope SAGA: http://sourceforge.net/apps/trac/saga-gis/wiki/Terrain% 20 Analiza% 20-% 20 Morfometria% 20 moduł% 20 biblioteka

Jak widać, dostępnych jest wiele opcji obliczania zarówno a, jak i tanB. Pytanie brzmi zatem, jaki jest właściwy (najlepszy) sposób obliczenia TWI przy użyciu różnych tych algorytmów? A może jest jakiś?

Osobiście lubię pracować w SAGA, głównie dlatego, że istnieje duży wybór narzędzi hydrologicznych typu open source.

Ps Trudno mi się dowiedzieć, jak dokładnie oblicza się nachylenie zlewni w Saga GIS i co dokładnie to oznacza. (Analiza terenu - hydrologia: obszar zlewni równolegle).

ZMIENIONO: Odpowiedzi udzielił Volker Wichmann z forów SAGA: „Siatka wyjściowa nachylenia zlewni modułu Catchment Area (Parallel) jest obliczana w następujący sposób: dla każdej komórki lokalne nachylenie jest obliczane przy użyciu podejścia Zevenbergena i Thorne. Te wartości nachylenia są skumulowane opadanie. Wreszcie dla każdej komórki skumulowane wartości nachylenia są dzielone przez pochodny obszar zlewu komórki. Jednostką siatki są radiany. ”

„Moduł topograficznego wskaźnika wilgotności (TWI) wymaga normalnej siatki nachylenia jako danych wejściowych.”

Bibliografia:

Beven and Kirkby 1979. Fizycznie oparty zmienny model obszarowy hydrologii basenu. Hydrological Sciences Bulletin, 24, s. 43–69.

Hjerdt i in. 2004. Nowy indeks topograficzny do oceny ilościowej kontroli spadków w lokalnym drenażu. Water Resources Research , 40, W05602, doi: 10.1029 / 2004WR003130.

O'Callaghan, JF i Mark, DM 1984. Ekstrakcja sieci drenażowych z cyfrowych danych wysokościowych. Wizja komputerowa, przetwarzanie grafiki i obrazu , 28: 323-344

Qin i in. 2011. Podejście do obliczania topograficznego wskaźnika wilgotności na podstawie maksymalnego gradientu opadania. Precision Agric 12: 32–43.

Seibert, J. and McGlynn, B. 2007. Nowy trójkątny algorytm wielokrotnego kierunku przepływu do obliczania obszarów wzniesień z siatkowych cyfrowych modeli wysokości, Water Ressources Research , tom. 43, W04501

Sorensen i in. 2005. W sprawie obliczania topograficznego wskaźnika wilgotności: ocena różnych metod na podstawie obserwacji terenowych. Hydrol. Earth Sys. Sci. Omawiać. , 2, 1807–1834

Tarboton, DG 1997. Nowa metoda określania kierunków przepływu i obszarów wzniesień w cyfrowych modelach elewacji sieci, Water Ressources Research , Vol.33, No.2, s. 309-319

Myślę, że ten post na forum SAGA GIS może okazać się przydatny w odpowiedzi na pytanie dotyczące obliczania nachylenia:

https://sourceforge.net/p/saga-gis/discussion/354013/thread/27ecdc6b/

Również w oparciu o moje rozumienie TWI (jako doktoranta hydrologii zajmującego się modelowaniem hydrologicznym), D-Inf (Tarboton), MFD-md (Qin), DEMON (Costa-Cabral) i MFD (Quinn) z wykładnikiem p = 1,1 (Freemann) są najlepszymi opcjami do określenia obszaru akumulacji „a” w obliczeniach TWI.

Myślę, że twórczość Sorensena i twórczość Qina nadaje wiarygodność mojej półprofesjonalnej opinii. Jednak ulepszony algorytm Qin (MFD-md) nie został tak dokładnie przetestowany i wykorzystany, jak inne.

Kiedy użyłem SAGA do obliczenia TWI, najpierw obliczam nachylenie za pomocą polecenia pochyłości w module Analiza terenu / Morfometria / Nachylenie, Aspekt, Krzywizna , używając domyślnego algorytmu wymienionego w poście na forum. Następnie obliczam obszar zlewni za pomocą opcji Analiza terenu / Hydrologia / Obszar zlewni / Obszar zlewni (Równoległy) , używając algorytmu MFD lub algorytmu D-INF z współczynnikiem zbieżności 1,1 (p = 1,1, Freemana).

Następnie uruchamiam opcję TWI w Terrain Analysis / Hydrology / Topographic Indices / Topographic Wetness Index (TWI) , z opcjami konwersji obszaru na „1 / rozmiar komórki” i korzystania ze standardowych obliczeń. Przechodzę na konkretny obszar zlewni, ponieważ tak właśnie wymagało oryginalne sformułowanie Beven i Kirkby. Jeśli chodzi o różnicę między „Standardem” a „TOPMODELEM”, nie jestem pewien, co to jest - sam na to teraz patrzę.

Odwołaj się do strony 106 i dalej w celu uzyskania bardziej szczegółowej pomocy: http://sourceforge.net/projects/saga-gis/files/SAGA%20-%20Documentation/SAGA% 20Documents / SagaManual.pdf / download

Zapomniałem dodać, to wszystko zakłada, że ​​DEM został wstępnie przetworzony przez napełnienie zlewów. To kolejny skomplikowany temat z dwiema (głównymi) osobnymi opcjami.

Mam nadzieję, że to pomoże!

Tomek

Edycje PS dla @reima:

To jest coś, w co dopiero niedawno się przekopałem i mogę przyznać, że nie sądzę, że jeszcze dotarłem do dna! Wolę metodę Lindsay i Creeda, podejście polegające na minimalnym uderzeniu, które wybiera szczelinę lub wypełnienie w oparciu o zminimalizowanie całkowitego wpływu topograficznego (oficjalnie nazwany „Algorytm redukcji uderzenia” - IRA), który moim zdaniem został wdrożony w jego oprogramowaniu do analizy terenu (dawniej TAS, teraz WhiteBox GAT - link: http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox/ ).

Jednak nawet jego narzędzie wydaje się wdrażać inne schematy napełniania:

1. Algorytm wypełniania zlewów / depresji (prosty, ale niesamowicie szybki) autorstwa Wanga i Liu (2006) - który, jak sądzę, nie działa w sposób IRA, ale podobny do sposobu, w jaki ArcMap wypełnia zlewy / wgłębienia, po prostu prosto, bez żadnych przerw .

2. I wypełnienie zlewu / zagłębienia Planchon i Darboux (2001), które zalewa DEM, a następnie stopniowo usuwa wodę - może wymusić nachylenie pola, co moim zdaniem może poprawić obliczenia TI.

ArcMap ma nowy dodatek „de-pitting” ( http://blogs.esri.com/esri/arcgis/2013/03/05/optimized-tool-for-dem-pit-removal-now-available/ ) wydaje się podobny do Lindsay i Creeds IRA, ale nie przeczytałem jeszcze cytowanego artykułu, aby ustalić, jak podobny. Ta metoda może być warta obejrzenia.

Interesuje mnie również analiza mojego założenia, że ​​obliczenia TI wymagają wypełnienia DEM. Mam trzy DEM o różnej wielkości zlewni (<100 km2, 100-1000 km2,> 1000 km2), przycięte przy użyciu pliku kształtu z 10 m danych NED. Nie są one wypełnione, ponieważ plik kształtu już zawierał zarys zlewu. Mam zamiar uruchomić obliczenia SAGA GIS TI (MFD, p = 1,1) na wszystkich trzech działach, zarówno na wypełnionych, jak i niewypełnionych DEM, używając schematu napełniania ArcMaps (stary i nowy) oraz algorytmu Wanga i Liu (w Whitebox, być może w SAGA) oraz algorytm Planchon i Darboux (w Whitebox, może w SAGA). Będę również obliczał wartości TI za pomocą obliczeń TI zawartych w moim modelu hydrologicznym.

Jeśli chcesz, mogę udostępnić Ci te wyniki. Mogę ich nie mieć przez około miesiąc, ponieważ mam inne bardziej odpowiednie badania, na których obecnie się skupiam, ale muszę udoskonalić proces obliczania TI najpóźniej do połowy maja.