Расчет индекса топографической влажности (выбор из разных алгоритмов)

Индекс топографической влажности может быть выражен как

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

где

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

а также

  tanB is the slope 

Основная идея здесь проста, но, поскольку существует несколько способов вычисления a и tanB, результаты TWI могут широко варьироваться (Qin et al. 2011).

Площадь скопления и сбора вод может быть рассчитана, например, следующим образом:

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

алгоритмы, и есть много других доступных алгоритмов.

Наклон обычно рассчитывается как локальный наклон вокруг пикселя (Sorensen et al. 2005). Локальный наклон также может быть рассчитан как минимальный, средний и максимальный наклон вокруг пикселя. Другой способ вычисления наклона представлен Hjerdt et al. 2004, где наклон рассчитывается до точки d метров ниже центра ячейки.

Уклон является основным инструментом в большинстве программ ГИС, однако расчет может отличаться. Вот несколько примеров: ESRI: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Calculation_slope SAGA: http://sourceforge.net/apps/trac/saga-gis/wiki/Terrain% 20Analysis% 20-% 20Morphometry% 20module% 20library

Как вы можете видеть, есть много вариантов для расчета как a, так и tanB. Таким образом, на практике вопрос в том, как правильно (наилучшим образом) рассчитать TWI, используя разные эти алгоритмы? Или есть?

Мне лично нравится работать в SAGA, главным образом потому, что существует большой выбор гидрологических инструментов с открытым исходным кодом.

Ps. Мне трудно выяснить, как именно рассчитывается наклон водосбора в ГИС Сага, и что именно здесь означает. (Анализ местности - гидрология: площадь водосбора параллельная).

РЕДАКТИРОВАНИЕ: Ответ Фолькера Вихманна из SAGA Forums: «Выходная сетка уклона водосбора модуля« Площадь водосбора »(Parallel) рассчитывается следующим образом: для каждой ячейки локальный уклон рассчитывается с использованием метода Zevenbergen & Thorne. накопленный спуск. Наконец, для каждой ячейки накопленные значения наклона делятся на производную площадь водосбора ячейки. Единицей сетки являются радианы. "

«Для модуля Topographic Wetness Index (TWI) в качестве входных данных требуется обычная наклонная сетка».

Ссылки:

Бевен и Киркби, 1979. Физически обоснованная модель изменчивой площади гидрологии бассейна. Вестник гидрологических наук, 24, с. 43–69.

Hjerdt et al. 2004. Новый топографический индекс для количественной оценки контроля уклона на местном дренаже. Water Resources Research , 40, W05602, doi: 10.1029 / 2004WR003130.

О'Каллаган, JF и Марк, DM 1984. Извлечение дренажных сетей из цифровых данных рельефа. Компьютерное зрение, графика и обработка изображений , 28: 323-344

Цинь и соавт. 2011. Подход к вычислению топографического индекса влажности на основе максимального уклона вниз. Precision Agric 12: 32–43.

Seibert, J. and McGlynn, B. 2007. Новый треугольный алгоритм с несколькими направлениями потока для вычисления площадей с наклоном из цифровых моделей рельефа с сеткой, Water Ressources Research , Vol. 43, W04501

Соренсен и соавт. 2005. О расчете индекса топографической влажности: оценка различных методов на основе полевых наблюдений. Hydrol. Earth Sys. Sci. Обсудить. 2, 1807–1834

Tarboton, DG 1997. Новый метод определения направлений потока и площадей наклона в цифровых моделях рельефа сетки, Water Ressources Research , Vol.33, No.2, p.309-319

Я думаю, что этот пост на форуме SAGA GIS может оказаться полезным для ответа на ваш вопрос о том, как рассчитывается наклон:

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

Кроме того, основываясь на моем понимании TWI (как аспирант-гидролог, участвующий в гидрологическом моделировании), D-Inf (Tarboton), MFD-md (Qin), DEMON (Costa-Cabral) и MFD (Quinn) с показателем степени p = 1.1 (Freemann) - лучшие варианты для определения области накопления «a» в расчете TWI.

Я думаю, что работа Соренсена и работа Цинь придают большое значение моему собственному полупрофессиональному мнению. Однако улучшенный алгоритм Цинь (MFD-md) не был так тщательно протестирован и использован, как другие.

Когда я использовал SAGA для расчета TWI, я сначала вычисляю уклон, используя значение уклона в модуле «Анализ местности / Морфометрия / Уклон, Аспект, Кривизна» , используя алгоритм по умолчанию, упомянутый в сообщении на форуме. Затем я вычисляю площадь водосбора, используя выбор « Анализ рельефа / Гидрология / Площадь водосбора / Площадь водосбора (Параллельно)» , используя либо алгоритм MFD, либо алгоритм D-INF с коэффициентом сходимости 1.1 в качестве коэффициента сходимости (p = 1.1, от Freeman).

Затем я запускаю опцию TWI в « Анализ местности», «Гидрология», «Топографические индексы», «Индекс топографической влажности» (TWI) , с возможностью конвертировать площадь в «1 / размер ячейки» и использовать стандартные вычисления. Я перехожу в конкретную зону водосбора, потому что это то, что требовалось в оригинальной формулировке Бевена и Киркби. Что касается разницы между «Стандартом» и «TOPMODEL», я не уверен, что это такое - изучаю это сам сейчас.

Для получения более конкретной справки см. Страницу 106 и далее по ссылке pdf: http://sourceforge.net/projects/saga-gis/files/SAGA%20-%20Documentation/SAGA% 20Documents / SagaManual.pdf / download

Я забыл добавить, что все это предполагает, что матрица высот была предварительно обработана путем заполнения раковин. Это еще одна сложная тема с двумя (основными) отдельными вариантами.

Надеюсь, это поможет!

Том

PS Редактирует для @reima:

Это то, что я только недавно вырыл, и я могу признать, я не думаю, что я достиг дна еще! Я предпочитаю метод Линдси и Креда, подход с минимальным воздействием, который выбирает обводку или заполнение на основе минимизации общего топографического воздействия (официально называемый «Алгоритм снижения воздействия» - IRA), который, как я думал, был реализован в его программном обеспечении для анализа местности (ранее TAS, сейчас WhiteBox GAT - ссылка: http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox/ ).

Однако даже его инструмент, кажется, реализует другие схемы заполнения:

1. Wang and Liu (2006) - алгоритм заполнения приемника / впадины (базовый, но безумно быстрый), который, я не верю, работает в манере IRA, но похож на способ, которым ArcMap заполняет приемники / впадины, прямо вверх без каких-либо обрывов ,

2. И заполнение раковины / впадины Planchon and Darboux (2001), которое затопляет DEM, а затем удаляет воду по частям - это может усилить наклон в области поля, что, я думаю, может улучшить вычисления TI.

В ArcMap есть новое дополнение для удаления ямок ( http://blogs.esri.com/esri/arcgis/2013/03/05/optimized-tool-for-dem-pit-removal-now-available/ ) это похоже на Линдсей и Кредо IRA, но я еще не читал цитируемую статью, чтобы определить, насколько похожи. Этот метод может стоить посмотреть.

Я также заинтересован в изучении моего предположения о том, что для вычислений TI необходимо заполнить матрицы высот. У меня есть три матрицы высот водораздела разного размера (<100 кв. Км, 100-1000 кв. Км,> 1000 кв. Км), вырезанные с использованием файла формы из данных NED 10 м. Они не заполнены, так как файл формы уже обеспечил разграничение водораздела. Я собираюсь выполнить расчет TI SIS GIS TI (MFD, p = 1.1) для всех трех водосборов, как для заполненных, так и для незаполненных ЦМР, используя схему заполнения ArcMaps (старый и новый), а также алгоритм Ван и Лю (в Whitebox, может быть, в SAGA) и алгоритм Планшона и Дарбу (в Whitebox, может быть, в SAGA). Я также буду рассчитывать значения TI с использованием расчета TI, встроенного в мою гидрологическую модель.

Если хотите, я могу поделиться с вами этими результатами. У меня может не быть их в течение месяца или около того, хотя, поскольку у меня есть другие более подходящие исследования, которыми я сейчас занимаюсь, я должен уточнить процесс расчета TI не позднее середины мая.