Методология создания точных дренажных сетей (и водосборов) из LiDAR DEM высокого разрешения?

28

Я не первый раз сталкиваюсь с этой проблемой; кажется, что я не могу сгенерировать правильную модель дренажной сети и полученные данные из данных LiDAR с полным разрешением (1 м ячеек).

Когда я обобщаю набор данных LiDAR, преобразую его в целочисленную матрицу высот и заполняю приемники, все хорошо, и я легко могу создать то, что представляется очень обобщенной моделью. Тем не менее, я хотел бы создать детальную модель сайта для крупномасштабной карты, и именно здесь у меня возникают проблемы.

Я должен отметить, что большинство проблем происходит в более плоских областях.

Я хотел бы, чтобы дренажная сеть точно следовала рельефу, но когда я использую создание дренажной сети из целочисленного входа матрицы высот, результирующие потоки очень общие и часто «отключаются» в областях, где это не должно быть. Ручьи даже близко не следуют естественным хребтам на местности. Есть также много «сиротских» или «никуда» сегментов. Когда я использую вход матрицы высот с плавающей запятой , получающаяся дренажная сеть детализирована и точна, но очень отсоединена, сгруппирована и "засорена" бесхозными потоками.

Я подозреваю, что моя проблема лежит где-то в подготовке данных; целочисленные или растровые входные данные матрицы высот с плавающей точкой, правильное заполнение приемников и т. д. Или, может быть, мне нужно как-то обработать данные поверхности, чтобы сначала создать «гидрологически корректную» входную матрицу высот?

Может ли кто-нибудь описать правильную методологию создания непрерывных дренажных сетей и водосборов с использованием LiDAR высокого разрешения?

В настоящее время у меня больше успехов в создании модели из целочисленного ввода матрицы высот. Это, однако, не идеально для детального крупномасштабного анализа:

Первое прикрепленное изображение - это модель, полученная из целочисленного ввода ЦМР. Несколько очевидных проблемных областей обведены. Обратите внимание, что на самом деле в главном канализационном канале есть поток. Я добавил очень обобщенную версию потока. введите описание изображения здесь

РЕДАКТИРОВАТЬ: Как я уже упоминал, у меня больше успехов в создании модели из целочисленного ввода ЦМР. На следующих снимках экрана показано, почему это так. Хотя целочисленный ввод ЦМР имеет много проблем, как можно видеть выше, он все же создает дренажную сеть, которая менее отключена, хотя и не соответствует характеристикам местности. Как вы можете видеть на изображении ниже, используя вход матрицы высот с плавающей запятой, вы получаете очень разрозненную и кластерную сеть, заполненную маленькими бесхозными сегментами.

Поток Аккумуляционный растр, созданный из матрицы высот с плавающей точкой введите описание изображения здесь

Поток Аккумуляционный растр, созданный из целочисленной матрицы высот введите описание изображения здесь

Насколько я могу вычесть, оба метода дают совершенно разные результаты, оба метода непригодны для детальной модели.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Я прошу прощения за то, что сделал этот пост все длиннее и длиннее (возможно, я не выражаю себя четко на английском языке). Чтобы проиллюстрировать проблему с использованием DEM с плавающей запятой для ввода, я присоединяю результирующий вывод Stream Link, а также результирующие водоразделы. Чего я ожидаю, так это непрерывной потоковой сети и всей области, покрытой бассейнами, которые впадают друг в друга.

Stream Link производится с входной матрицы высот с плавающей запятой: введите описание изображения здесь

Водосборные бассейны, полученные из плавающей запятой ввода ЦМР: введите описание изображения здесь

Вот пример (близлежащая область, те же данные), где все направление потока бассейна изменяется из-за использования целочисленного ввода матрицы высот: красная стрелка указывает направление потока модели, а синяя стрелка указывает направление фактического потока. , (синие линии - фактические потоки, красная сеть - порядок Strahler, полученный из LiDAR) введите описание изображения здесь

Ссылка на данные: https://www.yousendit.com/download/MEtSOGNVNXZvQnRFQlE9PQ (истекает 13 мая 2011 г.)

Якуб Сисак География
источник
2
См. Также связанный вопрос: рабочий процесс для определения градиента потока?
Кирк Кайкендалл
Откуда берется холмистая местность? Результаты накопления (черного) потока, по-видимому, не получены из возвышенностей с холмистой местностью. Возможно, вы могли бы показать нам ту же карту, но с отображением сетки в холмистой местности, используемой для получения значений накопления потока.
whuber
Правильно. Я должен был упомянуть это. Горка получена из той же сетки. (И сеть черного потока - это Порядок потока (Strahler), полученный из растра Stream Link) Все на этой карте, кроме местоположения потока (синего цвета), генерируется из той же сетки.
Якуб Сисак География
2
Мой совет для сужения сложных проблем - использовать простой контрольный пример. Вырежьте небольшой фрагмент из вашего исходного растрового источника и попробуйте выполнить шаги так, как вам хочется (например, сохранить как float). Обязательно заполняйте раковины, всегда. Внимательно изучите вывод каждого шага, чтобы убедиться, что он «выглядит правильно».
Майк Т
2
Якуб, у меня точно такие же проблемы. Вы не одиноки! Ответ, который мне дали ранее, состоял в том, чтобы не использовать данные LiDAR для создания дренажных сетей ...
Жак Тарди

Ответы:

11

Рассматривали ли вы использовать анализ GRASS GIS? У меня есть опыт, что алгоритмы GRASS имеют очень хорошую достоверность при анализе гидрологии. Например, я хочу создать что-то вроде дренажной сети на DTM с разрешением 5x5m. Я сравнил инструменты из ArcMap (включая ArcHydro Tools), и вы можете просмотреть результат на первом изображении (красные линии). Затем я попытался использовать функцию GRASS GIS 'r.stream.extract' и получил результат, показанный на рисунке 2 (красные линии). Обе дренажные линии генерируются с площадью катектации 3 га.

Он действительно отличается от других и имеет достаточную достоверность по сравнению с реальными потоками (рисунок 3, реальные потоки синего цвета). И GRASS GIS имеет много гидрологических инструментов, то есть, также для создания зоны сгущения.

Дренажные линии с использованием ArcMap] Дренажные линии с использованием GRASS GIS Сравнение между дренажными линиями GRASS GIS и реальными потоками

david_p
источник
1
Очень интересно! Вы можете выдать ту же ошибку, которую я вижу, используя инструменты ESRI. Это наводит меня на мысль, что алгоритм ESRI просто не способен работать с данными высокого разрешения. Это в значительной степени отвечает на вопрос. Спасибо за визуальные эффекты - потрясающе! У меня практически нет опыта использования инструментов GRASS для анализа водосбора / дренажа. Я был бы очень признателен, если бы вы указали мне базовый учебник с практическими рекомендациями.
Якуб Сисак GeoGraphics
1
Просто хотел сказать, что это здорово! Проведение предварительных тестов с моим коллегой по нашим наборам данных Lidar, и первые результаты выглядят очень многообещающе. Огромное количество функций и параметров, а также возможность даже добавить некоторые картографические штрихи. Результаты совпадают с реальными потоками. Также выяснить, насколько устаревшие алгоритмы ESRI - без изменений с середины 80-х годов. Это многое объясняет. Спасибо!
Якуб Сисак GeoGraphics
Я рад, что помог тебе! Мне нравится GRASS GIS за большой гидрологический анализ и за очень хорошие результаты, которые он дает. Как вы сказали, ESRI действительно устарел. Я даже не знаю, как сильно он устарел. Если вы хотите попробовать больше гидрологического анализа, проверьте эти страницы (возможно, у вас уже есть): grasswiki.osgeo.org/wiki/Hydrological_Sciences и grass.osgeo.org/grass70/manuals/topic_hydrology.html .
david_p
Я думаю, что GRASS GIS имеет только один недостаток - это специальная среда для слоев. Это немного раздражает тех, кто не знает GRASS. Но через какое-то время ты уже привык к этому.
david_p
8

Что касается создания гидрологически правильных моделей рельефа, также называемых принудительным дренажом, ANUDEM , насколько мне известно , остается лучшим выбором . Это программа, используемая для генерации канадского национального набора данных высот (CDED, по иронии судьбы хранится в виде целочисленных метров). Также инструмент TopoToRaster в ArcGIS использует Anudem под капотом (ревизия или три за текущей).

USGS использовал другую программу для модели Соединенных Штатов, Delta3D от AverStar, но когда я спросил (десять лет назад), это была пользовательская программа, которая не была в продаже (хотя за несколько сотен тысяч они адаптировали ее для наших нужд) ).

Мне не известны какие-либо другие инструменты для создания моделей рельефа с применением дренажа, но я бы хотел услышать о них.

Мэтт Уилки
источник
Я на самом деле пробовал это, но сбой много. Я использовал контуры, полученные из LiDAR (подмножество 2K x 2K), затем удалил небольшие незначительные контуры, чтобы упростить поверхность, и попробовал TopoToRaster, но он просто умирает. (Слишком много точек в ошибке полилинии контура) Нужно ли просто попробовать вместо этого точки возвышения?
Якуб Сисак GeoGraphics
И, говоря о CDED, у меня были всевозможные проблемы (все еще не решенные) с целочисленным округлением и возникающими в результате "аномалиями террасы".
Якуб Сисак GeoGraphics
Мне удалось успешно создать «гидрологически правильную» поверхность с помощью инструмента TopoToRaster, используя точки LiDAR в качестве точечного (точечного) ввода. Я создал 2 поверхности с разными размерами выходной ячейки: 2 и 4. Результирующий растр накопления потока страдает от тех же проблем. Я начинаю подозревать, что этого нельзя сделать в ArcGIS. Я также хотел бы отметить, что для запуска TopoToRaster требуется очень много времени.
Якуб Сисак GeoGraphics
5

Вернувшись в колледж, я работал над проектом, который сделал это довольно хорошо. Я не гидролог, и я не закончил проект (закончил), но вы можете проверить это:

Таудем 5.0

Из того, что я помню, это работало довольно хорошо. Это бесплатный инструмент и может быть именно то, что вам нужно.

Изменить: После более тщательного изучения вашего вопроса, я считаю, что это именно тот инструмент, который вам нужен. Как вы описываете, он не имеет разъединений, весь поток продолжается вниз по потоку, то есть нет потерянных потоков. Большинство ЦМР рассчитывают направление потока только с 8 возможными направлениями: N, E, S, W и NE, SE, SW, NW. Это приводит к неестественному потоку. Таудем имеет взвешенное направление, он может течь в 360 градусов. У него будет более естественный поток, и я предполагаю, что более точный.

Кроме того, если у вас есть несколько ядер, он будет использовать их. Используя LiDAR высокого разрешения, TauDEM должен обрабатывать то, что вам нужно, довольно быстро.

SaulBack
источник
2
Я буду второй это! Направление потока D8 приведет к нежелательным результатам для данных с высоким разрешением, где в TauDEM доступно направление потока D-бесконечности. Кроме того, имейте в виду цель гидрологической модели потока. Большой не всегда лучше (разрешение мудрое). ЦМР сверхвысокого разрешения - больше ваша проблема, чем модель. Полученные лидаром матрицы высот по сути имеют реальный «шум», который никогда не предназначался для использования в модели потока. Я очень рекомендую уменьшить ваш DEM.
Джеффри Эванс
Проверьте SAGA ГИС-софтвер тоже. Я хотел бы отметить, что это НЕ связано с DEM, поскольку информация (то есть x, y, z) всегда одинакова в каждом из различных МЕТОДОВ накопления потока (то есть D8, Dinfinity и т. Д.) , Параллельная обработка, найденная в SAGA GIS, также позволяет довольно быстро обрабатывать лидарные данные. Я использовал эти методы для довольно больших расчетов, и они работали хорошо. Дело в том, что вы правильно обрабатываете свои данные. Т.е. сжечь дренажные сооружения (водопропускные трубы, мосты) и заполнить их, а затем сделать расчеты накопления потока!
Рейма
Tau dem также имел многопроцессорные возможности
если вы не знаете - просто ГИС
4

Спасибо всем за ваш вклад. Я пришел к выводу, что поверхность LiDAR с полным разрешением не подходит для такого типа анализа.

Якуб Сисак География
источник
Эта статья, Наборы данных Terrain, 10 основных причин их использования , заставила меня задуматься о том, что растровая поверхность DEM - это просто неправильная модель данных, используемая в вашем случае. Мы отказались от TIN для наших моделей рельефа, поскольку в наших экспериментах были получены слишком много артефактов. Однако наши исходные данные были контурами, а не плотным полем высот пятна, подобным лидару.
Мэтт Уилки
4

В частности, к вопросу об использовании целых чисел или чисел с плавающей запятой: целочисленное лучше всего подходит для скорости, хранения и позволяет избежать некоторых видов дрейфа из-за ошибок округления. Однако при использовании целого числа не используйте метры для ваших значений Z (высоты)! Измените вертикальные единицы на сантиметры или миллиметры или оставьте их в метрах и масштабируйте значения (умножьте на 100 или 1000), что дает тот же эффект. Если это невозможно, используйте число с плавающей запятой.

Анализ наклона и аспекта и другие производные 2-го и 3-го порядка особенно чувствительны к грубости целочисленных высот на основе метров. Это действительно плохая практика, но это также стандартная практика.

См. Анализ местности: принципы и приложения (Джон Питер Уилсон и Джон К. Галлант), в частности, раздел 2.7.2 Единицы высот и вертикальная точность , и Геоморфологическая характеристика цифровых моделей высот ( Джо Вуд ), поиск «целочисленное округление». Оба эти документа весомые. Сначала я узнал о проблеме через краткое и понятное описание проблемы в документе о создании первой континентальной модели рельефа для Австралии (около 2000 г.) с использованием программного обеспечения ANUDEM , но я не могу найти ее прямо сейчас.

Мэтт Уилки
источник
1
Спасибо Мэтт. Хорошая вещь. Я попробую это и доложу. Много очень интересной информации. Спасибо за усилие которое ты вложил в это.
Якуб Сисак GeoGraphics
1
Когда я умножаю входной растр на 1000, я получаю те же результаты, что и раньше. Я попробовал как целое число, так и число с плавающей точкой. Результирующий растр накопления потока в обоих случаях практически идентичен. Off, чтобы попытаться заставить работать технику TopoToRaster.
Якуб Сисак GeoGraphics
3

Не знаю, поможет ли это, но я недавно написал пост в блоге о гидросети на 1 см LIDAR DEM. Может быть, есть несколько самородков для вас.

http://www.thadwester.com/1/post/2011/03/hydrologic-networks.html

Тад
источник
Спасибо. Получение непрерывного растра направления потока, из которого я мог бы создать полезную дренажную сеть, особенно на плоских участках, кажется моей главной проблемой. Не могли бы вы описать, как метод D8 может использоваться в ArcGIS для создания растра направления потока?
Якуб Сисак GeoGraphics
Просто чтобы добавить к этому. Я думаю, что существующий алгоритм не является бесконечным - как если бы он имел параметр отсечки, который не позволяет ему отслеживать поток вверх по течению, если он определяет, что могут быть проблемы с памятью.
Якуб Сисак GeoGraphics
Вы можете создать растр направления потока в Arcgis. Я могу запустить его для вас, если у вас нет возможности.
Тад
Извините, я имел ввиду накопление потока в приведенном выше комментарии, а не направление потока. Это начальная проблема, как описано в этом вопросе. Инструмент инструмента направления потока не дает полезных результатов при работе с плотными лидарными данными в низменных областях. Фактически использование растра с плавающей точкой приводит к непоправимым ошибкам, в то время как использование целочисленного растра слишком обобщает данные. В нынешнем виде невозможно получить точную модель дренажа из данных LiDAR, используя только инструменты ArcGIS.
Якуб Сисак GeoGraphics
Я не понимаю, как плотность данных будет иметь значение. Данные, которые я использую, составляют 1 см ^ 2. гораздо плотнее. Дайте мне скачать ваши данные, и я постараюсь.
Тад
1

Просто подумал, что добавлю кое-что еще, чтобы подумать здесь. Теперь я задаюсь вопросом, работает ли процесс разграничения водосборного бассейна. У меня есть модель, которую я редактировал вручную, и я постоянно прибегаю к ошибочным областям. Я не думаю, что могу вообще положиться на компьютерные модели ArcGIS ...

Скриншот

Якуб Сисак География
источник