Berechnung des topografischen Feuchtigkeitsindex (Auswahl aus verschiedenen Algorithmen)

10

Der topografische Feuchtigkeitsindex kann ausgedrückt werden als

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

wo

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

und

  tanB is the slope 

Die Grundidee hier ist einfach, aber da es mehrere Möglichkeiten gibt, sowohl a als auch tanB zu berechnen , können die Ergebnisse eines TWI stark variieren (Qin et al. 2011).

Durchflussansammlung und Einzugsgebiet können berechnet werden, zum Beispiel durch:

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

Algorithmen, und es gibt auch viele andere Algorithmen zur Verfügung.

Die Steigung wird normalerweise als lokale Steigung um das Pixel berechnet (Sorensen et al. 2005). Die lokale Steigung kann auch als minimale, mittlere und maximale Steigung um das Pixel berechnet werden. Eine andere Methode zur Berechnung der Steigung wird von Hjerdt et al. 2004, wo die Steigung bis zu einem Punkt d Meter unter dem Zellzentrum berechnet wird .

Slope ist ein grundlegendes Werkzeug in den meisten GIS-Softwareprogrammen, die Berechnung kann jedoch abweichen. Hier einige Beispiele: ESRI: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Calculating_slope SAGA: http://sourceforge.net/apps/trac/saga-gis/wiki/Terrain% 20Analyse% 20-% 20Morphometrie% 20Modul% 20Bibliothek

Wie Sie sehen, stehen viele Optionen zur Berechnung von a und tanB zur Verfügung. Die Frage ist also in der Praxis, wie TWI mit verschiedenen dieser Algorithmen am besten (am besten) berechnet werden kann. Oder gibt es welche?

Ich persönlich arbeite gerne in SAGA, vor allem, weil es eine große Auswahl an Open-Source-Hydrologie-Tools gibt.

Ps Es fällt mir schwer, genau herauszufinden, wie die Einzugsgebietsneigung in Saga GIS berechnet wird und was dies hier genau bedeutet. (Geländeanalyse-Hydrologie: Einzugsgebiet parallel).

EDITIERT: Beantwortet von Volker Wichmann aus den SAGA-Foren: "Das Einzugsgitter der Einzugsgebietssteigung des Moduls Einzugsgebiet (parallel) wird folgendermaßen berechnet: Für jede Zelle wird die lokale Steigung nach dem Ansatz von Zevenbergen & Thorne berechnet. Diese Steigungswerte sind akkumulierte Gefälle. Schließlich werden für jede Zelle die akkumulierten Steigungswerte durch den abgeleiteten Einzugsbereich der Zelle geteilt. Die Einheit des Gitters sind Bogenmaß. "

"Das TWI-Modul (Topographic Wetness Index) erfordert ein normales Steigungsgitter als Eingabe."

Verweise:

Beven und Kirkby 1979. Ein physikalisch basiertes, variabel beitragendes Flächenmodell der Beckenhydrologie. Hydrological Sciences Bulletin, 24, S. 43–69.

Hjerdt et al. 2004. Ein neuer topografischer Index zur Quantifizierung von Gefällekontrollen bei lokaler Entwässerung. Water Resources Research , 40, W05602, doi: 10.1029 / 2004WR003130.

O'Callaghan, JF und Mark, DM 1984. Die Extraktion von Entwässerungsnetzen aus digitalen Höhendaten. Computer Vision, Grafik und Bildverarbeitung , 28: 323-344

Qin et al. 2011. Ein Ansatz zur Berechnung des topografischen Feuchtigkeitsindex basierend auf dem maximalen Gefälle. Precision Agric 12: 32–43.

Seibert, J. und McGlynn, B. 2007. Ein neuer dreieckiger Mehrfachströmungsrichtungsalgorithmus zur Berechnung von Steigungsbereichen aus gerasterten digitalen Höhenmodellen, Water Ressources Research , Vol. 3, No. 43, W04501

Sorensen et al. 2005. Zur Berechnung des topografischen Feuchtigkeitsindex: Bewertung verschiedener Methoden anhand von Feldbeobachtungen. Hydrol. Earth Sys. Sci. Diskutieren. 2, 1807–1834

Tarboton, DG 1997. Eine neue Methode zur Bestimmung von Strömungsrichtungen und Steigungsbereichen in digitalen Gitterhöhenmodellen, Water Ressources Research , Band 33, Nr. 2, S. 309-319

reima
quelle

Antworten:

6

Ich denke, dieser Beitrag im SAGA GIS-Forum könnte sich als nützlich erweisen, um Ihre Frage zur Berechnung der Steigung zu beantworten:

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

Basierend auf meinem Verständnis von TWI (als Doktorand in Hydrologie, das an hydrologischer Modellierung beteiligt ist), D-Inf (Tarboton), MFD-md (Qin), DEMON (Costa-Cabral) und MFD (Quinn) mit dem Exponenten p = 1,1 (Freemann) sind die besten Optionen zur Bestimmung der Akkumulationsfläche 'a' in der TWI-Berechnung.

Ich denke, dass Sorensens Arbeit und Qins Arbeit meiner eigenen semiprofessionellen Meinung Glauben schenken. Der verbesserte Algorithmus von Qin (MFD-md) wurde jedoch nicht so gründlich getestet und verwendet wie die anderen.

Als ich SAGA verwendet habe TWI zu berechnen, ich berechnet zuerst die Steigung des mit Steigung commend im Terrain - Analyse / Morphometry / Neigung, Ausrichtung, Krümmung Modul , den Standard - Algorithmus im Forum Beitrag erwähnt. Dann berechne ich das Einzugsgebiet mit der Wahl Terrain Analysis / Hydrology / Catchment Area / Catchment Area (Parallel) , wobei entweder der MFD-Algorithmus oder der D-INF-Algorithmus mit 1.1 als Konvergenzfaktor (p = 1.1, von Freeman) verwendet wird.

Dann führe ich die TWI-Option unter Geländeanalyse / Hydrologie / Topografische Indizes / Topografischer Feuchtigkeitsindex (TWI) mit den Optionen zum Konvertieren der Fläche in "1 / Zellengröße" und Verwenden der Standardberechnung aus. Ich konvertiere in ein bestimmtes Einzugsgebiet, weil dies in der ursprünglichen Formulierung von Beven und Kirkby gefordert wurde. Was den Unterschied zwischen "Standard" und "TOPMODEL" betrifft, bin ich mir nicht sicher, was es ist - ich schaue mir das jetzt selbst an.

Weitere Informationen finden Sie auf Seite 106 des verlinkten PDFs : http://sourceforge.net/projects/saga-gis/files/SAGA%20-%20Documentation/SAGA% 20Documents / SagaManual.pdf / download

Ich habe vergessen hinzuzufügen, dies alles setzt voraus, dass das DEM durch Befüllen von Spülen vorverarbeitet wurde. Das ist ein weiteres kompliziertes Thema mit zwei (Haupt-) separaten Optionen.

Ich hoffe das hilft!

Tom

PS Änderungen für @reima:

Dies ist etwas, mit dem ich mich erst kürzlich befasst habe, und ich kann zugeben, dass ich noch nicht den Boden erreicht habe! Ich bevorzuge die Methode von Lindsay und Creed, den Ansatz mit minimaler Auswirkung, bei dem das Verschließen oder Füllen basierend auf der Minimierung der gesamten topografischen Auswirkung (offiziell als "Impact Reduction Algorithm" - IRA bezeichnet) gewählt wird, von dem ich dachte, dass er in seinem Terrain Analysis Software-Tool (ehemals TAS, implementiert) implementiert wurde. jetzt WhiteBox GAT - Link: http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox/ ).

Selbst sein Tool scheint jedoch andere Füllschemata zu implementieren:

  1. Der Algorithmus zum Füllen von Senken / Vertiefungen (einfach, aber wahnsinnig schnell) von Wang und Liu (2006) - von dem ich glaube, dass er nicht nach IRA-Art funktioniert, aber ähnlich wie ArcMap Senken / Vertiefungen füllt, nur ohne Verschluss .

  2. Und die Senken- / Vertiefungsfüllung von Planchon und Darboux (2001), die ein DEM überflutet und dann das Wasser Stück für Stück entfernt, kann eine Neigung des abgelegten Bereichs erzwingen, was meiner Meinung nach die TI-Berechnungen verbessern könnte.

ArcMap verfügt über ein neues "De-Pitting" -Add-On ( http://blogs.esri.com/esri/arcgis/2013/03/05/optimized-tool-for-dem-pit-removal-now-available/ ). das scheint Lindsay und Creeds IRA ähnlich zu sein, aber ich habe das zitierte Papier noch nicht gelesen, um festzustellen, wie ähnlich es ist. Diese Methode könnte einen Blick wert sein.

Ich bin auch daran interessiert, meine Annahme zu überprüfen, dass TI-Berechnungen gefüllte DEMs benötigen. Ich habe drei unterschiedlich große Wassereinzugsgebiets-DEMs (<100 km², 100-1000 km²,> 1000 km²), die mithilfe einer Formdatei aus 10 m NED-Daten abgeschnitten wurden. Diese werden nicht gefüllt, da die Formdatei bereits die Abgrenzung der Wasserscheide lieferte. Ich werde die SAGA GIS TI-Berechnung (MFD, p = 1,1) für alle drei Wassereinzugsgebiete sowohl für gefüllte als auch für ungefüllte DEMs unter Verwendung des ArcMaps-Füllschemas (alt und neu) und des Wang- und Liu-Algorithmus (möglicherweise in Whitebox) ausführen in SAGA) und den Planchon- und Darboux-Algorithmus (in Whitebox, möglicherweise in SAGA). Ich werde auch die TI-Werte mithilfe der in mein hydrologisches Modell eingebetteten TI-Berechnung berechnen.

Wenn Sie möchten, kann ich diese Ergebnisse mit Ihnen teilen. Ich habe sie vielleicht einen Monat lang nicht, da ich andere sachdienlichere Forschungsergebnisse habe, auf die ich mich derzeit konzentriere, aber ich muss meinen TI-Berechnungsprozess bis spätestens Mitte Mai verfeinern.

traggatmot
quelle
Danke für den Eintrag Tom! Es scheint, dass wir fast identische Arbeitsabläufe haben. Die Vorverarbeitung von DEM ist in der Tat ein weiteres Thema, insbesondere wenn Straßen, Brücken usw. die natürliche Strömungsrichtung und -ansammlung verfälschen. Darf ich Sie fragen, was Ihre Standardmethode zum Befüllen von Spülen ist und wie Sie mit Seen bei der Vorverarbeitung von DEM umgehen? Am Ende entfernte ich alle Seen, weil jede Füllspülenoption dazu neigte, diese Wasser-Baisins höher anzuheben als sie tatsächlich sind, was zu Informationsverlust in der Nähe der Seeseiten führte.
Reima
@reima, siehe oben. Für Seen mache ich noch nichts Besonderes. Mein ganzer Fokus liegt auf der Vorhersage der Ableitung am Bach- / Flussauslass - ich habe mich noch nicht darum gekümmert, wie Seen mit all dem interagieren werden. Ich denke auch, ich sollte klarstellen, dass Sie in der TI-Berechnung NICHT "Catchment Slope" wollen. Sie möchten die normale Steigung - möchten nur sicherstellen, dass dies aus dem von mir bereitgestellten Link zum SAGA GIS-Forum hervorgeht.
traggatmot
Ja (ich habe versucht, den Teil über die lokale ("normale") Steigung kursiv zu schreiben, aber ich denke, er ist etwas unklar (mein schlechtes).) Ich habe bisher die Füllmethode Wang Liu 2006 verwendet, aber wenn Ich fahre mit diesem Thema fort, ich werde definitiv auch tiefer graben müssen. Ich bin auch sehr interessiert an Ihren Ergebnissen!
Reima
@reima, bitte akzeptiere meine Antwort als Antwort, wenn du denkst, dass sie deine Frage anspricht.
traggatmot