Methode zur Erstellung genauer Entwässerungsnetze (und Einzugsgebiete) aus hochauflösendem LiDAR DEM?

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Dies ist nicht das erste Mal, dass ich über dieses Problem gestolpert bin. Es scheint, dass ich aus LiDAR-Daten mit voller Auflösung (1 m Zellen) kein korrektes Entwässerungsnetzmodell und die daraus resultierenden Einzugsgebiete generieren kann.

Wenn ich das LiDAR-Dataset verallgemeinere, es in ein ganzzahliges DEM konvertiere und Senken fülle, ist alles in Ordnung und ich kann leicht ein scheinbar sehr verallgemeinertes Modell erstellen. Ich möchte jedoch ein detailliertes Standortmodell für eine Karte in großem Maßstab erstellen, und hier habe ich Probleme.

Ich möchte darauf hinweisen, dass die meisten Probleme in flacheren Gebieten auftreten.

Ich möchte, dass das Entwässerungsnetz genau dem Gelände folgt, aber wenn ich das Entwässerungsnetz aus einer ganzzahligen DEM-Eingabe erstelle, sind die resultierenden Ströme sehr allgemein und oft in Bereichen "getrennt", in denen dies nicht der Fall sein sollte. Die Bäche folgen nicht einmal eng den natürlichen Höhenrücken im Gelände. Es gibt auch viele "Orphan" - oder "Go Nowhere" -Segmente. Wenn ich einen Floating-Point-DEM-Eingang verwende , ist das resultierende Drainagenetz detailliert und genau, aber sehr getrennt, gruppiert und mit verwaisten Strömen "übersät".

Ich vermute, mein Problem liegt irgendwo in der Datenaufbereitung. Ganzzahl gegen Gleitkomma-Raster-DEM-Eingabe, Füllung sinkt korrekt usw. Oder kann es sein, dass ich die Oberflächendaten irgendwie verarbeiten muss, um zuerst ein "hydrologisch korrektes" Eingabe-DEM zu erstellen?

Kann jemand die richtige Methode zur Erstellung kontinuierlicher Entwässerungsnetze und -einzugsgebiete mit hochauflösendem LiDAR beschreiben?

Derzeit habe ich mehr Erfolg mit der Erstellung des Modells aus einer ganzzahligen DEM-Eingabe. Dies ist jedoch nicht ideal für eine detaillierte Analyse in großem Maßstab:

Das erste angehängte Bild ist ein Modell, das aus einer ganzzahligen DEM-Eingabe erstellt wurde. Mehrere offensichtliche Problembereiche sind eingekreist. Bitte beachten Sie, dass sich tatsächlich ein Bach im scheinbar Hauptentwässerungskanal befindet. Ich habe eine sehr verallgemeinerte Version des Streams hinzugefügt. Bildbeschreibung hier eingeben

EDIT: Wie ich bereits erwähnte, habe ich mehr Erfolg mit der Erstellung des Modells aus einer ganzzahligen DEM-Eingabe. Die folgenden Screenshots veranschaulichen, warum das so ist. Obwohl der ganzzahlige DEM-Eingang viele Probleme aufweist, wie oben zu sehen ist, erzeugt er dennoch ein Drainagenetz, das weniger getrennt ist, obwohl es nicht den Geländeeigenschaften entspricht. Wie Sie auf dem Bild direkt unten sehen können, führt die Verwendung eines Floating-Point-DEM-Eingangs zu einem sehr getrennten und gruppierten Netzwerk voller kleiner verwaister Segmente.

Flow Accumulation-Raster, das aus einem Gleitkomma-DEM erstellt wurde Bildbeschreibung hier eingeben

Flow Accumulation-Raster, das aus einem ganzzahligen DEM erstellt wurde Bildbeschreibung hier eingeben

Soweit ich abziehen kann, ergeben beide Methoden dramatisch unterschiedliche Ergebnisse, beide Methoden sind für ein detailliertes Modell unbrauchbar.

BEARBEITEN: Ich entschuldige mich dafür, dass ich diesen Beitrag länger und länger mache (vielleicht drücke ich mich nicht klar auf Englisch aus). Um das Problem mit der Verwendung eines Gleitkomma-DEM für die Eingabe weiter zu veranschaulichen, füge ich die resultierende Stream-Link-Ausgabe sowie die resultierenden Wasserscheiden hinzu. Was ich erwarte, ist ein kontinuierliches Stream-Netzwerk und ein ganzes Gebiet, das von Becken bedeckt ist, die alle ineinander fließen.

Stream Link erzeugt aus einem Floating Point Input DEM: Bildbeschreibung hier eingeben

Wassereinzugsgebiete, die aus einem Fließkomma-Input-DEM erzeugt wurden: Bildbeschreibung hier eingeben

Hier ist ein Beispiel (in der Nähe, gleiche Daten), in dem die gesamte Flussrichtung eines Beckens aufgrund der Verwendung einer ganzzahligen DEM-Eingabe geändert wird: Der rote Pfeil gibt die Flussrichtung des Modells an und der blaue Pfeil gibt die Richtung des tatsächlichen Flusses an . (blaue Linien - aktuelle Streams, rotes Netzwerk ist das von LiDAR abgeleitete Stream-Netzwerk nach Strahler) Bildbeschreibung hier eingeben

Link zu Daten: https://www.yousendit.com/download/MEtSOGNVNXZvQnRFQlE9PQ (läuft am 13. Mai 2011 ab)

Jakub Sisak GeoGraphics
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Siehe auch verwandte Frage: Workflow zur Bestimmung des Stream-Gradienten?
Kirk Kuykendall
Woher kommt die Schattierung? Die (schwarzen) Strömungsakkumulationsergebnisse scheinen nicht von den schattigen Erhebungen abgeleitet zu sein. Vielleicht könnten Sie uns dieselbe Karte zeigen, aber mit einer schattierten Darstellung des Gitters, mit dem die Werte für die Fließansammlung ermittelt wurden.
whuber
Recht. Ich hätte das erwähnen sollen. Der Schatten wird aus dem gleichen Raster abgeleitet. (Und das Black-Stream-Netzwerk ist eine vom Stream-Link-Raster abgeleitete Stream-Reihenfolge (Strahler).) Alles auf dieser Karte mit Ausnahme des Standorts des Streams (blau) wird aus demselben Raster generiert.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Mein Rat zur Eingrenzung komplexer Probleme ist die Verwendung eines einfachen Testfalls. Schneiden Sie ein kleines Stück aus Ihrer rohen Rasterquelle aus und probieren Sie die Schritte nach Ihren Wünschen aus (z. B. als Float behalten). Auf jeden Fall immer Waschbecken füllen. Untersuchen Sie die Ausgabe jedes Schritts sorgfältig, um sicherzustellen, dass sie "richtig aussieht".
Mike T
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Jakub ich bekomme genau die gleichen Probleme. Du bist nicht allein! Die Antwort, die ich zuvor erhalten hatte, war, die LiDAR-Daten nicht für die Erstellung von Entwässerungsnetzen zu verwenden ...
Jacques Tardie,

Antworten:

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Möchten Sie die GRASS GIS-Analyse verwenden? Ich habe Erfahrung damit, dass GRASS-Algorithmen eine sehr gute Genauigkeit bei der hydrologischen Analyse aufweisen. Ich möchte zum Beispiel ein Entwässerungsnetz mit einer Auflösung von 5 x 5 m auf einem DTM erzeugen. Ich habe Tools von ArcMap (einschließlich ArcHydro Tools) verglichen und Sie können das Ergebnis auf dem ersten Bild (rote Linien) anzeigen. Dann habe ich versucht, die GRASS GIS-Funktion 'r.stream.extract' zu verwenden, und das Ergebnis wurde in Bild 2 (rote Linien) angezeigt. Beide Entwässerungsleitungen werden mit einer Kathementfläche von 3 Hektar erzeugt.

Es ist wirklich anders und im Vergleich zu echten Streams ziemlich genau (Bild 3, echte Streams sind blau). Und GRASS GIS verfügt über viele hydrologische Instrumente, um zB auch Einzugsgebiete zu generieren.

Entwässerungsleitungen mit ArcMap] Entwässerungsleitungen mit GRASS GIS Vergleich zwischen GRASS GIS-Entwässerungsleitungen und realen Bächen

david_p
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Sehr interessant! Mit ESRI-Tools kann derselbe Fehler auftreten, den ich sehe. Dies lässt mich glauben, dass der ESRI-Algorithmus einfach nicht in der Lage ist, hochauflösende Daten zu verarbeiten. Dies beantwortet so ziemlich die Frage. Danke für die Bilder - super! Ich habe so gut wie keine Erfahrung mit GRASS-Tools für die Analyse von Wassereinzugsgebieten / Abflüssen. Ich würde mich sehr freuen, wenn Sie mir ein einfaches Tutorial zeigen könnten.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Ich wollte nur sagen, dass das großartig ist! Erste Tests mit einem Kollegen von mir an unseren Lidar-Datensätzen durchzuführen, und die ersten Ergebnisse sehen sehr vielversprechend aus. Die Menge an Funktionen und Parametern und die Möglichkeit, sogar einige kartografische Details hinzuzufügen, sind großartig. Die Ergebnisse stimmen mit den tatsächlichen Streams überein. Finden Sie auch heraus, wie veraltet die ESRI-Algorithmen sind - unverändert seit Mitte der 80er Jahre. Das erklärt einiges. Danke dir!
Jakub Sisak GeoGraphics
Ich bin froh, dass ich dir geholfen habe! Ich mag GRASS GIS für viele hydrologische Analysen und für sehr gute Ergebnisse, die es gibt. Wie Sie sagten, ist ESRI wirklich veraltet. Ich weiß nicht mal, ob es veraltet ist. Weitere Informationen zu hydrologischen Analysen finden Sie auf den folgenden Seiten (möglicherweise bereits vorhanden): grasswiki.osgeo.org/wiki/Hydrological_Sciences und grass.osgeo.org/grass70/manuals/topic_hydrology.html .
david_p
Ich denke, GRASS GIS hat nur einen Nachteil, und es ist die spezielle native Umgebung für Layer. Es ist ein bisschen nervig für diejenigen, die GRASS nicht so gut kennen. Aber nach einer Weile solltest du dich daran gewöhnen.
david_p
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Im Hinblick auf die Generierung hydrologisch korrekter Höhenmodelle, auch als drainage enforced bezeichnet , ist ANUDEM meines Wissens nach nach wie vor best of breed. Es ist das Programm, mit dem der kanadische nationale Höhendatensatz (CDED, ironischerweise als Ganzzahl-Meter gespeichert) generiert wird . Auch das TopoToRaster- Tool in ArcGIS verwendet Anudem unter der Haube (eine Revision oder drei hinter der aktuellen Version).

Das USGS verwendete ein anderes Programm für das US-amerikanische Modell Delta3D von AverStar, aber als ich mich vor zehn Jahren erkundigte, war es ein benutzerdefiniertes Programm, das nicht von der Stange erhältlich war (obwohl es für einige 100.000 Stück an unsere Bedürfnisse angepasst wurde ).

Mir sind keine anderen Tools zum Generieren entwässerungserzwungener Höhenmodelle bekannt, aber ich würde gerne davon hören.

Matt Wilkie
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Eigentlich habe ich das versucht, aber der toold stürzt sehr ab. Ich habe die von LiDAR abgeleiteten Konturen (2K x 2K-Teilmenge) verwendet und dann kleine unbedeutende Konturen entfernt, um die Oberfläche zu vereinfachen. (Zu viele Punkte in der Kontur Polylinienfehler) Sollte ich stattdessen nur Punkterhöhungen versuchen?
Jakub Sisak GeoGraphics
Apropos CDED: Ich hatte alle möglichen (noch ungelösten) Probleme mit der Ganzzahlrundung und den daraus resultierenden Problemen mit "Terrassenanomalien".
Jakub Sisak GeoGraphics
Ich konnte mit dem TopoToRaster-Werkzeug eine "hydrologisch korrekte" Oberfläche erstellen, indem ich die LiDAR-Punkte als Punkteingabe (Punkt) verwendete. Ich habe 2 Oberflächen mit unterschiedlichen Ausgabezellengrößen erstellt: 2 und 4. Das resultierende Flow-Akkumulations-Raster weist die gleichen Probleme auf. Ich vermute, dass dies in ArcGIS nicht möglich ist. Ich möchte auch darauf hinweisen, dass die Ausführung von TopoToRaster extrem lange dauert.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Zurück am College habe ich an einem Projekt gearbeitet, das das ganz gut gemacht hat. Ich bin kein Hydrologe und habe das Projekt auch nicht abgeschlossen (abgeschlossen), aber vielleicht möchten Sie Folgendes überprüfen:

TauDEM 5.0

Soweit ich mich erinnere, hat es ziemlich gut funktioniert. Es ist ein kostenloses Tool und kann genau das sein, was Sie brauchen.

Bearbeiten: Nachdem Sie Ihre Frage genauer gelesen haben, glaube ich, dass dies genau das Werkzeug ist, das Sie benötigen. Es gibt keine Unterbrechungen, wie Sie beschreiben, der gesamte Strom fließt stromabwärts weiter, dh es gibt keine verwaisten Ströme. Die meisten DEMs berechnen die Durchflussrichtung mit nur 8 möglichen Richtungen, N, E, S, W und NE, SE, SW, NW. Dies führt zu einer unnatürlichen Strömung. TauDEM hat eine gewichtete Richtung, es kann in 360 Grad fließen. Es wird natürlicher fließen und ich gehe von einem genaueren aus.

Wenn Sie mehrere Kerne haben, werden diese auch verwendet. Mit einem hochauflösenden LiDAR sollte TauDEM das, was Sie benötigen, relativ schnell verarbeiten.

SaulBack
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Ich werde das unterstützen! Die D8-Flussrichtung führt bei hochauflösenden Daten zu unerwünschten Ergebnissen, wenn TauDEM über eine D-Infinity-Flussrichtung verfügt. Denken Sie auch an die Absicht eines hydrologischen Flussmodells. Größer ist nicht immer besser (in Bezug auf die Auflösung). Ein hochauflösendes DEM ist eher Ihr Problem als das Modell. Von Lidar abgeleitete DEMs haben von Natur aus echtes "Rauschen", das niemals für die Verwendung in einem Strömungsmodell vorgesehen war. Ich würde empfehlen, Ihr DEM zu verkleinern.
Jeffrey Evans
Schauen Sie sich auch SAGA GIS-softaware an. Ich möchte darauf hinweisen, dass dies KEIN DEM-ZUGEHÖRIGES Problem ist, da die Informationen (dh x, y, z) in den verschiedenen Durchflussansammlungsmethoden (dh D8, Dinfinity usw.) immer gleich sind. . Parallele Verarbeitung in SAGA GIS ermöglicht auch eine recht schnelle Verarbeitung von Lidar-Daten. Ich habe diese Methoden für ziemlich umfangreiche Berechnungen verwendet und sie haben gut funktioniert. Die Sache ist, dass Sie Ihre Daten richtig vorverarbeiten. Dh Drainagestrukturen (Durchlässe, Brücken) einbrennen und auffüllen und DANN die Berechnung der Fließansammlung durchführen!
Reima
Tau dem hatte auch Multi-Prozessor-Fähigkeit
Wenn Sie nicht wissen, nur GIS
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Ich danke Ihnen allen für Ihre Beiträge. Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass eine LiDAR-Oberfläche mit voller Auflösung für diese Art der Analyse ungeeignet ist.

Jakub Sisak GeoGraphics
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In diesem Artikel, Terrain-Datasets, Die 10 wichtigsten Gründe für die Verwendung , habe ich gedacht, dass eine DEM-Rasteroberfläche in Ihrem Fall nur das falsche Datenmodell ist. Wir haben TINs für unsere Höhenmodelle abgelehnt, da die Facetten in unseren Experimenten zu viele Artefakte hervorgebracht haben. Unsere Quelldaten waren jedoch Konturen und kein dichtes Feld von Punkthöhen wie Lidar.
Matt Wilkie
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Speziell zur Frage zur Verwendung von Ganzzahlen oder Gleitkommazahlen: Ganzzahlen eignen sich am besten für Geschwindigkeit und Speicherung und vermeiden einige Arten von Abweichungen aufgrund von Rundungsfehlern. Verwenden Sie bei Verwendung einer Ganzzahl jedoch keine Meter für Ihre Z-Werte (Höhe)! Ändern Sie die vertikalen Einheiten in Zentimeter oder Millimeter oder behalten Sie sie als Meter bei und skalieren Sie die Werte (multiplizieren Sie mit 100 oder 1000), was den gleichen Effekt hat. Wenn dies nicht möglich ist, verwenden Sie Gleitkomma.

Die Steigungs- und Aspektanalyse sowie andere Derivate 2. und 3. Ordnung sind besonders empfindlich gegenüber der Grobheit meterbasierter ganzzahliger Erhebungen. Es ist wirklich schlechtes Training, aber es ist auch Standard.

Siehe Geländeanalyse: Prinzipien und Anwendungen (John Peter Wilson & John C. Gallant), insbesondere Abschnitt 2.7.2 Höheneinheiten und vertikale Präzision und die geomorphologische Charakterisierung digitaler Höhenmodelle ( Jo Wood ), Suche nach "Ganzzahlenrundung". Beide Dokumente sind gewichtig. Das Problem wurde mir zunächst durch eine kurze und verständliche Beschreibung des Problems in einem Dokument zum Erstellen des ersten Kontinentalhöhenmodells für Australien (ca. 2000) unter Verwendung der ANUDEM- Software bewusst , das ich jedoch derzeit nicht lokalisieren kann.

Matt Wilkie
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Vielen Dank, Matt. Gutes Zeug. Ich werde es versuchen und berichten. Viele sehr interessante Informationen. Vielen Dank für die Mühe, die Sie sich damit gemacht haben.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Wenn ich das Eingabe-Raster mit 1000 multipliziere, erhalte ich die gleichen Ergebnisse wie zuvor. Ich habe sowohl die Ganzzahl als auch den Gleitkommawert ausprobiert. Das resultierende Flow Accumulation-Raster ist in beiden Fällen nahezu identisch. Aus, um zu versuchen, die TopoToRaster-Technik zum Laufen zu bringen.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Ich weiß nicht, ob das helfen wird, aber ich habe vor einiger Zeit einen Blogeintrag für 1 cm LIDAR DEM auf hydro network geschrieben. Könnte ein paar Nuggets für dich haben.

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

Thad
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Vielen Dank. Ein kontinuierliches Strömungsrichtungs-Raster zu erhalten, aus dem ich ein brauchbares Entwässerungsnetzwerk ableiten kann, scheint mein Hauptproblem zu sein. Können Sie bitte beschreiben, wie die D8-Methode in ArcGIS zum Erstellen eines Flussrichtungsrasters verwendet werden kann?
Jakub Sisak GeoGraphics
Nur um das zu ergänzen. Ich denke, der existierende Algorithmus ist nicht unendlich - als ob er einen Cut-Off-Parameter hätte, der es ihm nicht erlaubt, den Fluss stromaufwärts zu verfolgen, wenn er feststellt, dass es Speicherprobleme geben könnte.
Jakub Sisak GeoGraphics
Sie können in Arcgis ein Raster für die Flussrichtung erstellen. Ich kann es für Sie ausführen, wenn Sie nicht die Fähigkeit haben.
Thad
Tut mir leid, ich meinte Flow-Akkumulation im obigen Kommentar, nicht Flow-Richtung. Dies ist das Anfangsproblem, wie in dieser Frage beschrieben. Das Tool Flow Direction Tool liefert keine brauchbaren Ergebnisse, wenn es mit dichten Lidar-Daten in tief liegenden Gebieten ausgeführt wird. Tatsächlich führt die Verwendung eines Gleitkomma-Rasters zu irreparablen Fehlern, während die Verwendung eines Ganzzahl-Rasters die Daten zu stark verallgemeinert. Derzeit ist es unmöglich, ein genaues Entwässerungsmodell nur mit ArcGIS-Tools aus LiDAR-Daten abzuleiten.
Jakub Sisak GeoGraphics
Ich verstehe nicht, wie wichtig die Dichte der Daten wäre. Die Daten, die ich benutze, sind 1 cm ^ 2. viel dichter. Lassen Sie mich Ihre Daten herunterladen, und ich werde es versuchen.
Thad
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Ich dachte nur, ich würde hier etwas mehr zum Nachdenken hinzufügen. Ich frage mich jetzt, ob die Abgrenzung der Wasserscheide überhaupt funktioniert. Ich habe ein Modell, das ich manuell bearbeitet habe, und komme ständig über Bereiche, die einfach falsch sind. Ich glaube nicht, dass ich mich überhaupt auf computergenerierte ArcGIS-Modelle verlassen kann ...

Bildschirmfoto

Jakub Sisak GeoGraphics
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