Cálculo do índice de umidade topográfica (escolhendo entre diferentes algoritmos)

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O índice topográfico de umidade pode ser expresso como

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

Onde

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

e

  tanB is the slope 

A idéia básica aqui é simples, mas como existem várias maneiras de calcular tanto a quanto tanB, os resultados de um TWI podem variar amplamente (Qin et al. 2011).

A área de captação e acumulação de vazão pode ser calculada, por exemplo:

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

algoritmos, e existem muitos outros algoritmos disponíveis também.

A inclinação é geralmente calculada como a inclinação local ao redor do pixel (Sorensen et al. 2005). A inclinação local também pode ser calculada como inclinação mínima, média e máxima ao redor do pixel. Outra maneira de calcular a inclinação é apresentada por Hjerdt et al. 2004, onde a inclinação é calculada até um ponto d metros abaixo do centro da célula.

O Slope é uma ferramenta básica na maioria dos softwares GIS, porém o cálculo pode ser diferente. Aqui estão alguns exemplos: ESRI: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Calculating_slope SAGA: http://sourceforge.net/apps/trac/saga-gis/wiki/Terrain% 20Analysis% 20-% 20Morphometry% 20module% 20library

Como você pode ver, existem muitas opções disponíveis para calcular a e tanB. Então, a questão é, na prática, qual é a melhor (melhor) maneira correta de calcular o TWI usando diferentes algoritmos? Ou existe algum?

Pessoalmente, gosto de trabalhar na SAGA, principalmente porque há uma grande variedade de ferramentas de hidrologia de código aberto.

Ps Estou tendo dificuldade para descobrir exatamente como a inclinação da bacia é calculada no Saga GIS, e exatamente o que isso significa aqui. (Análise de terreno - hidrologia: área de captação paralela).

EDITADO: Respondido por Volker Wichmann dos fóruns da SAGA: "A grade de saída da inclinação da bacia hidrográfica (Parallel) é calculada da seguinte forma: para cada célula, a inclinação local é calculada usando a abordagem de Zevenbergen & Thorne. Esses valores de inclinação são declive acumulado. Finalmente, para cada célula, os valores do declive acumulado são divididos pela área de captação derivada da célula. A unidade da grade é radiana. "

"O módulo Índice de Umidade Topográfica (TWI) requer uma grade de inclinação normal como entrada".

Referências:

Beven e Kirkby 1979. Um modelo de área de contribuição variável de base física da hidrologia da bacia. Hydrological Sciences Bulletin, 24, pp. 43–69.

Hjerdt et al. 2004. Um novo índice topográfico para quantificar controles de declive na drenagem local. Pesquisa de Recursos Hídricos , 40, W05602, doi: 10.1029 / 2004WR003130.

O'Callaghan, JF e Mark, DM 1984. A extração de redes de drenagem a partir de dados de elevação digital. Visão computacional, gráficos e processamento de imagens , 28: 323-344

Qin et al. 2011. Uma abordagem para calcular o índice de umidade topográfica com base no gradiente máximo de declive. Precisão Agric 12: 32–43.

Seibert, J. e McGlynn, B. 2007. Um novo algoritmo triangular de direção de fluxo múltiplo para computar áreas de subida a partir de modelos de elevação digital em grade, Water Ressources Research , vol. 43, W04501

Sorensen et al. 2005. No cálculo do índice de umidade topográfico: avaliação de diferentes métodos com base em observações de campo. Hydrol. Earth Sys. Sci. Discutir. 2, 1807-1834

Tarboton, DG 1997. Um novo método para a determinação de direções de fluxo e áreas de declive em modelos de elevação digital de grade, Water Ressources Research , Vol.33, No.2, p.309-319

reima
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Respostas:

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Acho que este post no fórum SAGA GIS pode ser útil para responder sua pergunta sobre como a inclinação é calculada:

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

Além disso, com base no meu entendimento de TWI (como um estudante de hidrologia envolvido em modelagem hidrológica), o D-Inf (Tarboton), MFD-md (Qin), DEMON (Costa-Cabral) e MFD (Quinn) com o expoente p = 1,1 (Freemann) são as melhores opções para determinar a área de acumulação 'a' no cálculo do TWI.

Acho que o trabalho de Sorensen e o trabalho de Qin emprestam credibilidade à minha própria opinião semiprofissional. No entanto, o algoritmo aprimorado de Qin (MFD-md) não foi tão amplamente testado e usado tanto quanto os outros.

Quando usei o SAGA para calcular o TWI, primeiro calculei a inclinação usando a inclinação recomendada no módulo Análise do terreno / Morfometria / Inclinação, Aspecto, Curvatura , usando o algoritmo padrão mencionado no post do fórum. Em seguida, calculo a área de captação usando a opção Análise de Terreno / Hidrologia / Área de Captação / Área de Captação (Paralela) , usando o algoritmo MFD ou o algoritmo D-INF com 1.1 como fator de convergência (p = 1,1, de Freeman).

Em seguida, executo a opção TWI, em Análise de terreno / Hidrologia / Índices topográficos / Índice de umidade topográfica (TWI) , com as opções de converter a área para "1 / tamanho da célula" e usar o cálculo padrão. Eu me converto em uma bacia hidrográfica específica, porque é isso que a formulação original de Beven e Kirkby exigia. Quanto à diferença entre o "Padrão" e o "TOPMODEL", não tenho certeza do que é - investigar isso agora mesmo.

Consulte a página 106 em diante do pdf vinculado para obter ajuda mais específica: http://sourceforge.net/projects/saga-gis/files/SAGA%20-%20Documentation/SAGA% 20Documents / SagaManual.pdf / download

Esqueci de acrescentar que tudo isso pressupõe que o DEM tenha sido pré-processado preenchendo pias. Esse é outro tópico complicado, com duas opções (principais) separadas.

Eu espero que isso ajude!

Tom

Edições PS para @reima:

Isso é algo em que eu recentemente mergulhei, e posso admitir que ainda não cheguei ao fundo! Prefiro o método de Lindsay e Creed, a abordagem de impacto mínimo que escolhe a culatra ou o preenchimento com base na minimização do impacto topográfico total (oficialmente denominado "Algoritmo de redução de impacto" - IRA), que pensei ter sido implementado em sua ferramenta Terrain Analysis Software (anteriormente TAS, agora WhiteBox GAT - link: http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox/ ).

No entanto, mesmo sua ferramenta parece implementar outros esquemas de preenchimento:

  1. O algoritmo de preenchimento de afundamento / depressão (básico, mas incrivelmente rápido) de Wang e Liu (2006) - que não acredito que funcione da maneira IRA, mas semelhante à maneira como o ArcMap preenche pias / depressões, diretamente sem qualquer culatra .

  2. E o preenchimento da pia / depressão de Planchon e Darboux (2001), que inunda um DEM e remove a água pouco a pouco - pode impor uma inclinação na área arquivada, o que acho que pode melhorar os cálculos de TI.

O ArcMap possui um novo complemento "despachante" ( http://blogs.esri.com/esri/arcgis/2013/03/05/optimized-tool-for-dem-pit-removal-now-available/ ) isso parece semelhante ao Lindsay e Creeds IRA, mas ainda não li o artigo citado para determinar quão similar. Esse método pode valer uma olhada.

Também estou interessado em examinar minha suposição de que os cálculos de TI precisam de DEMs preenchidos. Eu tenho três DEMs de bacias hidrográficas de tamanhos diferentes (<100 km2, 100-1000 km2,> 1000 km2), cortados usando um arquivo de forma a partir de 10 m de dados NED. Eles não são preenchidos, pois o arquivo de forma já forneceu o delineamento da bacia hidrográfica. Vou executar o cálculo SAGA GIS TI (MFD, p = 1.1) em todas as três bacias hidrográficas, em DEMs preenchidos e não preenchidos, usando o esquema de preenchimento ArcMaps (antigo e novo) e o algoritmo Wang e Liu (em Whitebox, talvez no SAGA) e o algoritmo Planchon e Darboux (no Whitebox, talvez no SAGA). Também estarei calculando os valores de TI usando o cálculo de TI incorporado no meu modelo hidrológico.

Se você quiser, posso compartilhar esses resultados com você. Eu posso não tê-los por mais ou menos um mês, pois tenho outras pesquisas mais pertinentes nas quais meu foco está atualmente, mas preciso refinar meu processo de cálculo de TI até o máximo de meados de maio.

traggatmot
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Obrigado pela entrada Tom! Parece que temos um fluxo de trabalho quase idêntico. O pré-processamento do DEM é de fato outro tópico, especialmente quando há estradas, pontes etc. corrompendo a direção e a acumulação naturais do fluxo. Posso perguntar qual é o seu método padrão para encher pias e como você lida com lagos no pré-processamento do DEM? Acabei removendo todos os lagos porque cada opção de tanque de enchimento tendia a elevar essas passas de água mais alto do que realmente são, causando perda de informações perto das margens do lago.
Reima # 8/14
@reima, veja acima. Ainda não faço nada de especial para lagos. Todo o meu foco está na previsão de descargas no rio - ainda não pensei em como os lagos vão interagir com tudo isso. Além disso, acho que devo esclarecer que, no cálculo da TI, você NÃO deseja "declive de captação". Você quer a inclinação normal - só quer ter certeza de que isso ficou claro no link do fórum SAGA GIS que eu forneci.
traggatmot
Sim, (tentei colocar em itálico a parte sobre a inclinação local ("normal"), mas acho que ficou um pouco obscuro (meu mau)). Acabei usando o método de preenchimento Wang Liu 2006 até agora, mas se Eu continuo com este tópico, com certeza vou ter que me aprofundar mais. Também estou muito interessado nos seus resultados!
Reima # 10/14
@reima, aceite minha resposta como a resposta, se você achar que ela aborda sua pergunta.
traggatmot