Metodologia para criar redes de drenagem precisas (e captações) a partir de LiDAR DEM de alta resolução?

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Esta não é a primeira vez que me deparei com esse problema; parece que sou incapaz de gerar um modelo de rede de drenagem correto e as captações resultantes dos dados LiDAR de resolução máxima (1 milhão de células).

Quando generalizo o conjunto de dados LiDAR, converto-o em um DEM inteiro e preenche pias, tudo é bom e posso criar facilmente o que parece ser um modelo muito generalizado. No entanto, eu gostaria de produzir um modelo de site detalhado para um mapa em grande escala e é aqui que estou tendo problemas.

Devo salientar que a maioria dos problemas ocorre em áreas mais planas.

Eu gostaria que a rede de drenagem seguisse com precisão o terreno, mas quando eu uso criar a rede de drenagem a partir de uma entrada DEM inteira, os fluxos resultantes são muito gerais e geralmente "desconectados" em áreas onde não deveria estar. Os córregos não seguem nem de perto as cristas naturais do terreno. Também existem muitos segmentos "órfãos" ou "não vão a lugar algum". Quando uso uma entrada DEM de ponto flutuante , a rede de drenagem resultante é detalhada e precisa, mas muito desconectada, agrupada e "desarrumada" com fluxos órfãos.

Suspeito que meu problema esteja em algum lugar na preparação dos dados; entrada DEM de varredura de número inteiro versus ponto flutuante, preenchimento de sumidouros corretamente etc. Ou será que eu tenho que processar os dados da superfície de alguma forma para criar primeiro um DEM de entrada "hidrologicamente correto"?

Alguém pode descrever a metodologia correta para a criação de redes de drenagem e bacias hidrográficas contínuas usando LiDAR de alta resolução?

Tal como está, tenho mais sucesso com a criação do modelo a partir de uma entrada inteira do DEM. No entanto, isso não é ideal para análises detalhadas em larga escala:

A primeira imagem anexada é um modelo produzido a partir de uma entrada inteira DEM. Várias áreas problemáticas óbvias estão circuladas. Observe que, na verdade, existe um fluxo no que parece ser o principal canal de drenagem. Eu adicionei uma versão muito generalizada do fluxo. insira a descrição da imagem aqui

Edição: Como eu já mencionei, tenho mais sucesso com a criação do modelo a partir de uma entrada inteira DEM. As capturas de tela a seguir ilustram o motivo. Embora a entrada inteira do DEM tenha muitos problemas, como pode ser visto acima, ela ainda produz uma rede de drenagem menos desconectada, embora não esteja em conformidade com as características do terreno. Como você pode ver na imagem diretamente abaixo, usar uma entrada DEM de ponto flutuante produz uma rede muito desconectada e agrupada, cheia de pequenos segmentos órfãos.

Varredura de acumulação de fluxo produzida a partir de um ponto flutuante DEM insira a descrição da imagem aqui

Rasterização de Acumulação de Fluxo produzida a partir de um DEM inteiro insira a descrição da imagem aqui

Tanto quanto posso deduzir, ambos os métodos produzem resultados dramaticamente diferentes, ambos os métodos são inutilizáveis ​​para um modelo detalhado.

EDIT: Peço desculpas por tornar este post cada vez mais longo (talvez não esteja me expressando claramente em inglês). Para ilustrar melhor o problema do uso de um DEM de ponto flutuante como entrada, estou anexando a saída resultante do Stream Link, bem como as bacias hidrográficas resultantes. O que estou esperando é uma Rede de Fluxo contínua e uma área inteira coberta por bacias que fluem umas para as outras.

Link de fluxo produzido a partir de uma entrada de ponto flutuante DEM: insira a descrição da imagem aqui

Bacias hidrográficas produzidas a partir de um ponto flutuante DEM: insira a descrição da imagem aqui

Aqui está um exemplo (área próxima, mesmos dados) de onde toda a direção do fluxo de uma bacia é alterada devido ao uso da entrada inteira DEM: Seta vermelha é a direção do fluxo do modelo e seta azul indica a direção do fluxo real . (linhas azuis - fluxos reais, rede vermelha é a ordem Strahler da rede de fluxo derivada de LiDAR) insira a descrição da imagem aqui

Link para dados: https://www.yousendit.com/download/MEtSOGNVNXZvQnRFQlE9PQ (expirará em 13 de maio de 2011)

Jakub Sisak GeoGraphics
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Consulte também a pergunta relacionada: Fluxo de trabalho para determinar o gradiente de fluxo?
Kirk Kuykendall
De onde vem o sombreamento? Os resultados da acumulação de fluxo (preto) não parecem ser derivados das elevações sombreadas nas colinas. Talvez você possa nos mostrar o mesmo mapa, mas com uma versão sombreada da grade usada para obter os valores de acumulação de fluxo.
whuber
Direita. Eu deveria ter mencionado isso. A colina é derivada da mesma grade. (E a rede de fluxo preto é uma ordem de fluxo (Strahler) derivada da varredura Stream Link) Tudo neste mapa, exceto o local do fluxo (azul), é gerado a partir da mesma grade.
Jakub Sisak GeoGraphics
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meu conselho para diminuir problemas complexos é usar um caso de teste simples. Recorte um pequeno pedaço da sua fonte raster e tente as etapas da maneira que você gostaria (por exemplo, mantenha-a flutuante). Definitivamente encha pias, sempre. Examine cuidadosamente a saída de cada etapa para garantir que "pareça correta".
Mike T
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Jakub, eu tenho exatamente os mesmos problemas. Você não está sozinho! A resposta que eu tinha sido dado anteriormente não era usar os dados LiDAR para a criação de redes de drenagem ...
Jacques Tardie

Respostas:

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Você considera usar a análise GRASS GIS? Tenho consciência de que os algoritmos GRASS têm uma precisão muito boa na análise de hidrologia. Por exemplo, quero gerar algo como uma rede de drenagem no DTM com resolução 5x5m. Comparei as ferramentas do ArcMap (incluindo ArcHydro Tools) e você pode ver o resultado na primeira foto (linhas vermelhas). Depois tentei usar a função GRASS GIS 'r.stream.extract' e obtive o resultado mostrado na figura 2 (linhas vermelhas). Ambas as linhas de drenagem são geradas com a área de 3 hectares.

É realmente diferente e tem bastante segurança em comparação com fluxos reais (figura 3, fluxos reais são azuis). E o GRASS GIS tem muitas ferramentas hidrológicas, ou seja, para gerar área de criação também.

Linhas de drenagem usando o ArcMap] Linhas de drenagem usando GRASS GIS Comparação entre linhas de drenagem GRASS GIS e correntes reais

david_p
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Muito interessante! Você é capaz de produzir o mesmo erro que estou vendo usando as ferramentas ESRI. Isso me leva a acreditar que o algoritmo ESRI simplesmente não é capaz de lidar com dados de alta resolução. Isso praticamente responde à pergunta. Obrigado pelo visual - incrível! Não tenho quase nenhuma experiência com ferramentas GRASS para análise de bacias hidrográficas / drenagem. Eu apreciaria muito se você pudesse me indicar um tutorial básico de "como fazer".
Jakub Sisak GeoGraphics
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Só queria dizer que isso é ótimo! A execução de alguns testes preliminares com um colega meu em nossos conjuntos de dados Lidar e os primeiros resultados parecem muito promissores. É grande a quantidade de recursos e parâmetros e a capacidade de adicionar alguns toques cartográficos. Os resultados estão correspondendo aos fluxos reais. Também descobrindo o quão desatualizados são os algoritmos ESRI - inalterados desde meados dos anos 80. Isso explica muito. Obrigado!
Jakub Sisak GeoGraphics
Estou feliz por ter ajudado você! Eu gosto do GRASS GIS por muitas análises hidrológicas e por resultados muito bons que ela fornece. Como você disse, a ESRI está realmente desatualizada. Eu nem sei o quanto está desatualizado. Se você quiser tentar mais análises hidrológicas, consulte estas páginas (talvez você já tenha): grasswiki.osgeo.org/wiki/Hydrological_Sciences e grass.osgeo.org/grass70/manuals/topic_hydrology.html .
David_p
Acho que o GRASS GIS tem apenas uma desvantagem, e é o ambiente nativo especial para camadas. É um pouco chato para quem também não conhece o GRASS. Mas depois de um tempo, você não deve se acostumar com isso.
David_p
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No que diz respeito à geração de modelos de elevação hidrologicamente corretos, também chamados de drenagem forçada, ANUDEM , continua sendo o melhor da raça, até onde sei . É o programa usado para gerar o conjunto de dados de elevação nacional do Canadá (CDED, ironicamente armazenado como metros inteiros). Além disso, a ferramenta TopoToRaster no ArcGIS usa o Anudem sob o capô (uma revisão ou três atrás da corrente).

O USGS usou um programa diferente para o modelo dos Estados Unidos, o Delta3D da AverStar, mas quando perguntei (há dez anos) era um programa personalizado e não estava disponível nas prateleiras (embora por alguns 100 mil eles o adaptassem às nossas necessidades) )

Não conheço outras ferramentas para gerar modelos de elevação impostos por drenagem, mas gostaria de saber sobre eles.

Matt Wilson
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Na verdade, eu tentei isso, mas o toold trava muito. Usei os contornos derivados do LiDAR (subconjunto 2K x 2K) e depois removi pequenos contornos insignificantes para tornar a superfície mais simples e tentei o TopoToRaster, mas ele continua morrendo. (Muitos pontos no erro de polilinha de contorno) Devo apenas tentar elevações de pontos?
Jakub Sisak GeoGraphics
E por falar em CDED, tive todos os tipos de problemas (ainda não resolvidos) com o arredondamento inteiro e os problemas resultantes de "anomalia no terraço".
Jakub Sisak GeoGraphics
Consegui criar com sucesso uma superfície "hidrologicamente correta" com a ferramenta TopoToRaster usando os pontos LiDAR como entrada de ponto (ponto). Criei 2 superfícies com diferentes tamanhos de células de saída: 2 e 4. A rasterização resultante da acumulação de fluxo sofre dos mesmos problemas. Estou começando a suspeitar que isso não pode ser feito no ArcGIS. Gostaria também de salientar que leva muito tempo para executar o TopoToRaster.
Jakub Sisak GeoGraphics
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De volta à faculdade, trabalhei em um projeto que fez isso muito bem. Eu não sou um hidrólogo, nem terminei o projeto (formado), mas você pode querer verificar isso:

TauDEM 5.0

Pelo que me lembro, funcionou bastante bem. É uma ferramenta gratuita e pode ser exatamente o que você precisa.

Edit: Depois de ler sua pergunta com mais cuidado, acredito que esta é exatamente a ferramenta que você precisa. Ele não tem desconexões como você descreve, todo o fluxo continua a jusante, ou seja, sem fluxos órfãos. A maioria dos DEM calcula a direção do fluxo com apenas 8 direções possíveis, N, E, S, W e NE, SE, SW, NW. Isso leva a um fluxo não natural. O TauDEM tem uma direção ponderada, pode fluir em 360 graus. Terá um fluxo mais natural e presumo que seja mais preciso.

Além disso, se você tiver vários núcleos, eles serão utilizados. Usando um LiDAR de alta resolução, o TauDEM deve processar o que você precisa rapidamente.

SaulBack
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Eu vou concordar com isso! A direção do fluxo D8 produzirá resultados indesejáveis ​​em dados de alta resolução, onde o TauDEM tem a direção do fluxo D-infinito disponível. Além disso, lembre-se da intenção de um modelo de fluxo hidrológico. Maior nem sempre é melhor (em termos de resolução). Um DEM de alta resolução é mais um problema do que o modelo. Os DEMs derivados de Lidar possuem inerentemente "ruído" que nunca foi planejado para uso em um modelo de fluxo. Eu recomendo reduzir o seu DEM.
Jeffrey Evans
Confira também o SAGA GIS-softaware. Gostaria de salientar que esse problema NÃO É UM DEM RELACIONADO, pois as informações (ou seja, x, y, z) são sempre as mesmas em cada um dos MÉTODOS de acumulação de fluxo diferentes (D8, Dinfinity, etc.) . O processamento paralelo encontrado no SAGA GIS também permite um processamento bastante rápido dos dados do lidar. Eu usei esses métodos para cálculos muito grandes e eles funcionaram bem. O problema é que você pré-processa seus dados corretamente. Ou seja, queime as estruturas de drenagem (bueiros, pontes) e preencha-as e ENTÃO faça os cálculos de acumulação de vazão!
Reima #
O Tau dem também tinha capacidade para vários processadores
Se você não sabe, apenas GIS -
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Obrigado a todos por suas contribuições. Concluí que a superfície LiDAR de alta resolução não é adequada para esse tipo de análise.

Jakub Sisak GeoGraphics
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Este artigo, Terrain Datasets, Os 10 principais motivos para usá-los , me fez pensar que uma superfície rasterizada DEM é apenas o modelo de dados errado para usar no seu caso. Rejeitamos os TINs por nossos modelos de elevação, pois as facetas produziam muitos artefatos em nossos experimentos. No entanto, nossos dados de origem eram contornos e não um campo denso de alturas pontuais como Lidar.
21411116: 00: 00
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Especificamente para a pergunta sobre o uso de número inteiro ou ponto flutuante: Inteiro é melhor para velocidade, armazenamento e evita alguns tipos de desvio devido a erros de arredondamento. No entanto, ao usar inteiro, não use medidores para seus valores de Z (elevação)! Altere as unidades verticais para centímetros ou milímetros ou mantenha-as em metros e redimensione os valores (multiplique por 100 ou 1000) que tenham o mesmo efeito. Se isso não for possível, use ponto flutuante.

A análise de declive e aspecto e outras derivadas de 2ª e 3ª ordem são particularmente sensíveis à rugosidade das elevações inteiras baseadas em metros. É realmente uma prática ruim, mas também é uma prática padrão.

Consulte Análise do terreno: princípios e aplicações (John Peter Wilson e John C. Gallant), em particular a seção 2.7.2 Unidades de elevação e precisão vertical , e A caracterização geomorfológica dos modelos digitais de elevação ( Jo Wood ), procure por "arredondamento inteiro". Ambos os documentos são pesados. Tomei conhecimento do problema por meio de uma descrição concisa e compreensível do problema em um documento sobre a construção do primeiro modelo de elevação continental para a Austrália (por volta de 2000), usando o software ANUDEM , mas não consigo localizá-lo agora.

Matt Wilson
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Obrigado Matt. Coisa boa. Vou tentar isso e relatar de volta. Muita informação muito interessante. Obrigado pelo esforço que você colocou nisso.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Quando multiplico o raster de entrada por 1000, obtenho os mesmos resultados de antes. Eu tentei o número inteiro e o ponto flutuante. A varredura resultante da acumulação de fluxo é quase idêntica nos dois casos. Desative para tentar fazer a técnica TopoToRaster funcionar.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Não sei se isso vai ajudar, mas escrevi um post de blog há algum tempo na rede hidrelétrica por 1cm LIDAR DEM. Pode ter algumas pepitas para você.

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

Thad
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Obrigado. Obter uma varredura contínua de direção de fluxo da qual eu poderia derivar uma rede de drenagem utilizável, especialmente em áreas planas, parece ser meu principal problema. Você pode descrever como o método D8 pode ser usado no ArcGIS para produzir uma varredura de direção de fluxo?
Jakub Sisak GeoGraphics 30/03
Apenas para adicionar a isso. Eu acho que o algoritmo existente não é infinito - como se tivesse um parâmetro de corte que não permita rastrear o fluxo a montante, se determinar que pode haver problemas de memória.
Jakub Sisak GeoGraphics 30/03
Você pode criar uma varredura de direção de fluxo no Arcgis. Eu posso executá-lo para você, se você não tiver a capacidade.
Thad
Desculpe, eu quis dizer acumulação de fluxo no comentário acima, não direção do fluxo. Esse é o problema inicial, conforme descrito nesta pergunta. A ferramenta da ferramenta de direção do fluxo não produz resultados utilizáveis ​​quando executada em dados densos do Lidar em áreas baixas. De fato, o uso de uma varredura de ponto flutuante gera erros irreparáveis, enquanto a varredura inteira generaliza demais os dados. Atualmente, é impossível derivar um modelo de drenagem preciso dos dados do LiDAR usando apenas as ferramentas ArcGIS.
Jakub Sisak GeoGraphics
Não entendo como a densidade dos dados importaria. Os dados que eu uso são 1 cm ^ 2. muito mais denso. Deixe-me baixar seus dados e tentarei.
Thad
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Apenas pensei em adicionar algo mais para pensar aqui. Agora estou questionando se o processo de delimitação da bacia hidrográfica funciona. Eu tenho um modelo que editei manualmente e estou continuamente consultando áreas que estão erradas. Acho que não posso confiar nos modelos gerados por computador do ArcGIS ...

Captura de tela

Jakub Sisak GeoGraphics
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