Cálculo del índice de humedad topográfica (elegir entre diferentes algoritmos)

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El índice de humedad topográfica se puede expresar como

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

dónde

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

y

  tanB is the slope 

La idea básica aquí es simple, pero como existen múltiples formas de calcular tanto a como tanB, los resultados de un TWI pueden variar ampliamente (Qin et al. 2011).

La acumulación de flujo y el área de captación se pueden calcular, por ejemplo, mediante:

 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, y hay muchos otros algoritmos disponibles también.

La pendiente generalmente se calcula como la pendiente local alrededor del píxel (Sorensen et al. 2005). La pendiente local también se puede calcular como pendiente mínima, media y máxima alrededor del píxel. Otra forma de calcular la pendiente es presentada por Hjerdt et al. 2004 donde la pendiente se calcula a un punto d metros por debajo del centro de la celda.

La pendiente es una herramienta básica en la mayoría de los softwares SIG, sin embargo, el cálculo puede diferir. Aquí hay algunos ejemplos: ESRI: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Calculating_slope SAGA: http://sourceforge.net/apps/trac/saga-gis/wiki/Paper% 20 Análisis% 20-% 20 Morfometría% 20 módulo% 20 biblioteca

Como puede ver, hay muchas opciones disponibles para calcular tanto a como tanB. Entonces, la pregunta es, en la práctica, ¿cuál es la forma correcta (mejor) de calcular TWI usando diferentes algoritmos? ¿O hay alguna?

Personalmente, me gusta trabajar en SAGA, principalmente porque hay una gran selección de herramientas de hidrología de código abierto.

PD: Tengo dificultades para averiguar exactamente cómo se calcula la pendiente de captación en Saga GIS, y qué significa exactamente aquí. (Análisis del terreno -hidrología: área de captación paralela).

EDITADO: Respondido por Volker Wichmann de los foros de SAGA: "La cuadrícula de salida de la pendiente de captación del módulo Área de captación (paralela) se calcula de la siguiente manera: para cada celda, la pendiente local se calcula utilizando el enfoque de Zevenbergen y Thorne. Estos valores de pendiente son pendiente descendente acumulada. Finalmente, para cada celda los valores de pendiente acumulados se dividen por el área de captación derivada de la celda. La unidad de la cuadrícula son radianes ".

"El módulo del Índice de Humedad Topográfica (TWI) requiere una cuadrícula de pendiente normal como entrada".

Referencias

Beven y Kirkby 1979. Un modelo de área de contribución variable basado físicamente de hidrología de cuenca. Boletín de Ciencias Hidrológicas, 24, pp. 43–69.

Hjerdt y col. 2004. Un nuevo índice topográfico para cuantificar los controles de pendiente descendente en el drenaje local. Water Resources Research , 40, W05602, doi: 10.1029 / 2004WR003130.

O'Callaghan, JF y Mark, DM 1984. La extracción de redes de drenaje a partir de datos digitales de elevación. Visión por computadora, gráficos y procesamiento de imágenes , 28: 323-344

Qin y col. 2011. Un enfoque para calcular el índice de humedad topográfica basado en el gradiente máximo de pendiente descendente. Precision Agric 12: 32–43.

Seibert, J. y McGlynn, B. 2007. Un nuevo algoritmo triangular de dirección de flujo múltiple para calcular áreas ascendentes a partir de modelos de elevación digital cuadriculados, Water Ressources Research , vol. 43, W04501

Sorensen y col. 2005. Sobre el cálculo del índice de humedad topográfica: evaluación de diferentes métodos basados ​​en observaciones de campo. Hidrol. Earth Sys. Sci. Discutir. , 2, 1807-1834

Tarboton, DG 1997. Un nuevo método para la determinación de direcciones de flujo y áreas ascendentes en modelos de elevación digital de cuadrícula, Water Ressources Research , Vol.33, No.2, p.309-319

reima
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Respuestas:

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Creo que esta publicación en el foro SAGA GIS podría ser útil para responder a su pregunta sobre cómo se calcula la pendiente:

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

Además, según mi comprensión de TWI (como estudiante de doctorado en hidrología involucrado en el modelado hidrológico), el D-Inf (Tarboton), MFD-md (Qin), DEMON (Costa-Cabral) y MFD (Quinn) con el exponente p = 1.1 (Freemann) son las mejores opciones para determinar el área de acumulación 'a' en el cálculo de TWI.

Creo que el trabajo de Sorensen y el trabajo de Qin dan crédito a mi propia opinión semiprofesional. Sin embargo, el algoritmo mejorado de Qin (MFD-md) no se ha probado y utilizado tanto como los demás.

Cuando he usado SAGA para calcular TWI, primero calculo la pendiente usando el comando pendiente en el módulo Análisis de terreno / Morfometría / Pendiente, Aspecto, Curvatura , usando el algoritmo predeterminado mencionado en la publicación del foro. Luego calculo el área de captación utilizando la opción Análisis de terreno / Hidrología / Área de captación / Área de captación (paralela) , utilizando el algoritmo MFD o el algoritmo D-INF con 1.1 como factor de convergencia (p = 1.1, de Freeman).

Luego ejecuto la opción TWI, en Análisis de terreno / Hidrología / Índices topográficos / Índice de humedad topográfica (TWI) , con las opciones para convertir el área a "1 / tamaño de celda" y usar el cálculo estándar. Me convierto en un área de captación específica porque esto es lo que exigía la formulación original de Beven y Kirkby. En cuanto a la diferencia entre el "Estándar" y el "TOPMODEL", no estoy seguro de lo que es, investigarlo ahora mismo.

Consulte la página 106 en adelante del pdf vinculado para obtener ayuda más específica: http://sourceforge.net/projects/saga-gis/files/SAGA%20-%20Documentation/SAGA% 20Documents / SagaManual.pdf / download

Olvidé agregar, todo esto supone que el DEM ha sido preprocesado al llenar los sumideros. Ese es otro tema complicado, con dos opciones (principales) separadas.

¡Espero que esto ayude!

Tom

Ediciones de PS para @reima:

Esto es algo en lo que me he metido recientemente, y puedo admitir que todavía no creo que haya llegado al fondo. Prefiero el método de Lindsay y Creed, el enfoque de impacto mínimo que elige el relleno o relleno basado en minimizar el impacto topográfico total (oficialmente llamado "Algoritmo de reducción de impacto" - IRA) que pensé que se implementó en su herramienta de software de análisis de terreno (anteriormente TAS, ahora WhiteBox GAT - enlace: http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox/ ).

Sin embargo, incluso su herramienta parece implementar otros esquemas de llenado:

  1. El algoritmo de llenado de sumidero / depresión (básico, pero increíblemente rápido) de Wang y Liu (2006), que no creo que funcione de la manera IRA, pero similar a la forma en que ArcMap llena sumideros / depresiones, simplemente sin ningún tipo de irritación .

  2. Y el relleno de sumidero / depresión de Planchon y Darboux (2001), que inunda un DEM y luego elimina el agua poco a poco, puede forzar una pendiente en el área archivada, lo que creo que podría mejorar los cálculos de TI.

ArcMap tiene un nuevo complemento de "eliminación de picaduras" ( http://blogs.esri.com/esri/arcgis/2013/03/05/optimized-tool-for-dem-pit-removal-now-available/ ) eso parece similar a Lindsay and Creeds IRA, pero aún no he leído el documento citado para determinar qué tan similar. Este método podría valer la pena echarle un vistazo.

También estoy interesado en analizar mi suposición de que los cálculos de TI necesitan DEM completos. Tengo tres DEM de cuencas hidrográficas de diferentes tamaños (<100 km cuadrados, 100-1000 km cuadrados,> 1000 km cuadrados), recortados utilizando un archivo de forma de datos NED de 10 m. Estos no se rellenan, ya que el archivo de forma ya proporcionó la delimitación de la cuenca. Voy a ejecutar el cálculo SAGA GIS TI (MFD, p = 1.1) en las tres cuencas hidrográficas, tanto en DEM rellenos como no llenos, utilizando el esquema de llenado ArcMaps (antiguo y nuevo), y el algoritmo Wang y Liu (en Whitebox, tal vez en SAGA), y el algoritmo de Planchon y Darboux (en Whitebox, tal vez en SAGA). También calcularé los valores de TI utilizando el cálculo de TI incorporado en mi modelo hidrológico.

Si quieres, puedo compartir estos resultados contigo. Sin embargo, es posible que no los tenga durante un mes más o menos, ya que tengo otra investigación más pertinente en la que me enfoco actualmente, pero necesito refinar mi proceso de cálculo de TI a más tardar a mediados de mayo.

traggatmot
fuente
Gracias por la entrada Tom! Parece que tenemos un flujo de trabajo casi idéntico. El preprocesamiento de DEM es de hecho otro tema, especialmente cuando hay carreteras, puentes, etc. que corrompen la dirección y la acumulación del flujo natural. ¿Puedo preguntarle cuál es su método predeterminado para llenar los sumideros y cómo maneja los lagos en el preprocesamiento de DEM? Terminé eliminando todos los lagos porque cada opción de sumidero de relleno tendía a elevar estas baisinas de agua más de lo que realmente son, causando pérdida de información cerca de las orillas del lago.
reima
@reima, ver arriba. Todavía no hago nada especial para los lagos. Todo mi enfoque está en predecir la descarga en la salida del arroyo / río: aún no he pensado cómo interactuarán los lagos con todo esto. Además, siento que debería dejar en claro que, en el cálculo de TI, NO desea "pendiente de captación". Desea la pendiente normal, solo asegúrese de que esté clara en el enlace del foro SAGA GIS que proporcioné.
traggatmot
Sí, (intenté poner en cursiva la parte sobre la pendiente local ("normal") pero supongo que queda un poco confusa (mi mala)). Hasta ahora he terminado usando el método de relleno Wang Liu 2006, pero si Continúo con este tema, definitivamente también tendré que profundizar más. ¡También estoy muy interesado en tus resultados!
reima
@reima, acepta mi respuesta como respuesta si crees que responde a tu pregunta.
traggatmot