Metodologia per la creazione di reti di drenaggio accurate (e bacini) da DEM LiDAR ad alta risoluzione?


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Questa non è la prima volta che mi imbatto in questo problema; sembra che non sia in grado di generare un modello di rete di drenaggio corretto e i bacini risultanti dai dati LiDAR a risoluzione piena (celle da 1m).

Quando generalizzo il set di dati LiDAR, lo converto in un DEM intero e riempio i sink, tutto va bene e posso facilmente creare quello che sembra essere un modello molto generalizzato. Tuttavia, vorrei produrre un modello di sito dettagliato per una mappa su larga scala ed è qui che sto riscontrando problemi.

Devo sottolineare che la maggior parte dei problemi si verificano in aree più pianeggianti.

Vorrei che la rete di drenaggio seguisse accuratamente il terreno, ma quando uso creare la rete di drenaggio da un input DEM intero, i flussi risultanti sono molto generali e spesso "disconnessi" nelle aree in cui non dovrebbe essere. I flussi non seguono neppure da vicino le creste naturali nel terreno. Ci sono anche molti segmenti "orfani" o "non andare da nessuna parte". Quando utilizzo un input DEM in virgola mobile , la rete di drenaggio risultante è dettagliata e precisa ma molto disconnessa, raggruppata e "disseminata" di flussi orfani.

Sospetto che il mio problema risieda da qualche parte nella preparazione dei dati; input DEM raster intero o in virgola mobile, riempimento corretto dei sink, ecc. O potrebbe essere che devo elaborare i dati di superficie in qualche modo per creare prima un DEM input "idrologicamente corretto"?

Qualcuno può descrivere la metodologia corretta per creare reti e bacini di drenaggio continui utilizzando LiDAR ad alta risoluzione?

Allo stato attuale ho più successo con la creazione del modello da un input DEM intero. Questo tuttavia non è l'ideale per analisi dettagliate su larga scala:

La prima immagine allegata è un modello prodotto da un input DEM intero. Vengono evidenziate diverse aree problematiche ovvie. Si noti che esiste effettivamente un flusso in quello che sembra essere il principale canale di drenaggio. Ho aggiunto una versione molto generalizzata dello stream. inserisci qui la descrizione dell'immagine

EDIT: Come ho già detto, ho più successo con la creazione del modello da un input DEM intero. Le seguenti schermate illustrano perché. Anche se l'input DEM intero presenta molti problemi, come si può vedere sopra, produce comunque una rete di drenaggio meno disconnessa, sebbene non conforme alle caratteristiche del terreno. Come puoi vedere nell'immagine direttamente sotto usando un input DEM in virgola mobile produce una rete molto disconnessa e cluster piena di piccoli segmenti orfani.

Raster di accumulo di flusso prodotto da un DEM a virgola mobile inserisci qui la descrizione dell'immagine

Raster di accumulo di flusso prodotto da un intero DEM inserisci qui la descrizione dell'immagine

Per quanto posso dedurre, entrambi i metodi producono risultati notevolmente diversi, entrambi i metodi sono inutilizzabili per un modello dettagliato.

EDIT: mi scuso per aver reso questo post sempre più lungo (forse non mi sto esprimendo chiaramente in inglese) Per illustrare ulteriormente il problema con l'utilizzo di un DEM in virgola mobile per l'input, allego l'output Stream Link risultante e gli spartiacque risultanti. Quello che mi aspetto è una rete a flusso continuo e l'intera area coperta da bacini che si confluiscono tutti.

Stream Link prodotto da un DEM di input in virgola mobile: inserisci qui la descrizione dell'immagine

Bacini idrografici prodotti da un DEM in virgola mobile: inserisci qui la descrizione dell'immagine

Ecco un esempio (area vicina, stessi dati) in cui l'intera direzione del flusso di un bacino viene modificata a causa dell'uso dell'intero input DEM: la freccia rossa è la direzione del flusso del modello e la freccia blu indica la direzione del flusso effettivo . (linee blu - flussi effettivi, la rete rossa è l'ordine Strahler della rete di flussi derivati ​​LiDAR) inserisci qui la descrizione dell'immagine

Link ai dati: https://www.yousendit.com/download/MEtSOGNVNXZvQnRFQlE9PQ (Scadrà il 13 maggio 2011)



Da dove viene la collinetta? I risultati (neri) di accumulo del flusso non sembrano essere derivati ​​dalle elevazioni con pendenza collinare. Forse potresti mostrarci la stessa mappa ma con una rappresentazione a forma di collina della griglia utilizzata per ottenere i valori di accumulo del flusso.
whuber

Destra. Avrei dovuto dirlo. La collina è derivata dalla stessa griglia. (E la rete del flusso nero è un ordine del flusso (Strahler) derivato dal raster Stream Link) Tutto su questa mappa tranne la posizione del flusso (blu) viene generato dalla stessa griglia.
Jakub Sisak GeoGraphics,

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il mio consiglio per limitare problemi complessi è di usare un semplice test case. Taglia un piccolo pezzo dalla tua fonte raster grezza e prova i passaggi nel modo che preferisci (ad esempio, mantieni il float). Sicuramente riempire i lavandini, sempre. Esamina attentamente l'output di ogni passaggio per assicurarti che "appaia corretto".
Mike T,

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Jakub Ho gli stessi problemi esatti. Non sei solo! La risposta che mi era stata data in precedenza non era usare i dati LiDAR per creare reti di drenaggio ...
Jacques Tardie,

Risposte:


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Hai considerato di utilizzare l'analisi GRIS GIS? Ho esperienza che gli algoritmi GRASS hanno un'ottima precisione nell'analisi dell'idrologia. Ad esempio, voglio generare qualcosa di simile alla rete di drenaggio su DTM con risoluzione 5x5m. Ho confrontato gli strumenti di ArcMap (incluso ArcHydro Tools) e puoi vedere il risultato sulla prima immagine (linee rosse). Quindi ho provato a usare la funzione GRIS GIS 'r.stream.extract' e ho ottenuto il risultato mostrato nell'immagine 2 (linee rosse). Entrambe le linee di drenaggio sono generate con un'area cathement di 3 ettari.

È davvero diverso e ha una certa precisione rispetto a flussi reali (immagine 3, i flussi reali sono blu). E GRASS GIS ha molti strumenti idrologici, vale a dire anche per generare aree di catchement.

Linee di drenaggio utilizzando ArcMap] Linee di drenaggio con GRASS GIS Confronto tra linee di drenaggio GRASS GIS e flussi reali


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Molto interessante! Sei in grado di produrre lo stesso errore che vedo usando gli strumenti ESRI. Questo mi porta a credere che l'algoritmo ESRI non sia semplicemente in grado di gestire dati ad alta risoluzione. Questo risponde praticamente alla domanda. Grazie per la grafica - incredibile! Non ho quasi esperienza nell'uso degli strumenti GRASS per l'analisi di spartiacque / drenaggio. Gradirei molto se potessi indicarmi un tutorial di base su "come fare".
Jakub Sisak GeoGraphics,

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Volevo solo dire che è fantastico! Eseguire alcuni test preliminari con un mio collega sui nostri set di dati Lidar e i primi risultati sembrano molto promettenti. La quantità di caratteristiche e parametri e la possibilità di aggiungere anche alcuni tocchi cartografici è eccezionale. I risultati corrispondono ai flussi effettivi. Scopri anche quanto sono obsoleti gli algoritmi ESRI - invariati dalla metà degli anni '80. Questo spiega molto. Grazie!
Jakub Sisak GeoGraphics,

Sono contento di averti aiutato! Mi piace GRASS GIS per molte analisi idrologiche e per ottimi risultati. Come hai detto, ESRI è davvero obsoleto. Non so nemmeno che Hom sia obsoleto. Se vuoi provare altre analisi idrologiche, dai un'occhiata a queste pagine (forse lo hai già fatto): grasswiki.osgeo.org/wiki/Hydrological_Sciences e grass.osgeo.org/grass70/manuals/topic_hydrology.html .
david_p,

Penso che GRASS GIS abbia solo uno svantaggio ed è l'ambiente nativo speciale per i livelli. È un po 'fastidioso per coloro che non conoscono anche GRASS. Ma dopo un po ', ci si abitua.
david_p,

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Per quanto riguarda la generazione di idrologia, i modelli di elevazione corretti, chiamati anche drenaggio forzato, ANUDEM , rimangono i migliori della mia conoscenza. È il programma utilizzato per generare il set di dati di elevazione nazionale canadese (CDED, ironicamente memorizzato come metri interi). Anche lo strumento TopoToRaster in ArcGIS utilizza Anudem sotto il cofano (una revisione o tre dietro corrente).

L'USGS ha utilizzato un programma diverso per il modello degli Stati Uniti, Delta3D di AverStar, ma quando l'ho chiesto (dieci anni fa) era un programma personalizzato e non disponibile immediatamente (anche se per qualche 100k lo avrebbero adattato alle nostre esigenze) ).

Non sono a conoscenza di altri strumenti per generare modelli di elevazione con drenaggio, ma mi piacerebbe sentirne parlare.


In realtà ho provato questo, ma il toold si blocca molto. Ho usato i contorni derivati ​​LiDAR (sottoinsieme 2K x 2K), quindi ho rimosso i piccoli contorni insignificanti per semplificare la superficie e ho provato TopoToRaster, ma continua a morire. (Troppi punti nell'errore di polilinea del profilo) Dovrei invece provare a elevare i punti?
Jakub Sisak GeoGraphics,

E parlando di CDED ho avuto tutti i tipi di problemi (ancora irrisolti) con l'arrotondamento dei numeri interi e i conseguenti problemi di "anomalia del terrazzo".
Jakub Sisak GeoGraphics,

Sono stato in grado di creare con successo una superficie "idrologicamente corretta" con lo strumento TopoToRaster utilizzando i punti LiDAR come input punto (spot). Ho creato 2 superfici con celle di dimensioni diverse: 2 e 4. Il raster di accumulo del flusso risultante soffre degli stessi problemi. Sto iniziando a sospettare che ciò non possa essere fatto in ArcGIS. Vorrei anche sottolineare che per eseguire TopoToRaster è necessario molto tempo.
Jakub Sisak GeoGraphics,

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Al college ho lavorato su un progetto che ha funzionato abbastanza bene. Non sono un idrologo, né ho finito il progetto (laureato), ma potresti voler dare un'occhiata:

TauDEM 5.0

Da quello che ricordo, ha funzionato abbastanza bene. È uno strumento gratuito e potrebbe essere proprio quello di cui hai bisogno.

Modifica: dopo aver letto la tua domanda più attentamente, credo che questo sia esattamente lo strumento di cui hai bisogno. Non ha disconnessioni come descrivi, tutto il flusso continua a valle, cioè senza flussi orfani. La maggior parte dei DEM calcola la direzione del flusso con solo 8 direzioni possibili, N, E, S, W e NE, SE, SW, NW. Questo porta a un flusso innaturale. TauDEM ha una direzione ponderata, può fluire a 360 gradi. Avrà un flusso più naturale e presumo uno più accurato.

Inoltre, se hai più core, li utilizzerà. Utilizzando un LiDAR ad alta risoluzione, TauDEM dovrebbe elaborare ciò di cui hai bisogno abbastanza rapidamente.


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Lo secondo! La direzione del flusso D8 produrrà risultati indesiderati su dati ad alta risoluzione dove TauDEM ha disponibile la direzione del flusso D-infinito. Inoltre, tenere presente l'intento di un modello di flusso idrologico. Più grande non è sempre migliore (in termini di risoluzione). Un DEM ad altissima risoluzione è più un problema che un modello. I DEM derivati ​​da Lidar hanno intrinsecamente "rumore" reale che non è mai stato previsto per l'uso in un modello di flusso. Consiglio vivamente di ridimensionare il vostro DEM.
Jeffrey Evans,

Dai un'occhiata anche al software SAGA GIS. Vorrei sottolineare che questo NON È un problema relativo alla DEM poiché le informazioni (ovvero x, y, z) sono sempre le stesse in ciascuno dei diversi METODI di accumulo del flusso (ovvero D8, Dinfinity, ecc.) . L'elaborazione parrallel presente in SAGA GIS consente anche un'elaborazione piuttosto rapida dei dati lidar. Ho usato questi metodi per calcoli abbastanza grandi e hanno funzionato bene. Il fatto è che preprocedi correttamente i tuoi dati. Ossia bruciare le strutture di drenaggio (canali sotterranei, ponti) e riempirle e POI effettuare i calcoli di accumulo del flusso!
reima,

Tau dem aveva anche capacità multi-processore
se non lo sai - solo GIS il

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Grazie a tutti per i vostri contributi. Ho concluso che la superficie LiDAR a piena risoluzione non è adatta per questo tipo di analisi.


questo articolo, Terrain Dataset, I 10 principali motivi per usarli , mi fa pensare che una superficie raster DEM sia il modello di dati sbagliato da usare nel tuo caso. Abbiamo rifiutato TIN per i nostri modelli di elevazione poiché le sfaccettature hanno prodotto troppi artefatti nei nostri esperimenti. Tuttavia i nostri dati di origine erano contorni e non un campo denso di altezze spot come Lidar.
matt wilkie,

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In particolare alla domanda sull'uso di numeri interi o in virgola mobile: Integer è il migliore per velocità, memorizzazione ed evita alcuni tipi di deriva a causa di errori di arrotondamento. Tuttavia, quando si utilizza un numero intero, non utilizzare i misuratori per i valori Z (elevazione)! Modificare le unità verticali in centimetri o millimetri, oppure tenerle come metri e ridimensionare i valori (moltiplicare per 100 o 1000) che ha lo stesso effetto. Se ciò non è possibile, utilizzare il virgola mobile.

L'analisi della pendenza e dell'aspetto e altri derivati ​​del 2 ° e 3 ° ordine sono particolarmente sensibili alla grezza delle elevazioni intere basate su metri. È davvero una cattiva pratica, tuttavia è anche una pratica standard.

Vedi Analisi del terreno: principi e applicazioni (John Peter Wilson e John C. Gallant) in particolare la sezione 2.7.2 Unità di elevazione e precisione verticale e La caratterizzazione geomorfologica dei modelli di elevazione digitale ( Jo Wood ), ricerca di "arrotondamenti interi". Entrambi questi documenti sono pesanti. Mi sono reso conto per la prima volta del problema attraverso una descrizione concisa e comprensibile del problema in un documento sulla costruzione del primo modello di elevazione continentale per l'Australia (circa 2000), usando il software ANUDEM , ma non riesco a individuarlo in questo momento.


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Grazie Matt. Roba buona. Proverò questo e riferirò indietro. Molte informazioni molto interessanti. Grazie per l'impegno che ci hai messo.
Jakub Sisak GeoGraphics,

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Quando moltiplico l'input raster per 1000 ottengo gli stessi risultati di prima. Ho provato sia il numero intero che il virgola mobile. Il raster di accumulo del flusso risultante è quasi identico in entrambi i casi. Off per provare a far funzionare la tecnica TopoToRaster.
Jakub Sisak GeoGraphics,

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Non so se questo aiuterà, ma ho scritto un post sul blog un po 'indietro sulla rete idrica per LIDAR DEM 1cm. Potrebbe avere delle pepite per te.

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


Grazie. Ottenere un raster di direzione del flusso continuo da cui potrei derivare una rete di drenaggio utilizzabile soprattutto nelle aree piane sembra essere il mio problema principale. Puoi descrivere come utilizzare il metodo D8 in ArcGIS per produrre un raster di direzione del flusso?
Jakub Sisak GeoGraphics,

Solo per aggiungere a questo. Penso che l'algoritmo esistente non sia infinito, come se avesse un parametro di interruzione che non gli consente di tracciare il flusso a monte se determina che potrebbero esserci problemi di memoria.
Jakub Sisak GeoGraphics,

È possibile creare un raster Direzione flusso in Arcgis. Posso eseguirlo per te se non hai le capacità.
Thad

Mi dispiace intendevo accumulo di flusso nel commento sopra, non direzione del flusso. Questo è il problema iniziale come descritto in questa domanda. Lo strumento di direzione del flusso non produce risultati utilizzabili quando eseguito su dati Lidar densi in aree basse. Infatti, l'uso di un raster a virgola mobile produce errori irreparabili mentre l'utilizzo di un raster intero generalizza troppo i dati. Allo stato attuale è impossibile ricavare un modello di drenaggio accurato dai dati LiDAR utilizzando solo gli strumenti ArcGIS.
Jakub Sisak GeoGraphics

Non capisco l'importanza della densità dei dati. I dati che utilizzo sono 1 cm ^ 2. molto più denso. Lasciami scaricare i tuoi dati e proverò.
Thad

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Ho pensato di aggiungere qualcosa di più a cui pensare qui. Ora mi sto chiedendo se il processo di delineazione del bacino idrografico funzioni anche. Ho un modello che ho modificato manualmente e mi imbatto continuamente in aree sbagliate. Non credo di poter fare affidamento su modelli generati da computer ArcGIS ...

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