Calcul de l'indice d'humidité topographique (choix parmi différents algorithmes)


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L'indice d'humidité topographique peut être exprimé comme

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

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

et

  tanB is the slope 

L'idée de base ici est simple, mais comme il existe plusieurs façons de calculer à la fois a et tanB, les résultats d'un TWI peuvent varier considérablement (Qin et al. 2011).

L'accumulation de flux et la zone de captage peuvent être calculées, par exemple par:

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

et de nombreux autres algorithmes sont également disponibles.

La pente est généralement calculée comme la pente locale autour du pixel (Sorensen et al. 2005). La pente locale peut également être calculée comme pente minimale, moyenne et maximale autour du pixel. Une autre façon de calculer la pente est présentée par Hjerdt et al. 2004 où la pente est calculée à un point d mètres en dessous du centre de la cellule.

La pente est un outil de base dans la plupart des logiciels SIG, mais le calcul peut différer. Voici quelques exemples: ESRI: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Calculating_slope SAGA: http://sourceforge.net/apps/trac/saga-gis/wiki/Terrain% 20Analyse% 20-% 20Morphométrie% 20module% 20library

Comme vous pouvez le voir, de nombreuses options sont disponibles pour calculer à la fois a et tanB. Donc, la question est, dans la pratique, quelle est la meilleure (meilleure) façon de calculer TWI en utilisant différents algorithmes? Ou y en a-t-il?

Personnellement, j'aime travailler chez SAGA, principalement parce qu'il existe une large sélection d'outils d'hydrologie open source.

Ps J'ai du mal à savoir exactement comment la pente du bassin versant est calculée dans Saga GIS, et exactement ce que cela signifie ici. (Analyse du terrain -hydrologie: bassin versant parallèle).

EDITED: Répondu par Volker Wichmann des forums SAGA: "La grille de sortie de la pente du bassin versant du module Catchment Area (Parallel) est calculée comme suit: pour chaque cellule, la pente locale est calculée en utilisant l'approche de Zevenbergen & Thorne. Ces valeurs de pente sont pente descendante accumulée. Enfin, pour chaque cellule, les valeurs de pente accumulées sont divisées par la zone de captage dérivée de la cellule. L'unité de la grille est le radian. "

"Le module de l'indice d'humidité topographique (TWI) nécessite une grille de pente normale en entrée."

Références:

Beven et Kirkby 1979. Un modèle à aire variable contribuant physiquement à l'hydrologie de bassin. Bulletin des sciences hydrologiques, 24, pp. 43–69.

Hjerdt et al. 2004. Un nouvel indice topographique pour quantifier les contrôles en aval du drainage local. Water Resources Research , 40, W05602, doi: 10.1029 / 2004WR003130.

O'Callaghan, JF et Mark, DM 1984. L'extraction des réseaux de drainage à partir des données d'élévation numériques. Vision par ordinateur, graphisme et traitement d'image , 28: 323-344

Qin et al. 2011. Une approche pour calculer l'indice d'humidité topographique basé sur le gradient de pente descendante maximale. Precision Agric 12: 32–43.

Seibert, J. et McGlynn, B. 2007. Un nouvel algorithme triangulaire à direction d'écoulement multiple pour calculer les zones de pente ascendante à partir de modèles d'altitude numériques quadrillés, Water Ressources Research , Vol. 43, W04501

Sorensen et al. 2005. Sur le calcul de l'indice d'humidité topographique: évaluation de différentes méthodes basées sur des observations de terrain. Hydrol. Earth Sys. Sci. Discuter. , 2, 1807–1834

Tarboton, DG 1997. Une nouvelle méthode pour la détermination des directions d'écoulement et des zones de pente ascendante dans les modèles numériques d'élévation de la grille, Water Ressources Research , Vol.33, No.2, p.309-319

Réponses:


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Je pense que ce post sur le forum SAGA GIS pourrait s'avérer utile pour répondre à votre question sur le calcul de la pente:

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

En outre, d'après ma compréhension de TWI (en tant qu'étudiant en doctorat en hydrologie impliqué dans la modélisation hydrologique), le D-Inf (Tarboton), MFD-md (Qin), DEMON (Costa-Cabral) et MFD (Quinn) avec l'exposant p = 1,1 (Freemann) sont les meilleures options pour déterminer la zone d'accumulation «a» dans le calcul TWI.

Je pense que le travail de Sorensen et le travail de Qin donnent du crédit à ma propre opinion semi-professionnelle. Cependant, l'algorithme amélioré de Qin (MFD-md) n'a pas été autant testé et utilisé que les autres.

Lorsque j'ai utilisé SAGA pour calculer TWI, je calcule d'abord la pente en utilisant la recommandation de pente dans le module Analyse du terrain / Morphométrie / Pente, Aspect, Courbure , en utilisant l'algorithme par défaut mentionné dans le post du forum. Ensuite, je calcule la zone de captage en utilisant le choix Analyse du terrain / Hydrologie / Zone de captage / Zone de captage (parallèle) , en utilisant soit l'algorithme MFD soit l'algorithme D-INF avec 1,1 comme facteur de convergence (p = 1,1, de Freeman).

Ensuite, je lance l'option TWI, dans Analyse du terrain / Hydrologie / Indices topographiques / Indice d'humidité topographique (TWI) , avec les options pour convertir la zone en "1 / taille de cellule" et utiliser le calcul standard. Je me convertis à un bassin versant spécifique parce que c'est ce que la formulation originale de Beven et Kirkby demandait. En ce qui concerne la différence entre le "Standard" et le "TOPMODEL", je ne suis pas sûr de ce que c'est - je regarde cela moi-même en ce moment.

Page de référence 106 à partir du pdf lié pour une aide plus spécifique: http://sourceforge.net/projects/saga-gis/files/SAGA%20-%20Documentation/SAGA% 20Documents / SagaManual.pdf / download

J'ai oublié d'ajouter, tout cela suppose que le DEM a été prétraité en remplissant les éviers. C'est un autre sujet compliqué, avec deux options distinctes (principales).

J'espère que ça aide!

À M

Modifications PS pour @reima:

C'est quelque chose dans lequel je n'ai creusé que récemment, et je peux admettre que je ne pense pas avoir encore atteint le fond! Je préfère la méthode de Lindsay et Creed, l'approche à impact minimum qui choisit la culasse ou le remplissage en fonction de la minimisation de l'impact topographique total (officiellement nommé "Impact Reduction Algorithm" - IRA), que je pensais avoir été implémentée dans son outil Terrain Analysis Software (anciennement TAS, maintenant WhiteBox GAT - lien: http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox/ ).

Cependant, même son outil semble implémenter d'autres schémas de remplissage:

  1. L'algorithme de remplissage évier / dépression (basique, mais incroyablement rapide) de Wang et Liu (2006) - qui, je ne crois pas, fonctionne de la manière IRA, mais similaire à la façon dont ArcMap remplit les éviers / dépressions, juste droit sans aucune culasse .

  2. Et le remplissage évier / dépression de Planchon et Darboux (2001), qui inonde un DEM puis enlève l'eau peu à peu - il peut imposer une pente sur la zone classée, ce qui, je pense, pourrait améliorer les calculs TI.

ArcMap dispose d'un nouveau module complémentaire de "suppression des piqûres" ( http://blogs.esri.com/esri/arcgis/2013/03/05/optimized-tool-for-dem-pit-removal-now-available/ ) cela semble similaire à Lindsay et Creeds IRA, mais je n'ai pas encore lu le document cité pour déterminer dans quelle mesure. Cette méthode pourrait valoir le coup d'œil.

Je suis également intéressé à examiner mon hypothèse selon laquelle les calculs de TI ont besoin de DEM remplis. J'ai trois DEM de bassins versants de tailles différentes (<100 km2, 100-1000 km2,> 1000 km2), découpés à l'aide d'un fichier de forme à partir de données NED de 10 m. Ceux-ci ne sont pas remplis, car le fichier de forme fournissait déjà la délimitation du bassin versant. Je vais exécuter le calcul SAGA GIS TI (MFD, p = 1.1) sur les trois bassins versants, sur les DEM remplis et non remplis, en utilisant le schéma de remplissage ArcMaps (ancien et nouveau), et l'algorithme Wang et Liu (dans la boîte blanche, peut-être dans SAGA), et l'algorithme de Planchon et Darboux (dans Whitebox, peut-être dans SAGA). Je vais également calculer les valeurs TI en utilisant le calcul TI intégré dans mon modèle hydrologique.

Si vous le souhaitez, je peux partager ces résultats avec vous. Je ne les aurais peut-être pas pendant un mois environ, car j'ai d'autres recherches plus pertinentes sur lesquelles je me concentre actuellement, mais je dois affiner mon processus de calcul de l'IT d'ici la mi-mai au plus tard.


Merci pour l'entrée Tom! Il semble que nous ayons un flux de travail presque identique. Le prétraitement du DEM est en effet un autre sujet, en particulier lorsqu'il y a des routes, des ponts, etc. corrompant la direction et l'accumulation naturelles du flux. Puis-je vous demander quelle est votre méthode par défaut pour remplir les puits et comment gérez-vous les lacs dans le prétraitement du DEM? J'ai fini par enlever tous les lacs parce que chaque option de puits de remplissage tendait à augmenter ces baisins d'eau plus haut qu'ils ne le sont réellement, provoquant une perte d'informations près des bords du lac.
reima

@reima, voir ci-dessus. Pour l'instant, je ne fais rien de spécial pour les lacs. Tout mon objectif est de prédire le débit à la sortie du ruisseau / rivière - je n'ai pas encore réfléchi à la façon dont les lacs interagiront avec tout cela. De plus, je pense que je devrais être clair, dans le calcul de TI, vous ne voulez PAS de "pente de captage". Vous voulez la pente normale - assurez-vous simplement que cela était clair sur le lien du forum SAGA GIS que j'ai fourni.
traggatmot

Oui, (j'ai essayé de mettre en italique la partie sur la pente locale ("normale") mais je suppose que cela reste un peu flou (ma mauvaise)). J'ai fini par utiliser la méthode de remplissage Wang Liu 2006 jusqu'à présent, mais si Je continue avec ce sujet, je devrai certainement creuser plus profondément aussi. Je suis aussi très intéressé par vos résultats!
reima

@reima, veuillez accepter ma réponse comme réponse si vous pensez qu'elle répond à votre question.
traggatmot
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