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¿Metodología para crear redes de drenaje (y cuencas) precisas a partir de MDE LiDAR de alta resolución?

No es la primera vez que tropiezo con este problema; parece que soy incapaz de generar un modelo de red de drenaje correcto y las cuencas resultantes a partir de datos LiDAR de resolución completa (celdas de 1 m).

Cuando generalizo el conjunto de datos LiDAR, lo convierto en un DEM entero y relleno los sumideros, todo va bien y puedo crear fácilmente lo que parece ser un modelo muy generalizado. Sin embargo, me gustaría producir un modelo de sitio detallado para un mapa a gran escala y aquí es donde estoy teniendo problemas.

Debo señalar que la mayoría de los problemas se producen en las zonas más llanas.

Me gustaría que la red de drenaje siguiera con precisión el terreno, pero cuando uso crear la red de drenaje a partir de un entrada de DEM en números enteros los arroyos resultantes son muy generales y a menudo están "desconectados" en zonas donde no deberían estarlo. Los arroyos ni siquiera siguen de cerca las crestas naturales del terreno. También hay muchos segmentos "huérfanos" o que no van a ninguna parte. Cuando utilizo un entrada DEM en coma flotante La red de drenaje resultante es detallada y precisa, pero muy desconectada, agrupada y "plagada" de arroyos huérfanos.

Sospecho que mi problema radica en alguna parte de la preparación de los datos; entrada de MDE rasterizado en números enteros frente a puntos flotantes, llenado correcto de los sumideros, etc. ¿O puede ser que tenga que procesar los datos de superficie de alguna manera para crear primero un MDE de entrada "hidrológicamente correcto"?

¿Puede alguien describir la metodología correcta para crear redes de drenaje y cuencas continuas utilizando LiDAR de alta resolución?

Tal y como están las cosas, tengo más éxito con la creación del modelo a partir de una entrada DEM entera. Sin embargo, esto no es ideal para un análisis detallado a gran escala:

La primera imagen adjunta es un modelo producido a partir de una entrada DEM entera. Se han marcado con un círculo varias zonas problemáticas evidentes. Obsérvese que en realidad hay un arroyo en lo que parece ser el canal de drenaje principal. He añadido una versión muy generalizada del arroyo. enter image description here

EDIT: Como ya mencioné tengo más éxito con la creación del modelo a partir de una entrada DEM entera. Las siguientes capturas de pantalla ilustran el porqué. A pesar de que la entrada DEM entera tiene muchos problemas, como se puede ver arriba, todavía produce una red de drenaje que es menos desconectada, aunque no se ajusta a las características del terreno. Como se puede ver en la imagen de abajo, el uso de un MDE de punto flotante produce una red muy desconectada y agrupada, llena de pequeños segmentos huérfanos.

Raster de acumulación de flujo producido a partir de un MDE de punto flotante enter image description here

Raster de acumulación de flujo producido a partir de un DEM entero enter image description here

Por lo que puedo deducir, ambos métodos dan resultados dramáticamente diferentes, ambos métodos son inutilizables para un modelo detallado.

EDIT: Pido disculpas por hacer este post cada vez más largo (tal vez no me estoy expresando claramente en inglés) Para ilustrar aún más el problema con el uso de un DEM de punto flotante para la entrada estoy adjuntando la salida de Stream Link resultante, así como las cuencas hidrográficas resultantes. Lo que espero es una red de arroyos continua y toda la zona cubierta por cuencas que desembocan unas en otras.

Stream Link producido a partir de un DEM de entrada en coma flotante: enter image description here

Cuencas hidrográficas producidas a partir de un MDE de entrada en coma flotante: enter image description here

He aquí un ejemplo (zona cercana, mismos datos) en el que toda la dirección del flujo de una cuenca cambia debido al uso de la entrada del DEM entero: La flecha roja es la dirección del flujo del modelo y la flecha azul indica la dirección del flujo real. (Las líneas azules son los flujos reales, la red roja es la red de flujos derivada del LiDAR en orden de Strahler) enter image description here

Enlace a los datos: https://www.yousendit.com/download/MEtSOGNVNXZvQnRFQlE9PQ (Expirará el 13 de mayo de 2011)

12voto

Aleks Puntos 135

¿Ha considerado utilizar el análisis de GRASS GIS? Tengo la experiencia de que los algoritmos de GRASS son muy buenos para el análisis hidrológico. Por ejemplo, quiero generar algo como una red de drenaje en un MDT con una resolución de 5x5m. He comparado las herramientas de ArcMap (incluyendo ArcHydro Tools) y se puede ver el resultado en la primera imagen (líneas rojas). Luego traté de usar la función de GRASS GIS 'r.stream.extract' y obtuve el resultado que se muestra en la imagen 2 (líneas rojas). Ambas líneas de drenaje son generadas con un área de catenaria de 3 hectáreas.

Es realmente diferente, y tiene bastante seguridad en comparación con los arroyos reales (imagen 3, los arroyos reales son azules). Y GRASS GIS tiene muchas herramientas hidrológicas, es decir, para generar área de captación también.

Drainage lines using ArcMap Drainage lines using GRASS GIS Comparsion between GRASS GIS drainage lines and real streams

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Greg Puntos 1756

Con respecto a la generación de modelos de elevación hidrológicamente correctos, también llamados de drenaje forzado, ANUDEM sigue siendo el mejor de su clase, hasta donde yo sé. Es el programa utilizado para generar el Conjunto de datos nacionales de elevación de Canadá (CDED, irónicamente almacenado en metros enteros). También el TopoToRaster en ArcGIS utiliza Anudem bajo el capó (una revisión o tres por detrás de la actual).

El USGS utilizó un programa diferente para el modelo de Estados Unidos, Delta3D de AverStar, pero cuando me informé (hace diez años) era un programa personalizado y no estaba disponible en el mercado (aunque por unos 100.000 dólares lo adaptarían a nuestras necesidades).

No conozco ninguna otra herramienta para generar modelos de elevación forzados por el drenaje, pero me encantaría conocerla.

5voto

cisellis Puntos 749

En la universidad trabajé en un proyecto que hacía esto bastante bien. No soy hidrólogo, ni terminé el proyecto (me gradué), pero tal vez quieras ver esto:

TauDEM 5.0

Por lo que recuerdo, funcionó bastante bien. Es una herramienta gratuita y puede ser justo lo que necesitas.

Edición: Después de leer su pregunta con más atención, creo que esta es exactamente la herramienta que necesita. No tiene desconexiones como describes, todo el flujo continúa aguas abajo, es decir, no hay flujos huérfanos. La mayoría de los MDE calculan la dirección del flujo con sólo 8 direcciones posibles, N, E, S, W y NE, SE, SW, NW. Esto conduce a un flujo poco natural. TauDEM tiene una dirección ponderada, puede fluir en 360 grados. Tendrá un flujo más natural y supongo que más preciso.

Además, si tienes varios núcleos, los utilizará. Utilizando un LiDAR de alta resolución, TauDEM debería procesar lo que necesitas con bastante rapidez.

4voto

Greg Puntos 1756

Específicamente a la pregunta sobre el uso de enteros o de punto flotante: Los enteros son mejores por la velocidad, el almacenamiento y evitan algunos tipos de deriva debido a los errores de redondeo. Sin embargo, cuando utilices enteros no utilices metros para tus valores de Z (elevación). Cambie las unidades verticales a centímetros o milímetros, o manténgalas como metros y escale los valores (multiplique por 100 o 1000), lo que tiene el mismo efecto. Si esto no es posible, utilice el punto flotante.

El análisis de la pendiente y el aspecto y otras derivaciones de segundo y tercer orden son especialmente sensibles a la crudeza de las elevaciones enteras basadas en metros. Es realmente una mala práctica, pero también es una práctica habitual.

Ver Análisis del terreno: principios y aplicaciones (John Peter Wilson & John C. Gallant) en particular la sección 2.7.2 Unidades de elevación y precisión vertical y La caracterización geomorfológica de los modelos digitales de elevación ( Jo Wood ), busque "integer rounding". Ambos documentos son de peso. La primera vez que me di cuenta del problema fue a través de una descripción concisa y comprensible del problema en un documento sobre la construcción del primer modelo de elevación continental para Australia (alrededor del año 2000), utilizando el ANUDEM software, pero no puedo localizarlo ahora mismo.

4voto

CodeSlave Puntos 7133

Gracias a todos por vuestras aportaciones. He llegado a la conclusión de que la superficie LiDAR de resolución completa no es adecuada para este tipo de análisis.

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