Méthodologie pour créer des réseaux de drainage précis (et des bassins versants) à partir de DEM LiDAR haute résolution?

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Ce n'est pas la première fois que je tombe sur cette question; il semble que je ne suis pas en mesure de générer un modèle de réseau de drainage correct et les bassins versants résultants à partir de données LiDAR en pleine résolution (cellules de 1 m).

Lorsque je généralise le jeu de données LiDAR, le convertis en un DEM entier et remplis les puits, tout va bien et je peux facilement créer ce qui semble être un modèle très généralisé. Cependant, je voudrais produire un modèle de site détaillé pour une carte à grande échelle et c'est là que j'ai des problèmes.

Je dois souligner que la plupart des problèmes surviennent dans des zones plus plates.

J'aimerais que le réseau de drainage suive avec précision le terrain, mais lorsque j'utilise la création du réseau de drainage à partir d'une entrée DEM entière, les cours d'eau résultants sont très généraux et souvent «déconnectés» dans les zones où il ne devrait pas l'être. Les cours d'eau ne suivent même pas de près les crêtes naturelles du terrain. Il existe également de nombreux segments "orphelins" ou "ne va nulle part". Lorsque j'utilise une entrée DEM à virgule flottante , le réseau de drainage résultant est détaillé et précis mais très déconnecté, groupé et "jonché" de cours d'eau orphelins.

Je soupçonne que mon problème réside quelque part dans la préparation des données; Entier vs entrée DEM raster à virgule flottante, remplissage correct des puits, etc. Ou est-il possible que je doive traiter les données de surface d'une manière ou d'une autre pour créer d'abord un DEM d'entrée «hydrologiquement correct»?

Quelqu'un peut-il décrire la bonne méthodologie pour créer des réseaux de drainage continus et des bassins versants à l'aide de LiDAR haute résolution?

En l'état, j'ai plus de succès à créer le modèle à partir d'une entrée DEM entière. Ce n'est cependant pas idéal pour une analyse détaillée à grande échelle:

La première image jointe est un modèle produit à partir d'une entrée DEM entière. Plusieurs zones problématiques évidentes sont encerclées. Veuillez noter qu'il y a en fait un ruisseau dans ce qui semble être le principal canal de drainage. J'ai ajouté une version très généralisée du flux. entrez la description de l'image ici

EDIT: Comme je l'ai déjà mentionné, j'ai plus de succès avec la création du modèle à partir d'une entrée DEM entière. Les captures d'écran suivantes illustrent pourquoi. Même si l'entrée DEM entière a de nombreux problèmes comme on peut le voir ci-dessus, elle produit toujours un réseau de drainage qui est moins déconnecté bien qu'il ne soit pas conforme aux caractéristiques du terrain. Comme vous pouvez le voir sur l'image directement ci-dessous, l'utilisation d'une entrée DEM à virgule flottante produit un réseau très déconnecté et en cluster plein de petits segments orphelins.

Trame d'accumulation de flux produite à partir d'un MNT à virgule flottante entrez la description de l'image ici

Trame d'accumulation de flux produite à partir d'un DEM entier entrez la description de l'image ici

Pour autant que je puisse en déduire, les deux méthodes donnent des résultats radicalement différents, les deux méthodes sont inutilisables pour un modèle détaillé.

EDIT: Je m'excuse d'avoir rendu ce message de plus en plus long (peut-être que je ne m'exprime pas clairement en anglais) Pour illustrer davantage le problème de l'utilisation d'un DEM à virgule flottante pour l'entrée, je joins la sortie Stream Link résultante ainsi que les bassins versants résultants. Ce que j'attends, c'est un réseau de ruisseaux continu et une zone entière couverte de bassins qui se jettent les uns dans les autres.

Stream Link produit à partir d'une entrée en virgule flottante DEM: entrez la description de l'image ici

Bassins versants produits à partir d'une entrée en virgule flottante DEM: entrez la description de l'image ici

Voici un exemple (zone proche, mêmes données) où la direction d'écoulement entière d'un bassin est modifiée en raison de l'utilisation d'une entrée DEM entière: La flèche rouge est la direction d'écoulement du modèle et la flèche bleue indique la direction du débit réel . (lignes bleues - flux réels, le réseau rouge est l'ordre Strahler du réseau de flux dérivé de LiDAR) entrez la description de l'image ici

Lien vers les données: https://www.yousendit.com/download/MEtSOGNVNXZvQnRFQlE9PQ (expirera le 13 mai 2011)

Jakub Sisak GeoGraphics
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Voir aussi la question connexe: Workflow pour déterminer le gradient de flux?
Kirk Kuykendall
D'où vient l'ombrage? Les résultats de l'accumulation d'écoulement (noir) ne semblent pas provenir des élévations ombragées. Peut-être pourriez-vous nous montrer la même carte mais avec un rendu ombré de la grille utilisée pour obtenir les valeurs d'accumulation de flux.
whuber
Droite. J'aurais dû le mentionner. L'ombrage est dérivé de la même grille. (Et le réseau de flux noir est un ordre de flux (Strahler) dérivé du raster Stream Link) Tout sur cette carte, à l'exception de l'emplacement du flux (bleu), est généré à partir de la même grille.
Jakub Sisak GeoGraphics
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mon conseil pour réduire les problèmes complexes est d'utiliser un cas de test simple. Coupez un petit morceau de votre source raster brute et essayez les étapes comme vous le souhaitez (par exemple, gardez comme flottant). Remplissez certainement les éviers, toujours. Examinez attentivement la sortie de chaque étape pour vous assurer qu'elle "semble correcte".
Mike T
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Jakub J'ai exactement les mêmes problèmes. Tu n'es pas seul! La réponse qu'on m'avait donnée précédemment était de ne pas utiliser les données LiDAR pour créer des réseaux de drainage ...
Jacques Tardie

Réponses:

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Avez-vous envisagé d'utiliser l'analyse GRASS GIS? J'ai l'expérience que les algorithmes GRASS ont une très bonne assurance sur l'analyse hydrologique. Par exemple, je veux générer quelque chose comme un réseau de drainage sur DTM avec une résolution de 5x5m. J'avais comparé les outils d'ArcMap (y compris les outils ArcHydro) et vous pouvez voir le résultat sur la première image (lignes rouges). Ensuite, j'ai essayé d'utiliser la fonction GRASS GIS 'r.stream.extract' et j'avais le résultat affiché sur l'image 2 (lignes rouges). Les deux canalisations de drainage sont générées avec une zone de cathement de 3 hectares.

C'est vraiment différent, et il a une assez grande assurance par rapport aux flux réels (image 3, les flux réels sont bleus). Et GRASS GIS dispose de nombreux outils hydrologiques, c'est-à-dire pour générer également des bassins versants.

Lignes de drainage à l'aide d'ArcMap] Canalisations de drainage utilisant GRASS GIS Comparaison entre les canalisations de drainage GRASS GIS et les cours d'eau réels

david_p
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Très intéressant! Vous pouvez produire la même erreur que je vois en utilisant les outils ESRI. Cela m'amène à croire que l'algorithme ESRI n'est tout simplement pas capable de traiter des données à haute résolution. Cela répond à peu près à la question. Merci pour les visuels - incroyable! Je n'ai pratiquement aucune expérience de l'utilisation des outils GRASS pour l'analyse des bassins versants / drainage. J'apprécierais grandement si vous pouviez me diriger vers un didacticiel de base sur la façon de procéder.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Je voulais juste dire que c'est génial! Exécuter des tests préliminaires avec un de mes collègues sur nos jeux de données Lidar et les premiers résultats semblent très prometteurs. La quantité de fonctionnalités et de paramètres et la possibilité d'ajouter même quelques touches cartographiques sont excellentes. Les résultats correspondent aux flux réels. Découvrez également à quel point les algorithmes ESRI sont obsolètes - inchangés depuis le milieu des années 80. Ça explique beaucoup. Je vous remercie!
Jakub Sisak GeoGraphics
Je suis content de t'avoir aidé! J'aime GRASS GIS pour beaucoup d'analyses hydrologiques et pour les très bons résultats qu'il donne. Comme vous l'avez dit, ESRI est vraiment dépassé. Je ne sais même pas que c'est bien dépassé. Si vous voulez essayer plus d'analyses hydrologiques, consultez ces pages (peut-être que vous en avez déjà): grasswiki.osgeo.org/wiki/Hydrological_Sciences et grass.osgeo.org/grass70/manuals/topic_hydrology.html .
david_p
GRASS GIS n'a qu'un inconvénient, je pense, et c'est l'environnement natif spécial pour les couches. C'est un peu ennuyeux pour ceux qui ne connaissent pas aussi GRASS. Mais après un certain temps, vous devez vous y habituer.
david_p
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En ce qui concerne la génération de modèles d'élévation hydrologiques corrects, également appelés drainage forcé, ANUDEM , reste le meilleur de la race à ma connaissance. Il s'agit du programme utilisé pour générer l' ensemble de données d'élévation national canadien (CDED, ironiquement stocké en mètres entiers). De plus , le TopoToRaster outil dans ArcGIS utilise ANUDEM sous le capot (une révision ou trois derrière en cours).

L'USGS a utilisé un programme différent pour le modèle américain, Delta3D par AverStar, mais quand j'ai demandé (il y a dix ans) c'était un programme personnalisé et non disponible sur étagère (bien que pour quelques 100k ils l'adapteraient à nos besoins ).

Je ne connais pas d'autres outils pour générer des modèles d'élévation forcés par drainage, mais j'aimerais en entendre parler.

Matt Wilkie
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J'ai essayé, mais le toold plante beaucoup. J'ai utilisé les contours dérivés du LiDAR (sous-ensemble 2K x 2K), puis j'ai supprimé les petits contours insignifiants pour rendre la surface plus simple et j'ai essayé le TopoToRaster mais il continue de mourir. (Trop de points dans l'erreur de polyligne de contour) Dois-je simplement essayer des élévations de points à la place?
Jakub Sisak GeoGraphics
Et en parlant de CDED, j'ai eu toutes sortes de problèmes (toujours non résolus) avec l'arrondi entier et les problèmes "d'anomalie de terrasse" qui en résultent.
Jakub Sisak GeoGraphics
J'ai pu réussir à créer une surface "hydrologiquement correcte" avec l'outil TopoToRaster en utilisant les points LiDAR comme entrée de point (spot). J'ai créé 2 surfaces avec différentes tailles de cellules de sortie: 2 et 4. Le raster d'accumulation de flux résultant souffre des mêmes problèmes. Je commence à soupçonner que cela ne peut pas être fait dans ArcGIS. Je voudrais également souligner qu'il faut un temps extrêmement long pour exécuter le TopoToRaster.
Jakub Sisak GeoGraphics
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De retour à l'université, j'ai travaillé sur un projet qui a très bien réussi. Je ne suis pas hydrologue, je n'ai pas non plus terminé le projet (diplômé), mais vous voudrez peut-être vérifier ceci:

TauDEM 5.0

D'après mes souvenirs, cela a plutôt bien fonctionné. C'est un outil gratuit et peut être exactement ce dont vous avez besoin.

Edit: Après avoir lu votre question plus attentivement, je pense que c'est exactement l'outil dont vous avez besoin. Il n'a pas de déconnexion comme vous le décrivez, tout le flux continue en aval, c'est-à-dire pas de flux orphelins. La plupart des DEM calculent la direction du flux avec seulement 8 directions possibles, N, E, S, W et NE, SE, SW, NW. Cela conduit à un flux non naturel. TauDEM a une direction pondérée, il peut couler à 360 degrés. Il aura un écoulement plus naturel et je suppose qu'il est plus précis.

De plus, si vous avez plusieurs cœurs, il les utilisera. À l'aide d'un LiDAR haute résolution, TauDEM devrait traiter ce dont vous avez besoin assez rapidement.

SaulBack
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J'appuie cela! La direction d'écoulement D8 donnera des résultats indésirables sur des données à haute résolution alors que TauDEM dispose d'une direction d'écoulement D-infini. Gardez également à l'esprit l'intention d'un modèle d'écoulement hydrologique. Plus gros n'est pas toujours meilleur (en termes de résolution). Un DEM ultra haute résolution est plus votre problème que le modèle. Les DEM dérivés de Lidar ont intrinsèquement un véritable «bruit» qui n'a jamais été destiné à être utilisé dans un modèle de flux. Je recommanderais fortement de réduire l'échelle de votre DEM.
Jeffrey Evans du
Découvrez également SAGA GIS-softaware. Je voudrais souligner que ce n'est PAS un problème lié à DEM car les informations (c'est-à-dire x, y, z) sont toujours les mêmes dans chacune des différentes méthodes d'accumulation de flux (c'est-à-dire D8, Dinfinity, etc.) . Le traitement parallèle trouvé dans SAGA GIS permet également un traitement assez rapide des données lidar. J'ai utilisé ces méthodes pour des calculs assez volumineux et elles ont bien fonctionné. Le fait est que vous prétraitez correctement vos données. C'est-à-dire brûler les structures de drainage (ponceaux, ponts) et les remplir et ensuite faire les calculs d'accumulation de débit!
reima
Tau dem avait également une capacité multiprocesseur
Si vous ne savez pas - juste GIS
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Merci à tous pour vos contributions. J'ai conclu que la surface LiDAR en pleine résolution ne convient pas à ce type d'analyse.

Jakub Sisak GeoGraphics
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cet article, Terrain Datasets, Les 10 principales raisons de les utiliser , m'a fait penser qu'une surface raster DEM n'est pas le bon modèle de données à utiliser dans votre cas. Nous avons rejeté les NIF pour nos modèles d'élévation car les facettes ont produit trop d'artefacts dans nos expériences. Cependant, nos données sources étaient des contours et non un champ dense de hauteurs ponctuelles comme le Lidar.
matt wilkie
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Plus précisément à la question sur l'utilisation de l'entier ou de la virgule flottante: l'entier est le meilleur pour la vitesse, le stockage et évite certains types de dérive dus aux erreurs d'arrondi. Cependant, lorsque vous utilisez un entier, n'utilisez pas de mètres pour vos valeurs Z (élévation)! Modifiez les unités verticales en centimètres ou en millimètres, ou conservez-les en mètres et mettez à l'échelle les valeurs (multipliez par 100 ou 1000) qui ont le même effet. Si ce n'est pas possible, utilisez une virgule flottante.

L'analyse de pente et d'aspect et d'autres dérivés du 2ème et 3ème ordre sont particulièrement sensibles à la grossièreté des élévations entières basées sur les mètres. C'est vraiment une mauvaise pratique, mais c'est aussi une pratique standard.

Voir Analyse du terrain: principes et applications (John Peter Wilson et John C. Gallant) en particulier la section 2.7.2 Unités d'élévation et précision verticale , et La caractérisation géomorphologique des modèles numériques d'élévation ( Jo Wood ), recherchez «arrondi entier». Ces deux documents sont lourds. J'ai d'abord pris conscience du problème grâce à une description concise et compréhensible du problème dans un document sur la construction du premier modèle d'altitude continental pour l'Australie (vers 2000), en utilisant le logiciel ANUDEM , mais je ne peux pas le localiser pour le moment.

Matt Wilkie
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Merci Matt. Bon produit. Je vais essayer cela et faire rapport. Beaucoup d'informations très intéressantes. Merci pour l'effort que vous avez fourni.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Lorsque je multiplie le raster en entrée par 1000, j'obtiens les mêmes résultats qu'auparavant. J'ai essayé à la fois l'entier et la virgule flottante. Le raster d'accumulation de flux résultant est presque identique dans les deux cas. Off pour essayer de faire fonctionner la technique TopoToRaster.
Jakub Sisak GeoGraphics
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Je ne sais pas si cela vous aidera, mais j'ai écrit un article de blog sur le réseau hydroélectrique pour 1cm LIDAR DEM. Pourrait avoir des pépites pour vous.

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

Thad
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Merci. L'obtention d'un raster de direction d'écoulement continu à partir duquel je pourrais dériver un réseau de drainage utilisable en particulier dans les zones plates semble être mon problème majeur. Pouvez-vous décrire comment la méthode D8 peut être utilisée dans ArcGIS pour produire un raster de direction de flux?
Jakub Sisak GeoGraphics
Pour ajouter à cela. Je pense que l'algorithme existant n'est pas infini - comme s'il avait un paramètre de coupure qui ne lui permet pas de suivre le flux en amont s'il détermine qu'il pourrait y avoir des problèmes de mémoire.
Jakub Sisak GeoGraphics
Vous pouvez créer un raster de direction de flux dans Arcgis. Je peux l'exécuter pour vous si vous n'en avez pas la capacité.
Thad
Désolé, je voulais dire l'accumulation de flux dans le commentaire ci-dessus, pas la direction du flux. Il s'agit du problème initial décrit dans cette question. L'outil outil de direction du flux ne donne pas de résultats utilisables lorsqu'il est exécuté sur des données Lidar denses dans les zones basses. En fait, l'utilisation d'un raster à virgule flottante génère des erreurs irréparables tandis que l'utilisation d'un raster entier généralise trop les données. Dans l'état actuel des choses, il est impossible de dériver un modèle de drainage précis à partir des données LiDAR en utilisant uniquement les outils ArcGIS.
Jakub Sisak GeoGraphics
Je ne comprends pas comment la densité des données importerait. Les données que j'utilise sont de 1 cm ^ 2. beaucoup plus dense. Permettez-moi de télécharger vos données et je vais essayer.
Thad
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Je pensais juste ajouter quelque chose de plus à penser ici. Je me demande maintenant si le processus de délimitation du bassin versant fonctionne même. J'ai un modèle que j'ai édité manuellement et je reviens continuellement sur des domaines qui sont tout simplement faux. Je ne pense pas du tout pouvoir compter sur les modèles générés par ordinateur ArcGIS ...

Capture d'écran

Jakub Sisak GeoGraphics
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