stringtranslate.com

Разграничение водораздела

Разграничение водораздела — это процесс определения границы водораздела, также называемого водосбором, водосборным бассейном или речным бассейном. Это важный шаг во многих областях экологической науки, техники и управления, например, для изучения наводнений, водной среды обитания или загрязнения воды.

Деятельность по разграничению водоразделов обычно выполняется географами, учеными и инженерами. Исторически разграничение водоразделов выполнялось вручную на бумажных топографических картах , иногда дополнялось полевыми исследованиями. В 1980-х годах были разработаны автоматизированные методы разграничения водоразделов с использованием компьютеров и электронных данных, и теперь они широко используются.

Карта водораздела водохранилища Лост-Крик в округе Морган, штат Юта, США. Основные водотоки показаны синим цветом, а границы водораздела — красным.

Компьютеризированные методы разграничения водоразделов используют цифровые модели рельефа (ЦМР), наборы данных, которые представляют высоту поверхности суши Земли. Компьютеризированное разграничение водоразделов может быть выполнено с использованием специализированного программного обеспечения для гидрологического моделирования, такого как WMS , программного обеспечения для географических информационных систем , такого как ArcGIS или QGIS , или с помощью языков программирования, таких как Python или R.

Водоразделы являются фундаментальной географической единицей в гидрологии , науке, занимающейся движением, распределением и управлением водными ресурсами на Земле. Определение границ водоразделов можно считать приложением гидрографии , отрасли прикладных наук, которая занимается измерением и описанием физических характеристик океанов, морей, прибрежных зон, озер и рек. Оно также связано с геоморфометрией , количественной наукой анализа поверхности суши. Определение границ водоразделов продолжает оставаться активной областью исследований, при этом ученые и программисты разрабатывают новые алгоритмы и методы и используют все более высокоточные данные с воздушного или спутникового дистанционного зондирования .

Ручное разграничение водоразделов

Обычный метод нахождения границы водораздела — нарисовать ее вручную на бумажной топографической карте или на прозрачной подложке. Площадь водораздела затем можно оценить с помощью планиметра , наложив миллиметровую бумагу и подсчитав ячейки сетки, или результат можно оцифровать для использования с картографическим программным обеспечением. Тот же процесс можно выполнить на компьютере, набросав границу водораздела (с помощью мыши или стилуса) на цифровой копии топографической карты. [1] Это называется «оцифровкой на экране» или «оцифровкой на экране». [2]

Пример идеализированной границы водораздела, нарисованной на топографической карте с контурами высот. Любые осадки, выпадающие внутри границы водораздела, будут течь к водосбросу в нижней части.

Для «ручного» разграничения водоразделов необходимо уметь читать и интерпретировать топографическую карту, например, для определения хребтов, долин и направления самого крутого склона. [3] Даже в компьютерную эпоху ручное разграничение водоразделов по-прежнему является полезным навыком, позволяющим проверить правильность водоразделов, созданных с помощью программного обеспечения. [1]

Инструкции по ручному разграничению водоразделов можно найти в некоторых учебниках по географии или управлению окружающей средой, в правительственных брошюрах [4] [5] или в онлайн-видеоуроках. [6]

По данным Геологической службы США, ручное разграничение водоразделов состоит из 5 этапов: [6]

  1. Найдите на карте интересующую вас точку вдоль ручья. Это «выход водораздела» или «точка излива».
  2. Представьте себе или нарисуйте линии потока поверхностных вод, направленные вниз по склону перпендикулярно топографическим контурам (это самое крутое направление).
  3. Отметьте местоположение топографических высоких точек (пиков) вокруг ручья.
  4. Отметьте точки вдоль контуров, разделяющих потоки по направлению к ручью или от него (хребты).
  5. Соедините точки, чтобы обозначить водораздел.

Общие правила:

Одним из недостатков ручного разграничения водоразделов является то, что оно подвержено ошибкам и индивидуальным суждениям аналитика. Агентство по охране окружающей среды Иллинойса написало: «имейте в виду, что разграничение водораздела — это неточная наука. Любые два человека, даже если оба эксперты, дадут немного разные границы». [5]

Особенно для небольших водоразделов и когда важны точные результаты, может потребоваться полевая разведка для поиска объектов, которые не показаны на картах. «Выход в поле позволяет вам определить изменения, внесенные человеком, такие как дорожные канавы, ливневые стоки и водопропускные трубы, которые могут изменить направление потока воды и, таким образом, изменить границы водораздела». [5]

Автоматизированное или компьютеризированное разграничение водоразделов

Использование компьютерного программного обеспечения для разграничения водоразделов может быть намного быстрее, чем ручные методы. Это также может быть более последовательным, поскольку устраняет субъективность аналитика. Автоматические методы разграничения водоразделов используются с 1980-х годов и в настоящее время широко используются в научных и инженерных сообществах. Исследователи даже использовали компьютерные методы для разграничения водоразделов на Марсе. [7] [8]

Методы автоматизированного разграничения водоразделов используют цифровые данные о высоте Земли, цифровую модель рельефа или ЦМР. Обычно алгоритмы используют метод «самого крутого склона» для расчета направления потока от ячейки сетки (или пикселя) к одному из ее соседей. [9]

Для разграничения водоразделов можно использовать ЦМР в различных форматах, например, в виде нерегулярной треугольной сети (TIN) [10] или гексагональной мозаики [11], однако большинство современных алгоритмов используют регулярную прямоугольную сетку. [12] В 1980-х и 1990-х годах цифровые модели рельефа часто получали путем сканирования и оцифровки контуров на бумажных топографических картах, которые затем преобразовывались в TIN или сеточную ЦМР. [13] В последнее время ЦМР получают с помощью воздушного или спутникового дистанционного зондирования с использованием стереофотограмметрии , лидара или радара . [14]

Чтобы использовать прямоугольную сетку DEM для разграничения водоразделов, ее сначала нужно обработать или «обусловить», чтобы получить реалистичные результаты. [9] Результат иногда называют «гидро-усиленной» DEM или «HydroDEM». Большинство перечисленных ниже программных пакетов могут выполнять эти функции на «сырой» DEM, или аналитики могут загрузить гидрологически обусловленные DEM, такие как почти глобальные HydroSHEDS, [15] MERIT-Hydro, [16] или EDNA [17] для континентальной части США. Обычные шаги для гидрологической обработки DEM следующие:

  1. Наполните раковины.
  2. «Включаем» потоковые каналы.
  3. Рассчитайте направление потока.
  4. Рассчитайте накопление потока.
3D-рендеринг гидрологически обусловленной цифровой модели рельефа. Этот пример из Геологической службы США показывает «стены» или «ограды» с использованием данных из набора данных границ водоразделов (WBD) и «сжигание» потоков из Национального набора данных гидрографии (NHDPlus).

Кроме того, некоторые методы позволяют «ограждать хребты» и сжигать пути потока через озера. [18] Некоторые методы также обеспечивают небольшой уклон на плоских участках, чтобы поток продолжал двигаться к выходу. [19] Этап «вжигания» русел потоков включает в себя искусственное углубление русла путем вычитания большого значения высоты из пикселей, которые представляют русло. Это гарантирует, что как только поток войдет в русло, он останется там, а не выпрыгнет и не потечет по суше или в другой канал. Некоторые алгоритмы автоматически выводят местоположение каналов из ЦМР. Лучшие результаты обычно получаются путем вжигания в нанесенных на карту руслах потоков или каналах, полученных с помощью спутниковых или аэрофотоснимков. [20]

Существует несколько различных алгоритмов для расчета направления потока с помощью ЦМР. Первый метод, представленный австралийскими географами О'Каллаганом и Марком в 1984 году, называется D8. [12] Вода течет из пикселя в одном из 8 возможных направлений в соседнюю ячейку (включая диагональное направление) на основе направления самого крутого склона. У этого метода есть недостатки, поскольку поток воды ограничен 8 направлениями, разделенными 45°, что может привести к нереалистичным схемам потока. Кроме того, поскольку весь поток направлен в одном направлении, метод D8 не может моделировать ситуации, когда поток расходится, например, на выпуклых склонах холмов, в дельте реки или в разветвленных или разветвленных реках . Были предложены и реализованы альтернативные алгоритмы для преодоления этого ограничения, такие как D∞. [21] Тем не менее, алгоритм D8 по-прежнему широко используется и использовался для создания важных наборов данных, таких как HydroBasins [15] и MERIT-Basins. [16]

Компьютерное разграничение водоразделов не всегда верно. Некоторые ошибки возникают из-за неправильного размещения водосброса на цифровой речной сети или «привязки точки застывания». [22] Другой класс ошибок возникает из-за неточностей в цифровых данных о рельефе или из-за того, что их разрешение слишком грубое, чтобы захватить пути потока. [2] В целом, ЦМР с более высоким пространственным разрешением могут более реалистично описывать топографию поверхности земли и направление потока. Однако есть компромисс, поскольку более мелкая сетка с большим количеством пикселей увеличивает время вычислений. [16] Тем не менее, даже данные с высоким разрешением могут неадекватно фиксировать пути потока в сложных средах, таких как города и пригороды, где поток направляется бордюрами, водопропускными трубами и ливневыми стоками. [23] Наконец, некоторые ошибки могут быть результатом алгоритма или выбора параметров. [24]

Поскольку ошибки встречаются часто, некоторые органы власти настаивают на том, что результаты автоматизированного разграничения должны быть тщательно проверены. Стандарты Геологической службы США для набора данных границ водоразделов США позволяют использовать программное обеспечение «для создания промежуточных или «черновых» линий границ», которые затем должны быть проверены аналитиком путем наложения их на компьютерный дисплей поверх базовых карт (сканированных топографических карт, аэрофотоснимков) для проверки их точности. [1]

Программное обеспечение для разграничения водоразделов

Некоторые из первых программ для разграничения водоразделов были написаны на FORTRAN, например, CATCH [25] и DEDNM. [19] Инструменты для разграничения водоразделов являются частью нескольких пакетов программного обеспечения Географической информационной системы, таких как ArcGIS , QGIS и GRASS GIS . Существуют отдельные программы для разграничения водоразделов, такие как TauDEM. Инструменты для разграничения водоразделов также включены в некоторые пакеты программного обеспечения для гидрологического моделирования.

Разработчики программного обеспечения также опубликовали библиотеки или модули на нескольких языках (см. список ниже). Многие из этих пакетов являются бесплатными и имеют открытый исходный код, что означает, что они могут быть расширены или адаптированы теми, кто хочет и может писать или изменять код. Наконец, существуют веб-приложения для разграничения водоразделов. Некоторые из этих веб-приложений имеют дополнительные функции для науки и техники, такие как расчет статистики потока или типов земельного покрова водораздела (например: StreamStats, Model My Watershed).

Автономное программное обеспечение для разграничения водоразделов

Программное обеспечение для гидрологического моделирования с возможностью определения границ водоразделов

Программное обеспечение на основе ГИС

Веб-приложения

Векторные наборы данных предварительно обозначенных водоразделов

Существует ряд векторных наборов данных, представляющих водоразделы в виде полигонов, которые можно отображать и анализировать с помощью ГИС или другого программного обеспечения. В этих наборах данных вся поверхность суши делится на «субводоразделы» или «единичные водосборы». Отдельные единичные водосборы можно объединять или объединять для поиска более крупных водосборов. Единичные водосборы имеют связанные данные гидрологического кода или аналогичные метаданные для создания сети потоков , поэтому пути потоков и соединения можно определить с помощью сетевого анализа. [34]

Карта субрегионов набора данных границ водоразделов для Соединенных Штатов, созданная Геологической службой США

Этот список не является исчерпывающим, так как многие организации и территории создали свои собственные данные карты водораздела и опубликовали их в Интернете. Известные наборы данных включают:

Ссылки

  1. ^ abc Федеральные руководящие принципы, требования и процедуры для национального набора данных о границах водоразделов (PDF) . Геологическая служба США. 2009.
  2. ^ ab Maceyka, Andy; Hansen, William F (2016). «Улучшение гидрологического картирования с использованием LIDAR и аэрофотоснимков высокого разрешения в национальном лесу Фрэнсис Мэрион в прибрежной Южной Каролине» (PDF) . Верховья к эстуариям: достижения в науке и управлении водоразделами, Пятая межведомственная конференция по исследованиям в водоразделах, 2–5 марта 2015 г. Северный Чарльстон, Южная Каролина: Лесная служба Министерства сельского хозяйства США, Южная исследовательская станция. стр. 302.
  3. ^ Геологическая служба США (2020-07-22). «Чтобы очертить водораздел, необходимо определить особенности поверхности земли по топографическим контурам». YouTube . Получено 2023-02-07 .
  4. ^ USDA (nd), Как читать топографическую карту и разграничивать водоразделы (PDF) , Министерство сельского хозяйства США, Служба охраны природных ресурсов , получено 2023-02-07
  5. ^ abc Illinois Environmental Protection Agency. "Определение водораздела вашего озера" (PDF) . Получено 20 января 2023 г.
  6. ^ ab Геологическая служба США (22 июля 2020 г.). «Ручное разграничение водоразделов — это пятиэтапный процесс». YouTube .
  7. ^ Дженсон, Сьюзен К. (1991). «Применение гидрологической информации, автоматически извлеченной из цифровых моделей рельефа». Гидрологические процессы . 5 (1): 31–44. Bibcode : 1991HyPr....5...31J. doi : 10.1002/hyp.3360050104. ISSN  1099-1085 . Получено 31.01.2023 .
  8. ^ Мест, Скотт С.; Краун, Дэвид А.; Харберт, Уильям (1 сентября 2010 г.). «Моделирование водораздела в районе Тиррена Терра на Марсе». Журнал геофизических исследований . 115 (Е9): –09001. Бибкод : 2010JGRE..115.9001M. дои : 10.1029/2009JE003429 . ISSN  0148-0227. S2CID  140699479.
  9. ^ ab Maidment, David R.; Djokic, Dean (2000). Гидрологическое и гидравлическое моделирование Поддержка: с географическими информационными системами . ESRI, Inc. ISBN 978-1-879102-80-4.
  10. ^ Джонс, Норман Л.; Райт, Стивен Г.; Мейдмент, Дэвид Р. (1990-10-01). «Разграничение водоразделов с помощью моделей рельефа на основе треугольников». Журнал гидравлического машиностроения . 116 (10): 1232–1251. doi :10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:10(1232). ISSN  0733-9429 . Получено 08.02.2023 .
  11. ^ Ляо, Чанг; Тесфа, Теклу; Дуань, Чжуорань; Леунг, Л. Руби (2020-06-01). «Разграничение водоразделов на гексагональной сетке». Environmental Modelling & Software . 128 : 104702. Bibcode : 2020EnvMS.12804702L. doi : 10.1016/j.envsoft.2020.104702 . ISSN  1364-8152. S2CID  215844895.
  12. ^ ab O'Callaghan, John F.; Mark, David M. (декабрь 1984 г.). «Извлечение дренажных сетей из цифровых данных о рельефе». Computer Vision, Graphics, and Image Processing . 28 (3): 323–344. doi :10.1016/S0734-189X(84)80011-0.
  13. ^ Wiche, Gregg J.; Jenson, SK; Baglio, JV; Domingue, Julia O. (1990). Применение цифровых моделей рельефа для определения водосборных зон и вычисления гидрологических характеристик участков в бассейне реки Джеймс, Северная Дакота (PDF) . Геологическая служба США. стр. 30.
  14. ^ Ли, Жилин; Чжу, Кристофер; Голд, Крис (2004). Цифровое моделирование рельефа: принципы и методология . CRC press. стр. Глава 3. ISBN 978-0-429-20507-1.
  15. ^ ab Lehner, Bernhard; Verdin, Kristine; Jarvis, Andy (2008). «Новая глобальная гидрография, полученная из космических данных о высоте». Eos, Transactions American Geophysical Union . 89 (10): 93–94. Bibcode : 2008EOSTr..89...93L. doi : 10.1029/2008EO100001 . ISSN  2324-9250.
  16. ^ abc Ямазаки, Д.; Оки, Т.; Канаэ, С. (2009-11-26). «Получение карты глобальной речной сети и ее топографических характеристик подсетки из карты направления потока с высоким разрешением». Гидрология и науки о системах Земли . 13 (11): 2241–2251. Bibcode : 2009HESS...13.2241Y. doi : 10.5194/hess-13-2241-2009 . ISSN  1607-7938 . Получено 22.06.2022 .
  17. ^ Центр наблюдения и науки о ресурсах Земли (EROS) (2017), База данных бесшовных трехмерных гидрологических данных Elevation Derivatives for National Applications (EDNA), Геологическая служба США , получено 21.02.2023
  18. ^ Мейдмент, Дэвид Р.; Джокич, Дин (2000). Гидрологическое и гидравлическое моделирование Поддержка: с географическими информационными системами . ESRI, Inc. ISBN 978-1-879102-80-4.
  19. ^ ab Martz, LW; Garbrecht, J. (июль 1992 г.). "Численное определение дренажной сети и подводных водосборных зон с помощью цифровых моделей рельефа". Computers & Geosciences . 18 (6): 747–761. Bibcode :1992CG.....18..747M. doi :10.1016/0098-3004(92)90007-E. ISSN  0098-3004 . Получено 17 июня 2022 г.
  20. ^ Линдси, Джон Б. (2016). «Повторный взгляд на практику сжигания потоков DEM». Earth Surface Processes and Landforms . 41 (5): 658–668. Bibcode : 2016ESPL...41..658L. doi : 10.1002/esp.3888. ISSN  1096-9837. S2CID  130330511. Получено 06.02.2023 .
  21. ^ Tarboton, David G. (февраль 1997 г.). «Новый метод определения направлений потока и площадей вверх по склону в цифровых моделях рельефа сетки». Water Resources Research . 33 (2): 309–319. Bibcode : 1997WRR....33..309T. doi : 10.1029/96WR03137 . S2CID  6142858.
  22. ^ Дженсон, Сьюзан К.; Доминге, Джулия О. (1988). «Извлечение топографической структуры из цифровых данных о высоте для анализа географической информационной системы». Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование . 54 (11): 1593–1600.
  23. ^ Kayembe, Aimé; Mitchell, Carl PJ (2018). «Определение границ подводных бассейнов и водоразделов в сложном и высокоурбанизированном ландшафте». Гидрологические процессы . 32 (18): 2845–2855. Bibcode : 2018HyPr...32.2845K. doi : 10.1002/hyp.13229. ISSN  1099-1085. S2CID  133665805. Получено 31 октября 2022 г.
  24. ^ Датта, Шриджон; Кармакар, Шьямал; Мезбахуддин, Саймон; Хоссейн, Мохаммад Мозаффар; Чаудхари, бакалавр наук; Хок, штат Мэриленд Энамул; Абдулла Аль Мамун, ММ; Баул, Тарит Кумар (15 июля 2022 г.). «Границы разграничения водораздела: последствия различных ЦМР, разрешения ЦМР и пороговых значений площади». Гидрологические исследования . 53 (8): 1047–1062. дои : 10.2166/nh.2022.126 . ISSN  0029-1277. S2CID  250590129.
  25. ^ Martz, Lawrence W.; Jong, Eeltje de (январь 1988 г.). "CATCH: программа FORTRAN для измерения площади водосбора по цифровым моделям рельефа". Computers & Geosciences . 14 (5): 627–640. Bibcode :1988CG.....14..627M. doi :10.1016/0098-3004(88)90018-0. ISSN  0098-3004 . Получено 05.06.2022 .
  26. ^ Дэвид Тарботтон (2016), Анализ рельефа с использованием цифровых моделей рельефа (TauDEM), Университет штата Юта, Исследовательская группа по гидрологии , получено 21.02.2023
  27. ^ USDA (1999), TOPAZ (PDF) , Министерство сельского хозяйства США , получено 21.02.2023
  28. ^ US EPA (2015-07-23), Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources (BASINS), Агентство по охране окружающей среды США, Управление исследований и разработок , получено 21 февраля 2023 г.
  29. ^ M. Han; H. Shen; BA Tolson; JR Craig; J. Mai; S. Lin; NB Basu; F. Awol (2023), "BasinMaker 3.0: набор инструментов ГИС для распределенного разграничения водоразделов сложных сетей маршрутизации озеро-река", Environmental Modelling & Software , 164 , Университет Ватерлоо, Bibcode : 2023EnvMS.16405688H, doi : 10.1016/j.envsoft.2023.105688 , получено 21.02.2023
  30. ^ Хебергер, Мэтью (2023). «Приложение Global Watersheds». mghydro.com . Получено 21.02.2023 .
  31. ^ "StreamStats". Геологическая служба США . 2021. Получено 21.02.2023 .
  32. ^ Центр водных исследований Страуда (2023). «Модель моего водораздела». WikiWatershed . Получено 21.02.2023 .
  33. ^ "Ontario Watershed Information Tool (OWIT) | ontario.ca". Правительство Онтарио . 2022. Получено 21.02.2023 .
  34. ^ Ленер, Бернхард (2014), HydroBASINS Technical Documentation Version 1.c (PDF) , Университет Макгилла , получено 16 февраля 2023 г.
  35. ^ "Watershed Boundary Dataset". Геологическая служба США . Получено 2023-02-19 .
  36. ^ Natural Resources Canada (2018-09-10). "Национальная гидрографическая сеть" . Получено 2023-02-19 .
  37. ^ Ленер, Бернхард; Грилл, Гюнтер (2013). «Глобальная речная гидрография и сетевая маршрутизация: исходные данные и новые подходы к изучению крупных речных систем мира». Гидрологические процессы . 27 (15): 2171–2186. doi :10.1002/2017GL072874. hdl : 1983/5567093b-7d5e-4ee9-988d-b0bf242c16f3 . S2CID  134761792.
  38. ^ Вердин, Кристин Л. (2017). Гидрологические производные для моделирования и анализа — новая глобальная база данных высокого разрешения. Серия данных. Рестон, Вирджиния: Геологическая служба США. стр. 24. Получено 15 июня 2022 г.
  39. ^ Вердин, Кристин Л. (2017), Гидрологические производные для моделирования и приложений (HDMA) Данные, Геологическая служба США , получено 2023-03-02
  40. ^ Лин, Пейронг; Пан, Мин; Бек, Хайлк Э.; Ян, Юань; Ямазаки, Дай; Фрассон, Ренато; Дэвид, Седрик Х.; Дюран, Майкл; Павелски, Тамлин М.; Аллен, Джордж Х.; Глисон, Колин Дж.; Вуд, Эрик Ф. (2019). «Глобальная реконструкция естественных речных потоков на 2,94 миллиона участков». Water Resources Research . 55 (8): 6499–6516. Bibcode :2019WRR....55.6499L. doi :10.1029/2019WR025287. PMC 6853258 . PMID  31762499. 
  41. ^ Ямазаки, Дай; Икешима, Дайки; Соса, Джейсон; Бейтс, Пол Д.; Аллен, Джордж Х.; Павелски, Тамлин М. (201). «MERIT Hydro: Глобальная гидрография с высоким разрешением на основе новейших топографических данных». Water Resources Research . 55 (6): 5053–5073. Bibcode :2019WRR....55.5053Y. doi : 10.1029/2019WR024873 . hdl : 1983/74b93ef1-da84-49db-b178-1cc1df6cbc0f . S2CID  189960352.
  42. ^ Аматулли, Джузеппе; Гарсия Маркес, Хайме; Сети, Тушар; Кисель, Йенс; Григоропулу, Афродити; Юблакер, Мария М.; Шен, Лонгжу К.; Домиш, Сами (17.10.2022). «Гидрография 90 м: новый глобальный гидрографический набор данных высокого разрешения». Earth System Science Data . 14 (10): 4525–4550. Bibcode : 2022ESSD...14.4525A. doi : 10.5194/essd-14-4525-2022 . ISSN  1866-3508 . Получено 08.03.2023 .