ГИС & гидрологическое моделирование

[Журавлёв]

Добрый вечер.
Начинаю эту тему не для получения ответа на конкретный вопрос, а для описания своих действий в рамках написания кандидатской диссертации. Надеюсь на советы и ответы на возникающие вопросы.
Имеется работа над диссертацией, посвященной гидрологическому моделированию, в которой хочется использовать ГИС. Моделирование проводится в узлах пространственной сетки. В процессе моделирования необходимо получить характеристик этих точек-узлов (высота, уклон, расстояние до ближайшего водотока, экспозиция, время добегания, тип почв, принадлежность к определенному ландшафту и т.д.). Сбор характеристик с бумажной карты, вы понимаете, занимает слишком много времени, причем при изменении сетки работа проводится повторно. ГИС необходима для автоматизации сбора этих характеристик.
Приведу план работы по использованию ГИС в моделирующей системе:
1. Составление цифровой карты бассейна с включенными слоями:
Рельеф
Гидрография
Тип ландшафта
Почвенный покров
Растительный покров
2. Создание скриптов по получению из ГИС указанных характеристик для точек с заданными координатами.
3. Организация обмена данными между моделирующей системой (stand-alone приложение, написанное на С++) и ГИС на основе ArcGis 9.1
Картографические данные – отсканированные топографические карты масштаба 1:100000, почвенные карты масштаба 1:500000, ландшафтные карты, карты растительного покрова, может быть ЦМР.
Пространственный охват ГИС: бассейн р. Невы, площадь 281 тыс. км2. Соответственно, нужно оцифровать около 200 листов топографических карт. Немало, но, во-первых, для этого есть 2 года, а во-вторых, студенческий ресурс (я начинающий преподаватель в Университете).
Вариант покупки цифровых топографических карт не рассматривается, хочется сделать все с нуля самому, да и денег жалко.
Первый вопрос, с которым я столкнулся – вопрос оцифровки топографических карт. Я предполагаю следующий алгоритм действий:
1. Создание пустой карты, загрузка километровой прямоугольной сетки топографических карт.
2. Привязка отдельных листов карты по узлам километровой сетки.
Возникают вопросы – что делать со стыками между картами (существенны ли искажения для границ 100000-ных карт)? Как наиболее оптимально производить оцифровку? С какими подводными камнями (производительность ПК и др.) можно столкнуться?
С надеждой увидеть комментарии,
Журавлёв Сергей.

[geologic]

Вы же не профессиональный картограф, этим увлекаться. Топография 200K оцифрована, 100К - наверно оцифрована на Лен.обл. Понятно, у вас бесплатная рабсила... Но почитайте про сканирование-оцифровку карт, спец. софт навроде Easy Trace, это целые технологии, два года их можно только изучать-внедрять. Вот навскидку парочка ссылок
http://giscraft.ru/methods/method2.shtml
http://v-dorogu.narod.ru/article/useeasytrace.htm
А если у вас все на известной сетке базируется, зачем векторизовать карты полностью - по сетке и снимайте характеристики под ваши задачи, сэкономите кучу времени.

По остальному - есть разные моделирующие и даже гидрологические модули к ArcMap... Пока ваши задачи слишком общо выглядят, в такой постановке могут решаться в любом софте, работающем по регулярной сетке, "составление скриптов" не требуется для "получения характеристик в узлах", это типовейшая задача. Передача данных через текст-dbf-шейпы тоже решается в наше время, важнее совпадение принципов строения модели -шага сетки, точности, сочетания характеристик по времени и по географии.

Да, и у вас совершенно не звучит применение актуальных материалов: снимков, планов, профилей, фактоданных - как без них?

[Каминский Вадим]

Думаю, что вам не стоит избретать велосипед и поднимать цифровые топокарты с нуля, тем более, что объем очень существенный. Это займет очень много времени и ресурсов, и будет гораздо дороже чем покупать готовые данные. Попробуйте найти контакты по поиску карт, вы ведь для научной работы их будете использовать. Два года не такой уж большой срок для написания дисера, может стоит сосредоточится на моделировании. Мой друг Денис Айбулатов (http://www.hydro-msu.ru/aibylatov.htm)защищал дисер по схожей теме с использованием ГИСов. Можно либо в МГУ посмотреть, либо купить через инет, либо общаться народом на кафедре гидрологии суши.

[Журавлёв]

Спасибо за советы - они действительно пригодились, и к настоящему моменту у меня есть тот набор данных, что мне нужен.
Следующий вопрос из разряда технических. Необходимо найти расстояние от точки до другой точки (замыкающего створа) по линии стекания. Есть векторная модель гидрографии, топологически увязанная, есть ЦМР.
Например от г. Боровичи до г. Санкт-Петербурга сначала по р. Мсте, далее по р. Волхов, далее по р. Неве (пусть пока без озер). Таких точек много - порядка 90, и их положение постоянно меняется. То есть в идеале мне нужно создать 1click инструмент.
Гидрологи знают, для чего это - вопрос определения времени добегания довольно важен для расчетов стока.
Проверю любую идею.

[Журавлёв]

Вопрос снят.
Spatial Analyst - Flow length. С помощью Model Builderа превращается в 1click.
Все уже украдено до нас)

[SS_Rebelious]

Какой удачный топик!

Я тоже в рамках кандидатской буду заниматься гидрологическим моделированием: на части бассейна Невы в Тосненском районе) Сам я не гидролог (и знаний в этой области катастрофически не хватает) - интересует мониторинг земель. На данном этапе - мониторинг подтопления и переувлажнения, а для этого не обойтись без гидрологического моделирования. Уже получены эмпирические результаты, но сделано всё "на коленке" и методика исследования выглядит не совсем солидно - буду на основе уже полученных результатов строить модель, пригодную для прогнозирования.

Предлагаю начать переговоры о взаимовыгодном сотрудничестве. В частности, в области обмена информацией. Моя аська - в профиле.

Для гидрологического моделирования есть свободная гис, созданная на основе MapWindow GIS - BASINS. Я только приступил к изучению её возможностей, но думаю буду пользоваться ей.

[dime1]

Я тоже пишу работу на тему гидрологическое моделирование поверхностного стока в ArcGIS. Понимаю, что немного глупо выдумывать новую гидрологическую модель, когда уже есть такие монстры как Mike SHE, SWAT, HEC-Ras, но хочется:
а) все это сделать не выходя за привычную среду ArcGIS (как более универсальный и дружественный инструментарий для всех);
б) грамотно использовать свободные геоданные (а то коллеги гидрологи до сих пор используют топокарты).

Из того, что есть:
ЦМВ (30м),
Землепользование (GlobLand30),
GlobalForestChange для уточнения землепользования,
Карта почв 1:1000 000,
Ежедневные данные GSOD по метеостанциям (температуры, выпадения осадков, высота снега),
Ежедневные данные испарений с поверхности.

Вижу, что в литературе GIS+hydrological modelling обычно американцы используют эмпирические коэффициенты SCS Curve Numbers, которые указывают % осадков, что выноситься с полигона пересечения слоя землепользования и типов почв. Обычно это 3 колонки для каждого полигона для разных первичных условий почв (переувлажненная, умеренно-влажная, сухая). Еще этот коэффициент изначально выводился для малых водосборов, а так же он не работает при промерзании почв. Т.е. про зимний период и моделирование максимальных расходов весной можно забыть, наверное. Потому не знаю какой сток моделировать: среднегодовой, с разбивкой на тёплый и холодный сезон, или весеннее половодье.
Думаю, нужен еще какой-то слой времени добегания с учётом шероховатости рельефа и структуры речной сети, полученного с ЦМВ. На выходе планирую получить карты слоя стока, возможно расходов в точках гидропостов.
Проверять буду по данным гидропостов, потому моделироваться будет по суббасейнам гидропостов.

Вот теперь думаю, как это всё скрепить в кучу и получить хорошие результаты, доказав состоятельность метода моделирования в ГИС

[gamm]

Я тоже пишу работу на тему гидрологическое моделирование поверхностного стока в ArcGIS.

от Арки тут толку мало, поскольку питание рек у вас подземное (за исключение весны, да и то при глубоком промерзании), и подземная емкость сильно влияет на все. Есть такая простая балансовая модель TOPMODEL, она позволяет моделировать сток бассейнов на замыкающих створах, и области переувлажнения с поверхностным стоком.

[dime1]

gamm
Помимо тех, которые перечислил, думал еще вписать TOPMODEL (есть научная группа из другого института, которая использует TOPKAPI всюду).
Карт подземного стока, геологии и прочей гидро-геологии у меня не привидится, как и подобных данных. В моём бассейне есть только 1 водно-балансовая станция, которая что-то подобное измеряет (из 3-х по территории всей страны), да и то, я думаю, она не будет репрезентативной. По этой причине я хочу исключить из своей модели расчёты подземного стока (как и из гидрографов гидропостов, специальными фильтрами, чтоб проверять именно по поверхностному стоку). Из того, что я понимаю, любая модель в ГИС будет строиться по уравнению водного баланса, в том числе и та с Curve Numbers.

Мне, когда я это всё начинал, казалось, что большим преимуществом ГИС будет возможность смоделировать сток из каждой ячейки растра модели высот (полностью распределённая пространственная модель с разрешением в 30м). Я просто не гидролог, потому хочу использовать именно ГИС, а не гидрологическую модель, чтоб "снять с себя" много вопросов матиматико-статистичеко-гидрологического плана и освещать работу именно в контексте ГИС+гидрология.

[gamm]

Карт подземного стока, геологии и прочей гидро-геологии у меня не привидится, как и подобных данных.

ничего этого не нужно, это балансовая модель, ей нужно только сток на замыкающем створе, рельеф (в виде набора гистограмм) и осадки (таяние снега). А то, о чем вы говорите, там тоже можно использовать - в модели вместо этого вообще используют гистограмму рельефа, и то хватает

зато она достаточно хорошо воспроизводит заполнение емкости подземного стока, что позволяет учесть расход на ее заполнение, например, после засушливого года.

P.S. осадки в основном впитываются (которые не перехвачены кронами, и не испарились), и дальше с ними происходят разные чудеса уже в почве. Поверхностного стока, о котором вы говорите, практически не бывает (за исключением длительных ливней и весеннего таяния снега).

[dime1]

P.S. осадки в основном впитываются (которые не перехвачены кронами, и не испарились), и дальше с ними происходят разные чудеса уже в почве. Поверхностного стока, о котором вы говорите, практически не бывает (за исключением длительных ливней и весеннего таяния снега).

Я из публикаций уловил, что в основном, rainfall-runoff модели в ГИС (еще и на период в пару дней интенсивного и продолжительного ливня, flash floods) используют только для малых водосборах гористых местностей. Скорее всего именно по этой причине, что можно отследить поверхностный сток в строго очерченных каменистых тальвегах, представляющих речную сеть и ерозионный поверхностный сток.

Получается, что для равнинных больших рек нет ГИС-методик, потому что нельзя ничего толкового (чтоб результат был лучше и нагляднее) смоделировать в ГИС (например, максимальный сток весеннего половодья), добавив данные по SWE сенсора AMSR-E, и всякие влажности почв на глубинах (EUMETSAT H-SAF)...

[gamm]

Я из публикаций уловил, что в основном, rainfall-runoff модели в ГИС (еще и на период в пару дней интенсивного и продолжительного ливня, flash floods) используют только для малых водосборах гористых местностей. Скорее всего именно по этой причине, что можно отследить поверхностный сток в строго очерченных каменистых тальвегах, представляющих речную сеть и ерозионный поверхностный сток.

не, в горах есть свои модели, например SRM: Martinec, J., Rango, A., & Roberts, R. (1998). Snowmelt runoff model (SRM) user's manual. Geographica Bernensia, Vol. P35. Switzerland: University of Bern. Она как раз делается гисовскими методами, и вполне себе работает на "небольшом" бассейне 250 х 450 км. Кстати, даже в горах есть приличный подземный сток.

Получается, что для равнинных больших рек нет ГИС-методик, потому что нельзя ничего толкового (чтоб результат был лучше и нагляднее) смоделировать в ГИС (например, максимальный сток весеннего половодья), добавив данные по SWE сенсора AMSR-E, и всякие влажности почв на глубинах (EUMETSAT H-SAF)...

AMSR-E (который на TERRA/AQUA) врет, как сивый мерин (у него реально ячейки 56х56км), приходится брать суммарные запасы по территории, сглаживать во времени, а потом размазывать по территории обратно в соответствии с моделями. У японцев есть более детальные данные своего аналогичного прибора, ссылку не помню.

[dime1]

А интересно, Topmodel как-то можно уточнить данными о землепользовании и типе почв, которые у меня уже есть. Я так понимаю, это можно как-то сделать на уровне расчёта r.topoindex в Grass, чтоб потом внести в topmodel.

P.S.: А то, что я про SCS Curve Numbers спрашивал, так реализация этой концепции лежит в основе SWAT/ArcSWAT. Но там нужно много времени на изучение модели, она явно более сложная.