Analiza avansată în ArcGIS în domeniul hidrologiei [610725]

Curs GIS
“Analiza avansată în ArcGIS în domeniul hidrologiei ”
22.06.2016

Studiile de inundabilitate se bazeaza pe seturi de date topografice si hidrologice, utilizarea
instrumentelor de geoprocesare GIS fiind obligatorie in etapa de preprocesare a datelor si postprocesare
a rezultatelor obtinute prin modelare hidrologica si hid rodinamica. Acest curs vizeaza familiarizarea
cursantilor cu tehnicile de prelucrare GIS in vederea pregatirii datelor de intrare in modelele hidrologice
utilizate in studiile de determinare a zonelor inundabile. Prin acest curs cursantii vor fi capabili s a
prelucreze modele digitale de teren (provenite din diverse surse) si sa extraga prin functionalitati avansate
de geoprocesare in ArcGIS parametrii de intrare in modele hidrologice si hidraulice.
Fenomenele de tip ploaie -scurgere pe bazine hidrografice a u in prim plan suprafata terenului in
cote absolute, denumita model digital de teren (MDT). De regula, aceste MDT -uri se obtin prin masuratori
Lidar la scara unui bazin hidrografic sau prin ridicari topografice daca este vizata o zona foarte retsransa
unde nu exista disponibile alte seturi de date. In urma masuratorilor rezulta date de tip punct in fomat
ASCII sau xyz care trebuie convertite prin interpolare in modele digitale de teren.
Metodele de interpolare disponibile in ArcGIS sunt: IDW, Topo to Raste r, Kriging, Natural
Neighbour si Spline.
Metoda IDW – poate genera un model digital de teren prin interpolarea unui set de puncte
avand ca atribut cote absolute:

Tema de tip punct cu
punctele de cota
Atributul care contine
cotele absolute
Locatia si denumirea DTM –
ului care se salveaza
Dimensiunea celulei DTM -ului
Factorul de ponderare a
distantei

Cu cat parametrul Power este mai mare cu atat punctele care se afla la o distanta mai mare de
celula in care se interpoleaza MDT la un moment dat in cadrul rularii instrumentului vor capata o pondere
mai scazuta in interpolare. Cu cat valoarea parametrului Power este mai scazuta cu atat se va atribui o
pondere mai insemnata punctelor care se afla la o distanta mai mare de celula in ca re are l oc interpolarea.
Power poate lua valori intre 0,5 si 3. Implicit Power are valoarea 2. Daca punctele cu cote sunt neomogen
distribuite in zona de interes se recomanda valoarea implicita pentru parametrul Power , ignorand
influenta unor puncta de cot a departate asupra interpolarii intr -o anumita celula (principiu regasit si in
natura).
Parametrul optional Search Radius influenteaza metoda de selectare a esantioanleor de punct e
pentru interpolare. In cadrul rularii instrumentul IDW realizeaza o cauta re a unui numar minim de puncta
de cota in jurul celulei in care urmeaza sa aiba loc interpolarea. Aceasta cautare se poate face in doua
moduri: variabil – cautand un numar minim de puncta stability de utilizator (implicit 12 puncte) sau fix –
intersectand un cerc cu o raza data ca parametru si tema spatiala cu punctele de cota, punctele care se
regasesc in intersectie fiind luate in considerare in interpolarea valorii unei celule a DTM -ului resultant.
Daca punctele sunt distribuite neomogen in spatiu se re comanda varianta de cautare variabila pentru a
asigura un numar minim de puncte in procesul interpolarii. In acest caz aplicand optinea fix exista rsiscul
de a nu regasi un punct in zona de cautare.
Metoda Topo to Raster – interpoleaza o suprafata corecta din punct de vedere hidrologic

Selectia datelor de
intrare: puncta de cota si
rauri
Locatia si denumirea
DTM -ului salvat
Dimensiunea celulei
DTM -ului

Interpolarea prin metoda Topo to Raster foloseste ca date de intrare mai multe seturi de date
concomitent: puncte de cote, curbe de nivel, rauri, lacuri, etc. In procesul interpolarii Topo to Raster
forteaza interpolarea prin scaderea cotelor interpolate pe traseul raurilor creand astfel vai de scurgere.
Metoda Kriging – este o metode de interpolare geostatistical care considera ca distanta dintre
puncta determina o corelatie spatiala care pot influenta variatiile suprafetei DTM -ului.Se foloseste adesea
pe seturi de date legate de soluri sau in geologie. Procesul de interpolare se desfasoara in doua etape, mai
intai instrumentul creaza o variograma si apoi genereaza suprafata interpolata.

Date de intrare :
puncta cota
Atributul cu
cote de teren Date de intrare :
puncta cota
Locatia si denumirea
DTM -ului salvat
Dimensiunea
celulei DTM -ului
Metoda de
cautare a
punctelor care
vor fi interpolate

Metoda de interpolare Natural Neighbour – este o metoda de interpolare care utilizeaza un set de
puncte selectat prin tr-o diagrama Voronoi si carora li se atribuie ponderi functie de ariile proportionale,
cotele maxime interpolate situandu -se in gama de valori ale punctelor de cota care reprezinta datele de
intrare in procesul interpola rii.

Metoda de interpolare Spline – este o metoda de interpolare care estimeaza valorile utilizand o
functie matematica care minimizeaza curbatura suprafetei interpolate , generand o suprafata lina care
trece prin punctele utilizate ca date de intrare.
Date de intrare:
puncte de cota
Atribut cu
cotele de teren
Locatia si numele
unde se salveaza
DTM -ul Dimensiunea
celulei

Instrumente pentru delimitare bazinala

Pentru delimitarea bazinelor hidrografice utilizand modele digitale de teren se utilieaza in cascada
o serie de instrumente de geoproce sare din grupul de instrumente, intitulat Hydrology care se regaseste
in ArcToolbox> Spatial Analyst : Fill, Flow Direction, Flow Accumulation, Snap Pour Point si Watershed.
Rezultatul rularii fiecarui instrument din suita antementionata reprezinta set de date de in trare p entru
urmatorul instrument, ceea ce inseamna ca aceste instrumente nu pot fi folosite decat in aceasta ordine
si nu se poate omite vreuna din procesari.
Instrumentul Fill – este utilizat pentru a corecta modelele digitale de teren. Modelele d igitale de
teren pot avea celule cu cote scazute intr -o zona cu cote preponderant ridicate , similar unor mici
depresiuni. Intrucat cotele reduse se pot regasi intr -o singura celula, se considera ca aceasta nu este o
tendinta naturala a terenul ui ci o eroare. Instrumentul Fill modifica cota acestor celule singular functie de
o medie calculat a pe baza cotelor celulelor vecine. Acest p rocedeu impacteaza rezultatele rularii tuturor
celorlalte inst rumente intrucat sunt inlaturate puncte de drenaj artificial care intrerup liniile de acumulare
Date de intrare:
puncte de cota
Atribut cote de teren
Dimensiunea
celulei Tipul
interpolarii.
Recomandat
Regularized –
rezulta o
suprafata lina

a apei pe suprafata respectiv a. Similar celulele care au cote cu valori mult peste cotele celulor invecinate
sunt corectate prin reducerea valorilor inlaturand extremele si creand o suprafata lina de teren. Imagine a
urmatoare sugereaza modul de functionare al instrumentului Fill:

Date de intrare: modelul
digital de teren
Locatia si denumirea DTM –
ului salvat

Dupa core ctia modelului digital de teren se determina directiile de scurgere la suprafata terenului.
Aceste directii su nt determinate prin rularea instrumentului Flow Direction pentru fiecare celula a
rasterului, functie de cotele celulelor invecinate. Valorile dterminate sunt valori cuprinse intre 0 si 128,
reprezentand o codificare prin ridicarea lui 2 pe rand la cate o putere de la 1 la 8 corespunzand fiecarui
punct cardinal.

Date de intrare: Modelul
digital de teren
Locatia si denumirea
rasterului rezultat cu
directiile de scurgere

Functie de directiile de scurgere ale apei la suprafata terenului se poate simula procesul din
realitate de scurgere pe versanti, apa acumulandu -se in celulele cu cotele cele mai scazute,
corespunzatoare vailor sau traseului raurilor.

Date de intrare:
Directiile de scurgere
Locatia si denumirea
rasterului rezultat cu
acumularea apei in
celule

Pentru delimitarea bazinelor de scurgere trebuie definite mai intai sectiunile de inchidere ale
acestora. De obicei aceste sectiuni de inchidere corespund locatiei statiilor hidrometrice daca se doreste
modelare hidrologica cu calibrare a unor subbazine de scurgere. Sectiunile de inchidere pot sa fie localizate
si in sectiunea unui lac de acumulare sau in alta lcoatie functie de scopul delimitarii bazinele. Indiferent de
semnificatia ei, o section de inchidere este reprezentata printr -un p unct vectorial. Acest punct se poate
situa de -a lungul unei vai (a unui sir de celule din flow Accumulatuion cu valori mari) ceea ce inseamna ca
se poate utiliza sectiunea de inchidere ca atare sau in apropierea unei vai , cee ace necesita o relocare cu
ajutorul instrumentului Snap Pour point. Indiferent de situatie atunci cand se doreste delimitarea
simultana a mai multor subbazine este recomandata rularea acestui instrument pentru a fi siguri ca
sectiunile de inchidere ale b azinelor sunt de -a lungul vailor de scurgere a apei. In caz contrar nu va fi
posibila delimitarea bazinala.

Date de intrare: statiile
hidrometrice
Date de intrare: Flow
accumulation
Locatia si denumirea
ratserului rezultat cu noile
pozitii ale sectiunilor de
inchidere ale subbazinelor
de scurgere
Distanta de snapping

Odata determinate toate rezultatele precedente se poate rula instrumentul Watershed pentru
delimitare bazinala. In urma rulari i acestui intrumnet vor rezulta subbazinele de scurgere in format raster.

Dupa obtinerea subbazinelor de scurgere in format raster este necesara conversia acestora in for mat
vectorial su b forma de poligoane, utilizand instrumentul Raster to Polygon din ArcToolbox:

Date de intr are: Directiile de
scurgere
Date de intr are: Sectiunile de
inchidere -raster
Dacatia si denumirea
rasterului resultant cu
subbazinele delimitate

Conversia formatului subbazinelor de scurgere este necesara in continuare in prelucrarile de
geoprocesare prin care se obtin parametrii hidrologici: lungime hidraulica, timp de concentrare.

Unde: T1 – timp de in tarziere , L- lungime hidra ulica , CN- Curve Number , Y – panta medie bazinala [%]
Timpul de concentrare = timp de intarziere x 1,67

Lungimea hidraulica se obtine pentru fiecare subbazin delimitat in parte prin rularea prima data
a instrumentului Flo w Direction si apoi Flow Length.

Date de intrare: directiile de
scurgere pentru subbazinele
delimitate
Locatia si denumirea
rasterului rezultat ant cu
lungimea hidraulica
Optiunea upstream