Transcript Modelowanie hydrologiczne z wykorzystaniem technik

Modelowanie hydrologiczne
z wykorzystaniem technik
teledetekcji
Tomasz Berezowski
Jarosław Chormański
Katedra Inżynierii Wodnej, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussel
Plan prezentacji






GIS i teledetekcja w hydrologii
Cel prezentacji
Model hydrologiczny
Parametryzacja powierzchni nieprzepuszczalnych (PN)




Wprowadzenie
Teren badań
Pozyskanie i opracowanie danych
Wpływ na wyniki modelowania




Wprowadzenie
Teren badań
Pozyskanie i opracowanie danych
Wpływ na wyniki modelowania
Parametryzacja pokrywy śnieżnej
Podsumowanie
GIS i teledetekcja w hydrologii
 Modele hydrologiczne:




Parametry rozłożone
(przestrzenne)
Pokrycie / Użytkowanie
terenu, wysokość, gleby
etc.
Często duże
powierzchnie
Aktualne i
historyczne dane
 Teledetekcja

Łatwe i tanie
pozyskanie aktualnych
i historycznych danych
 GIS
Zarządzanie dużą
ilością danych
przestrzennych
 Przetwarzanie, analizy
na danych
teledetekcyjnych
 Gotowe narzędzia do
dalszego
Skąd
wziąć modelowania
te dane?

Cel prezentacji
 W jaki sposób dane przestrzenne z różnych źródeł
wpływają na wyniki modelowania hydrologicznego
 Na przykładzie powierzchni nieprzepuszczalnych i
pokrywy śnieżnej
Model hydrologiczny
WetSpa: Środowisko ArcGIS 10 + FORTRAN / PYTHON
Opad
Ewapotranspiracja
Nieprzepuszczalne
Przepływ
Przepuszczalne
Infiltracja
Odpływ
powierzchniowy
Odpływ
podpowierzchniowy
Perkolacja
Odpływ podziemny
Zb. Wód
Czas
podziemnych
Parametryzacja powierzchni
nieprzepuszczalnych
Wprowadzenie 1/3
 Powierzchnie nieprzepuszczalne (PN)
 Negatywny wpływ:


Jakość wody
Reżim wód
 Ekosystemy wodne
 Powodzie lub susze
 Indykator jakości
wód/ekosystemów
 Dynamiczne zmiany
 Związane ze
współczynnikiem odpływu
Parametryzacja powierzchni
nieprzepuszczalnych
Wprowadzenie 2/3 zlewnia rzeki Białej
28 km – Rzeka Biała
16 km – Dopływy
231 km – Kanalizacja
deszczowa
Rzeki
Wodowskaz
Miasto
Zlewnia
Woda
Las
Rolnictwo
106 km2 – Powierzchnia zlewni
115:193 m n.p.m.
Skyscrapercity.com
Parametryzacja powierzchni
nieprzepuszczalnych
Wprowadzenie 3/3
 Powierzchnie nieprzepuszczalne (PN)
-sposoby parametryzacji w modelach hydrologicznych:
 Przyjęcie średniej wartości dla całej
zlewni
 Uśrednienie wartości w mapach
użytkowania terenu
 Przyporządkowanie wartości każdej
komórce obliczeniowej modelu
Sposoby parametryzacji PN
1.Teledetekcja – Zdjęcie satelitarne
IKONOS (1m)
 Dokładna klasyfikacja powierzchni terenu
 Obliczenie %PN dla każdej komórki modelu
 Grupowanie, zmniejszenie rozdzielczości
1m
30 m
Sposoby wyznaczania PN
2. Teledetekcja – Zdjęcie satelitarne Landsat 5
(30m)
Klasyfikacja Ikonos
Klasyfikacja Sub-pixel Landsat
 Regresja
– Ogólne Modele Liniowe,
krzywa logistyczna
 Zależność %PN od reflektancji w 6 kanałach piksela
Porównanie Landsat 30m i Ikonos 1m
Klasyfikacja sub-pixel
X%
5%
30%
X%
20%
40%
X%
40%
20%
Sposoby wyznaczania PN
 Procent powierzchni
nieprzepuszczalnych
przypisany do klasy
użytkowania terenu
Wsp. odpływu
Powierzchnie nieprzepuszczalne [%]
3. Podejście standardowe
Klasa użytkowania terenu
Wpływ na wyniki modelowania
Mapa CLC
Landsat
IKONOS
r2 [-]
MAE [m3/s]
SE [m3/s]
0.57
Ikonos 1m
0.74
0.72
0.57
Landsat 30m
0.74
0.75
Linia 1:1
0.26
0.21
0.22
-0.05
0.00
0.03
Wsp. odpływu [-]
NS [-]
Symulowany szczyt wezbrania [m3/s]
Mapa CLC
Mapa CLC
Średnia
Landsat
Ikonos
Mediana
Obserwowany szczyt wezbrania [m3/s]
Parametryzacja pokrywy śnieżnej
Wprowadzenie 1/3
Biebrza 2005 - 2009
200
150
100
50
Data
01/08/2009
01/05/2009
01/02/2009
01/11/2008
01/08/2008
01/05/2008
01/02/2008
01/11/2007
01/08/2007
01/05/2007
01/02/2007
01/11/2006
01/08/2006
01/05/2006
01/02/2006
0
01/11/2005
Przepływ [m3/s]
 Magazynownie
wody w postaci
śniegu
 „Nagłe” roztopy
 Trudne w
modelowaniu
okresy niżówkiwezbreania
Teren badań – zlewnia Biebrzy
Wprowadzenia 2/3
 7000 km2
 Teren
niezurbanizowany
 Jedna z
zimniejszych części
Polski
 ~100 dni pokrywy
śnieżnej
 ~6oC Średnia
roczna temp.
Parametryzacja pokrywy śnieżnej
Wprowadzenie 3/3
 Modele powierzchni ziemi
 opad & temperatura < 0 = obj. śniegu
 temperatura * kt + opad * ko = roztopy
 Dane teledetekcyjne
 Optyczne – zachmurzenie, wyższa
rozdzielczość
 Radarowe – bez chmur, niższa
rozdzielczość
Pozyskanie i opracowanie danych o
pokrywie śnieżnej
 Interpolacja śniegu
pod chmurami
 Związek między
regionami w terenie
analizy
 Związek z
wysokością
pokrywy śnieżnej
 Związek z formami
terenowymi
 Narzędzia:
ArcObjects +R
Wyniki modelowania
 Znaczna poprawa
wyników
modelowania z
użycie danych
teledetekcyjnych
 NSteledetekcja=0.913
 NSstandardowy=0.750
 NSmax=1
Podsumowanie
 Pozyskiwanie parametrów przestrzennych
do modeli hydrologicznych z nowoczesnych
źródeł teledetekcji poprawia wyniki
symulacji / prognoz
 Zaleca się stosowanie danych
teledetekcyjnych / GIS także w innych
dziedzinach modelowania
 Narzędzia do obróbki i analizy danych GIS
(ArcObjects, R) pozwalają znacznie skrócić
pracę i poszerzyć standardowe możliwości
oprogramowania.
Dziękuję za uwagę
Tomasz Berezowski
[email protected]
SGGW w Warszawie
Vrije Universiteit Brussel