как рассчитать водосборную площадь (8 видео)

Содержание

Упражнение 10 Гидрологическое моделирование на основе ЦМР
10.1 Введение
10.1.1 Контрольный лист
10.1.2 Аннотация
10.2 Получение и подготовка исходных данных
10.3 Гидрологическая коррекция ЦМР
10.4 Расчёт водосборной площади
10.5 Определение границ бассейна р. Оскол
Определение водосборной площади
Водосборная площадь
🔍 Видео

Видео:Определение площади водосборного бассейна методом палетки 2 занятие 24.09.13 Д-12Скачать

Упражнение 10 Гидрологическое моделирование на основе ЦМР

Видео:Окнонтуривание площади водосборного бассейна на карте 2 занятие 27.09.13 Д-11Скачать

10.1 Введение

Цель задания — научиться на основе цифровой модели рельефа выделять водотоки и их водосборные бассейны в автоматическом режиме. Осуществлять расчет статистики по высотам в рамках выделенных бассейнов

Необходимая теоретическая подготовка: Растровая модель пространственных данных, цифровые модели рельефа (ЦМР) и их типы, построение ЦМР, построение производных поверхностей (углы наклона, водосборная площадь), гидрологическое моделирование с использованием ЦМР и его принципы.

Необходимая практическая подготовка: Знание основных компонент интерфейса QGIS (менеджер источников данных, таблица слоёв, фрейм карты, менеджер компоновок). Работа с различными форматами источников пространственных данных. Настройка символики и подписей объектов. Владение базовыми ГИС-технологиями. Создание компоновки карты: название, легенда, масштаб, градусная сетка.

Исходные данные: приблизительный контур бассейна Северского Донца, тайлы глобальной ЦММ SRTM

Результат: Карта водотоков и их водосборных бассейнов, построенная по ЦМР, с указанием морфометрических параметров бассейнов.

10.1.1 Контрольный лист

Получить тайлы SRTM с ресурса EarthExplorer

Создать виртуальный растр

Выполнить перепроецирование ЦМР

Рассчитать направления стока

Рассчитать водосборную площадь

Указать устьевую точку бассейна

Построить границы бассейна

10.1.2 Аннотация

Цифровые модели рельефа играют важную роль в гидрологическом и геоморфологическом анализе. Одно из основных приложений ЦМР, позволивших значительно упростить анализ речных систем, — это автоматизированное построение водосборов и расчет их морфометрических характеристик.

В этом упражнении вы

Видео:Гидрологическая ГИС №1 - Определение площади, средней высоты и уклона водосбораСкачать

10.2 Получение и подготовка исходных данных

Зарегистрируйтесь на ресурсе EarthExplorer Геологической службы США. Этот ресурс предоставляет доступ к массиву данных дистанционного зондирования и наборов данных, созданных на их основе.

Используйте этот архив с шейп-файлом, чтобы указать область поиска материалов, или самостоятельно установите рамку поиска аналогично изображению на рисунке

На вкладке Data Sets выберите набор SRTM 1-arc second global

Перейдите на вкладку Results и дождитесь, пока система выполнит запрос по заданным вами условиям. В результате запроса должно быть выдано 6 результатов — тайлов SRTM.

Поочерёдно нажимая на кнопку «Скачать» каждой записи, загрузите все 6 необходимых тайлов и разместите их в отдельной папке в своей рабочей директории.

Запустите QGIS и сохраните проект в вашу рабочую директорию.

Чтобы работать с цифровой моделью рельефа, необходимо объединить все тайлы в единую мозаику, а затем перепроецировать её из географической системы координат в проецированную.

Создание мозаики, перепроектирование, а также обрезка по маске, которую мы применим чуть позже — типичные процедуры подготовки растровых тайлов к геоинформационному анализу. Хранить каждый промежуточный результат в виде отдельного файла, как правило, нет необходимости, а при больших объёмах данных и малых объёмах свободного места на диске — нет и возможности. На помощь здесь приходит виртуальный растр (VRT) — структура, хранящая ссылки на исходные данные и необходимые операции их преобразования.

Соберите мозаику растровых тайлов. Для этого воспользуйтесь инструментом «Создать виртуальный растр» («Растр» — «Прочее»).

Добавьте папку с тайлами SRTM в качестве исходных данных

Снимите галочку с опции Place each input file into a separate band, чтобы создать одноканальный растр.

Укажите, что виртуальный растр должен быть сохранён в папку processing под именем srtm_mosaic

Результат будет автоматически добавлен в проект

Измените систему координат документа карты на UTM (датум WGS-84). Самостоятельно определите номер зоны.

Вопрос 1: укажите EPSG-код выбранной системы координат

Скриншот 1: окно QGIS после изменения системы координат

Из упражнения 1 мы помним, что QGIS умеет перепроецировать наборы данных на лету. Однако для целей морфометрического анализа ЦМР нам необходимо, чтобы набор данных был «физически» сохранён с использованием проецированной системы координат.

Используйте инструмент «Перепроецирование…» («Растр» — «Проекции»), чтобы конвертировать вашу мозаику в новый набор данных. Укажите исходную и целевую систему координат (целевая СК должна совпадать с СК проекта), установите «кубический» метод интерполяции и (-9999) как значение «нет данных». Сохраните перепроецированный растр под именем DEM (Digital Elevation Model) в папку processing , формат файла — GeoTIFF.

Когда перепроецированный растр добавится в проект, удалите из него «старую» мозаику.

Видео:🆗 КАК РАССЧИТАТЬ | ПЛОЩАДЬ СТЕН❓Скачать

10.3 Гидрологическая коррекция ЦМР

Гидрологическое моделирование с использованием ЦМР основывается на следующей идее: моделируемая вода стекает из ячейки с большей высотой в соседнюю ячейку с меньшей высотой. Трассируя поток вниз по склону, можно связывать ячейки ЦМР в так называемые “сети потока” (drainage networks) и определять водосборные площади и границы бассейнов.

Если на модели есть замкнутые локальные понижения, то они выступают как препятствие для распространения стока.

Распространённая практика — удалять замкнутые локальные понижения с ЦМР перед началом собственно гидрологического моделирования. Удалить повышения можно путём увеличения высот внутри них — таким образом понижение либо исчезает, либо перестаёт быть замкнутым.

Найдите инструмент Fill Sinks XXL (Wang & Liu) через поиск в панели инструментов. Этот инструмент преобразует ЦМР таким образом, что на месте замкнутых понижений будет сформирована наклонная поверхность. Угол наклона задаётся пользователем. Примените этот инструмент к набору DEM с углом наклона 0,01°. Результат сохраните в рабочую директорию под именем DEM_filled , расширение оставьте таким, какое предлагается по умолчанию ( *.sdat ).

SAGA GRID — нативный растровый формат SAGA. Он состоит как минимум из двух файлов: заголовка (*.sgrd) и файла с данными (*.sdat). Часто к ним добавляется файл с описанием системы координат (*.prj). Наконец, если набор был создан непосредственно в SAGA (или, что то же самое, в QGIS), он будет сопровождаться файлом *.mgrd, в котором записывается история применения инструментов геообработки.

Скриншот 2: окно QGIS после заполнения локальных понижений на ЦМР

Сравните исходную и скорректированную ЦМР.

Вопрос 2: Как изменилась амплитуда высот ЦМР после заполнения замкнутых локальных понижений? Какие формы рельефа изменились наиболее сильно?

Видео:Построение водосборов озёр в QGISСкачать

10.4 Расчёт водосборной площади

Водосборная площадь (англ. catchment area) в геоморфометрии определяется для каждой точки поверхности так, как если бы точка была замыкающим створом. В регулярно-сеточном анализе водосборная площадь определяется для отдельных ячеек ЦМР и равняется суммарной площади всех ячеек, сток из которых проходит через данную ячейку (по принципу, описанному выше). Вместо площадей ячеек можно использовать какой-нибудь весовой коэффициент. Например, если этот коэффициент представляет слой поверхностного стока, то результирующая величина будет являться объёмом стока для данной ячейки.

Водосборную площадь вместе со всеми другими величинами, которые можно рассчитать по аналогичному принципу, часто называют аккумуляцией потока (англ. flow accumulation). Именно так называются инструменты расчёта водосборной площади в большинстве современных ГИС-пакетов (в том числе в SAGA). Однако в QGIS интегрирована старая версия SAGA, и инструмент, который мы будем использовать, называется в ней Catchment Area.

Найдите инструмент Catchment Area (без дополнительных слов в названии) в панели инструментов. Запустите его, используя заполненную ЦМР в качестве исходных данных. В опции «метод расчёта» выберите D8. Результат сохраните в рабочую директорию под именем FlowAccumulation .

Водосборная площадь при движении вниз по склону увеличивается экспоненциально, поэтому изображение в оттенках серого, которое вы видите, почти чёрное.

Измените стиль отображения растра на «Одноканальное псевдоцветное», максимальное значение — 1e+07, и выберите шкалу Blues. Примените изменения.

Перейдите на вкладку «Пирамиды» и постройте пирамидальные слои всех доступных разрешений для вашего набора данных.

Пирамидальные слои, или пирамиды — это производные растры относительно низкого разрешения, создаваемые на основе исходного растра для улучшения производительности в процессе визуализации. Если используется мелкий масштаб карты, ГИС-пакет отрисовывает не исходный растр, а один из пирамидальных слоёв.

Изучите полученное изображение, увеличивая и уменьшая масштаб визуализации.

Скриншот 3: растр водосборной площади после настройки визуализации

Видео:Построение водосбора для любого створа реки в QGISСкачать

10.5 Определение границ бассейна р. Оскол

Для дальнейшего анализа нам будет нужна только территория водосборного бассейна р. Оскол. На этом шаге мы определим границы её бассейна. Но сначала надо определить положение её устья на полученной растровой модели.

Изучите изображение самого крупного водотока. В юго-западном углу карты найдите место, соответствующее скриншоту ниже:

Три линии меридионального простирания (ориентированных с севера на юг) соответствуют р. Оскол. Линия, тянущаяся с северо-запада на юго-восток — фрагмент р. Северский Донец. Нам нужна средняя из трёх линий меридионального простирания.

Создайте новый временный слой точечной геометрии. Задайте для него ту же систему координат, которая используется в проекте

В новом временном слое установите точку на средней из линий, немного к северу от её «слияния», как показано на скриншоте:

Сохраните правки и отключите режим редактирования для временного слоя.

Используйте инструмент определения или калькулятор полей, чтобы узнать координаты X и Y установленной точки.

Найдите и запустите инструмент Upslope Area из группы SAGA. Этот инструмент предназначен для идентификации всех ячеек, сток из которых проходит через точку с заданными координатами — фактически, он позволяет определить границы водосборного бассейна.

Задайте входные параметры инструмента. Скопируйте координаты X и Y в соответствующие поля. Установите DEM_filled в качестве исходной ЦМР и выберите метод D8. Остальные опции не задавайте. Результат сохраните в папку processing под именем oskol_basin .

На полученном растре представлено всего два значения: (100) для ячеек, входящих в границы бассейна, и (0) для всех остальных ячеек.

Векторизуйте полученный растр. Результат векторизации сохраните в папку processing под именем basin . Используйте формат шейп-файла ESRI.

Если необходимо, удалите из результата векторизации полигон, соответствующий областям за пределами бассейна р. Оскол. Также отключите растр границ бассейна.

Вопрос 3: какова площадь бассейна р. Оскол?

Используйте границы бассейна в качестве маски для обрезки «заполненной» ЦМР и растра водосброной площади. Инструмент обрезки по маске находится в группе «Растр» — «Извлечение». Установите для нового растра водосборной площади такие же настройки визуализации, как и для исходного растра.

Удалите из проекта все слои, кроме ЦМР и растра водосборной площади, обрезанного по маске

Скриншот 4: Растр водоосборной площади, обрезанный по маске.

Видео:QGIS площадь полигона: 5 простых способов посчитать (2021)Скачать

Определение водосборной площади

Водосборной площадью или бассейном называется участок земной поверхности, с которой вода по условиям рельефа должна стекать в данный водосток (реку, лощину и т.д.). Оконтуривание водосборной площади производится с учетом рельефа местности по горизонталям карты (плана).

Границами водосборной площади служат линии водоразделов, пересекающие горизонтали под прямым углом. На рисунке линии водоразделов показаны пунктиром.

Зная водосборную площадь, среднегодовое количество осадков, условия испарения и впитывания влаги почвой, можно подсчитать мощность водного потока, которая необходима для расчета мостов, площадок дамб и других гидротехнических сооружений.

Построение профиля по горизонталям.

При геологоразведочных изысканиях и предварительном проектировании линейных сооружений (дорог, водопроводов, газопроводов и т. п.) по топографической карте строят профиль местности. Под профилем понимается чертеж, изображающий разрез местности вертикальной плоскостью. Профиль строят в двух масштабах. Горизонтальный масштаб берут равным масштабу карты, а вертикальный в большинстве случаев принимают в десять раз крупнее горизонтального. Делается это для того, чтобы более выразительно были отражены характерные особенности рельефа.

Пусть требуется построить профиль по линии АВ. Для этого на миллиметровой бумаге строят сетку профиля. В графу «План местности» переносят при помощи измерителя ситуацию с карты в границах прямоугольника, построенного на карте на расстоянии 1 см по обе стороны от профиля линии АВ. Определяют высоты точек пересечения направления АВ с горизонталями (точки 1, 2, 3, с, 4), вычисляют также высоты начала, конца профиля и точек его перегиба, т. е. точек, находящихся на водоразделах и тальвегах. Вносят в соответствующие графы расстояния между намеченными на карте точками и их высоты. Значения высот откладывают в заданном масштабе на перпендикулярах, восставленных из ранее намеченных точек. Соединив концы перпендикуляров, получают линию профиля местности. Чтобы не иметь длинных перпендикуляров, для верхней линии сетки выбирают условную высоту (в примере 80 м).

Измерение дирекционного угла и истинного азимута.

Для измерения дирекционного угла, линией через начальную ее точку проводят линию || оси абсцисс и непосредственно при этой точке измеряют дирекционный угол, можно так же продолжить линию до пересечения ею ближайший угол в точке пересечения. Для непосредственного измерения истинного азимута линией через ее начальную точку проводят меридиан и относительно него измеряют азимут.

Номенклатура топографических карт и планов

Номенклатурой называется система нумерации отдельных листов топографических карт и планов разных масштабов. Схема взаимного расположения отдельных листов называется разграфкой.

В нашей стране принята международная система разграфки и номенклатуры топографических карт; ее основой является лист карты масштаба 1:1 000 000.

Вся поверхность Земли условно разделена меридианами и параллелями на трапеции размером 6 o по долготе и 4 o по широте; каждая трапеция изображается на одном листе карты масштаба 1:1 000 000. Листы карт, на которых изображаются трапеции, расположенные между двумя соседними параллелями, образуют ряды, которые обозначаются буквами латинского алфавита от A до V от экватора к северу и к югу. Листы карт, на которых изображаются трапеции, расположенные между двумя соседними меридианами, образуют колонны. Колонны имеют порядковые номера от 1 до 60, начиная с меридиана 180 o ; колонна листов карт, на которой изображена 1–я зона проекции Гаусса, имеет порядковый номер 31.

Номенклатура листа карты миллионного масштаба составляется из буквы ряда и номера колонны, например, N–37.

Листы карты масштаба 1:500 000 получают делением листа миллионного масштаба на 4 части средним меридианом и средней параллелью.

Размеры листа – 3 o по долготе и 2 o по широте. Номенклатуру листа карты масштаба 1:500 000 получают, добавляя к номенклатуре миллионного листа справа прописную букву русского алфавита А, Б, В, Г, например, N–37–А.

Листы карты масштаба 1:200 000 получают делением листа миллионного масштаба на 36 частей меридианами и параллелями. Размеры листа – 1 o по долготе и 40′ по широте. Номенклатуру листа карты масштаба 1:200 000 получают, добавляя к номенклатуре миллионного листа справа римскую цифру от I до XXXYI, например, N–37–XXIY.

Листы карты масштаба 1:100 000 получают делением листа миллионного масштаба на 144 части меридианами и параллелями. Размеры листа – 30′ по долготе и 20′ по широте. Номенклатуру листа карты масштаба 1:100 000 получают, добавляя к номенклатуре миллионного листа слева числа от 1 до 144, например, N–37–144.

Листы карты масштаба 1:50 000 получают делением листа масштаба 1:100 000 на 4 части средним меридианом и средней параллелью. Размеры листа – 15′ по долготе и 10′ по широте. Номенклатуру листа карты масштаба 1:50 000 получают, добавляя к номенклатуре листа 1:100 000 справа прописную букву русского алфавита А, Б, В, Г, например, N–37–144–А.

Листы карты масштаба 1:25 000 получают делением листа масштаба 1:50 000 на 4 части средним меридианом и средней параллелью. Размеры листа – 7’30» по долготе и 5′ по широте. Номенклатуру листа карты масштаба 1:25 000 получают, добавляя к номенклатуре листа 1:50 000 справа строчную букву русского алфавита а, б, в, г, например, N–37–144–А–а.

Листы карты масштаба 1:10 000 получают делением листа масштаба 1:25 000 на 4 части средним меридианом и средней параллелью. Размеры листа – 3’45» по долготе и 2’30» по широте. Номенклатуру листа карты масштаба 1:10 000 получают, добавляя к номенклатуре листа 1:25 000 справа цифру от 1 до 4, например, N–37–144–А–а–1.

Севернее 60–й параллели листы карт издаются сдвоенными по долготе, севернее 76–й параллели – счетверенными.

Видео:Оконтуривание площади водосборного бассейна 2 занятие 17.09.13 ДМ-11Скачать

Водосборная площадь

ВОДОСБОРНАЯ ПЛОЩАДЬ, площадь поверхности речного бассейна , с которой стекают к определенному сечению реки атмосферные осадки. Когда расход воды нельзя определить непосредственными измерениями, водосборная площадь определяется по карте планиметром, для чего необходимо очертить ее по водоразделам всего бассейна. Знать величину водосборной площади необходимо для определения отверстий мостов, труб, размеров водоотводных каналов, объема водохранилищ и т. п. В виде самого первого и грубого приближения считают, что треть всех выпадающих на водосборную площадь осадков стекает в реку, треть просачивается в почву и треть испаряется. Однако в действительности явления круговорота воды значительно сложнее и зависят в частности и от размеров самой водосборной площади. Чем больше водосборная площадь, тем больше потери на испарение и просачивание, так как тем длиннее тот путь, который проходит стекающая по поверхности водосборной площади вода.

Вместе с тем, при больших водосборных площадях, в реку стекают одновременно осадки не со всей площади, а сперва только с ближайшей ее части, что вызывает замедление стока, т. е. уменьшение количества воды, стекающей в единицу времени с единицы водосборной площади.

При малых водосборных площадях величина стока рассчитывается, обычно по ливням, а при больших — по весеннему половодью под влиянием таяния снегов. Из многочисленных формул, предложенных для определения стока воды, в России пользовались обычно формулой Кестлина для водосборных площадей до 50 вс. 2 , по которой Q = 1,875∙F∙L, где Q — расход воды в сж. 2 /сек, F — водосборная площадь в вс. 2 и L — коэффициент, зависящий от длины водосборной площади. При длине водосборной площади в 3,5 вс., L = 1/2» а при длине от 14 до 17,5 вс. L = 1/16. В Германии общеупотребительны формулы Лаутенберга, управления саксонских железных дорог и Баварского гидротехнического бюро. Наиболее общей является формула Ишновского.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 — 1928 г.