Funktionsweise des Werkzeugs "Topo zu Raster"
Das Werkzeug Topo zu Raster ist eine Interpolationsmethode, die speziell für die Erstellung hydrologisch korrekter DEMs (digitaler Höhenmodelle) entwickelt wurde. Sie basiert auf dem von Michael Hutchinson (1988, 1989) entwickelten Programm ANUDEM. In "A continental hydrological assessment of a new grid-based digital elevation model of Australia" von Hutchinson und Dowling (1991) finden Sie ein Beispiel einer maßgeblichen Anwendung von ANUDEM und weitere dazugehörige Informationen. Im Artikel "Development of a continent-wide DEM with applications to terrain and climate analysis" von Hutchinson (1993) finden Sie eine kurze Zusammenfassung von ANUDEM mit einigen Anwendungsmöglichkeiten. Die aktuelle Version von ANUDEM, die in ArcGIS verwendet wird, ist 4.6.3.
Topo zu Raster interpoliert Höhenwerte für ein Raster und wendet Einschränkungen an, die Folgendes sicherstellen:
- Eine verbundene Drainagestruktur
- Korrekte Darstellung von Bergrücken und Flüssen aus Eingabe-Konturliniendaten
Somit ist dies der einzige ArcGIS-Interpolator, der speziell für das intelligente Zusammenwirken mit Konturlinieneingaben entwickelt wurde.
Das Werkzeug Topo zu Raster aus Datei ist nützlich für das mehrmalige Ausführen des Werkzeugs Topo zu Raster, da es oft einfacher ist, einen einzelnen Eintrag in der Parameterdatei zu ändern und das Werkzeug erneut auszuführen als immer wieder das Werkzeugdialogfeld neu auszufüllen.
Der Interpolationsvorgang
Das Interpolationsverfahren arbeitet mit den allgemein verfügbaren Eingabedatentypen und den bekannten Eigenschaften von Höhenoberflächen. Die Interpolation wird mithilfe der Methode der iterativen finiten Differenz durchgeführt. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Effizienz der lokalen Interpolationsmethoden (z. B. IDW) mit der Aufrechterhaltung einer zusammenhängenden Oberfläche der globalen Methoden (z. B. Kriging oder Spline) kombiniert wird. Im Wesentlichen wird eine gekapselte Thin-Plate-Spline-Interpolation (Wahba, 1990) durchgeführt, bei welcher der Rauigkeitsbeiwert modifiziert wurde, um die Wiedergabe von abrupten Geländeübergängen, wie beispielsweise bei Wasserläufen oder Bergrücken, zu ermöglichen.
Wasser ist für die Form der meisten Geländeoberflächen durch seine erosive Wirkung von besonderer Bedeutung. Aus diesem Grund besitzen die meisten Geländeoberflächen viele Hügel (lokale Maxima) und wenige Senken (lokale Minima), die durch ein System von Drainagerinnen verbunden sind. Diese Eigenschaften werden von Topo zu Raster beim Interpolationsprozess für die Erstellung der Geländeoberfläche verwendet, wodurch korrekte Drainagesysteme aufgebaut werden und die korrekte Darstellung von Bergrücken und Wasserläufen möglich wird. Durch die Verwendung der Drainage-Bedingungen werden mit vergleichsweise geringeren Eingabedatenmengen genauere Geländemodelle erzeugt. Bei dieser Methode kann die verwendete Eingabedatenmenge kleiner als normalerweise üblich sein, um eine Oberfläche mithilfe digitalisierter Konturlinien hinreichend zu beschreiben, wodurch der Aufwand für zuverlässige DEMs weiter reduziert wird. Das globale Drainagesystem macht darüber hinaus Bearbeitungen bzw. nachträgliche Verarbeitungen zum Entfernen unkorrekter Senken von der erstellten Oberfläche überflüssig.
Das Programm agiert beim Entfernen von Senken zurückhaltend und erzwingt die Drainage-Bedingungen nicht an Stellen, die im Widerspruch zu den Eingabehöhendaten stehen. Diese Stellen werden in der Diagnosedatei normalerweise als Senken angezeigt. Korrigieren Sie anhand dieser Informationen Datenfehler, insbesondere beim Verarbeiten großer Datasets.
Der Prozess der Drainage-Durchführung
Zweck dieses Prozesses ist das Entfernen aller Senkenpunkte im Ausgabe-DEM, die im Eingabe-Feature-Dataset für Senken nicht als solche identifiziert wurden. Das Programm nimmt an, dass alle nicht identifizierten Senken Fehler darstellen, da Senken in natürlichen Landschaften selten sind (Goodchild und Mark, 1987).
Der Algorithmus zur Drainage-Durchführung versucht, unkorrekte Senken durch Verändern des DEMs zu entfernen. Dabei werden Drainagelinien durch den niedrigsten Sattelpunkt im Drainagebereich geführt, der jede unkorrekte Senke umgibt. Im Gegensatz zur Senken-Funktion wird nicht versucht, echte Senken zu entfernen. Da die Senkenentfernung der Höhentoleranz unterliegt, ist das Programm beim Versuch der Entfernung unkorrekter Senken zurückhaltend. Dies bedeutet, dass es keine unkorrekten Senken entfernt, die um mehr als den Wert von "tolerance_1" von den Eingabehöhendaten abweichen.
Die Drainage-Durchführung kann auch durch die Integration von Wasserlaufdaten ergänzt werden. Dies ist nützlich, wenn eine exaktere Positionierung von Wasserläufen erforderlich ist.
Die Drainage-Durchführung kann deaktiviert werden, woraufhin der Entfernungsprozess von Senken ignoriert wird. Dies ist u. U. nützlich, wenn Sie für Konturliniendaten, die nicht zu einer Höhe gehören (z. B. Temperatur), eine Oberfläche erstellen möchten.
Verwenden von Konturliniendaten
Konturlinien waren ursprünglich das gängigste Instrument für die Speicherung und Präsentation von Höheninformationen. Allerdings ist diese Methode beim Arbeiten mit allgemeinen Interpolationsverfahren auch die komplizierteste. Der Nachteil von Konturlinien ist die unzureichende Erfassung von Informationen zwischen Konturlinien, insbesondere bei Flächen mit geringen Geländekonturen.
Zu Beginn des Interpolationsprozesses verwendet Topo zu Raster den Konturlinien inhärente Informationen zum Erstellen eines generalisierten Drainagemodells. Durch die Bestimmung von Flächen mit lokaler maximaler Krümmung in jeder Konturlinie werden die Flächen mit der steilsten Neigung identifiziert und ein Netz aus Wasserläufen und Bergrücken erstellt (Hutchinson, 1988). Diese Informationen dienen der Sicherstellung ordnungsgemäßer hydrogeomorphischer Eigenschaften des Ausgabe-DEMs. Sie können außerdem zum Überprüfen der Genauigkeit des Ausgabe-DEMs genutzt werden.
Nach der Bestimmung der allgemeinen Morphologie der Oberfläche werden Konturliniendaten auch bei der Interpolation von Höhenwerten in jeder Zelle verwendet.
Wenn die Konturliniendaten zum Interpolieren von Höheninformationen verwendet werden, werden alle Konturliniendaten eingelesen und generalisiert. Aus diesen Konturlinien innerhalb jeder Zelle werden maximal 50 Datenpunkte gelesen. In der endgültigen Auflösung wird nur ein kritischer Punkt für jede Zelle verwendet. Aus diesem Grund ist das Vorhandensein einer Konturliniendichte mit mehreren Konturlinien, die Ausgabezellen durchqueren, überflüssig.
Interpolation mit Mehrfachauflösung
Das Programm verwendet eine Interpolationsmethode mit Mehrfachauflösung, wobei mit einem groben Raster begonnen und eine immer feinere benutzerdefinierte Auflösung angestrebt wird. Bei jeder Auflösung erfolgen die Drainage-Durchführung, die Durchführung der Interpolation und die Aufzeichnung der verbleibenden Senken in der Ausgabe-Diagnosedatei.
Verarbeiten von Wasserlaufdaten
Das Werkzeug Topo zu Raster erfordert, dass bei den Daten zum Wasserlaufnetz alle Arcs abwärts zeigen und dass es im Netz keine Polygone (Seen) oder aufgefächerten Flussläufe gibt.
Die Wasserlaufdaten müssen aus einzelnen Arcs in einem dendritischen Muster bestehen, wobei aufgefächerte Flussläufe, parallele Fluss- und Bachufer, Seepolygone usw. durch interaktive Bearbeitung entfernt werden. Bei der Bearbeitung zum Entfernen von Seepolygonen aus dem Netz muss ein einzelner Arc vom Anfang bis zum Ende der aufgestauten Fläche platziert werden. Der Arc muss dem Pfad des historischen Flussbettes folgen, sofern bekannt oder vorhanden. Falls die Höhe des Sees bekannt ist, können das Seepolygon und seine Höhe als Eingabe für CONTOUR dienen.
Um die Richtung der Linienabschnitte anzuzeigen, ändern Sie die Symbologie zu "Pfeil am Ende". Dadurch werden die Linienabschnitte mit einem Pfeilsymbol gezeichnet, das die Linienrichtungen angibt.
Erstellung und Mosaikdarstellung angrenzender Raster
Mitunter ist es erforderlich, DEMs aus angrenzenden Kacheln von Eingabedaten zu erstellen. Dies ist normalerweise der Fall, wenn Eingabe-Features aus einer Folge von Kartenblättern abgeleitet wurden oder wenn aufgrund von Speicherbeschränkungen die Eingabedaten in mehreren Teilen verarbeitet werden müssen.
Der Interpolationsprozess verwendet die Eingabedaten aus umgebenden Flächen zum Festlegen der Morphologie und der Drainage der Oberfläche sowie zum Interpolieren von Ausgabewerten. Allerdings sind die Zellenwerte an den Randbereichen eines Ausgabe-DEMs nicht so zuverlässig wie im mittleren Bereich, da diese mit nur halb so vielen Informationen interpoliert werden.
Um möglichst genaue Vorhersagen an den Kanten der gewünschten Bereiche zu treffen, sollte die Ausdehnung der Eingabe-Datasets größer als der untersuchte Bereich sein. Der Parameter Rand (in Zellen) bietet eine Möglichkeit zum Kürzen der Randbereiche von Ausgabe-DEMs anhand einer vom Anwender angegebenen Entfernung. Die Randbereiche von überlappenden Flächen sollten mindestens 20 Zellen breit sein.
Es muss eine Überlappung von Eingabedaten mit angrenzenden Flächen vorhanden sein, wenn mehrere Ausgabe-DEMs zu einem einzelnen Raster kombiniert werden sollen. Ohne diese Überschneidung sind die Kanten von zusammengeführten DEMs möglicherweise nicht glatt. Die Ausdehnungen der Eingabe-Datasets von jeder der Interpolationen sollten eine noch größere Fläche besitzen als wenn nur eine Interpolation für eine einzelne Interpolation ausgeführt würde, um sicherzustellen, dass die Kanten so genau wie möglich vorhergesagt werden können.
Nachdem die DEMs erstellt wurden, können sie am besten mit dem Geoverarbeitungswerkzeug Mosaik und der Option "Verschmelzen" oder "Mittelwert" kombiniert werden. Diese Funktion bietet Optionen zum Bearbeiten überlappender Flächen, um den Übergang zwischen Datasets zu glätten.
Testen von Ausgaben
Alle erstellten Oberflächen müssen getestet werden, um sicherzustellen, dass die in das Programm eingegebenen Daten und Parameter zu einer realistischen Darstellung der Oberfläche führen. Je nach Art der Eingabe, die zum Erstellen der Oberfläche verfügbar ist, gibt es viele Möglichkeiten zum Testen der Qualität einer Ausgabe-Oberfläche.
Die gängigste Methode besteht darin, Konturlinien anhand der neuen Oberfläche mit dem Werkzeug Konturlinie zu erstellen und diese mit den Eingabe-Konturliniendaten zu vergleichen. Es wird empfohlen, diese neuen Konturlinien mit dem halben ursprünglichen Konturlinienintervall zu erstellen und die Ergebnisse zwischen den Konturlinien zu untersuchen. Wenn Sie die ursprünglichen und die neu erstellten Konturlinien übereinander zeichnen, können Sie Interpolationsfehler besser erkennen.
Eine weitere Methode ist der visuelle Vergleich des optionalen Ausgabe-Drainage-Coverages mit bekannten Wasserläufen und Bergrücken. Die Drainage-Feature-Class enthält die Wasserläufe und Bergrücken, die vom Programm während des Drainage-Durchführungsprozesses erstellt wurden. Diese Wasserläufe und Bergrücken müssen mit bekannten Wasserläufen und Bergrücken in der Fläche übereinstimmen. Falls eine Stream-Feature-Class als Eingabe verwendet wurde, sollten die Ausgabe-Wasserläufe die Eingabe-Wasserläufe perfekt überlagern, wenngleich sie gegebenenfalls ein wenig allgemeiner sein können.
Eine gängige Methode zum Testen der Qualität einer erstellten Oberfläche ist das Ausschließen eines Prozentsatzes der Eingabedaten aus dem Interpolationsprozess. Nach Erstellung der Oberfläche kann die Höhe dieser bekannten Punkte von der erstellten Oberfläche subtrahiert werden, um festzustellen, wie getreu die neue Oberfläche die tatsächliche Oberfläche abbildet. Diese Differenzen können zum Berechnen eines Fehlermaßstabs (z. B. RMS) für die Oberfläche verwendet werden.
Die optionale Diagnosedatei dient dem Testen, wie wirksam die Toleranzeinstellungen Senken in den Eingabedaten entfernen. Durch das Verringern der Toleranzwerte agiert das Programm beim Entfernen von Senken gegebenenfalls zurückhaltender.
Konturlinienverzerrung
Im Interpolationsalgorithmus gibt es eine geringfügige Verzerrung, die bewirkt, dass Eingabe-Konturlinien an der Konturlinie eine stärkere Auswirkung auf die Ausgabe-Oberfläche haben. Diese Verzerrung kann zu einer leichten Abflachung der Ausgabe-Oberfläche führen, wenn diese die Konturlinie kreuzt. Dies kann beim Berechnen der Vertikalkrümmung der Ausgabe-Oberfläche zu irreführenden Ergebnissen führen, macht sich aber ansonsten nicht bemerkbar.
Mögliche Ursachen von Problemen bei der Funktion "Topo zu Raster"
Wenn Sie bei der Durchführung von Topo zu Raster auf Probleme stoßen, prüfen Sie die folgenden Punkte, um Erläuterungen und Lösungen für die häufigsten Probleme zu erhalten.
- Es sind nicht genügend Systemressourcen verfügbar. Die in Topo zu Raster verwendeten Algorithmen behalten während der Verarbeitung so viele Informationen wie möglich im Speicher. Dadurch kann der Zugriff auf Punkt-, Konturlinien-, Senken-, Wasserlauf- und Seedaten gleichzeitig erfolgen. Um die Verarbeitung großer Datasets zu erleichtern, sollten nicht benötigte Anwendungen vor dem Ausführen des Werkzeugs geschlossen werden, um physischen Arbeitsspeicher freizugeben. Außerdem muss auf der Festplatte genügend Auslagerungsspeicher zur Verfügung stehen.
- Die Konturlinien- oder Punkteingabe ist gegebenenfalls für die angegebene Ausgabezellengröße zu dicht. Wenn eine Ausgabezelle mehrere Eingabe-Konturlinien oder -punkte abdeckt, kann der Algorithmus gegebenenfalls keinen Wert für diese Zelle bestimmen. Versuchen Sie eine der folgenden Lösungen:
- Verringern Sie die Zellengröße und stellen Sie nach Ausführung von Topo zu Raster die ursprüngliche Zellengröße wieder her.
- Rastern Sie mit den Optionen Ausgabeausdehnung und Rand (in Zellen) kleinere Abschnitte der Eingabedaten. Setzen Sie die resultierenden Einzel-Raster mit dem Werkzeug Mosaik zusammen.
- Schneiden Sie die Eingabedaten in überlappende Abschnitte aus und wenden Sie die Funktion Topo zu Raster auf die einzelnen Abschnitte an. Setzen Sie die resultierenden Einzel-Raster mit dem Werkzeug Mosaik zusammen.
- Es wird ein Oberflächeninterpolator angewendet, der mit dem Eingabe-Dataset inkonsistent ist. Beispiel: Wenn die Eingabe Senken mit mehr Punkten enthält, als es Zellen im Ausgabe-Raster gibt, schlägt das Werkzeug fehl. Bei Datenquellen mit einer hohen Sampling-Dichte, z. B. LIDAR-Daten, können ähnliche Probleme auftreten. In diesem Fall kann die Option NO_ENFORCE hilfreich sein. Sie müssen jedoch mit der Funktionsweise des Interpolators vertraut sein, um eine falsche Anwendung zu vermeiden.
Referenzliste
Goodchild, M. F., and D. M. Mark. 1987. The fractal nature of geographic phenomena. Annals of Association of American Geographers. 77 (2): 265–278.
Hutchinson, M. F. 1988. Calculation of hydrologically sound digital elevation models. Vorgestellt beim Third International Symposium on Spatial Data Handling in Sydney, Australien.
Hutchinson, M. F. 1989. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits. Journal of Hydrology, 106: 211–232.
Hutchinson, M. F., and T. I. Dowling. 1991. A continental hydrological assessment of a new grid-based digital elevation model of Australia. Hydrological Processes 5: 45–58.
Hutchinson, M. F. 1993. Development of a continent-wide DEM with applications to terrain and climate analysis. In Environmental Modeling with GIS, ed. M. F. Goodchild et al., 392–399. New York: Oxford University Press.
Hutchinson, M. F. 1996. A locally adaptive approach to the interpolation of digital elevation models. In Proceedings, Third International Conference/Workshop on Integrating GIS and Environmental Modeling. Santa Barbara, CA: National Center for Geographic Information and Analysis. Siehe http://www.ncgia.ucsb.edu/conf/SANTA_FE_CD-ROM/sf_papers/hutchinson_michael_dem/local.html.
Wahba, G. 1990. Spline models for Observational data. Vorgestellt im Rahmen der CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics. Philadelphia: Soc. Ind. Appl. Maths.