Scopri come ottenere l’ordine Strahler o Shreve sul livello vettoriale
Caro lettore, in questo articolo vorrei immergermi in un entusiasmante argomento idrologico. Inizierò con l’immagine:
Disclaimer: questo articolo è scritto sia per i geografi che affrontano il problema di classificare i layer vettoriali dei fiumi utilizzando sistemi di geoinformazione (GIS), sia per le persone che a volte hanno visto “bei fiumi” su una mappa ma non sanno esattamente come sono fatti. Esploreremo insieme in sequenza come i dati spaziali sono rappresentati nelle applicazioni GIS, il modo in cui la struttura delle reti fluviali può essere analizzata e quali tecniche di visualizzazione possono essere utilizzate.
Ora la domanda è: quale mappa sembra più bella? — Per me quello in basso (b).
In realtà la seconda visualizzazione è più corretta anche dal punto di vista del buon senso. Quanti più affluenti confluiscono nel letto del fiume, tanto più ampio e pieno sarà il fiume. Ad esempio, uno dei fiumi più grandi del mondo, il Nilo, alla sua sorgente (in alta montagna), assomiglia a malapena a un fiume potente alla foce: con ogni chilometro di cammino verso il mare, il fiume assorbe sempre più affluenti e diventa sempre più pieno.
La mappa sopra riportata (Figura 1b) è stata elaborata sulla base delle informazioni strutturali sulla rete fluviale. In questo post vorrei discutere in che modo è possibile ottenere queste informazioni aggiuntive sui fiumi e quali strumenti possono essere utilizzati a questo scopo.
Cos’è il fiume
Cominciamo spiegando come vengono rappresentate le informazioni sui fiumi. Nella cartografia e nelle geoscienze, i fiumi sono rappresentati come uno strato vettoriale lineare: ogni sezione fluviale è rappresentata come una linea con alcune caratteristiche. Ad esempio, la lunghezza della sezione, le sue coordinate geografiche (geometria dell’oggetto), tipo di terreno, profondità media, velocità del flusso, ecc. (Animazione 1).
Quindi, generalmente, se vedi un fiume su una mappa, vedi un insieme di questi semplici primitive geometriche (righe individuali nella tabella degli attributi) assemblati in un unico grande sistema. È possibile utilizzare colori diversi per visualizzare le caratteristiche memorizzate (Figura 2).
O linguaggi di programmazione o applicazioni specializzate come ArcGIS (software proprietario) o QGIS (open source) vengono utilizzati per la visualizzazione.
Struttura del fiume
Tali informazioni nella tabella degli attributi sui fiumi possono essere raccolte in diversi modi: da dati di telerilevamento, spedizioni, misuratori e stazioni idrologiche. Tuttavia, le informazioni sulla struttura del fiume vengono solitamente fornite dallo specialista all’ultimo momento, quando vede sulla mappa come appare l’intero sistema. Ad esempio, un ricercatore può aggiungere lui stesso una nuova colonna alla descrizione del livello vettoriale in cui assegnare un rango a ciascun segmento del fiume (Figura 3).
Ora possiamo vedere che l’immagine assomiglia alla mappa all’inizio dell’articolo (Figura 1b). Ma sorge spontanea la domanda: quale principio può essere utilizzato per assegnare tali valori? – la risposta è: molto. Esistono diversi sistemi generalmente accettati per classificare i corsi d’acqua in idrologia: vedere il Pagina wiki dell’ordine in streaming o carta Ordini in streaming. Di seguito sono riportati alcuni approcci che ho utilizzato personalmente durante il lavoro (Figura 4).
Per quale ragione
Ora è il momento di rispondere alla domanda sullo scopo di tali sistemi di classificazione. Possiamo distinguere due ragioni:
- Visualizzazione: utilizzando il rango come attributo della dimensione di un oggetto lineare sulla mappa, è possibile creare belle mappe (Figura 1);
- Ulteriori analisi.
La conoscenza della struttura della rete fluviale può essere combinata con altre caratteristiche per ulteriori analisi, ad esempio per identificare i seguenti modelli (Figura 5).
Come assegnare ordini di streaming utilizzando gli strumenti esistenti
È difficile classificare manualmente i sistemi di grandi dimensioni, quindi sono stati creati strumenti specializzati per l’ordinamento dei flussi. Esistono due modi fondamentalmente diversi:
- Ordinamento del flusso utilizzando dati raster (modello digitale di elevazione);
- Ordinamento del flusso su livelli vettoriali.
Sopra, abbiamo descritto come possiamo assegnare ranghi ai livelli vettoriali. Tuttavia, i dati spaziali sono spesso rappresentati in un altro formato, come raster (matrici) (Figura 6). Sono particolarmente comunemente utilizzati i modelli digitali di elevazione (matrici in cui ogni pixel ha una dimensione specifica, come ad esempio 90 x 90 metri, e un valore di elevazione sopra la superficie del livello del mare memorizzato in ciascuna cella di quella matrice).
Lo strato raster (modello digitale di elevazione — DEM) viene utilizzato per calcolare la matrice della direzione del flusso e l’accumulo del flusso. Lo strumento Stream Order (Spatial Analyst) in ArcGISad esempio, funziona secondo questo principio. In questo post non descriverò in dettaglio come funziona un simile algoritmo, poiché ci sono visualizzazioni e descrizioni piuttosto carine nella documentazione ufficiale (controlla Funzione direzione del flusso pagina se vuoi saperne di più). Di seguito ho elencato alcuni degli strumenti che puoi utilizzare per ottenere un ordine Strahler utilizzando dati raster:
Tuttavia, tutto ciò richiede molta manipolazione dei dati raster. Cosa dovresti fare se hai già un livello vettoriale? (Questo può accadere se hai, ad esempio, un layer vettoriale della rete fluviale caricato da OpenStreetMap.) Te lo dirò dopo!
Come ottenere l’ordine Shreve, Strahler e Topologico su layer vettoriali utilizzando QGIS
Durante il nostro lavoro di quattro anni fa, io e i miei colleghi abbiamo ideato un algoritmo che ci consente di calcolare Shreve, riflettoreE Topologico ordine basato solo sullo strato vettoriale e sul punto finale (il punto in cui termina il sistema fluviale e sfocia in un lago/mare/oceano). La prima versione dell’algoritmo è descritta nel mio primo articolo su medium: “L’algoritmo per la classificazione dei segmenti della rete fluviale per l’analisi delle informazioni geografiche basata su grafici” (asciugandosi una lacrima di nostalgia). Recentemente sono finalmente riuscito a scrivere qualcosa di più chiaro documentazione per questo e preparando un aggiornamento del plugin.
In QGIS per l’ordinamento dei flussi, il file Classifica delle linee è possibile utilizzare il plug-in. Per utilizzarlo, sarà necessario caricare un layer vettoriale, riproiettarlo nella proiezione metrica desiderata e assegnare un punto finale (è sufficiente fare clic sulla mappa): si otterrà il seguente risultato (Figura 7).
Ora tu, caro lettore, hai approfondito l’argomento dell’ordinamento dei corsi d’acqua in idrologia e hai imparato come utilizzare diversi strumenti per ottenerlo da dati grezzi (raster o vettoriali). Una volta ottenute le informazioni sulla struttura del fiume, è possibile preparare visualizzazioni belle e chiare oppure continuare l’analisi combinando le informazioni ottenute con altre caratteristiche.
Link utili:
La conferenza sull’ordinamento dei corsi d’acqua in idrologia è stata presentata da Michail Sarafanov
Fonte: towardsdatascience.com
