Drainage networks and watersheds delineation derived from TIN-based digital elevation models

• Main Author: Henrique Rennó de Azeredo Freitas
• Other Authors: Corina da Costa Freitas
• Language: English
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2014
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/plutao/2014/11.16.19.25

Digital Elevation Models (DEMs) are objects of great importance in many studies of natural sciences and one relevant area of their application is hydrology, as from a DEM it is possible to generate drainage networks and watersheds, which are essential elements in the understanding of hydrological processes. All the methods developed to generate drainage networks from a DEM depend on its representation and the most common representation is given by regular grids, where elevation values are assigned to cells uniformly distributed over space. However, this representation presents limitations in the flow directions, which are defined in only eight distinct directions. This work considers the terrain model given by a Triangulated Irregular Network (TIN) generated from contour lines and sampled points, where the terrain surface is modeled by several triangles defined from a set of points adequately distributed over space, so that the TIN can efficiently adapt to its irregularities. In addition, flow directions on TINs encompass a11 the possible directions and depend on the slope of the triangles, so this structure is more flexible regarding the calculation of water flows. The triangulation used in this work is the constrained Delaunay triangulation and the method that generates drainage networks considers flow directions given by the gradient of the plane defined from each triangle. Problems that commonly occur in DEMs such as flat areas and pits, which create inconsistencies in the terrain model and discontinuities in flows, also deserve special attention. In the present work, flat areas are removed by the insertion of new points into the triangulation with interpolated elevation values and pits by the definition of paths of points starting from the pit until reaching another point of lower elevation, where all these points have their elevation values re-interpolated. Most importantly, this work describes a methodology for calculating drainage paths from a TIN traced by processing the triangles with an associated priority and then connected defining a drainage graph structure, which is proposed in this work for the calculation of accumulated flows. Afterwards, drainage networks are generated according to given threshold values and watersheds are then delineated from the drainage networks. A11 the results from the TIN are qualitatively compared to regular grid results generated with the TerraHidro computational platform developed at INPE and also to an available drainage network produced by specialists and considered here as a reference of the main courses of water over the terrain. Results are very promising showing that TIN terrain models can be used to generate drainage networks from accumulated flows consistent with real-world hydrological patterns. === Modelos Digitais de Elevação (MDEs) são objetos de grande importância em muitos estudos das ciências naturais e uma área relevante de sua aplicação é a hidrologia, pois a partir de um MDE é possível gerar redes de drenagem e bacias hidrográficas, as quais são elementos essenciais no entendimento de processos hidrológicos. Todos os métodos desenvolvidos para gerar redes de drenagem a partir de um MDE dependem da sua representação e a representação mais comum é dada por grades regulares, onde valores de elevação são atribuídos em células uniformemente distribuídas no espaço. Entretanto, essa representação apresenta limitações nas direções de fluxo, as quais são definidas em apenas oito direções distintas. Este trabalho considera o modelo de terreno dado por uma Rede Triangular Irregular (Triangulated Irregular Network ou TIN) gerada de curvas de nível e pontos amestrados, onde a superfície do terreno é modelada por vários triângulos definidos a partir de um conjunto de pontos adequadamente distribuídos no espaço, de forma que o TIN pode eficientemente se adaptar as suas irregularidades. Além disso, direções de fluxo sobre TINs abrangem todas as direções possíveis e dependem da declividade dos triângulos, de modo que essa estrutura é mais flexível ao se considerar o cálculo dos fluxos de água. A triangulação utilizada neste trabalho é a triangulação de Delaunay restrita e o método que gera redes de drenagem considera direções de fluxo dadas pelo gradiente do plano definido por cada triângulo. Problemas que comumente ocorrem em MDEs tais como áreas planas e fossos, os quais criam inconsistências no modelo de terreno e descontinuidades nos fluxos, também merecem atenção especial. No presente trabalho, áreas planas são removidas pela inserção de novos pontos na triangulação com valores de elevação interpolados e fossos pela definição de caminhos de pontos iniciando do fosso até alcançar um outro ponto de menor elevação, onde todos esses pontos têm seus valores de elevação reinterpolados. Sobretudo, este trabalho descreve uma metodologia para calcular caminhos de drenagem a partir de um TIN traçados ao processar os triângulos com uma prioridade associada e depois conectados definindo uma estrutura de grafo de drenagem, a qual é proposta neste trabalho para o cálculo de fluxos acumulados. Posteriormente, redes de drenagem são geradas de acordo com determinado ti valores ele limiar e bacias hidrográficas são então delimitadas a partir das redes de drenagem. Todos os resultados do TIN são comparados qualitativamente a resultados de grade regular gerados com a plataforma computacional TerraHidro desenvolvida no INPE e também a uma rede de drenagem disponível, produzida por especialistas e considerada aqui como uma referência dos principais cursos d'água no terreno. Os resultados são bastante promissores mostrando que modelos de terreno TIN podem ser utilizados para gerar redes de drenagem a partir de fluxos acumulados consistentes com padrões hidrológicos reais.