مدل های ارتفاع دیجیتال (DEMS): برنامه های ارزیابی و مدیریت ریسک سیل

مقدمه
جاری شدن سیل از ویران کننده ترین بلایای طبیعی در جهان است و باعث از بین رفتن گسترده اقتصادی و از بین رفتن زندگی می شود. ظهور تغییرات آب و هوا در تشدید شرایط شدید آب و هوایی باعث می شود اکنون بیش از هر زمان دیگری توسعه سیستم های پیش بینی سیل و مدیریت سیل را بیش از هر زمان دیگری ضروری کند. سیستم های اطلاعات جغرافیایی (GIS) و فن آوری های سنجش از دور ، در نحوه ارزیابی خطرات سیل و استراتژی های کاهش طراحی ، متحول شده اند. در قلب این رویه ها مدل های ارتفاع دیجیتال (DEM) وجود دارد که داده های توپوگرافی اساسی را برای درک چگونگی جریان آب از طریق محیط ها ارائه می دهند.
این وبلاگ در مورد چگونگی کمک DEM در ارزیابی و مدیریت ریسک سیل و بررسی توسعه آنها ، کاربردها ، محدودیت ها و مفاهیم ریاضی که زیربنای کاربرد آنها در هیدرولوژی و مدل سازی سیل است ، کمک می کند.
درک مدل های ارتفاع دیجیتال
DEM چیست؟
یک مدل ارتفاع دیجیتال (DEM) یک مدل سه بعدی از سطح یک زمین است که از داده های ارتفاع تولید می شود. DEMS مقادیر مداوم ارتفاع را در یک منطقه می دهد ، که به طور معمول به عنوان یک شبکه شطرنجی ذخیره می شود که سلولهای آن دارای مقدار ارتفاع هستند. DEM پایه و اساس بسیاری از تجزیه و تحلیل های مکانی ، به ویژه تجزیه و تحلیل هیدرولوژیکی و مدل سازی سیل است.
انواع دم
منبع وضوح تصویر نوع DEM بهترین برنامه های کاربردی
SRTM (مأموریت توپوگرافی رادار شاتل) 30 متر در سطح جهان ، 1 مدل سازی سیل منطقه ای شاتل فضایی قوس دوم ، تجزیه و تحلیل آبخیزداری در مقیاس متوسط
ASTER GDEM 30M در سطح جهانی استریوسکوپی تصاویر ماهواره ای تجزیه و تحلیل زمین منطقه ای ، مدل سازی هیدرولوژیکی در مقیاس متوسط
DEMS مشتق از Lidar 0.5-2 متر اسکن لیزر در هوا مدل سازی سیل شهری با دقت بالا ، نقشه برداری دقیق سیلاب
DEMS مشتق از فتوگرامتری 1-5 متر تصاویر هوایی مطالعات سیل محلی ، برنامه ریزی زیرساخت
DEMS Bathymetric Sonar متغیر ، سیل ساحلی ماهواره ای ساحلی ، مدل سازی سیل رودخانه ای و ساحلی ترکیبی

روشهای خرید DEM
DEM ها را می توان از طریق تکنیک های مختلف سنجش از راه دور به دست آورد:

1. LIDAR (تشخیص نور و محدوده): با اندازه گیری زمان نیاز به پالس های لیزر ساطع شده پس از تأمل در سطح زمین ، اطلاعات ارتفاع با وضوح بالا را برمی گرداند.
2. تداخل سنجی رادار: از این روش در مأموریت هایی مانند SRTM استفاده می شود تا با اندازه گیری اختلاف فاز بین سیگنال های رادار ، چقدر زیاد باشد.
3. فتوگرامتری: این روش با مقایسه عکسهای هوایی یا ماهواره ای و یافتن امتیازهایی که مطابقت دارد ، ارتفاع پیدا می کند.
4. نقشه برداری میدانی: روشی سنتی که از GPS و ایستگاه های کل برای به دست آوردن داده های ارتفاع بسیار دقیق اما محدود استفاده می کند.

شکل 1: تجسم یک مدل ارتفاع دیجیتال با محدوده ارتفاع با کد رنگی
(منبع: HTML/Images/Remotesensing-14-02776-G001-550.jpg)

پردازش DEM برای کاربردهای هیدرولوژیکی
قبل از استفاده از DEMS برای مدل سازی سیل ، آنها به طور کلی نیاز به پیش پردازش دارند تا از نظر هیدرولوژیکی صحیح باشند.
مراحل پیش پردازش DEM

1. پر کردن افسردگی/سینک ها: از بین بردن افسردگی های مصنوعی که به طور نادرست جریان آب را در مدل بدست می آورد
2. سوزش جریان: اضافه کردن شبکه های جریان شناخته شده به گونه ای که جهت جریان صحیح وجود داشته باشد
3. REMAMPLING: تغییر وضوح برای آشتی مقیاس تجزیه و تحلیل مورد نیاز
4. تطبیق لبه: ارائه انتقال صاف بین کاشی های DEM مجاور که پارامترهای هیدرولوژیکی را از یک DEM اصلاح شده هیدرولوژیکی به دست می آورند ، ممکن است تعدادی از پارامترهای مهم بدست آید: جهت جریان جهت جریان را تعیین می کند که آب از هر سلول به سمت شیب دار ترین همسایه خود حرکت می کند. روش D8 بسته به جهت نزولی شدید ، به هر سلول مقدار می دهد:

شکل 2: کد نویسی جهت جریان D8 (شطرنج و بردار)
(منبع: https: //pro.arcgis.com/en/pro-app/latest/tool-reference/spatial-analyst)

تجمع جریان
تجمع جریان میزان سلولهای بالادست تخلیه در هر سلول را محاسبه می کند ، در واقع شبکه های جریان و مناطق کمک کننده را نشان می دهد.
مشخصات آبخیزداری
حوضه آبخیزداری (حوضه) به عنوان منطقه زمینی تعریف می شوند که از آن همه بارش ها به یک خروجی واحد جریان می یابد. ترسیم آبخیزداری مبتنی بر DEM برای مدل سازی سیل اساسی است.

شکل 3: ترسیم آبخیزداری از یک دم
(منبع: https://pro.arcgis.com/en/pro-app/latest/tool-reference/spatial-analyst/guid-e473f9d8-d2f7-475b-bec8-dc7065cd4605-web.png)

اصول ریاضی مدل سازی سیل مبتنی بر DEM
محاسبه شیب و جنبه
شیب میزان تغییر ارتفاع است و برای درک سرعت آب و میزان نفوذ مهم است. برای DEM با ابعاد سلول A ، شیب به شرح زیر تخمین زده می شود:
شیب (درجه) = arctan (√[(dz/dx)² + (dz/dy)²]) × (180/π)
کجا:
• \ tdz/dx نرخ تغییر در جهت x است
• \ tdz/dy نرخ تغییر در جهت y است
با داشتن یک پنجره در حال حرکت 3 × 3 ، DZ/DX و DZ/DY با استفاده از معادلات زیر می توانند بدست آورند:
dz / dx = ((c + 2f + i) – (a + 2d + g)) / (اندازه سلول 8 ×)
dz / dy = ((g + 2H + i) – (a + 2b + c)) / (اندازه سلول 8 ×)
جایی که AI مقادیر ارتفاع در پنجره 3 3 است:
ABC
دنباله
گسی
محاسبه مثال
یک پنجره 3 × 3 را از DEM از اندازه سلول 10 متر و این مقادیر ارتفاع (در متر) بگیرید:
78 72 69
74 67 56
69 53 44
مرحله 1: DZ/DX را پیدا کنید
dz / dx = (((69 + 2*56 + 44) – (78 + 2*74 + 69)) / (8*10))
= ((69 + 112 + 44 – 78 – 148 – 69) / 80)
= (225 – 295) / 80
= -70 / 80
= -0.875
مرحله 2: DZ/DY را پیدا کنید
dz/dy dz/dyn = (69 + 2 (53) + 44) – (78 + 2 (72) + 69))/(10 8 8)
= (69 + 106 + 44 – 78 – 144 – 69) / 80
= (219 – 291) / 80
= -72 / 80
= -0.9
مرحله 3: شیب را محاسبه کنید
شیب = arctan (√[(-0.875)² + (-0.9)²]) × (180/π)
= arctan ([0.766 + 0.81]) × (180/π)
= Arctan (1.576) × (180/π)
= Arctan (1.255) × (180/π)
= 51.4 × (180/p)
= 51.4 ° 57.3
= 10.19 درجه
این شیب شیب دار (10.19 درجه) نشانگر جریان سریع آب است ، که نشان می دهد سرعت سیل بالاتر در این منطقه است.
الگوریتم تجمع جریان
اساسی ترین الگوریتم تجمع جریان توسط:

1. اولیه سازی هر سلول با مقدار شروع 1 (برای سهم خاص خود)
2. جهت های زیر جریان و اضافه کردن مقادیر پایین دست
3. مقدار تجمع حاصل مجموع کل سلولهایی است که از طریق هر الگوریتم های بازگشتی در هر نقطه تخلیه می شوند یا الگوریتم های مبتنی بر صف معمولاً برای DEM های بزرگ برای رسیدگی به خواسته های محاسباتی به صورت کارآمد استفاده می شوند. شبیه سازی سیلاب با استفاده از مدل های اصلی مدل سازی غوطه وری از سیل DEMS بالاتر از نزدیکترین زهکشی (HAND) روش دست استفاده از اختلاف ارتفاع نسبی هر سلول DEM به نزدیکترین نقطه زهکشی در ایجاد نقشه های حساسیت به سیلاب را ایجاد می کند. رویکرد محاسباتی کارآمد تعیین سریع مناطق سیل احتمالی را نشان می دهد. مقدار دست هر سلول به این صورت محاسبه می شود: HAND = ارتفاع سلول – نزدیکترین سلولهای ارتفاع نقطه زهکشی با مقادیر دست پایین تر از سطح سیل پیش بینی شده به عنوان بالقوه سیل شناسایی می شوند.

شکل 4: مقایسه DEM (A) و مدل دستی (B) نشان دادن ارتفاعات نسبی بالاتر از شبکه زهکشی
(منبع: https: //www.researchgate.net/profile/luz-cuartas-2/procent-to-ge)

ادغام مدل سازی هیدرولیک
مدل های پیشرفته سیل DEM را با نرم افزار مدل سازی هیدرودینامیکی مانند HEC-RAS ، Mike Flood یا Tuflow ترکیب می کنند. این مدل ها معادلات پیچیده (معادلات مقدس) را به صورت عددی حل می کنند تا جابجایی آب برای شبیه سازی یک سیل.
معادله مانینگ
از مهمترین معادلات مورد استفاده در مدل سازی سیل مواردی است که سرعت آب را به خصوصیات کانال مربوط می کند:
v = (1/n) × (r)^(2/3) × (s)^(1/2) که در آن:
• V سرعت (M/s) است
• N ضریب زبری منینگ است
• r شعاع هیدرولیکی (M) است
• S شیب سطح آب (مشتق شده از DEM) است

مطالعه موردی: مدل سازی سیل 2D با HEC-RAS
HEC-RAS (سیستم تجزیه و تحلیل رودخانه مرکز مهندسی هیدرولوژیکی) به طور گسترده ای در مدل سازی سیل استفاده می شود. تمام برنامه های 2D آن بسیار به DEM با کیفیت خوب متکی هستند.
این روش شامل می شود

1. صادرات DEM به HEC-RAS
2. تعریف مش منطقه 2D جریان
3. تعریف شرایط مرزی (هیدروگرافی جریان و غیره)

4. شبیه سازی برای تولید نقشه های وسعت ، عمق و سرعت سیل اجرا می شود

5. پارامتر مدل 6. محدوده ارزش مشترک 7. حساسیت 8. منبع داده
   وضوح تصویر DEM 1-30 متر بالا LIDAR/SRTM/بررسی محلی
   Manning's N 0.01-0.10 نقشه های پوشش متوسط ​​زمین ، اندازه گیری میدانی
   داده های سنج بالا سایت خاص هیدروگراف ، مدل سازی هیدرولوژیکی
   شرایط مرزی نوع عمق طبیعی ، اندازه گیری میدان متوسط ​​منحنی رتبه بندی
   زمان محاسباتی مرحله 1-60 ثانیه متوسط ​​بر اساس اندازه و ثبات شبکه

شکل 5: خروجی خروجی سیلاب HEC-RAS 2D که عمق سیل را در یک منطقه شهری نشان می دهد
(منبع: https: // enc_8awbtxwbwuyi5adyphoiq & s)

برنامه های دنیای واقعی
ارزیابی خطر سیل شهری
مناظر شهری به دلیل سیستم های زهکشی پیشرفته ، سطوح غیرقابل نفوذ و زیرساخت های ساخته شده ، چالش های منحصر به فردی را برای مدل سازی سیل به وجود می آورند. برای مدل سازی مناسب به اندازه کافی خطر سیل شهری ، به DEM های با وضوح بالا از LIDAR (به طور معمول 1 متر یا بالاتر) نیاز دارد.
برنامه ها عبارتند از:
• برنامه ریزی سیستم آب طوفان
• ساختمان ارزیابی آسیب پذیری سیل
• برنامه ریزی مسیر تخلیه
• نقشه برداری ریسک بیمه
برنامه ریزی سازگاری تغییرات آب و هوا
مدل های سیل مبتنی بر DEM به جوامع کمک می کند تا برای شرایط آب و هوایی آینده آماده شوند:
• ارزیابی تأثیر افزایش سطح دریا
• رویدادهای بارندگی شدیدتر
• برنامه ریزی سازگاری زیرساخت
• ارزیابی اقتصادی اقدامات دفاع سیل
سیستم های هشدار دهنده اولیه
DEMS تقویت شده توسط داده های هواشناسی تقریباً واقعی و مدل سازی هیدرولوژیکی امکان تولید سیستم های فلاش اولیه هشدار دهنده را فراهم می کند:
• نقشه برداری بالقوه سیل فلاش
• تخمین زمان هشدار
• برنامه ریزی تخلیه
• محافظت از زیرساخت های بحرانی

چالش ها و محدودیت ها
ملاحظات دقت DEM
کیفیت مدل سازی سیل مستقیماً به دقت DEM بستگی دارد:
منبع خطا استراتژی کاهش تأثیر
دقت عمودی بیش از حد/تخمین قابل توجه از میزان سیل با استفاده از داده های با وضوح بالا در دسترس است. تأیید میدانی
نمایندگی از ویژگی های مفقود شدن موانع سیل یا ویرایش دستی کانال ها. ترکیب ویژگی های مهندسی شده
اطلاعات زمین منسوخ زمانی به روزرسانی های منظم ، به ویژه پس از توسعه
اثرات پوشش گیاهی خوانش های ارتفاع کاذب از مدل های زمین دیجیتال (زمین لخت) استفاده کنید
ویژگی های شهری ساختمانهایی که به عنوان الگوریتم های حذف ساختمان “زمین” ظاهر می شوند. ویرایش دستی

مطالعه موردی: تأثیر وضوح DEM بر میزان سیل
یک مطالعه توسط Savage و همکاران. (2016) بررسی کرد که چگونه وضوح DEM بر نتایج مدل سیل تأثیر می گذارد:
وضوح DEM وضوح منطقه (km²) زمان محاسباتی تفاوتهای قابل توجه
50 متر 12.4 4 دقیقه از دست رفته سیل های باریک
10m 10.8 18 دقیقه جزئیات متوسط ​​، سازش عملی
5M 9.7 45 دقیقه موانع سیل را تشخیص داد
1M 8.9 240 دقیقه ضبط میکروتوپوگرافی ، جاده ها ، لاین ها

افزایش وضوح همیشه با شناسایی ویژگی های زمین که جریان آب را محدود می کند ، میزان سیل دقیق تر اما کاهش یافته است.
دستورالعمل های آینده
فن آوری های نوظهور
چندین پیشرفت فنی مدل سازی سیل مبتنی بر DEM را بهبود می بخشد:

1. DEMS مشتق از هواپیماهای بدون سرنشین: داده های ارتفاع با وضوح بالا کم هزینه ، در صورت تقاضا
2. ساختار-از حرکت (SFM): روشهای فتوگرامتری با رده بالا برای تولید سریع دم
3. سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS): دقت عمودی کنترل زمین پیشرفته
4. به روزرسانی های DEM نزدیک به زمان واقعی: داده های ماهواره ای برای به روزرسانی DEM پس از تغییر چشم انداز با بزرگی بالا

ادغام با یادگیری ماشین
تکنیک های یادگیری ماشین پیش بینی سیل توسط:
• اتوماسیون استخراج ویژگی DEM
• افزایش طبقه بندی منطقه خطر سیل
• توسعه مدلهای ترکیبی که رویکردهای فیزیکی و آماری را ترکیب می کنند
• کاهش الزامات محاسباتی از طریق مدل سازی جانشین
پایان
مدل های ارتفاع دیجیتال ابزارهای اساسی برای تجزیه و تحلیل و مدیریت ریسک مدرن سیل هستند. آنها از ترسیم آبخیز ساده به مدل سازی پیشرفته هیدرولیک 2D استفاده می شوند. با پیشرفت فناوری ، وضوح DEM ، دقت و در دسترس بودن گام به گام بهبود می یابد و امکان پیش بینی دقیق تر سیل و تصمیم گیری بهتر را فراهم می آورد.
زیربنای ریاضی آنها همچنان یکسان است ، اما اجرای آنها با پیشرفت در قابلیت های محاسباتی تغییر یافته است. DEM ها پایه و اساس توپوگرافی اساسی را ارائه می دهند که بر این اساس استراتژی های مؤثر مدیریت سیل برای برنامه ریزی شهری ، برای مقاومت در برابر آب و هوایی یا برای واکنش اضطراری تدوین شده است.
برای اقلیم شناسان ، مدیران اورژانس ، برنامه ریزان شهری یا متخصصان سازگاری آب و هوا ، مهارت در توانایی استفاده از DEM برای شبیه سازی سیل ، مهارتی است که آنها نیاز دارند. با ایجاد تغییرات آب و هوا که باعث ایجاد حوادث شدید آب و هوایی می شود ، این فناوری ها به طور فزاینده ای برای ایجاد جوامع انعطاف پذیر ضروری می شوند.
منابع

1. بیتس ، PD (2022). “مدل سازی غوطه وری سیل: قابلیت های فعلی و چالش های آینده.” مجله مدیریت ریسک سیل ، 15 (1) ، E12784.
2. Grimaldi ، S. ، Li ، Y. ، Pauwels ، VR ، & Walker ، JP (2018). “وسعت و سطح آب سنجش از راه دور برای محدود کردن مدل های پیش بینی سیل هیدرولیک: فرصت ها و چالش ها.” نظرسنجی در ژئوفیزیک ، 39 (4) ، 809-840.
3. هاوکر ، ل. ، نیل ، جی. ، و بیتس ، ص. (2020). “ارزیابی دقت مدل ارتفاع دیجیتال Tandem-X 90 برای سایت های سیلاب انتخاب شده.” سنجش از دور محیط ، 232 ، 111319.
4. Jarihani ، AA ، Callow ، JN ، McVicar ، TR ، Van Niel ، TG ، & Larsen ، Jr (2015). “انتخاب مدل ارتفاع دیجیتال مشتق از ماهواره (DEM) ، آماده سازی و تصحیح برای مدل سازی هیدرودینامیکی در حوضه های بزرگ ، کم شیب و داده های مختلف.” مجله هیدرولوژی ، 524 ، 489-506.
5. Nobre ، AD ، Cuartas ، LA ، Hodnett ، M. ، Rennó ، CD ، Rodrigues ، G. ، Silveira ، A. ، Waterloo ، M. ، & Saleska ، S. (2011). “ارتفاع بالاتر از نزدیکترین زهکشی – یک مدل جدید از نظر هیدرولوژیکی مرتبط.” مجله هیدرولوژی ، 404 (1-2) ، 13-29.
6. Savage ، JTS ، Bates ، P. ، Freer ، J. ، Neal ، J. ، & Aronica ، G. (2016). “چه موقع وضوح مکانی در پیش بینی های احتمالی غوطه وری احتمالی جنجالی می شود؟” فرآیندهای هیدرولوژیکی ، 30 (13) ، 2014-2032.
7. شومان ، GJP ، و بیتس ، PD (2018). “نیاز به یک وسواس با دسترسی بالا و با دسترسی آزاد جهانی.” مرزهای علوم زمین ، 6 ، 225.
8. Yamazaki ، D. ، Ikeshima ، D. ، Tawatari ، R. ، Yamaguchi ، T. ، O'Loughn ، F. ، Neal ، JC ، Sampson ، CC ، Kanae ، S. ، & Bates ، PD (2017). “نقشه با دقت بالا از ارتفاعات زمین جهانی. نامه های تحقیقات ژئوفیزیکی ، 44 (11) ، 5844-5