どのFlow Accumulation Thresholdを使用すべきですか？

basperheim

このブログの古いバージョンでは、Create Runoff Raster ジオプロセシングツールの流出データのソースとして USGS WaterWatch を参照していました。 ツールとブログは、TerraClimate からのより高解像度のグローバル流出データセットを使用するように更新されました。<\/EM><\/FONT><\/P>背景<\/FONT><\/H2>地理情報システム（GIS）環境内での流路ネットワークの区分と分析は、水文学および地形解析における基礎的な作業です。これらのネットワークは、水の流れ、流域境界、および表面水文学プロセスをモデル化するための空間的枠組みとして機能します。流路ネットワークの作成は計算負荷が高く方法論的に複雑ですが、空間解析や環境モデリングに提供する利点は非常に大きいです。<\/P>一般的な GIS ワークフローでは、流路ネットワークはデジタル標高モデル（DEM）から一連の水文学的処理ステップ（凹地埋め、流向モデリング、流量蓄積、流路閾値設定）を経て導出されます。これらの中でも、チャネルとして流路と見なすために必要な最小寄与面積である流路開始閾値の定義は特に難しく、文脈依存性が高いです。<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>多くのユーザーが関心地域に対する「完璧な」閾値を求めますが、すべての地形に共通する普遍的な値は存在しません。適切な閾値は地域の降水パターン、土壌透水性、植生被覆、地形起伏、および基盤岩盤によって異なります。例えば乾燥または半乾燥環境では、表面流出は頻度が低くより断続的なチャネルに集中しやすいため、有意義な流路特徴を定義するにはより高い流量蓄積閾値が必要です。一方で湿潤または低起伏地域では浅い表面流が比較的小さな寄与面積でも連続した排水経路を形成しうるため、正確な表現にはより低い閾値が求められます。<\/P>我々の流路区分アプローチは、一貫した水文学的基準による流路ネットワーク区分手法を提供するために米国地質調査所（USGS）が開発した方法論に基づいています。具体的には、Michael E. Wieczorek (USGS, 2017) による 「Flow-Based Method for Stream Generation in a GIS」<\/A>」<\/EM> に由来し、この手法は単なる任意の面積蓄積閾値ではなく推定された流量値に基づいて GIS ベースで流路ネットワークを生成するワークフローを紹介しています。この方法は DEM と公開されている流出データを組み合わせて定義された流量閾値に対応する流路ネットワークを生成します。前述の通り「完璧な」閾値は存在しませんが、デフォルトではツールは 1 立方フィート毎秒（cfs）の流量閾値を使用します。水文学的基準に基づく区分によって、この技術は地形間で一貫性と解釈可能性を向上させ、より主観的な面積蓄積ベース手法に対して科学的に堅牢な代替手段を提供します。 <\/P>

 <\/P>

新しい ArcHydro ツール<\/FONT><\/H2>物理的および気候的要因をより多く取り入れるために、ArcGIS Pro の無料アドインである Arc Hydro<\/A> は現在二つのジオプロセシングツールを含みます:<\/P>

1. Create Runoff Raster<\/STRONG><\/LI>Create Streams with Flow Threshold<\/STRONG><\/LI><\/OL> <\/SPAN><\/P><\/span><\/P> <\/P>これら二つのツールは USGS の flow-based method を実装しています。上流セル数でストリームを定義する代わりに、このアプローチは実際の流出データと流量推定値を用いてストリーム開始位置を決定します。<\/P>ワークフローは年間流出データの計算から始まり、それを DEM と同じ解像度のラスターに変換します。その後、DEM と流出ラスターを用いて重みラスターとして機能させることでフロー蓄積関数からフローグリッドが作成されます。この結果得られるグリッドでは各セルが年間にそのセルへ流入する総水量を表します。<\/P>これら年間フロー値はマップ代数によって従来の単位である立方フィート毎秒（cfs）または立方メートル毎秒（cms）へ変換されます。解析者は絶対的な水文学的閾値（例：1cfs）を適用してストリーム開始位置を定義でき、相対的なセル数に依存しません。閾値は平均値、中間値、季節別またはイベントベースのフローに基づくことができ、多様な地域で柔軟かつ標準化されたアプローチを可能にします。<\/P> <\/P>

Create Runoff Raster<\/FONT><\/H3>このツールは関心領域と選択した年についての流出値をダウンロードし、それらを入力 DEM と同じ範囲・セルサイズ・投影法のラスターへ変換します。流出データは TerraClimate<\/A> から取得されます。これは1950年から現在までの世界陸域対象月次気候および気候水収支データセットです。このデータは高空間解像度かつ時間変動するデータが必要な生態学および水文学研究への重要な入力情報となります。すべてのデータは月次時間解像度で約4km（1/24度）の空間解像度を持ち毎年更新されます。 <\/SPAN><\/P>

 <\/P>

<\/span><\/P> <\/P>

Create Streams with Flow Threshold<\/FONT><\/H3>このツールは DEM からフロー方向とフロー蓄積を計算し、それら結果を流出ラスターで重み付けして時間あたり体積として表現されるフロー値ピクセルを生成し、それによってバイナリストリームラスターを作成します。Flow Threshold<\/EM> パラメーターはセルがストリームと認められるために必要な最小限の流出量を定義します。デフォルト値は USGS 推奨の 1cfs ですが、密度濃いまたは疎なネットワーク取得のため調整可能です。<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>実用例<\/FONT><\/H2>以下は流出ベースのストリームネットワーク生成例です。唯一必要なのは DEM です。（もし必要なら DownloadDEM<\/<\/STRONG> Arc Hydro ツールをご利用ください）<\/P><\p> <\/p>
 <\/p>


ステップ 1

-

Create Runoff Raster

Create Runoff Raster を入力 DEM の Input DEM Raster として実行し、関心年を選択してください。

 

しきい値<\/STRONG> を使用して:<\/P>入力<\/EM><\/EM>DEM<\/EM><\/EM>ラスター<\/EM>: ステップ1と同じDEM<\/LI>入力<\/EM><\/EM>流出量<\/EM><\/EM>ラスター<\/EM>: ステップ1の流出量ラスター<\/LI>フロー<\/EM>しきい値<\/EM>: 1cfsのままにするか、必要に応じて変更する<\/LI><\/UL> <\/P><\/span><\/P> <\/P>出力ストリームラスター（この場合はStr.tif）は小さいスケールでは控えめに見えるかもしれません。ズームインすると派生したストリームネットワークが表示されます。<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>ステップ 3<\/FONT>013013ベクターに変換（オプション）<\/FONT><\/H3>オプションで Stream to Feature<\/STRONG> を実行して、ラスターネットワークをベクターフィーチャに変換します。<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>わずか3つのジオプロセシングステップで、局所的な流出データが地形データに組み込まれ、ストリームネットワークが導出されました。<\/P> <\/P>なぜ2つの別々のツールなのか？<\/FONT><\/H3>柔軟性を最大化するために、ストリーム導出ワークフローは意図的に2つのジオプロセシングツールに分割されています。これにより、特に高解像度データセットを扱う分析者が独自の流出データを使用できます。このようなユーザーは Create Runoff Raster<\/STRONG> ツールをスキップすることもできますが、それでも Create Streams with Flow Threshold<\/STRONG> を完全に活用してストリームネットワークを生成できます。ツールを分離することで、このワークフローはTerraClimate以外のより広範な水文学データにも対応しています。<\/P> <\/P>結論<\/FONT><\/H2>ストリームネットワークの区画化のための流量蓄積しきい値の定義は、水文学GIS実務者にとって長らく課題でした。従来の恣意的なセル数しきい値は、気候、地形、水文学が異なる地域ではうまく機能しないことが多いです。 Create Runoff Raster<\/STRONG> と Create Streams with Flow Threshold<\/STRONG> を活用することで、分析者は実際の流出量と流量測定に基づいた客観的でデータ駆動型のストリーム開始方法を得ることができました。<\/P>この流量ベースのアプローチは、急峻なアルパイン盆地や低平地の氾濫原など、どんな環境でも導出されたネットワークの一貫性、透明性、および再現性を向上させます。水文学モデリングが進化する中で、実世界データをGISワークフローに統合することが不可欠となります。これらのArc Hydroツールはそのギャップを埋め、景観プロセスをより正確に表現するストリームネットワークを可能にします。GIS専門家、研究者、および資源管理者がこの方法論を探求し、その有用性を洗練・拡大するためのフィードバックを共有することを奨励します。<\/P> <\/P>追加ノート<\/FONT><\/H2>ソフトウェア要件: 両方のツールはArcGIS Spatial AnalystおよびArcGIS Image Analystエクステンションの機能を使用します。有効なライセンスがあることを確認してください。<\/P>