The Accuracy of Flow Direction Algorithms and ASTER, SRTM DEMs and Topographic Maps of 1:25000 for Extracting Fractal Dimension of Drainage Networks

Document Type : Original Article

Authors

1 Ph.D. of Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources and Desert Studies, Yazd University

2 Prof. of Faculty of Natural Resources and Desert Studies, Yazd University

3 Assistant Prof., Faculty of Natural Resources and Desert Studies, Yazd University

Abstract

Digital elevation models and its derivatives are important factors for watershed modeling. It is obvious that DEM errors adversely affect the accuracy and thereby modeling of natural processes. This problem along with the impossibility of measuring all elements of nature, has led to a major evolution in the way of understanding and explaining phenomena. In this way, we can use the fractal geometry with the theory that many natural phenomena are order in the chaos. Each element of nature is represented as a fractal geometry number. The fractal geometry is a quantitative tool for studying the geomorphology of drainage networks and modeling many complex natural phenomena. In fact, geophysical phenomena such as drainage networks are fractal phenomena with fractal behavior. The purpose of this paper is to evaluate sensitivity of the drainage networks based on DEMs (ASTER & SRTM), flow direction algorithms (Single Flow Direction (D8) and Multiple Flow Direction (MD8)) and topographic maps of 1:25000 in order to study the fractal dimension of drainage network on geological formations of Yazd-Ardakan basin. The results showed that the least difference in the length and the rank of the stream belonged to the drainage network obtained from the topographic maps of 1:25000. After the topographic maps, ASTER and the multi-flow direction (MFD) algorithm and ASTER, and the single flow direction (SFD) algorithm are close to real ground map. Even though the multi-flow direction algorithm shows more detail on the drainage network. But it is not close to real ground map. The difference is particularly noticeable in the first rank of streams. SRTM and the flow direction algorithms showed only good results in routing the main rank of drainage networks. In fact, the results of this study demonstrate that accurate extraction of drainage networks from DEMs generated by remote sensing technologies such as SRTM or ASTER and SFD or MFD algorithms remains challenging. Therefore, the analysis of DEMs and flow direction algorithms should be considered as an important part of hydrological and geomorphological research. Due to the very high sensitivity of the fractal dimension to the smallest change in drainage network conditions, the drainage network obtained from topographic maps were used to calculate the fractal dimension. The mean fractal dimension of 1.149, 1.16 and 1.207, respectively, represents Taft, Granite and Kahar formations. There is a significant correlation between fractal dimension and sensitivity to erosion of geological formations (level 0.99). In fact, the fractal dimension increases with increasing the sensitivity to erosion along with the drainage density in geological formations. The results showed that fractal dimension allows for a quick and accurate analysis of sensitivity to erosion of the formations of this area. 

Keywords

References

آقاطاهر، ر.، صمدی، م.، لعلی‌نیت، ا.، نجفی، ا.، 1394، ارزیابی مقایسه‌ای صحت ارتفاعی مدل‌های رقومی ارتفاعی ASTER وSRTM ، فصلنامة علمی‌ـ پژوهشی اطلاعات جغرافیایی سپهر، دورة 25، شمارة 99، صص. 113-103.
ایلدرمی، ع.، سپهری، م.، 1397، فرسایش‌پذیری سازندهای زمین‌شناسی با استفاده از تحلیل بعد فرکتال شبکة زهکشی (مطالعة موردی: دامنه‌های شمالی همدان)، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، دورة ششم، شمارة 4، صص. 87-70.
حسین‌زاده، ر.، جهادی‌طرقی، م.، 1389، ارزیابی دقت مدل‌های رقومی ارتفاع DEM و الگوریتم‌های GIS در تحلیل‌های مورفومتری رودخانه‌ای، مجلة جغرافیا و توسعة ناحیه‌ای، شمارة 14، صص. 183-212.
حیدری، ع.، 1388، مسیریابی جریان با استفاده از الگوریتم جدید MODir8، پایان‌نامة کارشناسی ارشد، دانشگاه باهنر کرمان.
خسروی، ع.، سپهر، ع.، عبدالله‌زاده، ز.، 1395، رفتار فرکتالی و ارتباط آن با خصوصیات هیدرومورفومتری حوضه‌های آبریز دامنة شمالی بینالود، هیدروژئومورفولوژی، دورة سوم، شمارة 9، صص. 20-1.
رضائی‌مقدم، م.، احمدی، م.، 1385، تحلیل ژئوموفولوژی کمّی الگوی زهکشی شبکة آبراهه‌ای به‌کمک زاویة برخورد آن‌ها در زیرحوضة سریاس، استان کرمانشاه، فصلنامة تحقیقات جغرافیایی، شمارة 81، صص. 98-84.
شریفی‌کیا، م.، شایان، س.، یمانی، م.، عرب‌عامری، ع.، 1397، استخراج الگوی زهکشی دامنه‌ها در نواحی فشردة جنگلی جنوب بهشهر با استفاده از داده‌های فرکانس پایین راداری، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، سال هفتم، شمارة 2، صص. 223-209.
طالبی، ع.، عشقی‌زاده، م.، دستورانی، م.، عظیم‌زاده، ح.، 1393، بررسی تأثیر عملیات آبخیزداری بر توزیع جریان سطحی با استفاده از معرفی الگوریتم توزیع جهت متعدد، اکوهیدرولوژی، شمارة 2، صص. 97-83.
علمی‌زاده، ه.، ماه‌پیکر، ا.، سعادتمند، م.، 1393، بررسی نظریة فرکتال در ژئومورفولوژی رودخانه‌ای: مطالعة موردی زرینه‌رود، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، سال سوم، شمارة 2، صص. 141-130.
علیمرادی، م.، اختصاصی، م.، تازه، م.، کریمی، ح.، 1397، محاسبة بعد فراکتال سازندهای زمین‌شناسی و بررسی ارتباط آن با حساسیت‏ سازندها، پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، دورة پنجاهم، شمارة 2، صص. 253-241.
فاطمی، س.ب.، علیزاده نائینی، ا.، 1396، ارزیابی مدل‌های ارتفاعی رقومی جهانی در قیاس با مدل‌های محلی از منظر ارتفاع و شیب، مجلة علمی رایانش نرم و فنّاوری اطلاعات، دورة ششم، شمارة 1، صص. 35-26.
فخار ایزدی، ن.، ناصری، ک.، مصداقی، م.، 1394، اثرات تعداد، سطح و شکل پلات روی صحت و دقت برآورد تولید چند علفزار با استفاده از شبیه‌سازی نمونه‌گیری، بوم‌شناسی کاربردی، دورة چهارم، شمارة 14، صص. 60-51.
محمدی،‌ م.، 1396، بررسی کمّی الگوهای ژئومورفولوژی شبکه‌های زهکشی و بعد فراکتال آن در سازندهای زمین‌شناسی مناطق خشک (مطالعة موردی: حوضة دشت یزدـ اردکان)، پایان‌نامة دکتری، دانشگاه یزد، دانشکدة منابع طبیعی، گروه آبخیزداری.
محمدی، م.، اختصاصی، م.ر.، طالبی، ع.، حسینی، س.ز.، 1398، کاربرد بعد فراکتال در تحلیل حساسیت‌پذیری سازندهای زمین‌شناسی مناطق خشک (مطالعة موردی: حوزة ‌آبخیز دشت یزدـ اردکان)، نشریة مهندسی اکوسیستم بیابان، دورة هشتم، شمارة 24، صص. 18-1.
مروج، ک.، دلاور، م.، صادق‌بیگی، ا.، 1394، اهمیت انتخاب مدل رقومی ارتفاعی مناسب در مدیریت و حفاظت منابع خاک و آب (مطالعة موردی: سد تهم، استان زنجان)، تحقیقات کاربردی خاک، جلد سوم، شمارة 2، صص. 54-42.
Ali, A.M., Solomatine, D. & Di Baldassarre, G., 2015, Assessing the Impact of Different Sources of Topographic Data on 1-D Hydraulic Modelling of Floods, Hydrology and Earth System Sciences, 19, PP. 631-643.
Bhawan, V.J., 2001, Comparison of Single and Multiple Flow Direction Algorithm for Computing Topographic Parameters in TOPMODEL, National Institute of Hydrology, Roorkee, India.
Chen, Y., Wilson, J.P., Zhu, Q. & Zhou, Q., 2012, Comparison of Drainage-Constrained Methods for DEMGeneralization, Computers & Geosciences, 48, PP. 41-49.
Costa‐Cabral, M.C. & Burges, S.J., 1994, Digital Elevation Model Networks (DEMON): A Model of Flow over Hillslopes for Computation of Contributing and Dispersal Areas, Water Resources Research, 30, PP. 1681-1692.
Das, S., Pravin Patel, P. & Senqupta, S., 2016, Evaluation of Different Digital Elevation Models for Analyzing Drainage Morphometric Parameters in a Mountainous Terrain: A Case Study of the Supin–Upper Tons Basin, Indian Himalayas, Springerplus, 5, P. 1544.
Elkhrachy, I., 2018, Vertical Accuracy Assessment for SRTM and ASTER Digital Elevation Models: A Case Study of Najran City, Saudi Arabia, Ain Shams Engineering Journal, 9, PP. 1807-1817.
Freeman, T.G., 1991, Calculating Catchment Area with Divergent Flow Based on a Regular Grid, Computers & Geosciences, 17, PP. 413-422.
Garcia, M.J.L. & Camarasa, A.M., 1999, Use of Geomorphological Units to Improve Drainage Network Extraction from a DEM, ITC Journal, 3, PP. 187-195.
 
Gorokhovich, Y. & Voustianiouk, A., 2006, Accuracy Assessment of the Processed SRTM-Based Elevation Data by CGIAR Using Field Datafrom USA and Thailand and Its Relation to the Terrain Characteristics, Remote Sensing of Environment, 104, PP. 409-415.
Holmgren, P., 1994, Multiple Flow Direction Algorithms for Runoff Modelling in Grid Based Elevation Models: An Empirical Evaluation, Hydrological Processes, 8, PP. 327-334.
Huang, P.-C., & Lee, K. T., 2016, Distinctions of geomorphological properties caused by different flow-direction predictions from digital elevation models. International Journal of Geographical Information Science, 30(2), 168-185.
Huggel, C., Schneider, D., Miranda, P.J., Granados, H.D. & Kääb, A., 2008, Evaluation of ASTER and SRTM DEM Data for Lahar Modeling: A Case Study on Lahars from Popocatépetl Volcano, Mexico, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 170, PP. 99-110.
Hui, Y. & Changxing, S., 2017, The Fractal Characteristics of Drainage Networks and Erosion Evolution Stages of Ten Kongduis in the Upper Reaches of the Yellow River, China, Journal of Resources and Ecology, 8, PP. 165-174.
Jacobsen, K. & Passini, R., 2010, Analsysis of ASTER GDEM Elevation Models, Paper presented at the International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences:[2010 Canadian Geomatics Conference And Symposium Of Commission I, ISPRS Convergence In Geomatics-Shaping Canada's Competitive Landscape] 38, Nr. Part 1.
Khanbabaei, Z., Karam, A. & Rostamizad, G., 2013, Studying Relationships between the Fractal Dimension of the Drainage Basins and Some of their Geomorphological Characteristics, International Journal of Geosciences, 4, PP. 636-642.
Kusák, M., 2013, Morphometric Characteristics of Valley Nets in the Blue Nile Basin in the Ethiopian Highlands, Praha, 97 P., The Diploma Thesis (Mgr.), Ph.D. Department of Physical Geography and Geoecology, Faculty of Science, Charles University in Prague.
Kusák, M., 2014, Review Article: Methods of Fractal Geometry Used in the Study of Complex Geomorphology Networks, AUC Geographia, PP. 99-110.
Lahsaini, M., Tabyaoui, H., Mounadel, A., Bouderka, N. & Lakhili, F., 2018, Comparison of SRTM and ASTER Derived Digital Elevation Models of Inaouene River Watershed (North, Morocco)—Arc Hydro Modeling, Journal of Geoscience and Environment Protection, 6, PP. 141-156.
Lea, N., 1992, An Aspect Driven Kinematic Routing Algorithm, Overland Flow: Hydraulics and Erosion Mechanics Aj Parsons, Ad Abrahams, Chapman and Hall, New York.
Li, J. & Wong, D.W.S., 2010, Effects of DEM Sources on Hydrologic Applications, Computers, Environment and Urban Systems, 34, PP. 251-261.
Mandelbrot, B.B., 1983, The Fractal Geometry of Nature/ Revised and Enlarged Edition, New York, WH Freeman and Co.
Metz, M., Mitasova, H. & Harmon, R., 2011, Efficient Extraction of Drainage Networks from Massive, Radar-Based Elevation Models with Least Cost Path Search, Hydrology and Earth System Sciences, 15, PP. 667-678.
O'Callaghan, J.F. & Mark, D.M., 1984, The Extraction of Drainage Networks from Digital Elevation Data, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, 28, PP. 323-344.
Orlandini, S., Moretti, G., Franchini, M., Aldighieri, B. & Testa, B., 2003, Path‐Based Methods for the Determination of Nondispersive Drainage Directions in Grid‐Based Digital Elevation Models, Water Resources Research, 39, PP. 1-8.
Orlandini, S. & Moretti, G., 2009, Determination of Surface Flow Paths from Gridded Elevation Data, Water Resources Research, 45, PP. 1-18.
Ouerghi, S., ELsheikh, R.F.A., Achour, H. & Bouazi, S., 2015, Evaluation and Validation of Recent Freely-Available ASTER-GDEM V. 2, SRTM V. 4.1 and the DEM Derived from Topographical Map over SW Grombalia (Test Area) in North East of Tunisia, Journal of Geographic Information System, 7, PP. 266-279.
Pelletier, J.D., 2007, Fractal Behavior in Space and Time in a Simplified Model of Fluvial Landform Evolution, Geomorphology, 91, PP. 291-301.
Poggio, L. & Soille, P., 2011, A Probabilistic Approach to River Network Detection in Digital Elevation Models, Catena, 87, PP. 341-350.
Quinn, P., Beven, K., Chevallier, P. & Planchon, O., 1991, The Prediction of Hillslope Flow Paths for Distributed Hydrological Modelling Using Digital Terrain Models, Hydrological Processes, 5, PP. 59-79.
Sefercik, U.G., 2012, Performance Estimation of ASTER Global DEM Depending upon the Terrain Inclination, Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 40, PP. 565-576.
Seibert, J. & McGlynn, B.L., 2007, A New Triangular Multiple Flow Direction Algorithm for Computing Upslope Areas from Gridded Digital Elevation Models, Water Resources Research, 43, PP. 1-8.
Smith, M. & Pain, C., 2009, Applications of Remote Sensing in Geomorphology, Progress in Physical Geography, 33, PP. 568-582.
Szabó, G., Singh, S.K. & Szabó, S., 2015, Slope Angle and Aspect as Influencing Factors on the Accuracy of the SRTM and the ASTER GDEM Databases, Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 83, PP. 137-145.
Tarboton, D.G., 1997, A New Method for the Determination of Flow Directions and Upslope Areas in Grid Digital Elevation Models, Water Resources Research, 33, PP. 309-319.
Thomas, J., Joseph, S., Thrivikramji, K. & Arunkumar, K., 2014, Sensitivity of Digital Elevation Models: The Scenario from Two Tropical Mountain River Basins of the Western Ghats, India, Geoscience Frontiers, 5, PP. 893-909.
Thompson, J.A., Bell, J.C. & Butler, C.A., 2001, Digital Elevation Model Resolution: Effects on Terrain Attribute Calculation and Quantitative Soil-Landscape Modeling, Geoderma, 100, PP. 67-89.
Yang, H. & Shi, C., 2017, The Fractal Characteristics of Drainage Networks and Erosion Evolution Stages of Ten Kongduis in the Upper Reaches of the Yellow River, Journal of Resources and Ecology, 8, PP. 165-173.

Files

Share

How to cite

Statistics