• No results found

Soil moisture modelling using TWI and satellite imagery in the Stockholm region

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Soil moisture modelling using TWI and satellite imagery in the Stockholm region"

Copied!
103
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

   

   

Soil moisture modelling using TWI and satellite imagery in the

Stockholm region

Jan Haas

Master’s of Science Thesis in Geoinformatics TRITA-GIT EX 10-001

School of Architecture and the Built Environment Royal Institute of Technology (KTH)

100 44 Stockholm, Sweden

March 2010

(2)

TRITA-GIT EX 10-001 ISSN 1653-5227

ISRN KTH/GIT/EX--10/001-SE

(3)

i

Abstract 

Soil moisture is an important element in hydrological land-surface processes as well as land- atmosphere interactions and has proven useful in numerous agronomical, climatological and meteorological studies. Since hydrological soil moisture estimates are usually point-based measurements at a specific site and time, spatial and temporal dynamics of soil moisture are difficult to capture. Soil moisture retrieval techniques in remote sensing present possibilities to overcome  the  abovementioned  limitations  by  continuously  providing  distributed  soil  moisture  data  at  different  scales  and  varying  temporal  resolutions.  The  main  purpose  of  this  study  is  to  derive  soil moisture estimates for the Stockholm region by means of two different approaches from a  hydrological and a remote sensing point of view and the comparison of both methods.  

Soil  moisture  is  both  modelled  with  the  Topographic  Wetness  Index  (TWI)  based  on  digital  elevation data and with the Temperature‐Vegetation Dryness Index (TVDI) as a representation  of  land  surface  temperature  and  Normalized  Difference  Vegetation  Index  (NDVI)  ratio. 

Correlations  of  both  index  distributions  are  investigated.  Possible  index  dependencies  on  vegetation  cover  and  underlying  soil  types  are  explored.  Field  measurements  of  soil  moisture  are related to the derived indices. 

The  results  indicate  that  according  to  a  very  low  Pearson  correlation  coefficient  of  0.023,  no  linear dependency between the two indices existed. Index classification in low, medium and high  value categories did not result in higher correlations. Neither index distribution is found to be  related  to  soil  types  and  only  the  TVDI  correlates  alongside  changes  in  vegetation  cover  distribution.  In  situ  measured  values  correlate  better  with  TVDIs,  although  neither  index  is  considered to give superior results in the area due to low correlation coefficients. The decision  which index to apply is dependent on available data, intent of usage and scale. The TWI surface  is considered to be a more suitable soil moisture representation for analyses on smaller scales  whereas the TVDI should prove more valuable on a larger, regional scale. The lack of correlation  between the indices is attributed to the fact that they differ greatly in their underlying theories.  

However,  the  synthesis  of  hydrologic  modelling  and  remote  sensing  is  a  promising  field  of  research. The establishment of combined effective models for soil moisture determination over  large  areas  requires  more  extensive  in  situ  measurements  and  methods  to  fully  assess  the  models’ capabilities, limitations and value for hydrological predictions. 

 

 

Keywords: TWI, TVDI, soil moisture 

(4)

ii

Acknowledgement 

I  would  like  to  express  my  sincere  gratitude  to  my  supervisors  Ulla  Mörtberg  and  David  Gustafsson, Department of Land and Water Resources Engineering, School of Architecture and  the  Built  Environment,  KTH  ‐  Royal  Institute  of  Technology  for  their  continuous  help  and  guidance, data and literature provision as well as conducting fieldwork together and data post‐

processing.    

I  also  gratefully  acknowledge  the  support  and  advice  given  to  me  by  Dr.  Yifang  Ban,  Head  of  Department of Urban Planning and Environment, School of Architecture and Built Environment,  KTH ‐ Royal Institute of Technology. I would also like to express my gratitude towards Tuong  Thuy Vu, Dorothy Furberg and Maria Irene Rangel Luna of the same department for their help,  trust and technical support. 

Furthermore  I  would  like  to  thank  Else‐Marie  Wingqvist  from  Sveriges  Meteorologiska  och  Hydrologiska  Institut  (SMHI)  for  the  provision  of  detailed  temperature  and  precipitation  data  for several gauging stations in and around Stockholm. 

   

(5)

iii

Table of Contents 

Abstract ... i 

Acknowledgement ... ii 

Table of Contents ... iii 

List of Tables ... vi 

List of Figures ... vii 

List of Appendices ... viii 

List of Acronyms ... ix 

1  Introduction ... 11 

2  Background ... 12 

2.1  Topography‐based Hydrological Model (TOPMODEL) ... 12 

2.2  Topographic Wetness Index (TWI) ... 12 

2.3  Digital Elevation Data ... 13 

2.3.1  Gridded data (DEM) ... 13 

2.3.2  Triangular irregular networks (TIN) ... 14 

2.3.3  Contour Data ... 14 

2.3.4  DEM resolution ... 14 

2.3.5  Depression removal in DEMs ... 18 

2.4  Flow direction algorithms ... 19 

2.4.1  Single Flow Direction (SFD) algorithms ... 19 

2.4.2  Biflow Direction (BFD) algorithms ... 20 

2.4.3  Multiple Flow Direction (MFD) algorithms ... 21 

2.4.4  Algorithm comparison ... 24 

2.5  Soil moisture retrieval in remote sensing ... 26 

2.5.1  Soil moisture retrieval techniques ... 27 

2.5.2  Landsat program ... 28 

2.5.3  Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper (ETM+) ... 29 

2.5.4  Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) ... 30 

(6)

iv

2.5.5  Temperature‐Vegetation Dryness Index (TVDI) ... 31 

3  Study area and data description ... 35 

3.1  Study area ... 35 

3.2  Satellite image ... 35 

3.3  Digital Elevation Model ... 36 

3.4  Contour data ... 37 

3.5  Land cover data ... 37 

3.6  Soil data ... 38 

3.7  Precipitation and temperature data ... 39 

4  Methodology ... 40 

4.1  TWI calculation ... 40 

4.1.1  DEM preparation ... 40 

4.1.2  SCA and slope grid calculation ... 40 

4.1.3  TWI surface generation ... 41 

4.2  TVDI surface generation ... 43 

4.2.1  Satellite image pre‐processing ... 43 

4.2.2  NDVI surface ... 45 

4.2.3  Surface temperature ... 47 

4.2.4  TVDI surface ... 47 

4.3  Surface comparisons ... 49 

4.4  In situ measurements ... 50 

5  Results ... 52 

5.1  TWI calculation ... 52 

5.1.1  Filled/unfilled/noData and filled DEM ... 52 

5.1.2  Slope 0/+0.1 ... 53 

5.1.3  Slope calculation method ... 53 

5.1.4  TWI calculation comparison ... 54 

5.1.5  TWI/TVDI correlations ... 55 

5.1.6  TWI/TVDI and vegetation class correlation ... 57 

(7)

v

5.1.7  TWI/TVDI and soil class correlation ... 57 

5.1.8  TWI/TVDI and soil/vegetation class correlation ... 58 

5.2  Correlation coefficients ... 59 

5.3  Classification into low, medium and high categories ... 62 

5.4  Correlation with in situ data ... 62 

6  Discussion ... 64 

7  Conclusion ... 67 

References ... 68 

Appendix ... 78 

   

(8)

vi

List of Tables 

Table 1 Technical specifications of Landsat missions 1 to 7 ... 29 

Table 2 Summary of Landsat 7 ETM+ satellite sensor characteristics ... 29 

Table 3 Landsat 7 ETM+ band characteristics ... 30 

Table 4 Landsat scene information ... 36 

Table 5 Land cover classification table ... 37 

Table 6 Vegetation class definition table ... 38 

Table 7 Summary of soil types and distribution ... 38 

Table 8 Summary of day mean temperatures and precipitation ... 39 

Table 9 DEM surface statistics before and after pit removal ... 40 

Table 10 Band constants for radiance calculation from DNs ... 46 

Table 11 Classes and index surfaces for combination ... 49 

Table 12 Overview of all surface combinations ... 49 

Table 13 Surface classification summary ... 50 

Table 14 TWI surface statistics summary ... 55 

Table 15 Correlation between TVDI/TWI for vegetation classes ... 59 

Table 16 Correlation between TVDI/TWI for soil classes ... 59 

Table 17 Correlation between TVDI/TWI for vegetation and soil classes ... 60 

Table 18 TVDI and TWI surface comparison statistics ... 62 

Table 19 Numerical comparison between ground truth and calculated TWI and TVDI values ... 63 

 

   

(9)

vii

List of Figures 

Figure 1 Simplified representation of the Ts/NDVI space from Lambin and Ehrlich (1996) ... 33 

Figure 2 Ts/NDVI space as TVDI taken from Sandholt et al. (2002) ... 34 

Figure 3 Geometrically corrected Landsat 7 ETM+ satellite image ... 36 

Figure 4 Flow direction angle definition in the Dinf approach taken from Tarboton (1997) ... 41 

Figure 5 Final TWI surface ... 42 

Figure 6 Cloud mask ... 45 

Figure 7 Haze mask ... 45 

Figure 8 Final TVDI surface ... 48 

Figure 9 In situ data collection site Törnskogen ... 51 

Figure 10 Sample point overview ... 51 

Figure 11 Unfilled DEM (pits and sinks visible) ... 52 

Figure 12 Filled DEM (pits and sinks removed) ... 52 

Figure 13 TWI surface without prior pit removal ... 52 

Figure 14 Slope for TWI calculation in degrees ... 54 

Figure 15 Slope for TWI calculation in percent ... 54 

Figure 16 Slope calculated in TauDEM ... 54 

Figure 17 Scatterplot of the complete TWI and TVDI surfaces with regression line ... 56 

Figure 18 Visual comparison between ground truth and calculated TWI and TVDI values ... 63   

   

(10)

viii

List of Appendices 

Appendix A Original 50 metre resolution DEM as acquired from Lantmäteriet ... 78 

Appendix B Precipitation over Stockholm in mm during July 2002 ... 79 

Appendix C Average temperature around Stockholm in °C during July 2002 ... 80 

Appendix D D∞ flow direction grid surface for TWI calculation within TauDEM ... 81 

Appendix E D∞ slope grid surface for TWI calculation within TauDEM ... 82 

Appendix F D∞ contributing area surface for TWI calculation within TauDEM ... 83 

Appendix G NDVI surface calculated by Landsat 7 ETM+ bands 3 and 4 ... 84 

Appendix H Temperature in °C derived from the ETM+ thermal band on August 4th, 2002 ... 85 

Appendix I TWI surface calculation variants for 'NoData' ... 86 

Appendix J TWI surface calculation variants for 'unfilled' ... 87 

Appendix K TWI surface calculation variants for 'filled' ... 88 

Appendix L TWI/TVDI scatterplots for vegetation classes 0 to 7 ... 89 

Appendix M TWI/TVDI scatterplots for soil classes ... 90 

Appendix N TWI/TVDI scatterplots for soil class bog and vegetation classes 0 to 7 ... 91 

Appendix O TWI/TVDI scatterplots for soil class clay and vegetation classes 0 to 7 ... 92 

Appendix P TWI/TVDI scatterplots for soil class rock and vegetation classes 0 to 7 ... 93 

Appendix Q TWI/TVDI scatterplots for soil class sand and vegetation classes 0 to 7 ... 94 

Appendix R TWI/TVDI scatterplots for soil class till and vegetation classes 0 to 7 ... 95 

Appendix S TVDI surface combination statistics... 96 

Appendix T TWI surface combination statistics ... 97 

Appendix U TWI/TVDI and TVDI/TWI quantile classification scatterplots ... 98 

Appendix V TWI/TVDI and TVDI/TWI natural breaks classification scatterplots ... 99 

   

(11)

ix

List of Acronyms 

ASCII ‐ American Standard Code for Information Interchange  ATCOR ‐ ATmospheric CORrection 

BFD ‐ BiFlow Direction  CMP ‐ Common MidPoint  CSV ‐ Comma‐Separated Values 

DEMON ‐ Digital Elevation MOdel Networks   DN ‐ Digital Number 

EOS ‐ Earth Observation Satellite  ETM ‐ Enhanced Thematic Mapper 

FAPAR ‐ Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation  FOV ‐ Field‐Of‐View 

GA ‐ Genetic Algorithm  GCP ‐ Ground Control Points  GLCF ‐ Global Land Cover Facility 

IRS‐WiFS ‐ Indian Remote Sensing Satellites Wide Field Sensor  LAI ‐ Leaf Area Index 

LiDAR ‐ Light Detection And Ranging  MFD ‐ Multiple Flow Direction  MIR ‐ Mid‐InfraRed 

MSS ‐ MultiSpectral Scanner 

NASA ‐ National Aeronautics and Space Administration  NOAA ‐ National Oceanic and Atmospheric Administration  NDVI ‐ Normalized Difference Vegetation Index 

NIR ‐ Near InfraRed 

PBMR ‐ Push Broom Microwave Radiometer  RBV ‐ Return Beam Vidicon 

(12)

x RMSE ‐ Root‐Mean Square Error 

SCA ‐ Specific Catchment Area  SFD ‐ Single Flow Direction 

SGU ‐ Sveriges Geologiska Undersökning 

SMHI ‐ Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut  SPOT ‐ Satellite Pour l'Observation de la Terre 

SWEREF99 ‐ SWedish REerence Frame 1999 

TauDEM ‐ Terrain analysis using Digital Elevation Models  TDRSS ‐ Tracking and Data Relay Satellite System 

TFD ‐ Tracking Flow Direction  TI ‐ Topographic Index 

TIN ‐ Triangulated Irregular Network  TIR ‐ Thermal InfraRed 

TOPMODEL ‐ TOPography‐based hydrological MODEL  TVDI ‐ Temperature‐Vegetation Dryness Index 

TWI ‐ Topographic Wetness Index  USGS ‐ United States Geological Survey  VWC ‐ Vegetation Water Content  WI ‐ Wetness Index 

(13)

11

1 Introduction 

Knowledge about soil moisture status and the processes defining moisture distribution is, and  has  always  been  essential  in  many  respects.  Starting  to  be  of  importance  with  the  advent  of  agriculture in human history, information about soil moisture plays nowadays an important role  in  a  much  broader  field,  e.  g.  hydrology,  meteorology  and  climatology,  ecology,  land  surface  modelling and most recently studies on global environmental changes (Verstraeten et al., 2006; 

Kerr  et  al.,  2001;  Kerr,  2007  and  Gruhier  et  al.,  2008).  As  environmentally  related  issues  increase,  the  demand  for  information  on  environmental  parameters  grows  simultaneously.  To  gather and derive these is therefore a crucial task.  

The  understanding  of  hydrological  processes  and  accurate  determination  of  soil  moisture  has  been subject of numerous studies in the field of hydrology. Soil moisture is usually expressed as  indices  in  hydrological  modelling.  One  broadly  used  index  is  the  Topographic  Wetness  Index  (TWI) originally developed by Beven and Kirkby (1979). It is based on surrounding topography  and describes the tendency of a point to become saturated. Air‐ and spaceborne soil moisture  retrieval has been a promising research field in remote sensing since the early 1970s. Relations  between measured land surface temperature, vegetation and soil moisture could be found and  expressed  by  the  ‘triangle’  method.  The  Temperature‐Vegetation  Dryness  Index  (TVDI)  by  Sandholt et al. (2002) is an index representing the abovementioned relations. Both indices have  shown to be reasonable estimators of surface soil moisture, although some questions of validity  remain.  However,  there  seems  to  be  a  lack  of  knowledge  about  index  correlations  and  if  one  particular index can be considered to give superior results in the region of interest. 

One purpose of this study is to compare both index distributions to each other with respect to  different  soil  types,  varying  vegetation  cover  and  to  explore  possible  correlations  and  dependencies  among  these.  Furthermore,  the  results  and  methods  are  related  to  in  situ  measured  soil  moisture.  Another  purpose  is  to  gain  insight  into  current  soil  moisture  distribution for the region of Stockholm that can be used in further analyses, research and might  help in decision making and future planning. 

(14)

12

2 Background 

2.1 Topography­based Hydrological Model (TOPMODEL) 

The TOPMODEL framework initially proposed by Beven and Kirkby (1979) is a compilation of  different  concepts  for  distributed  hydrological  modelling.  It  is  based  on  the  two  fundamental  assumptions that downslope subsurface flows can be adequately represented by a succession of  steady  state  water  table  positions  and  that  there  is  an  exponential  relationship  between  local  storage  (or  water  table  level)  and  downslope  flow  rate.  Furthermore  it  is  assumed  that  the  hydraulic  gradients  of  the  saturated  zone  can  be  approximated  by  local  surface  topographic  slopes  tan β ,  thus  requiring  a  detailed  analysis  of  catchment  topography  (Quinn,  1991  and  Beven, 2004). 

2.2 Topographic Wetness Index (TWI) 

The  TWI  is  a  mathematically  simple  parameterisation  of  soil  moisture  status  that  has  been  applied in numerous studies. The index is based and calculated on slopes and depends therefore  on digital terrain data. The TWI is firstly suggested within the TOPMODEL framework by Beven  and Kirkby (1979) and can be calculated as: 

 

⁄                                  (1) 

 

where  α = the cumulative upslope area draining through a point (per unit contour length)  

  tan β = the slope angle at that point  

The index describes the tendency of water to accumulate at any point in a catchment (in terms  of α)  and  the  tendency  for  gravitational  forces  to  move  that  water  downslope  (expressed  in  terms  of tan β as  an  approximate  hydraulic  gradient)  (Quinn,  1991).  Thus,  wet  areas  can  arise  either from large contributing drainage areas or from very flat slopes, whereas areas with low  index values are drier, resulting from either steep slopes or small contributing drainage areas. 

TOPMODEL is able to predict both distributed water tables and hydrographs. Modification of the  local water table depth can give an estimate of local soil moisture status. Calculated local water  table depths are dependent on the value of the index at a point (Quinn et al., 1995). 

(15)

13

Statistical  distributions  and  spatial  patterns  of  the  TWI  vary  greatly  depending  on  calculation  parameters  (Quinn  et  al.,  1995).  The  two  most  critical  issues  here  are  the  resolution  of  the  underlying  elevation  model  and  the  choice  of  the  appropriate  flow  routing  algorithm.  For  successful TWI calculations it is assumed that any problems involved in DEM creation, i.e. sink  and dam removal are resolved. Quinn et al. (1995) also noted that there is no standard solution  for calculating the ln α tan β⁄  index but that its parametres need to be optimized according to  the corresponding catchment.  

Limitations and issues of validation and predictive uncertainty of the concept were investigated,  detailed  analyses  of  the  model’s  capabilities,  underlying  theories  and  basic  assumptions  were  performed and improvements were suggested in several works (Franchini et al., 1996; Ambroise  et  al.,  1996;  Beven,  1997;  Mendicino  and  Sole,  1997;  Seibert  et  al.,  1997;  Brasington  and  Richards, 1998; Güntner et al., 1999 and Sørensen et al., 2006). 

2.3 Digital Elevation Data 

Digital  elevation  data  is  traditionally  represented  in  three  forms;  gridded  data,  triangular  irregular networks and contour based elevation models. All of them can be used in hydrological  modelling. 

2.3.1 Gridded data (DEM) 

Digital elevation models are readily available and commonly used as representation of elevation  information.  Grid  DEMs  store  height  information  in  matrix  form.  Each  matrix  node  of  equal  resolution  is  assigned  one  particular  elevation  value.  Grid  based  DEMs  are  widely  used  in  analyses of hydrologic problems but are disadvantageous in some respects. They lack e. g. the  possibility  of  sufficiently  representing  elevation  discontinuities.  Another  disadvantage  is  that  mesh  resolution  affects  the  results  and  computational  efficiency.  Furthermore  it  is  stated  that  grid  spacing  needs  to  be  based  on  the  roughest  terrain  in  the  catchment  which  results  in  redundancy in smoother areas and finally that the computed flow paths tend to zigzag instead of  to follow drainage lines, thus becoming too long. Holmgren (1994) noted that grid based DEMs  were  relatively  unsuitable  for  hydrological  modelling  before  the  development  of  more  sophisticated  flow  direction  algorithms,  as  runoff  could  only  be  modelled  in  a  simplified  way  (limited to eight discrete directions). 

(16)

14

2.3.2 Triangular irregular networks (TIN) 

The representation of elevation data in TINs is based on the connection of nodes with stored 3‐

dimensiondal  coordinates  (x,  y  and  z).  The  nodes  are  connected with  edges  to  form  triangles. 

Additional  information  such  as  slope,  aspect,  surface  length  and  area  can  then  be  derived  for  each of the resulting triangular facets. The TIN has become a rather unpopular format in recent  years (Holmgren, 1994). 

2.3.3 Contour Data 

Contours are lines that connect points of equal (elevation) values. As the spacing between the  contours  widens,  height  differences  become  smaller  and  vice  versa.  Contour  data  is  usually  derived from digitizing of maps and represents height distribution continuously. Contour based  models  are  superior  to  other  forms  of  elevation  data  because  they  explicitly  state  in  which  direction the runoff flows (always perpendicular to the contours) (Holmgren, 1994). Aryal and  Bates (2008) found that contour DEMs are less sensitive to changes in resolution than grid DEMs  and provide more consistent estimates of TWIs at moderate to high DEM resolutions.  

The quality of elevation data used in the analyses is of great importance. Yet, according to Quinn  et al. (1995), Wolock and McCabe (1995), Beven (1997) and Mendicino and Sole (1997), there is  no standard and superior set of digital elevation data as basis for TWI calculation. 

2.3.4 DEM resolution 

Selecting  the  optimal  spatial  resolution  is  a  central  issue  in  environmentally  related  analyses  including  digital  elevation  data  (Rodhe,  1999;  Aryal  and  Bates,  2008).  The  appropriate  resolution  should  be  chosen  according  to  the  modelling  goals  but  is  unfortunately  often  determined by data availability and economic aspects. The spatial resolution should always be  modelled to fit the scale of the area under consideration (Vaze and Teng, 2007; Wu et al., 2007). 

For example smaller areas with more detailed information require higher spatial resolutions. If  the  resolution  becomes  too  low  and  hillslope  lengths  are  comparatively  small,  no  meaningful  TWI can be derived (Beven, 1997). Studies show that highest resolutions do not always produce  the most accurate prediction model (Wu et al., 2008). The studies of Refsgaard (1997), Molnár  and Julien (2000) and Vázquez et al. (2002) highlighted the variability in hydrologic response to  grid  size  and  suggested  an  appropriate  resolution  as  a  trade‐off  between  minimized  computational effort and retention of realistic model performance. Endreny and Wood (2003)  found that runoff flows differently with varying spatial resolutions. Many studies found the TWI 

(17)

15

concept  to  respond  sensitively  to  grid  cell  resolution  (Wolock  and  Price,  1994;  Gallant  and  Hutchinson, 1996; Saulnier et al., 1997; Brasington and Richards, 1998; Higy and Musy, 2000; 

Vivoni et al., 2005; Vaze and Teng, 2007; Wu et al., 2007; Wu et al., 2008), even in resolutions  higher than 10 m (Hancock, 2005). Rather coarse data may not represent some important slope  features whereas a too high resolution can introduce unwanted perturbations to flow directions  and  slope  angles.  This  coincides  with  the  findings  of  Wolock  and  Price  (1994),  Zhang  and  Montgomery  (1994),  Bruneau  et  al.  (1995)  and  Thieken  et  al.  (1999),  who  stated  that  low  resolution DEMs generally show smoother terrains and shorter flow paths by statistics of slopes  and topographic indices than high resolution data. Vaze and Teng (2007) found that maximum  and mean slope values drastically decrease with a decrease in DEM resolution. TWI distribution  is dependent on the degree of spatial resolution of elevation data. The findings in several studies  show that a lower grid cell resolution results in higher TWI mean values and a broader range of  smaller slope percentages (Hutchinson and Dowling, 1991; Jenson, 1991; Quinn et al., 1991 and  1995; Wolock and Price, 1994; Zhang and Montgomery, 1994; Saulnier et al., 1997; Wolock and  McGabe, 1995; Wolock and McGabe, 2000; Hjerdt et al., 2004; Sørensen and Seibert, 2007; Wu et  al.,  2007  and  2008  and  Aryal  and  Bates,  2008).  Wu  et  al.  (2008)  additionally  noticed  that  the  standard deviation of plan curvature decreased with increasing DEM cell size.  

Not only directly derived elevation attributes are dependent on resolution, but also the form of  the  index  distribution  (Iorgulescu  and  Jordan,  1994;  Wolock  and  Price,  1994;  Zhang  and  Montgomery, 1994; Bruneau et al., 1995; Quinn et al., 1995; Franchini et al., 1996; Saulnier et al.,  1997 and Mendicino and Sole, 1997). Wolock and Price (1994) studied the effects of topography  on watershed hydrology. They showed that DEM resolution has an effect on water table depth  prediction, the ratio of overland flow to total flow, peak flow and variance and skew of predicted  stream flows. It was found that predicted mean depths to water tables decreased and maximum  daily flow increased with coarser DEMs. Wolock and McGabe (2000) compared 100 m and 1000  m resolution DEMs and found that slopes calculated from 1000 m resolution DEMs are generally  smaller,  whereas  specific  catchment  area  (SCA)  and  the  TWI  are  larger  compared  to  100  m  resolution DEMs. The reasons for these changes are attributed mainly to terrain discretization  effects (dividing the terrain into a different amount of grid cells than initially present) and are  found to  be  independent of underlying terrain types. Wu et al. (2007)  examined the  effects of  elevation data resolution on the performance of topography based watershed runoff simulations. 

Twelve  DEMs  of  different  grid  sizes  were  compared  in  terms  of  their  influence  upon  TWI  distribution.  It  was  found  that  the  total  watershed  discharge  increases  continuously  as  resolutions  decrease.  Sørensen  and  Seibert  (2007)  also  found  decreasing  variations  in  TWI  between  neighbouring  cells  with  an  increase  in  cell  size.  By  increasing  the  resolution,  TWI  distributions  turned  out  to  become  rather  similar,  but  quite  different  patterns  were  to  be 

(18)

16

expected  as  well.  Brasington  and  Richards  (1998)  examined  frequency  distributions  of  slope, tan , upslope contributiong area and TWI on DEMs with varying resolutions from 20 m to  500  m.  They  found  a  significant  distribution  dependency  on  grid  size  with  most  prominent  changes in  DEM resolutions from 100  m to 200 m. Saulnier  et al. (1997) based their  study on  digital terrain maps with resolutions ranging from 20 m to 120 m with 20 m increments from  initially  digitized  10  m  contour  lines.  Further  scale  dependence  in  the  calibrated  value  of  the  saturated conductivity parameter K0 could be identified.  

Horizontal Resolution 

Different DEM resolutions as basis for calculation of topographic parameters were explored and  used in numerous studies with varying goals. The resolutions under consideration range from  meter level up to several kilometres. 

Murphy et al. (2009) used two different data sets: A 1 m resolution Light Detection And Ranging  (LiDAR) DEM and a 10 m conventional photogrammetric DEM. Both DEMs showed good results  in  comparison  to  field‐mapped  conditions.  The  LiDAR  DEM  produced  slightly  better  results. 

Warren  et  al.  (2004)  compared  slopes  on  different  DEM  resolutions  and  found  the  highest  resolution  of  1  m  to  be  most  adequate.  Freer  et  al.  (1997)  calculated  the  TWI  for  subsurface  storm  flow  analysis  on  two  small  catchments  with  1  m  and  2  m  DEM  resolutions.  Zhang  and  Montgomery (1994) and Wu et al. (2008) based their analyses on 2 m resolution DEMs. Wu and  Archer (2005) used DEM grids of 4 m resolution in their study. Sulebak et al. (2000) related soil  moisture to primary and secondary topographic attributes on a 5 m resolution DEM. Sørensen  and  Seibert  (2007)  examined  the  scale  dependency  of  a  decreasing  DEM  resolution  upon  the  TWI by resampling a 5 m resolution LiDAR DEM to 10, 25, and 50 m respectively and observed  TWI values to be considerably sensitive to different grid resolutions whereas the estimation of  upslope areas is even more affected than calculated slopes. Thompson et al. (2001) compared  terrain attributes and quantitative soil‐landscape models on different horizontal resolutions (10  m  –  30  m)  and  vertical  precisions  (0.1  m  –  1  m).  It  could  be  observed  that  a  decrease  in  horizontal  resolution  resulted  in  lower  slope  gradients  on  steeper  slopes,  steeper  slope  gradients  on  flatter  slopes,  narrower  ranges  in  curvature,  larger  SCAs  in  upper  landscape  positions  and  lower  SCAs  in  lower  landscape  positions.  Zinko  et  al.  (2006)  calculated  ground  water  flow  based  on  a  20  m  resolution  DEM.  Kim  et  al.  (2008)  investigated  the  strength  of  correlations between different soil properties and found a TWI at a 25 m resolution as best. Vaze  and Teng (2007) also suggested a grid cell resolution of 25 m or higher (up to 1 m) to capture  the  scale  of  surface  processes.  The  resolution  is  however  determined  by  landscape  variations. 

Tombul  (2007)  used  a  30  m  resolution  DEM  for  a  comparison  of  wetness  index  (WI)  and  topographic index (TI). Prasad et al. (2005) explored the relationship of hydrologic parameters 

(19)

17

and  nutrient  loads  using  a  30  m  resolution  DEM  with  moderate  success.  Garbrecht  and  Martz  (1993)  showed  that  most  drainage  features  can  be  produced  with  a  30  m  resolution  DEM. 

Endreny  and  Wood  (2003)  examined  the  spatial  congruence  of  observed  and  DEM‐delineated  overland flow networks with a 30 m resolution DEM. Cai and Wang (2006) observed that there  are no significant changes in TWI values when comparing 30 m and 90 m resolution DEMs in  landscapes  with  high  elevation  variation.  Kim  and  Jung  (2003)  found  a  pixel  size  threshold  between  30  m  and  50  m  for  stable  and  consistent  computation  of  spatial  flow  distribution  patterns. Lineback Gritzner et al. (2001) calculated the TWI with DYNWET on a 30 m resolution  DEM. Soil moisture could not be related to landslide risk. The authors suggest that a too coarse  spatial resolution might  account for  the lack of correlation. This would be consistent  with the  findings of Zhang and Montgomery (1994) stating that a resolution of 30 to 90 m could be too  large  for  modelling  complex  topography.  Wu  et  al.  (2007)  examined  the  influence  of  DEM  resolution  upon  TWI  distributions  by  means  of  comparisons  between  twelve  different  DEMs  ranging from 30 m to 3 km. Conoscenti et al. (2008) based their studies on a 40 m resolution  DEM.  Lin  et  al.  (2007)  successfully  explored  the  relationships  of  topography  and  spatial  variations  in  groundwater  and  soil  morphology  using  a  40  m  resolution  DEM.  Bruneau  et  al. 

(1995) considered even a resolution as low as 50 m to be sufficient if the model calibration is  able  to  compensate  aggregation  effects.  Quinn  et  al.  (1995)  considered  grid  sizes  of  100  m  or  more as too coarse for  meaningful  TWI calculations. The depiction of the topographic form of  individual  hillslopes  required  higher  resolutions.  A  direct  effect  on  the  calculation  of  accumulated contributing areas could be observed for different grid resolutions. Hutchinson and  Dowling (1991) examined a 2.5 km resolution DEM. Jain et al. (1992) conducted their study on  distributed modelling even on a 4 km resolution. 

Overall, a 10 m horizontal resolution was found most suitable in many studies and is therefore  suggested (Wolock and Price, 1994; Zhang and Montgomery, 1994; Irvin et al., 1997; Saulnier et  al., 1997; Thieken et al., 1999; Chaplot and Walter, 2003 and Fei et al., 2007).  

Vertical Precision 

A sufficiently high vertical precision is needed in order to determine accurate spatial locations of  channel  segments  and  thus  the  channel  network  (Thieken  et  al.,  1999).  Chaplot  and  Walter  (2003) used a 0.3 m vertical resolution and a 10 m horizontal resolution DEM in their studies  and  achieved  good  correlations  between  the  soil  wetness  and  topographic  attributes  at  all  depths.  Nelson  and  Jones  (1995)  point  out  the  necessity  of  roundoff  error  removal  in  low  vertical resolution DEMs before delineation of stream networks and basins of a watershed. They  presented  a  method  of  smoothing  already  rounded  digital  terrain  models  with  the  effect  of  restoring the smoothness of the natural terrain as well as the removal of flat regions. The results 

(20)

18

show that their algorithm is able to restore the natural slope of large flat areas where the lack of  elevation can be attributed to roundoff errors in the elevation data. Different studies show that a  decrease in vertical precision does not have any significant influence on slope gradients or SCAs  (Quinn et al., 1991; Wolock and Price, 1994; Zhang and Montgomery, 1994 and Gyasi‐Agyei et al.,  1995). However, Thompson et al. (2001) identified various points with zero slope gradients and  zero  slope  curvature  alongside  a  decrease  in  vertical  precision.  Pan  et  al.  (2004)  found  that  errors  in  all  compared  flow  direction  algorithms  increase  as  the  vertical  resolution  decreases. 

This suggests calculating the TWI on the highest vertical resolution possible. 

2.3.5 Depression removal in DEMs 

Digital  elevation  models  often  contain  unrealistic  local  depressions  that  affect  calculations  of  flow directions and flow  accumulation. These depressions sometimes reflect the real situation  but are often introduced during the generation of the DEM through interpolation errors. Müller‐

Wohlfeil  et  al.  (1996)  and  Irvin  et  al.  (1997)  emphasized  the  need  of  getting  rid  of  DEM  depressions  which  are  described  as  spurious  low  spots  that  are  generally  relics  of  the  DEM  generation. This confirms the findings of O’Callaghan and Mark (1984) who stated that pits or  depressions are usually rare topographic features (e. g. natural holes or quarries) or absent in  most  terrain  types,  but  not  uncommon  in  digital  elevation  models.  They  are  therefore  considered as errors. Nelson and Jones (1995) also identified depressions and pits as spurious  and attribute them to errors in elevation data. Beven (1997) also noted the common problem of  sinks in flow pathway determination in digital terrain analysis. Qin et al. (2007) pointed out the  necessity  of  DEM  pre‐processing  for  removal  of  depressions  and  flat  areas  preceding  TWI  calculation. Present flow direction algorithms need depressionless DEMs as input lest the flow  be  stopped  in  a  sink.  O’Callaghan  and  Mark  (1984)  introduced  the  techniques  of  elevation  smoothing  (reducing  the  number  of  artificial  pits  by  a  weighted  sum  of  a  point  and  its  eight  neighbours) and iterative interior pit removal. Elevation smoothing only identifies and removes  shallow pits whereas deeper sinks remain. Pit removal involves identifying the point of a basin  where water would overflow from the pit basin. This point lies on the boundary of the pit with  minimum elevation difference to the pit. Another approach is to fill the identified pits, i.e. e. to  match one particularly low elevation value to the lowest value of the surrounding pixels. Jenson  and  Domingue  (1988)  refined  pit  removal  implementing  neighbourhood  techniques  and  iterative  spatial  techniques.  Planchon  and  Darboux  (2001)  present  a  new  method  for  filling  depressions  in  DEMs.  This  new  approach  inundates  the  whole  DEM  surface  and  removes  the  excessive water afterwards instead of gradually identifying pits and filling them. The process is 

(21)

19

simple  to  implement  with  low  computational  complexity.  Furthermore,  it  is  possible  to  add  slope to the filled sinks to overcome the limitations of flow direction algorithms in flat areas. 

2.4 Flow direction algorithms 

Flow  direction  algorithms  decide  about  how  flow  propagates  from  one  grid  cell  to  other  grid  cells. Thus, they determine the total upslope area entering one grid cell and the effective contour  length orthogonal to the flow direction. The cumulative upslope area α needed in the TWI can  then be calculated from the relationship: 

⁄                         (2) 

where  α = cumulative upslope area 

      A = total upslope area 

  L = effective contour length 

Hillslope geometry and flow partitioning greatly affect the spatial patterns of the TWI (Aryal and  Bates, 2008). The mixture of convex and concave features (Kim and Lee, 2004) as well as errors  in  elevation  data  (Walker  and  Willgoose,  1999)  complicate  the  essential  choice  of  the  appropriate  flow  direction  algorithm,  which  greatly  influences  the  calculation  of  upslope  contributing  areas,  flow  accumulation  and  other  processes,  e.  g.  sediment  transport  capacity  (Wilson  et  al.,  2007).  Furthermore  it  is  impractical  to  prefer  one  specific  flow  direction  algorithm  to  another.  The  algorithm  should  rather  be  chosen  according  to  the  underlying  topography. One particularly critical issue related to the determination of flow paths that has not  been resolved satisfactorily yet is flow direction routing in flat areas with no or only little height  difference. Existing flow direction algorithms have resolved this problem more or less successful  but it remains a limitation to most approaches. 

2.4.1 Single Flow Direction (SFD) algorithms 

SFD  algorithms  restrict  the  surface  and  subsurface  runoff  from  a  single  grid  cell  to  only  one  other cell without considering any other surrounding cells. No flow bifurcation and dispersive  flow is possible. Water only flows to the cell with the highest gradient (the steepest slope). SFDs  have been criticized for the lack of not being able to take flow dispersion into account, e. g. by  Aryal and Bates (2008). The SFD is furthermore incapable of returning the right flow path if the 

(22)

20

steepest  gradient  might  coincidentally  fall  between  two  of  the  eight  cardinal  and  diagonal  directions (Wolock and McCabe, 1995). 

D8 

The  D8  (deterministic  eight‐node)  algorithm  is  the  first  method  of  calculating  flow  directions  from one cell to one of its eight neighbours by O’Callaghan and Mark (1984). It is rather simple  and does not account for dispersive flow. Because flow is only assigned to the surrounding cell  with  the  steepest  downwardslope  gradient,  grid  bias  is  introduced  (Tarboton,  1997).  The  D8  method  works  well  in  valleys  but  produces  many  parallel  flow  lines  and  problems  near  catchment boundaries. 

Rho8 

Fairfield and Leymarie (1991) suggested a new method to overcome the limitations of the D8  algorithm  by  introducing  a  probability  distribution  proportional  to  altitude  difference  (slope)  between the centre and neighbouring cells. In their method, parallel flow paths are broken up  and  a  mean  flow  direction  equal  to  the  aspect  is  generated  (Wilson  et  al.,  2000).  The  flow  distribution pattern results in more cells with no upslope connections but is uniquely generated  each time. The randomness of the probability function has been criticised by Tarboton (1997)  because  SCAs  are  deterministic  quantities  and  should  therefore  be  calculated  in  a  stable,  repeatable way. 

2.4.2 Biflow Direction (BFD) algorithms 

Two Directional Edge­Centred Routing 

The  two  directional  edge‐centred  routing  algorithm  (2D‐Lea)  by  Lea  (1992)  creates  a  planar  surface prior to flow direction determination. Elevation information is interpolated and stored  on the edges of four surrounding DEM cells, creating a plane. Flow is then expressed as a flow  vector following the route a ball would take when put on the centre of a cell on the plane. This  method  allows  flow  to  be  determined  precisely  and  expressed  continuously  with  an  angle  between 0 and 2π. Flow is then directed and split towards the two cells closest to the angle. The  method lacks the possibility to disperse flow into more than two cardinal directions. 

Two Directional Block­Centred Routing 

Jensen’s  two  directional  block‐centred  routing  algorithm  (2D‐Jensen)  is  based  on  the  same  planar  concept  as  in  2D‐Lea  with  the  difference  that  not  only  four  but  nine  cells  are  used  to  determine the plane which is defined by averaging cell centre values rather than edges (Jensen, 

(23)

21

2004). Both the SFD and BFD algorithms are problematic in finding the right flow directions in  flat areas (Pan et al., 2004). 

2.4.3 Multiple Flow Direction (MFD) algorithms 

The MFD algorithm was initially proposed by Quinn et al. (1991) to improve the representation  of convergence and divergence of flow. Unlike the SFD and BFD algorithms, the MFD algorithm  allows dispersive flow from one grid cell proportionately to multiple surrounding cells. As the  D8  algorithm,  the  MFD  algorithm  is  based  upon  finding  the  steepest  slope  to  the  surrounding  eight  cells.  Downward  elevation  gradients  are  determined  for  each  possible  direction  and  multiplied with the corresponding contour lengths, respectively. This implies that flow is always  divided proportionally to all surrounding cells. Tarboton (1997) noted that this could introduce  unwanted errors because dispersive flow from one pixel is not necessarily directed towards all  pixels in the vicinity with lower elevation. 

Quinn  et  al.  (1991)  used  a  slightly  different  formula  for  the  contour  length  calculation  than  Wolock and McGabe (1995) who first described the implementation of the MFD algorithm in the  ARC/INFO  framework.  According  to  Wolock  and  McCabe  (1995),  MFDs  tend  to  give  more  realistic‐looking  spatial  patterns  of  accumulating  area  than  single‐directional  flow  algorithms  where  flow  is  expressed  in  distinct  lines.  Although  the  MFD  algorithms  can  not  overcome  the  limitation of flow determination in flat areas where slope values become rather small, they still  provide better results than the SFD and BFD algorithms (Pan et al., 2004). Kim and Lee (2004)  pointed  out  another  limitation  of  the  initial  MFD  algorithm.  Dispersive  flow  is  only  possible  towards eight discrete directions. This drawback has been resolved by the concept of a flow tube  network within the Digital Elevation Model Networks (DEMON) algorithm by Costa‐Cabral and  Burges (1994) which enables flow in continuous directions from 0 to2π. Another disadvantage  of the MFD is flow overdissipation and braiding near channel pixels especially in convex‐shaped  topography as has been pointed out by Quinn et al. (1995).  

FD8 

The limitation of D8 algorithm only being able to direct flow to one of eight surrounding cells  has been overcome by the FD8 algorithm that allows catchment spreading and flow dispersion  to  be  represented  (Moore  et  al.,  1993).  The  algorithm  allows  dispersive  flow  in  upland  areas  (above defined channels) but uses the initial SFD D8 algorithm below channel initiation points. 

Although  the  problems  of  parallel  flow  and  single  flow  could  be  resolved,  some  issues  still  remain.  Mendicino  and  Sole  (1997)  noted  that  the  FD8  algorithm  simulates  flow  poorly  in  certain topographic conditions (e. g. alluvial plains). In these areas a pronounced expansion of 

(24)

22

surface  runoff  along  the  alluvial  plains  occurs  instead  of  a  well  delineated  stream  channel  network. 

FRho8 

As the FD8 is for the D8 algorithm, the FRho8 is an advancement of the Rho8 algorithm. FRho8  can be described as the combination of the MFD algorithm by Quinn et al. (1991) and the SFD  algorithm Rho8. Firstly, the algorithm identifies all downslope neighbouring points to a channel  initiation  point  and  respectively  calculates  the  slope  gradients.  Secondly,  flow  is  distributed  among  the  surrounding  cells  according  to  the  Rho8  procedure.  The  upslope  contributing  and  SCAs are then determined using the flow width and flow accumulation approaches as in the D8  algorithm.  The  improvements  made  result  in  more  realistic  contributing  areas  and  solve  the  problem  of  parallel  flow  paths.  Wilson  and  Gallant  (1996)  noted  that  the  flow  dispersion  algorithm should best be disabled in high contributing areas, because stream lines are usually  quite well defined. According to Mendicino and Sole (1997), the algorithm leads to problems in  channel network definition.  

MFD­md 

Qin et al. (2007) developed a modified MFD as proposed by Quinn et al. (1991). The MFD‐md  algorithm is adaptive to local terrain conditions and uses   as a linear function of maximum  downslope  gradient.  Thus,  the  flow  accumulation  can  be  modelled  more  reasonably.  In  comparison  to  the  original  MFD  algorithm,  MFD‐md  achieves  fewer  errors  in  the  calculated  cumulative upslope area α.  

The  MFD‐md  algorithm  results  in  smoother  spatial  TWI  distributions  which  gives  a  more  realistic state of flow, especially in flat areas. Additionally, TWI values tend to be slightly smaller  than  the  ones  calculated  with  the  approach  based  on  Quinn  et  al.  (1991).  As  other  MFD  algorithms,  the  MDF‐md  algorithm  still  can  not  get  rid  of  the  problems  occurring  in  flat  areas  where soil moisture distribution should be homogeneous. Initial removal of sinks and pits is also  necessary.  

DEMON 

The DEMON algorithm was developed by Costa‐Cabral and Burges (1994) and is based on the  planar  representation  as  initially  described  by  Lea  (1992).  DEMON  was  created  to  overcome  existing restrictions of the D8 algorithm. Flow is represented in two dimensions and directed by  aspect in a flow tube network. Flow is generated at each source pixel and routed down a stream  tube  until  a  sink  is  encountered  or  the  DEM  boundaries  are  reached.  The  stream  tubes  are  constructed from points of intersections of lines drawn in gradient direction and grid cell edges. 

(25)

23

Contributing and dispersal areas can be determined. Main advantages as pointed out by Costa‐

Cabral and Burges (1994) are those of contour based models according to Moore et al. (1988). 

Furthermore, DEMON is able to represent varying flow width over non planar topography and  can be calculated on rectangular grid DEMs. Additionally, the DEMON algorithm represents the  hillslope aspect better than the D8 algorithm. Curved flow paths are also represented in contrast  to  the  D8  algorithm  (Costa‐Cabral  and  Burges,  1994).  Another  advantage  as  pointed  out  by  Wilson  and  Gallant  (1996)  is  that  DEMON  shows  the  differences  between  convergent  and  divergent  areas  more  accurately  than  the  FD8  and  FRho8  algorithms.  However,  the  DEMON  algorithm  has  problems  with  unwanted  indentations  in  isolines  which  occur  by  the  approximation of conical surfaces by a mosaic of planes. These could only be resolved by a non‐

planar surface fitting. However, this would yield large computational expenses and a high risk of  error introduction and is therefore unsuitable. This limitation could be fixed by the D1 algorithm  by  Tarboton  (1997)  who  found  the  DEMON  algorithm  not  working  correctly  in  flat  areas  and  when exceptions in data sets occur. 

D∞ 

The  D∞  algorithm  was  invented  by  Tarboton  (1997).  It  is  based  on  the  concept  of  MFD  algorithms but incorporates the idea of a block‐centred surface fitting scheme as the 2‐D Lea, 2‐

D  Jensen  and  DEMON  algorithms.  The  new  approach  of  flow  dispersion  is  based  on  the  calculation of a single angle between 0 and 2π being the steepest downward slope on the eight  triangular facets centered at each pixel. Then, upslope area is determined by dividing the flow  between two downslope pixels according to how close this flow direction is to the direct angle to  the downslope pixel. Flow in flat areas is treated as proposed by Garbrecht and Martz (1997). 

The  algorithm  is  considered  advantageous  because  of  its  abilities  to  minimise  unrealistic  dispersion in the calculation of the cumulative upslope area α and to handle ridges, pits and flat  areas in natural catchments.  

Tracking Flow Direction (TFD) algorithm 

The  TFD  algorithm  was  created  by  Pan  et  al.  (2004)  to  overcome  the  limitations  of  TWI  calculation in flat areas. It treats minimum slope values as in Wolock and McGabe (1995) while  the  flow  direction  is  determined  according  to  the  ARC/INFO  flow  direction  module.  The  TFD  algorithm is found to give superior results in flat areas in comparison to the other flow direction  algorithms.  

Spatially distributed flow apportioning algorithm (SDFAA) 

Kim and Lee (2004) propose a new integrated flow determination algorithm. A spatially varying  flow apportioning factor is introduced in order to distribute the contributing area from upslope 

(26)

24

cells  to  downslope  cells.  An  iterative  process  of  parameter  optimization  using  a  Genetic  Algorithm (GA) is implemented. 

The  SDFAA  was  found  advantageous  to  existing  approaches.  A  field  example  showed  less  overdissipation  problems  near  channel  cells,  a  robust  parameter  determination  and  the  connectivity  feature  of  river  cells.  However,  and  in  contrast  to  other  algorithms,  the  SDFAA  requires the channel location as an additional input. Similar to other flow direction models, the  removal  of  depressions  and  flat  areas  in  elevation  data  is  necessary  prior  to  algorithm  application. The SDFAA further resolves valley bottom overdissipation problems of the MFD and  provides  a  more  flexible  allowance  of  flow  distribution  to  downslope  cells.  Furthermore  it  reduces  some  problems  concerning  flow  determination  in  complicated  field  topography. 

However,  the  application  of  the  spatially  distributed  flow  apportioning  algorithm  to  other  watersheds still needs to be investigated (Kim and Lee, 2004). 

2.4.4 Algorithm comparison 

Wolock  and  McCabe  (1995)  found  that  mean  TWI  values  increase  and  that  smoother  TWI  patterns  across  the  DEM  surface  result  when  using  MFD  algorithms  in  comparison  to  SFD  algorithms. Desmet  and  Govers  (1996)  examined  the  influence  of  different  flow  routing  algorithms  on  upslope  contributing  areas  which  are  considerably  smoother  for  multiple  flow  algorithms  and  the  prediction  of  ephemeral  gullies.  The  latter  could  be  modelled  more  accurately with multiple flow models because single flow routing algorithms are highly sensitive  to small errors in elevation data. On the whole, Desmet and Govers (1996) found the D8 and 2D‐

Lea algorithms superior for they visually seem to correlate better with the main drainage lines. 

Mendicino  and  Sole  (1997)  noted  that  the  D8  and  Rho8  procedures,  although  conceptually  different,  produce  similar  distribution  functions  of  the  TI.  The  FRho8  and  DEMON  procedures  were  additionally  identified  to  behave  similarly  as  the  Rho8  algorithm.  For  this  reason  it  is  suggested to calculate flow directions with a mixed procedure, based on the method of Quinn et  al. (1995). 

Gallant  and  Wilson  (1996)  stated  that  the  FD8  and  FRho8  algorithms  are  superior  to  the  D8  algorithm  because  they  result  in  more  realistic  distributions  of  contributing  areas  in  upslope  areas and their ability to resolve the problem of parallel unrealistic flow paths. 

The  DEMON  and  2D‐Lea  algorithms  have  the  advantage  that  they  are  able  to  determine  flow  directions  precisely  and  that  they  are  deterministic.  Errors  may  however  be  introduced  in  creating the plane through grid cells (Tarboton, 1997). Flow according to MFD as proposed by 

(27)

25

Quinn et al. (1991) follows the topographic slope but introduces significant dispersion. Tests on  the basis of the evaluation of test statistics and examination of influence and dependence maps  on DEMs with different resolutions show that the D∞ algorithm performs better than D8, 2D‐

Lea and MFD as proposed by Quinn et al. (1991) in terms of upslope area calculation. Tarboton  (1997)  found  the  D∞  and  DEMON  algorithms  to  generally  work  best.  They  both  produce  smallest  errors  in  the  comparison  of  calculated  and  theoretical  upslope.  The  D∞  algorithm  additionally  overcomes  the  problems  of  loops  and  inconsistencies  of  the  DEMON  and  other  plane‐fitting models. 

Wilson  et  al.  (2000)  examined  the  effects  of  DEM  source,  grid  resolution  and  choice  of  flow  direction routing algorithms on five topographic attributes. SFD algorithms result in more cells  with rather small upslope contributing areas. FRho8 and DEMON agreed best with each other in  surface comparison. 

According to Zhou and Liu (2002) the infinite  flow direction  algorithm proposed  by Tarboton  (1997)  achieves  better  drainage  configurations  than  other  algorithms  when  using  rasterized  topographic data to calculate catchment areas. 

Endreny and Wood (2003) explored the congruence which is explained as the overlap between  field‐sketched flow path networks observed during a storm and the calculated moisture indices  of observed and DEM‐delineated overland flow networks on a 30 m horizontal resolution DEM. 

Five common flow direction algorithms were compared in terms of their spatial congruence. The  D8 and MFD algorithms were assigned the lowest congruence ratings whereas the 2D‐Lea and  D∞  algorithms,  which  direct  flow  to  a  maximum  of  two  neighbours,  produced  the  highest  congruence ratings. The modifications to the D8 and MFD methods allowing limited dispersive  flow could increase congruence. Dispersive flow to two or three surrounding cells is suggested  as an optimum.  

Pan et al. (2004) evaluated the performance of six different floating algorithms (combinations of  flow direction and slope algorithms) by Root‐Mean‐Square Error (RSME) comparison on three  different idealized hillslopes (planar, convergent and divergent (concave and convex)) and two  combinations of vertical and horizontal terrain data resolutions, respectively. Among the tested  algorithms, the MFD algorithm was found to be most accurate in all examined cases, followed by  the  BFD  and  SFD  algorithms  which  especially  produced  significant  errors  when  contour  lines  were not parallel to one of the eight cardinal flow directions. In all cases it could be observed  that TWI errors decreased with an increasing vertical resolution independent on the underlying  flow direction algorithm. The differences in  algorithm‐based determination of contour lengths  did not greatly affect the results. Additionally it could be found that the RMSE of the calculated 

(28)

26

topographic  indices  compared  to  initial  slopes  and  contour  lengths  increases  with  increasing  slope values. The TFD worked best in flat areas where the SFD and BFD have problems resolving  the right  flow direction.  Since the MFD  algorithm calculates dispersive  flow it propagates to a  broader region than the SFD and BFD algorithms. 

Güntner et al. (2004) recommended an intermediate approach between SFDs and MFDs. 

Results from different studies (Wolock and McCabe, 1995; Desmet and Govers, 1996; Tarboton,  1997; Wilson et al., 2000 and Endreny and Wood, 2003) show that existing algorithms behave  differently according to  the underlying landscape (e. g. planar, conical, hilly and steep or flat). 

The current state of research is not yet able to recommend a specific flow routing model suitable  for all of the varying landforms. Wilson et al. (2007) compared the performance of several flow  direction  algorithms  on  a  10  m  resolution  DEM  across  six  different  fuzzy‐defined  landscape  classes and tested the hypotheses that the performance of five flow routing algorithms does not  change with the flow descending from steeper to flatter terrain (1) and that the performance of  those algorithms does not vary across different fuzzy‐classified landscapes (2). The lowest mean  SCA occurred on hilltops and ridgelines becoming higher as the terrain became flatter. Overall,  landscape can be divided into two groups (high elevation and low elevation) based on the SCA  calculation results. All in all, the results of the comparison show which flow routing algorithms  give  similar  or  different  results  and  where  differences  lie,  but  they  can  not  indicate  which  algorithm works best for what landscape type in regard of measured soil moisture or hydrologic  theory. All in all, the results suggest that the D∞, MFD, and DEMON algorithm performed better  than the D8 and Rho8 algorithms.  

Sørensen  et  al.  (2006)  compared  TWIs  calculated  with  different  modifications  and  evaluated  them  in  terms  of  their  correlations  with  five  soil  moisture  related  parameters.  Upslope  area,  creek cell representation and slope were determined according to different theories. Although  correlations  could  be  observed,  no  TWI  combination  was  found  superior  for  all  measured  variables. It is therefore assumed that the best method varies and is site specific. 

2.5 Soil moisture retrieval in remote sensing  

With  readily  available  high  resolution  and  consistent,  long‐term  remote  sensing  records  and  progress  in  digital  image  processing  techniques  as  well  as  the  tendency  towards  macro  scale  modelling,  the  combination  of  remote  sensing  and  hydrological  modelling  becomes  more  and  more  promising.  Remote  sensing  can  provide  large  scale  distributed  data  sets  where  ground  based  measurements  are  unavailable.  However,  the  determination  of  small  scale  hydrologic 

(29)

27

features is not sufficient. Determination of fluxes and parameterization of hydrologic processes,  e.  g.  evaporation,  infiltration,  runoff  or  drainage  still  require  detailed  hydrological  models  (Dubayah et al., 1995). There have already been some attempts to combine remote sensing and  hydrologic modelling (Milly and Kabala, 1985; Houser et al., 1998; Bauer et al. 2006). Lin et al. 

(1994)  compared  remotely  sensed  and  simulated  moil  moisture  over  a  heterogeneous  watershed  and  found  both  techniques  to  be  consistent  with  ground  measurements.  Kite  and  Pietroniro  (1996)  presented  a  comprehensive  overview  of  remote  sensing  applications  in  hydrologic modelling. 

2.5.1 Soil moisture retrieval techniques 

Soil  moisture  retrieval  with  remote  sensing  techniques  can  be  achieved  in  all  regions  of  the  electromagnetic spectrum. Comprehensive comparisons between different retrieval techniques  can be found in Bryant et al. (2003) and Moran et al. (2004). Engman and Gurney (1991) present  an overview of soil moisture retrieval techniques and analyse their capabilities, advantages and  disadvantages.  The  following  methods  mentioned  have  been  successfully  used  to  model  soil  moisture and are briefly described: 

Gamma radiation techniques 

The  detection  of  soil  moisture  is  based  on  the  different  natural  gamma  radiation  flux  emitted  from dry and wet soils and captured by airborne sensors at a height of 100 m to 200 m, because  the atmosphere attenuates the radiation flux. Background soil moisture and gamma count rate  need to be obtained by antecedent calibration flights as additional parameters. 

Hyperspectal techniques 

Reflected solar radiation is measured. Soil moisture can be estimated by unequal albedos (wet  soils have lower albedos than dry soils). Many confounding factors such as surface roughness,  angle  of  incidence,  vegetation  cover  and  soil  colour  and  texture  complicate  moisture  determination. 

Thermal techniques 

Thermal  techniques  make  use  of  the  relation  of  diurnal  surface  temperature  change  and  soil  moisture. Surface temperature is primarily dependent on thermal inertia of soil, which in turn is  related  to  thermal  conductivity  and  heat  capacity.  With  increasing  soil  moisture,  both  the  thermal  conductivity  and  heat  capacity  rise.  Using  thermal  techniques  requires  anterior  knowledge of the soil type, is limited to bare, unvegetated soils and retrieves soil moisture only 

References

Related documents

Esther Githumbi, York Institute for Tropical Ecosystems, Environment Department, University of York, Heslington, York, YO10 5NG, United Kingdom.

Tillsammans med diskussionsfrågorna stimulerar detta till reflektion och diskussion kring undervisning och lärande i fysik, vilket är centralt för att våra studenter ska kunna

När man skall välja segment skall man begrunda två dimensioner: attraktionskraften och hur väl företaget passar in. • Segmentets Attraktionskraft- När man har samlat in

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Den förbättrade tillgängligheten berör framför allt boende i områden med en mycket hög eller hög tillgänglighet till tätorter, men även antalet personer med längre än

Respiratory infection during lithium and valproate medication: a within-individual prospective study of 50,000 patients with bipolar disorder.. Respiratory infection during lithium

Pre-illness changes in dietary habits and diet as a risk factor for in flammatory bowel disease: a case- control study. Thornton JR, Emmett PM,

More correct would have been to include all grades of positivity for p53, excluding grade 6, giving figures for OLP of 98% and for oral SCC of 78% in the study