A hierarchical graph matching method to assess accuracy of network extraction from DTM

International audienceMore and more elevation data and methods are available to automatically map hydrographic or thalweg networks. However, there are few methods to assess the network quality. The most used method to compare an extracted network to a reference network gives global quality information on only geographic criterion. The method proposed in this paper allows a network assessment compared to a reference network whose results can be interpreted more easily and more related to networks morphologies. This method is based on a hierarchical node matching within a graph. Nodes are classified by hierarchical level according to their importance in the tree-structured network. Then, a matching process seeks for nodes pairs between the two networks based on the geographic distance. The hierarchy introduces a priority order in the matching. The relative location of nodes pairs is checked in order to ensure a topological consistency. Finally, similarity statistics based on nodes matching counts are computed. While the usual method only takes into account a geographic criterion, the presented method integrates geographic, geometric and topologic criteria. It is an interactive and object-by-object matching. Moreover, the hierarchical approach helps comparing networks represented at different scales. It provides global statistics but also step-by-step maps that helps characterizing the spatial distribution of network delineation errors

Robust badlands thalwegs network extraction from DTM for topological characterisation

International audienceThis paper presents methods to extract badlands thalwegs network from regular grid DTM by combining a terrain morphology indices to a drainage algorithm. The computation of a continuous vector network will permit the study of the badlands spatial patterns. Thess methods aim at delineating a thalweg only where the DTM denotes a significant curvature with respect to DTM accuracy. It relies on three major steps. Firstly, discontinuous concave areas are detected from the DTM using morphological criteria; the plan curvature and the convergence index . Secondly, the concave convergence areas are connected using a drainage algorithm which provides continuous and tree-structured thick scheme. We assume that these areas present physical significance and corresponds to a gully floor area. Finally, the thick path is reduced to its main curve and vectorised to obtain a thalwegs network. The methods are applied on both virtual and actual cases DTM. The actual case is a LiDAR DTM of Draix Badlands (French Alps). The obtained networks are quantitatively compared both to the one obtained with usual drainage area criteria and to a reference network. The networks comparison shows the great potential of the converge index based method for thalweg network extraction

Extraction of thalweg networks from DTMs: application to badlands

Contact: [email protected] study gully spatial patterns in the badlands using a continuous thalweg vector network, this paper presents methods to extract the badlands' thalweg network from a regular grid digital terrain model (DTM) by combining terrain morphology indices with a drainage algorithm. This method will delineate a thalweg only where the DTM denotes a significant curvature with respect to DTM accuracy and relies on three major steps. First, discontinuous concave areas were detected from the DTM using morphological criteria, either the plan curvature or the convergence index. Second, the concave areas were connected using a drainage algorithm, which provides a continuous, thick, tree-structured scheme. We assumed that these areas were physically significant and corresponded to a gully floor. Finally, the thick path was reduced to its main course and vectorised to obtain a thalweg network. The methods were applied to both virtual and actual DTM cases. The actual case was a LiDAR DTM of the Draix badlands in the French Alps. The obtained networks were quantitatively compared, both with a network obtained using the usual drainage area criteria and with a reference network mapped in the field. The CI-based network showed the great potential for thalweg network extraction

Analyse spatiale de réseaux de ravines hiérarchisées à partir de MNT à différentes résolutions : application aux badlands de Draix (Alpes de Haute-Provence)

Badlands terrains, such as Draix experimental basins (French Alps), undergo active erosion and rapid evolution of landforms. These highly dissected areas are formed of gully networks. To better understand their morphology, we need tools to describe, compare and model the gully networks, for different spatial scales. In this work, we propose tools based on the use of numerical methods and data (especially DTM) which allow stable network description and comparison. We assume that the gully networks can be represented by the thalweg networks. For this purpose, we assume that these networks can be represented by networks of troughs associated. We provide objective and reproducible methods to extract thalweg networks and evaluate their quality. Then, we focus on choosing, computing and analyzing relevant descriptors, related to the morphology: local descriptors describing the network components on one hand and on the other hand, global descriptor of spatial organization of the network, the fractal dimension.Les badlands, tels ceux des bassins expérimentaux de Draix (Alpes de Haute-Provence), sont des terrains où les processus d’érosion sont actifs et l’évolution des formes relativement rapide. Pour une meilleure compréhension de leur morphologie, nous cherchons des outils pour décrire, comparer et modéliser ces secteurs de forte dissection, composés de réseaux de ravines ; et ceci pour différentes échelles spatiales. Dans ce travail, nous proposons des outils fondés sur l’utilisation de méthodes et données numériques, en particulier des MNT, qui permettent une description stable des réseaux de ravines et des comparaisons raisonnées. Pour cela, nous faisons l’hypothèse que ces réseaux peuvent être schématisés par les réseaux de talwegs associés. Nous proposons des méthodes objectives et reproductibles d’extraction de réseaux de talwegs puis d’évaluation de leur qualité. Nous nous attachons ensuite au choix, méthode d’obtention et analyse de descripteurs pertinents, en lien avec la morphologie : d’une part des descripteurs locaux, décrivant les éléments du réseau et d’autre part un descripteur global de l’organisation spatiale du réseau, la dimension fractale

Evaluation de l'extraction de réseaux de talwegs à partir de MNT : application aux badlands

National audienceLes secteurs densément ravinés (badlands) produisent une grande quantité de matière qui transite par le réseau de drainage. Celui-ci peut être considérer comme une schématisation de l'érosion en ravines. Si dans ces secteurs les écoulements ne sont pas permanents, les talwegs sont l'expression morphologique du chemin de l'eau. De nombreux secteurs de badlands marneux se situent dans le bassin de la Durance. Pour l'étude du transport de l'eau et des matériaux d'une part et la caractérisation des schémas d'érosion d'autre part, il est important d'avoir une connaissance fine et maitrisée des réseaux de talwegs, notamment de leur position et structure dans l'espace du bassin versant. Pour tester et améliorer cette connaissance, les bassins expérimentaux de Draix du Cemagref (ORE Draix-Bléone) situés dans les Préalpes de Dignes constituent un terrain privilégié. Les techniques d'acquisition et de traitement de données rendent possible la cartographie rapide et systématique de réseau de talwegs à partir de Modèles Numériques de Terrain (MNT). Ils existent de nombreuses méthodes d'extractions (O'Callaghan et Mark, 1984 ; Quinn et al., 1991 ; Lea, 1992 ; Tarboton, 1997, Thommeret et al., 2010), chacune présentant des avantages et des inconvénients. Les réseaux de talwegs issus des MNT sont des modèles qu'il paraît important de confronter à la réalité-terrain. Pour évaluer la qualité d'une représentation, il est nécessaire de disposer d'un outil permettant de comparer de manière quantitative et synthétique des représentations de réseaux d'un même bassin selon des critères intégrant la géométrie, la géographie, et la topologie. Les principales méthodes de comparaisons de réseaux et de graphes proposées dans la littérature (Heikpe, 1997), sont basées soit sur un critère de longueur, qui ne prend en compte qu'un aspect de la géométrie du réseau soit sur des critères purement topologiques (Ferraro et godin, 2010) qui ne sont pas adaptés à notre cas d'étude. Au regard de ce qui existe dans la littérature, l'objectif de ce travail est de proposer une méthode d'évaluation numérique de similarité entre les réseaux prenant en compte de manière conjointe les trois critères suivants de réseaux arborescents : la géométrie, la topologie et le positionnement géographique. Dans un premier temps, la méthode présentée propose de rechercher, pour les deux réseaux considérés, des couples de tronçons homologues. La recherche d'homologues est réalisée en lien avec la hiérarchie des réseaux : on considère d'abord les tronçons principaux puis les plus secondaires. Le repérage des tronçons principaux n'est pas évident et nécessite une définition précise qui repose dans ce travail sur des indices topologiques de réseau (tel que l'ordre de Shreve). Dans un second temps, des statistiques de similarité sont calculées. Ces statistiques permettent d'obtenir une mesure de proximité des réseaux

Uncertainties in the estimation of talweg network fractal dimension

International audienc

MNT à très haute résolution dans les modelés fortement disséqués : des données aux tests d'application

National audienceLes MNT à très haute résolution spatiale sont désormais accessibles pour des secteurs fortement disséqués comme les badlands. Ces représentations numériques de l'altimétrie sous une forme spatialisée sont porteuses d'utilisations multiples et nouvelles pour la connaissance, le suivi et la modélisation des zones érodées. Nous explorons ici des MNT à très haute résolution spatiale, c'est à dire avec des résolutions de quelques centimètres à quelques mètres et avec des qualités de restitution en Z (altitude) meilleures que le mètre. Après une brève présentation des techniques d'acquisition de ces MNT à partir d'images stéréoscopiques ou du Lidar et des précisions qui leur sont associées, on rappelle quelles sont les transformées de l'altitude utiles pour la morphologie. Afin de montrer quelques unes des possibilités qu'ouvrent ces nouvelles données, diverses applications, menées sur les petits bassins versants marneux de l'Observatoire de Recherche et d'Expérimentation de Draix (Alpes, France), sont détaillées. Elles ont trait, d'abord, à l'extraction du réseau des talwegs à partir de MNT à 2 m (et de MNT dégradés à 4, 8, 20 mètres) et au calcul de sa dimension fractale pour les résolutions à 2 m et 8 m ; puis au repérage automatique de ravines sur critères morphologiques simples afin d'aider à la localisation d'aménagements anti-érosifs. On montre enfin les potentialités des topographies précises par Lidar terrestre pour repérer d'étroites rigoles, suivre leur évolution, ou établir des bilans d'érosion sur versant alors qu'une précision d'ordre centimétrique est requise

Robustness of fractal dimension estimators for vector talweg network characterization

International audienceThe fractal approach is often used to characterize natural objects. Numerous studies have focused on fractal analysis of river networks in particular. However, only few papers discuss the estimation methods and the uncertainty of the main fractal indicator, the fractal dimension. Firstly, the distinction between infinite mathematical fractal and nature fractal should be taken into account to estimate fractal dimension. Moreover, the networks are most of the time integrated in GIS database and represented by vector object. This type of representation possesses its own properties and we think that the impact on fractal measure should be evaluated. In this context, the work we propose aims at testing the robustness of different fractal dimension estimators for the characterization of vector talweg networks. We focus on the two most popular estimators: a classical estimator for river networks, based on a topological approach with the Horton-Strahler ratios, and the box-counting dimension, based on a geometric approach. A third estimator, the less known correlation dimension, also based on a geometric approach, offers interesting possibility for calculating a stable fractal indicator, in particular in the case of a reduced number of stream-segments. These methods are applied on both virtual (such as Scheidegger network), and actual vector networks. The actual case is a network extracted from a high resolution DTM of the Draix badlands in the French Alps. Three main methodological results can be highlighted: 1- the study of virtual network contributes to the assessment of the estimators relevance, according to the network branching structure; 2- an empirical fractal domain must be determined on the Log-Log curve with an objective method to estimate fractal dimensions that can be compared; 3- the observation of uncertainty of the fractal dimension is necessary for any valid comparison