Параллельные вычисления направлений стока на шестиугольных дискретных глобальных сеточных моделях

Геоинформатика
УДК: 
528.235:52-17
DOI: 
10.22389/0016-7126-2024-1013-11-35-44
1 Шурыгина А.А.
2 Самсонов Т.Е.
3 Лурье И.К.
Год: 
2024
№: 
11
1013
Страницы: 
35-44

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)

1, 
2, 
3, 
Аннотация:
Наборы данных глобального мелкомасштабного гидрологического моделирования (направления стока, водосборная площадь, границы бассейнов и др.) востребованы во многих науках о Земле. Существуют исследования, в которых гидрологические алгоритмы успешно применяются на шестиугольных дискретных глобальных сеточных системах, хотя и локально. Известно, что обработка данных крупного регионального и глобального охвата требует много времени и вычислительных ресурсов. Один из способов решения этой проблемы – параллельные вычисления: исходные данные разбиваются на фрагменты относительно небольшого размера, обрабатываются и затем сшиваются в единое покрытие. До настоящего времени такой подход не был разработан применительно к дискретным глобальным сеточным системам. Решению этой проблемы посвящена настоящая статья: получены методика и технология параллельного вычисления направлений стока на гексагональных дискретных глобальных сеточных системах; предложены алгоритмы решения специфичных для дискретных глобальных сеточных систем задач хранения направлений стока и их определения на плоских участках. Результаты исследования будут полезны не только для гидрологического анализа, но и в других областях, использующих алгебру карт на гексагональных дискретных глобальных сеточных системах
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-27-00232

Список литературы: 
1.   Кошель С. М., Энтин А. Современные методы расчета распределения поверхностного стока по цифровым моделям рельефа // Геоморфологи: Сб. статей. – Вып. 6. Современные методы и технологии цифрового моделирования рельефа в науках о Земле. – М.: Медиа-Пресс, – 2016. – С. 24–34.
2.   Шурыгина А.А., Самсонов Т.Е. Оценка изменения количества информации в шестиугольных дискретных глобальных сеточных системах с апертурой семь // Геодезия и картография. – 2023. – № 12. – С. 27-37. DOI: 10.22389/0016-7126-2023-1002-12-27-37.
3.   Arge L., Chase J. S., Halpin P., Toma L., Vitter J. S., Urban D., Wickremesinghe R. (2003) Efficient Flow Computation on Massive Grid Terrain Datasets // GeoInformatica. 7, pp. 283–313. DOI: 10.1023/A:1025526421410.
4.   Barnes R. (2016) Parallel Priority-Flood depression filling for trillion cell digital elevation models on desktops or clusters // Computers and Geosciences. 96, pp. 56–68. DOI: 10.1016/j.cageo.2016.07.001.
5.   Barnes R. (2017) Parallel non-divergent flow accumulation for trillion cell digital elevation models on desktops or clusters // Environmental Modelling and Software. 92, pp. 202–212. DOI: 10.1016/j.envsoft.2017.02.022.
6.   Barnes R. (2018) RichDEM: High-performance terrain analysis DOI: 10.7287/peerj.preprints.27099v1.
7.   Barnes R., Lehman C., Mulla D. (2014) Priority-flood: An optimal depression-filling and watershed-labeling algorithm for digital elevation models // Computers and Geosciences. 62, pp. 117–127. DOI: 10.1016/j.cageo.2013.04.024.
8.   Eilander D., Van Verseveld W., Yamazaki D., Weerts A., Winsemius H. C., Ward P. J. (2021) A hydrography upscaling method for scale-invariant parametrization of distributed hydrological models // Hydrology and Earth System Sciences. 25 (9), pp. 5287–5313. DOI: 10.5194/hess-25-5287-2021.
9.   Fekete B. M., Vörösmarty C. J., Lammers R. B. (2001) Scaling gridded river networks for macroscale hydrology: Development, analysis, and control of error // Water Resources Research. 37 (7), pp. 1955–1967. DOI: 10.1029/2001WR900024.
10.   Florinsky I. V. (2017) Spheroidal equal angular DEMs: The specificity of morphometric treatment // Transactions in GIS. 21 (6), pp. 1115–1129. DOI: 10.1111/tgis.12269.
11.   Gudmundsson L., Boulange J., Do H. X., et al. (2021) Globally observed trends in mean and extreme river flow attributed to climate change // Science. 371 (6534), pp. 1159–1162. DOI: 10.1126/science.aba3996.
12.   Hutchinson M. F. (1989) A New procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits // Journal of Hydrology. 106, 3-4, pp. 211–232. DOI: 10.1016/0022-1694(89)90073-5.
13.   Jenson S. K. (1991) Applications of hydrologic information automatically extracted from digital elevation models // Hydrological Processes. 5 (1), pp. 31–44. DOI: 10.1002/hyp.3360050104.
14.   Jenson S. K., Domingue J. O. (1988) Extracting Topographic Structure from Digital Elevation Data for Geographic Information System Analysis // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 54, 11 , pp. 1593–1600.
15.   Lehner B., Grill G. (2013) Global river hydrography and network routing: Baseline data and new approaches to study the world’s large river systems // Hydrological Processes. 27, 15 , pp. 2171–2186. DOI: 10.1002/hyp.9740.
16.   Li M., McGrath H., Stefanakis E. (2022) Geovisualization of Hydrological Flow in Hexagonal Grid Systems // Geographies. 2 (2), pp. 227–244. DOI: 10.3390/geographies2020016.
17.   Liao C., Tesfa T., Duan Z., Leung L. R. (2020) Watershed delineation on a hexagonal mesh grid // Environmental Modelling and Software. 128 104702, DOI: 10.1016/j.envsoft.2020.104702.
18.   Liao C., Zhou T., Xu D., et al. (2022) Advances in hexagon mesh-based flow direction modeling // Advances in Water Resources. 160 104099, DOI: 10.1016/j.advwatres.2021.104099.
19.   Lucas-Picher P., Arora V. K., Caya D., Laprise R. (2003) Implementation of a large-scale variable velocity river flow routing algorithm in the Canadian Regional Climate Model (CRCM) // Atmosphere-Ocean. 41 (2), pp. 139–153. DOI: 10.3137/ao.410203.
20.   Ma Y., Li G., Yao X., Cao Q., Zhao L., Wang S., Zhang L. (2021) A Precision Evaluation Index System for Remote Sensing Data Sampling Based on Hexagonal Discrete Grids // ISPRS International Journal of Geo-Information. 10 (3), pp. 194. DOI: 10.3390/ijgi10030194.
21.   Martz L. W., Garbrecht J. (1998) The treatment of flat areas and depressions in automated drainage analysis of raster digital elevation models // Hydrological processes. 12 (6), pp. 843–855. DOI: 10.1002/(SICI)1099-1085(199805)12:63.0.CO;2-R.
22.   Miller J. R., Russell G. L., Caliri G. (1994) Continental-Scale River Flow in Climate Models // Journal of Climate. 7 (6), pp. 914–928. DOI: 10.1175/1520-0442(1994)0072.0.CO;2.
23.   O’Callaghan J. F., Mark D. M. (1984) The extraction of drainage networks from digital elevation data // Computer vision, graphics, and image processing. 28, 3 , pp. 323–344. DOI: 10.1016/S0734-189X(84)80011-0.
24.   Olivera F., Lear M. S., Famiglietti J. S., Asante K. (2002) Extracting low-resolution river networks from high-resolution digital elevation models // Water Resources Research. 38 (11), pp. 13-1–13-8. DOI: 10.1029/2001WR000726.
25.   Paz A. R., Collischonn W., Lopes Da Silveira A. L. (2006) Improvements in large-scale drainage networks derived from digital elevation models // Water Resources Research. 42 (8), pp. 2005WR004544. DOI: 10.1029/2005WR004544.
26.   Planchon O., Darboux F. (2002) A fast, simple and versatile algorithm to fill the depressions of digital elevation models // CATENA. 46 (2–3), pp. 159–176. DOI: 10.1016/S0341-8162(01)00164-3.
27.   Shannon C. E. (1948) A mathematical theory of communication // The Bell system technical journal, Nokia Bell Labs. 27 (3), pp. 379–423.
28.   Wallis C., Watson D., Tarboton D., Wallace R. (2009) Parallel flow-direction and contributing area calculation for hydrology analysis in digital elevation models // Proceedings of the International Conference on Parallel and Distributed Processing Techniques and Applications. 11 (8) 7,
29.   Wang L., Ai T., Shen Y., Li J. (2020) The isotropic organization of DEM structure and extraction of valley lines using hexagonal grid // Transactions in GIS. 24 (2), pp. 483–507. DOI: 10.1111/tgis.12611.
30.   Wang L., Liu H. (2006) An efficient method for identifying and filling surface depressions in digital elevation models for hydrologic analysis and modelling // International Journal of Geographical Information Science. 20 (2), pp. 193–213. DOI: 10.1080/13658810500433453.
31.   Yamazaki D., Ikeshima D., Sosa J., Bates P. D., Allen G. H., Pavelsky T. M. (2019) MERIT Hydro: A High-Resolution Global Hydrography Map Based on Latest Topography Dataset // Water Resources Research. 55 (6), pp. 5053–5073. DOI: 10.1029/2019WR024873.
Образец цитирования:
Шурыгина А.А., 
Самсонов Т.Е., 
Лурье И.К., 
Параллельные вычисления направлений стока на шестиугольных дискретных глобальных сеточных моделях // Геодезия и картография. – 2024. – № 11. – С. 35-44. DOI: 10.22389/0016-7126-2024-1013-11-35-44
СТАТЬЯ
Поступила в редакцию: 14.08.2024
Принята к публикации: 22.11.2024
Опубликована: 20.12.2024

Содержание номера

2024 ноябрь DOI:
10.22389/0016-7126-2024-1013-11