如何通过3D水文测绘使河流保持直线

随着高程测绘数据的不断改进，水文模型也应随之更新，但事情并不像看起来那么简单。

马迪逊河，美国蒙大拿州的航拍图像。

在过去的几年里，美国地质调查局（USGS）通过3D高程计划（3DEP）计划，努力提供覆盖美国的一致高分辨率地形高程数据的首个国家基准。这是通过使用先进的数据收集方法实现的，包括详细的激光雷达扫描和在阿拉斯加使用IfSAR。然而，数字高程模型的准确性和分辨率的提高凸显了一个相关问题 – 我们的水文测绘已经过时，在某些情况下不再与映射的高程相符。

全国范围的水文测绘

自上世纪90年代末以来，美国地质调查局及其合作伙伴已经开发并维护了全国水文数据集，作为国家地表水网络和流域的权威映射。当前的全国水文数据集对应于1:24,000比例尺水平的详细信息，包括全国水文数据集（NHD）、流域边界数据集（WBD）和高分辨率NHDPlus（NHDPlus HR）。

这些数据集勾勒出河流、溪流、湖泊和海岸线等地表水特征。它们还提供了关于水通过河流网络连接的详细信息。NHD被许多政府机构、研究人员和其他涉及水资源管理、洪水平原映射、栖息地保护和城市发展的利益相关者使用。

那么，如果水文测绘师和水资源管理专业人员几十年来一直在使用NHD数据满足他们的需求，那么问题是什么？NV5 Geospatial公司的解决方案工程副总裁Andrew Brenner博士说，这是他经常听到的一个问题。他说问题归结为两个因素：需要提供更多细节，以及提供更好的准确性，以指导水文和水力模型，并改进对水资源的保护。

在某些情况下，NHD中的遗留数据（可能在20世纪50年代-60年代创建，然后在21世纪初数字化）可能显示河流的位置不正确，错过了小水体，或者与当前情况不符。在过去的半个世纪里，土地利用已经发生了变化，河流的走向也发生了变化。为了应对这些变化，一些机构已经手动更新了其项目区域的数据集，以更好地与现实情况相匹配。然而，当你将视角缩放到流域尺度时，这种方法可能会引入“不一致性”，Brenner说。

另一方面，3D水文测绘计划将基于高质量的标准化3DEP数据构建，以确保所有派生产品在空间和时间上保持一致。这种整合将增加水文数据集在洪水模拟和预测、涵洞和桥梁工程设计以及雨水管理等应用中的可用性。

“在3DHP出现之前，水文模型师和制图师过去不得不在本地调整高程数据，以使水流进入与NHD相对应的河道。我们过去会将NHD取出，然后将其“烧入”高程数据中，以确保水流到达预定的位置，但这意味着你在改变底层数据，”Brenner说。

多年来，NV5 Geospatial与美国地质调查局合作，了解高程导出计划的目标，并努力为客户州实施这些计划。他们与宾夕法尼亚州、密歇根州、密苏里州、加利福尼亚州、华盛顿州、华盛顿特区、德克萨斯州和阿拉斯加的客户合作，支持美国地质调查局的3DHP计划。

水文测绘的下一代

美国地质调查局宣布，他们正在努力实施3D水文测绘计划，完全更新国家的水文数据，并改进水相关数据的发现和共享。

美国地质调查局正在开发3DHP作为新的3D国家地形模型（3DNTM）的地表水测绘计划。3DNTM是一个新的倡议，旨在更新和整合美国地质调查局的高程和水文数据以及它们之间的关系，形成一个提供比单独数据集更高质量数据并支持比以前更复杂的地理空间分析的3D模型。包括3DHP和下一代3D高程计划的数据在内的3DNTM旨在提供基础数据，以满足最严

格的科学要求，并在用户社区中支持基于数据的决策。

从本质上讲，这代表了美国地质调查局将高程和水文结合在一起的努力。就像美国地质调查局引领建立了覆盖美国的一致高分辨率地形高程数据基准一样，这也是他们在水文测绘方面的推动。

通过从高质量的3DEP高程数据派生水文数据，3D水文测绘计划可以实现改进的对齐效果。

然而，这个过程并不简单，Brenner说。

“我们发现制图水文测绘是非常复杂的，尽管原则是简单的，但在坡度、土壤、地质和地表覆盖方面的变化，会出现许多需要分析员详细审查数据的情况。”

“我们真正想做的是代表我们以前没有数据分辨率来表征的河流、溪流、池塘和涵洞，我们看到了以前不必处理的细节。”

这个数据集的一个关键要素是标准化。如果我使用这个数据集，我想知道如果一个特征被标记为“涵洞”，涵洞的定义是什么？如果一个特征被标记为“溪流”，那是什么意思，其他特征如下陷地也是如此。重要的是，任何在美国境内使用这个数据集的人都应该理解，如果一个特征带有属性标记，那么这个属性在流域和州之间是可以传递的。如果没有这个保证，美国地质调查局在质量控制方面提供的，这个数据集对于普通公众的可用性将大大降低。

除了增加的复杂性外，对数据本身的需求也在增加。虽然流域和水资源的地图以前可能主要用于识别有哪些溪流和河流的位置，但现在对数据的应用和问题变得多种多样，而历史数据集并没有准备好回答这些问题，包括流域和水资源如何随时间发生变化，以及全国范围内的气候变化将如何影响河流的流量及其对水生栖息地的影响。

“我们现在试图从数据中得出更深入的科学结论。对数据集的需求更高，我们需要一个一致而准确的数据集，这样我们才能在广泛的情况下应用模型。只有在底层数据良好的情况下，模型才是有用的，”Brenner说。

2017年飓风哈维过后，得克萨斯州哥伦布的科罗拉多河。

由于3DHP将提供与洪水预测、农业规划、基础设施设计、渔业、溪流生态学、水质和其他新兴应用（如蓝碳）相关的关键数据，因此确保底层数据的正确性非常重要。

“世界的某些地区变得更湿润，而某些地区变得更干燥，这两种趋势都会产生影响。如果降雨更加强烈，我们需要知道哪些地区会发生洪水。”

“我们有些涵洞是在50-60年前建造的，可能并没有为今天流入其中的景观设计。那个景观可能有更多不透水的表面，产生了更多的径流。这种径流将导致增加的泥沙输送，可能会沉积在涵洞中，降低其排水效果。流域内现有的涵洞能否应对当前的条件？正在开发的这种详细信息将开始回答诸如哪些地区在未来10年内会经常发生洪水，因为流域和气候变化，以及我们可以采取什么管理措施来减轻这个问题。”

让每个人都参与进来

包括3DEP和3DHP在内的3DNTM计划由联邦政府计划和领导，美国地质调查局领导计划的陆地部分，而国家海洋和大气管理局（NOAA）领导与沿海和海上信息有关的工作。这项工作与全国各州、地方和部落政府紧密合作。

地理空间和水文学界可以如何支持3DHP计划？简单地说，参与其中。定义计划并作为利益相关者参与有助于在过程的早期阶段将所有人带到桌子旁。在创建数据框架时有利益相关者参与可以帮助避免后期将会遗漏你关心的用例或应用程序的情况

。对于任何制图计划来说，参与开始并满足您的具体需求要比在计划完成后要求要容易得多，3DHP也不例外。

美国地质调查局的国家地理空间计划（NGP）还在2024财年开始更改其寻找和选择合作伙伴关系的流程。这个经过修订和简化的结构被称为3DNTM数据协作公告（DCA），计划于2023年9月发布（可能会有所变动）。DCA取代了宽泛的机构公告（BAA），旨在包括3D高程计划和3D水文计划的数据获取合作伙伴关系。