GIS を使用した Green Stormwater Infrastructure の排水エリアの描写を自動化する方法

作成者: Humaira Jahangiri¹、Virginia Smith^1*、および Jonathan Nyquist²

Green Stormwater Infrastructure (GSI) は、高度に都市化されたコミュニティ向けのソリューションです。これを利用して、コミュニティは雨水の流量を減らし、汚染物質を軽減できます。 対応する排水エリアを正しく推定することが、円滑に機能する GSI を設計するために重要です。 都市景観の対応する排水エリアの描写に役立つようにワークフローが作成されました。 未開発エリアの排水エリアとは異なり、都市エリアは、流出の流れを変える微地形 (縁石、歩道、建物など) および雨水インフラ (入口、側溝、GSI など) の影響を受けます。 都市の集水域を描写するためのこの包括的なワークフローは、デジタル標高モデル (DEM) を変更することで GIS、建物、および入口を組み込んで、これらのフィーチャを水文景観の一部にします。

排水エリアは、単一ポイントに流出するエリアの定量化です。 排水の描写と GSI では数多くの作業が行われていますが、都市エリアで排水エリアを描写するための最適な方法についてのコンセンサスがまだ不足しています。 サイトは、排水エリアと使用されるデータの解像度を推定するために適用される方法によって異なる排水エリアをレポートする場合があります。 排水エリアは、AutoCAD ドローイングまたは嵐イベント中に行われた物理的な調査を使用して推定される場合があります。 いずれの方法にも、時間や情報の要件など、エラーの課題およびソースがあります。

この描写ワークフローは、排水エリアを効率的かつ正確に見つけるために、ArcGIS で作成された自動プロセスを提供します。 この解析で使用されるラスター データには、さまざまな縮尺での地形データ、建物のシェープファイル、入口、および GSI が含まれます。 この調査の入力地形データの範囲は、細かい縮尺 (1 フィート解像度) から、LIDAR で取得された DEM、一般公開されている DEM、およびコンターから派生した DEM の粗い縮尺 (10 フィート解像度) までです。 このワークフローのケース スタディは、ペンシルバニア州南フィラデルフィアにある、双星湿地帯で接続された 2 つのレイン ガーデンを含む GSI サイトです。 このサイトは、フィラデルフィア水道局 (PWD) によって作成され、米国環境保護局 (EPA) の Science to Achieve Results (STAR) 助成金の一部として、ヴィラノヴァ大学により計器が設置され解析されました。 この解析は、GSI の大規模調査の一部です。 この解析の手順全体は、DEM の前処理、フロー解析、流域解析の 3 つのフェーズに分けられます。

DEM エレメントは、サーフェスの平滑化ツールを使用して、データ内の窪地とピークを除去するために処理されました。 雨水入口と GSI フィーチャは、雨水フィーチャのサイズに一致するようにバッファー処理されました。 次に、入口、GSI、および建物インフラストラクチャの標高が属性テーブルに追加されました。 フィーチャ → ポイント ツールを使用して、インフラストラクチャ シェープファイルがラスターに変換されました。

新しいラスター インフラストラクチャ ファイルが窪地のない DEM に統合されました。 建物の高さを追加するために Plus ツールが使用され、入口を DEM まで下げるために Minus ツールが使用されました。 縁石の切通しと GSI は、LIDAR で取得された DEM に沈下されました。 これらのツールを使用して取得されたすべての出力は、モザイク ツールを使用して単一のラスターにマージされました。

流向ラスターの作成ツールを使用して各セルのフロー方向を解析するためにモザイク処理された DEM が使用され、累積流量ラスターの作成ツールを使用してフロー方向に基づいて累積流量値を割り当てるために再処理されました。 高解像度 DEM から取得された詳細な流域は、図 2 のように微地形を都市景観に組み込みます。 これに対して、低解像度 DEM の流域は、最も近い GSI と雨水入口への少ない流域を示し、流域が減少すると DEM のグリッド サイズが増加します。

Spatial Analyst ツールの流域ラスターの作成 (Basin) を使用して、GSI のサブ流域と入口が作成されました。これらのファイルは、フィーチャ ポリゴンに変換されました。 Arc Hydro の Flow Path Tracing ツールにより、上流のサブ流域と雨水入口をトレースでき、GSI に流出しているサブ流域を特定できました。 これらのサブ流域はエクスポートされ、属性テーブルの合計排水面積が計算されました。

図 3 は、異なる DEM 解像度から取得された異なる排水エリアを示しています。 粗い解像度の流域は低いピラミッド レベルは大きく、あまり複雑でない形状です。 GSI に流出するエリアの計算が変わります。GSI 設計の重要な側面です。

次の表は、さまざまな DEM 解像度から取得されたこのサイトの異なる排水エリアを示しています。 エリアが広くなると DEM 解像度が低下します。 粗い解像度の DEM は、縁石、歩道、道路の樹冠などの微地形を滑らかにします。 フィールド調査によると、最高解像度の DEM (1 フィート グリッド) から取得された排水エリアは、サイトでの地形調査から取得された排水エリア (PWD 推定) と同じであるため、最も許容可能なエリアです。 同じ解析が他の場所で実施されましたが、同様の結果でした。 都市景観に描写する排水エリアに最適な DEM 解像度を見つけるために、さらに調査が行われています。

1: Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

責任著者: Virginia Smith

ご質問がある場合は、Virginia Smith (Virginia.Smith@Villanova.edu) にお問い合わせください。

この資料は、米国環境保護局 (EPA) によりヴィラノヴァ大学とフィラデルフィア水道局 (PWD) に対して与えられた Assistance Agreement No. 83555601 のもとで作成されました。 EPA または PWD によって公式にレビューされていません。 この文書で表明されている見解はヴィラノヴァ大学の見解のみであり、必ずしも EPA または PWD の見解を反映しているものではありません。 EPA または PWD はこの資料に記載された製品または商用サービスを保証しません。