Digital Elevation Model Based Watershedand Stream Network Delineation
nConceptual Basis
nEight direction pour point model (D8)
nFlow accumulation
nPit removal and DEM reconditioning
nStream delineation
nCatchment and watershed delineation
nGeomorphology, topographic textureand drainage density
nGeneralized and objective streamnetwork delineation
nReading – Arc Hydro Chapter 4
Conceptual Basis
nBased on an information model forthe topographic representation ofdownslope flow derived from aDEM
nEnriches the information content ofdigital elevation data.
uSink removal
uFlow field derivation
uCalculating of flow basedderivative surfaces
Duality between Terrain andDrainage Network
Flowing water erodeslandscape and carriesaway sediment sculptingthe topography
Topography definesdrainage direction on thelandscape and resultantrunoff and streamflowaccumulation processes
ex42
ArcHydro Page 57
wshed
Watersheddivide
Drainagedirection
Outlet
1:24,000 scale map of a study area in West Austin
Topography defines watersheds which arefundamentally the most basic hydrologiclandscape elements.
DEM Elevations
elevpts
Contours
720
700
680
740
680
700
720
740
720
720
80
74
63
69
67
56
60
52
48
80
74
63
69
67
56
60
52
48
30
Slope:
Hydrologic Slope
- Direction of Steepest Descent
30
ArcHydro Page 70
32
16
8
64
4
128
1
2
Eight Direction Pour Point Model
ESRI Direction encoding
ArcHydro Page 69
2
2
4
4
8
1
4
16
1
2
4
8
4
4
1
2
4
8
2
4
4
4
4
2
1
Flow Direction Grid
32
16
8
64
4
128
1
2
ArcHydro Page 71
Flow Direction Grid
fdr
32
16
8
64
4
128
1
2
Grid Network
ArcHydro Page 71
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
2
2
2
10
1
0
14
4
1
19
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
2
2
2
10
1
0
1
4
14
19
1
Flow Accumulation Grid.
Area draining in to a grid cell
Link to Grid calculator
ArcHydro Page 72
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
2
2
2
10
1
0
1
4
14
19
1
Flow Accumulation> 10 Cell Threshold
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
2
2
2
1
0
4
1
1
10
14
19
Stream Network for10 cell ThresholdDrainage Area
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
3
3
3
11
2
1
2
5
15
20
2
The area draining each grid cell includes thegrid cell itself.
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
3
3
3
11
2
1
5
2
2
25
15
TauDEM contributing area convention.
Streams with 200 cell Threshold(>18 hectares or 13.5 acres drainage area)
stream200
Watershed Draining to Outlet
Watershed  and Drainage PathsDelineated from 30m DEM
delinwshed
Automated method is more consistent than hand delineation
The Pit Removal Problem
DEM creation results in artificial pits in thelandscape
A pit is a set of one or more cells which hasno downstream cells around it
Unless these pits are removed they becomesinks and isolate portions of the watershed
Pit removal is first thing done with a DEM
fill-06
Increase elevation to the pourpoint elevation until the pitdrains to a neighbor
Pit Filling
profiles
Parallel Approach
Improved runtimeefficiency
Capability to run largerproblems
Row oriented slices
Each process includesone buffer row on eitherside
Each process does notchange buffer row
Pit Removal: Planchon FillAlgorithm
Initialization
1st Pass
2nd Pass
Planchon, O., and F. Darboux (2001), A fast, simple and versatile algorithm to fill thedepressions of digital elevation models, Catena(46), 159-176.
Parallel Scheme
Communicate
Initialize( D,P)
Do
for all i in P
if D(i) > n    P(i) ←D(i)
Else   P(i) ← n
endfor
Send( topRow, rank-1 )
Send( bottomRow, rank+1 )
Recv( rowBelow, rank+1 )
Recv( rowAbove, rank-1 )
Until P is not modified
D denotes the original elevation.
P denotes the pit filled elevation.
n denotes lowest neighboring elevation
i denotes the cell being evaluated
Parallel pit fill timing for large DEM
NedB (14849 x  27174)
Dual Quad Core Xeon Proc E5405, 2.00GHz
Compute
Read
ArcGIS 2087 sec
Lower elevation of neighbor along apredefined drainage path until the pitdrains to the outlet point
Carving
fill-07
Filling
Carving
MinimizingAlterations
+
=
 Take a mapped stream network and a DEM
 Make a grid of the streams
 Raise the off-stream DEM cells by an arbitrary elevation
   increment
 Produces "burned in" DEM streams = mapped streams
“Burning In” the Streams
AGREE Elevation Grid ModificationMethodology – DEM Reconditioning
sanmarcos31
ArcHydro Page 74
172
201
204
202
206
203
209
Each link has a uniqueidentifying number
Stream Segments
CON15A
CON15b
CON15c
Vectorized Streams Linked UsingGrid Code to Cell Equivalents
Vector
Streams
Grid
Streams
ArcHydro Page 75
sanmarcos34
DrainageLines are drawn through the centers of cells onthe stream links.  DrainagePoints are located at thecenters of the outlet cells of the catchments
ArcHydro Page 75
Catchments
For every streamsegment, there is acorrespondingcatchment
Catchments are atessellation of thelandscape through aset of physical rules
ex43
Raster Zones and Vector Polygons
ex45
Catchment GridID
Vector Polygons
ex44
DEM GridCode
Raster Zones
3
4
5
One to one connection
sanmarcos16
Catchments, DrainageLines and DrainagePoints of theSan Marcos basin
ArcHydro Page 75
sanmarcos36
Adjoint catchment: the remaining upstream area drainingto a catchment outlet.
ArcHydro Page 77
wtrshedusgs
Catchment, Watershed, Subwatershed.
ArcHydro Page 76
Watershed outlet points may lie within the interior of acatchment, e.g. at a USGS stream-gaging site.
Catchments
Subwatersheds
Watershed
Summary of Key Processing Steps
[DEM Reconditioning]
Pit Removal (Fill Sinks)
Flow Direction
Flow Accumulation
Stream Definition
Stream Segmentation
Catchment Grid Delineation
Raster to Vector Conversion (Catchment Polygon,Drainage Line, Catchment Outlet Points)
Arc Hydro Tools
Distributed free of charge from ESRI WaterResources Applications
Start with a DEM
Produce a set of DEM-derived raster products
Convert these to vector (point, line, area)features
Add and link Arc Hydro attributes
Compute catchment characteristics
Delineation of Channel Networks and Catchments
500 celltheshold
1000 celltheshold
How to decide on streamdelineation threshold ?
AREA 1AREA 1
AREA 2AREA 2
3
12
Why is it important?
Hydrologic processes are different on hillslopes and inchannels.  It is important to recognize this and accountfor this in models.
Drainage area can beconcentrated or dispersed(specific catchment area)representing concentratedor dispersed flow.
Examples of differently textured topography
Badlands in Death Valley.from Easterbrook, 1993, p 140.
tv
dv
Coos Bay, Oregon Coast Range.
from W. E. Dietrich
Logged Pacific Redwood Forest near Humboldt, California
47110_19
slide3
Canyon Creek, Trinity Alps, Northern California.
Photo D K Hagans
Gently Sloping Convex Landscape
conv
From W. E. Dietrich
Mancos Shale badlands, Utah.   From Howard, 1994.
badland
texture
Topographic Texture and Drainage Density
Same scale, 20 mcontour interval
Sunland, CA
Driftwood, PA
Lets look at some geomorphology.
Drainage Density
Horton’s Laws
Slope – Area scaling
Stream Drops
“landscape dissection into distinct valleys is limitedby a threshold of channelization that sets a finitescale to the landscape.”  (Montgomery and Dietrich, 1992,Science, vol. 255 p. 826.)
Suggestion: One contributing area threshold doesnot fit all watersheds.
Drainage Density
Dd = L/A
Hillslope length  1/2Dd
L
B
B
Hillslope length = B
A = 2B L
Dd = L/A = 1/2B
 B= 1/2Dd
Drainage Density for Different Support Area Thresholds
EPA Reach Files
100 grid cell threshold
1000 grid cell threshold
Drainage Density VersusContributing Area Threshold
Hortons Laws: Strahler systemfor stream ordering
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3
Bifurcation Ratio
Area Ratio
Length Ratio
Slope Ratio
Constant Stream Drops Law
Broscoe, A. J., (1959), "Quantitative analysis of longitudinal stream profiles of small watersheds," Office of NavalResearch, Project NR 389-042, Technical Report No. 18, Department of Geology, Columbia University, New York.
Stream DropElevation difference between ends of stream
drop
Note that a “Strahler stream” comprises a sequence oflinks (reaches or segments) of the same order
Nodes
Links
Single Stream
Suggestion:  Map channel networks from the DEM atthe finest resolution consistent with observed channelnetwork geomorphology ‘laws’.
Look for statistically significant breakin constant stream drop property asstream delineation threshold is reduced
Break in slope versus contributing arearelationship
Physical basis in the form instabilitytheory of Smith and Bretherton (1972),see Tarboton et al. 1992
Statistical Analysis of Stream Drops
T-Test for Difference in Mean Values
72
130
0
T-test checks whether difference in means is large (> 2)
when compared to the spread of the data around the mean values
Constant Support Area Threshold
100 grid cell constant support area threshold stream delineation
greytopsa100
200 grid cell constant support area based stream delineation
greytopsa200
Local Curvature Computation(Peuker and Douglas, 1975, Comput. Graphics Image Proc. 4:375)
50%
50%50%
50%
50%
43
41
48
47
48
50%
47
54
51
50%
54
51
56
58
Contributing area of upwards curved grid cells only
Upward Curved Contributing Area Threshold
greytoppd
Curvature based stream delineation
Channel network delineation, other options
4
5
6
 3
7
 2
1
8
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
3
3
12
2
2
2
3
16
25
6
Contributing Area
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
3
1
1
1
2
3
3
2
Grid Order
greytopgord4
Grid network pruned to order 4 stream delineation
Slope area threshold (Montgomery and Dietrich, 1992).
TauDEM Channel Network and WatershedDelineation SoftwareTauDEM Channel Network and WatershedDelineation Software
Pit removal (standard flooding approach)
Flow directions and slope
D8 (standard)
D (Tarboton, 1997, WRR 33(2):309)
Flat routing (Garbrecht and Martz,1997, JOH 193:204)
Drainage area (D8 and D)
Network and watershed delineation
Support area threshold/channelmaintenance coefficient (Standard)
Combined area-slope threshold(Montgomery and Dietrich, 1992,Science, 255:826)
Local curvature based (using Peukerand Douglas, 1975, Comput.Graphics Image Proc. 4:375)
Threshold/drainage density selection bystream drop analysis (Tarboton et al.,1991, Hyd. Proc. 5(1):81)
Other Functions: Downslope Influence,Upslope Dependence, Wetness index,distance to streams, Transport limitedaccumulation
Available from http://www.engineering.usu.edu/dtarb/
Summary Concepts
The eight direction pour point model approximatesthe surface flow using eight discrete griddirections
The elevation surface represented by a grid digitalelevation model is used to derive surfacesrepresenting other hydrologic variables of interestsuch as
Slope
Flow direction
Drainage area
Catchments, watersheds and channel networks
Summary Concepts (2)
Hydrologic processes are different betweenhillslopes and channels
Drainage density defines the average spacingbetween streams and the representative length ofhillslopes
The constant drop property provides a basis forselecting channel delineation criteria to preservethe natural drainage density of the topography
Generalized channel delineation criteria canrepresent spatial variability in the topographictexture and drainage density
Are there any questions ?
AREA 1AREA 1
AREA 2AREA 2
3
12