QGIS and Applications in Water and Risks

Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chapter 1. Monitoring Coastal Bathymetry Using Multispectral Satellite Images at High Spatial Resolution . . . . . . . 1 
Bertrand LUBAC




1.1. Definition, context and objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Description of the methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1. Step 1: selection and preprocessing of MSI images . . . . . . . . . . 5
1.2.2. Step 2: calibration of the bathymetry inversion model . . . . . . . . 7
1.2.3. Step 3: preparation and application of the masks . . . . . . . . . . . 8
1.2.4. Step 4: characterization of the morphological evolution of the main sedimentary structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3. Practical application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1. Software and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2. Step 1: extraction of the region of interest and preprocessing . . . . 13
1.3.3. Step 2: calculation of bathymetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.4. Step 3: preparation and application of masks . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.5. Step 4: characterization of the morphological evolution of the main submarine sedimentary structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33


Chapter 2. Contribution of the Integrated Topo-bathymetric Model for Coastal Wetland Evolution: Case of Geomorphologic and Biological Evolution of Ichkeul Marshes (North Tunisia) . . . . . 35 Zeineb KASSOUK, Zohra LILI-CHABAANE, Benoit DEFFONTAINES, Mohammad EL HAJJ and Nicolas BAGHDADI 

2.1. Coastal wetland dynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2. Ichkeul marshes wetland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3. Object-oriented classification method integrating the topo-bathymetric terrain model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1. Construction of the topo-bathymetric DTM . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2. Image preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3. Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.3.4. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.5. Limitations of the methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.6. Case example of topo-bathymetric transect with the associated vegetation communities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.7. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4. From a practical point of view in QGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1. Software and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.2. Computation of the topo-bathymetric DTM . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4.3. Image preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.4. Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.5. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76


Chapter 3. Reservoir Hydrological Monitoring by Satellite Image Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Paul PASSY and Adrien SELLES
3.1. Context and scientific issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.1. Scientific issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.2. Physical and human context. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.3. The importance of water resources in Central India . . . . . . . . . 78
3.2. Methods and data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.1. Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.2. Data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.3. Data set preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3. Extraction and quantification of the Singur reservoir area . . . . . . . . 82
3.3.1. Calculation of the AWEI Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.2. Construction of the water–land binary raster . . . . . . . . . . . . . . 83

3.3.3. Vectorization of the binary raster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.4. Selection of water polygons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.5. Calculation of the water area of the reservoir . . . . . . . . . . . . . 86
3.4. Characterization of vegetation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.1. Choosing an indicator of the state of vegetation . . . . . . . . . . . . 88
3.4.2. Calculation of the SAVI on the study area . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.3. Creating a land–water mask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.4. Statistics of the SAVI land surface index . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.5. Automation of the processing chain via the construction of a QGIS model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.5.1. Model setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5.2. Construction of the chain of treatments for the extraction of the reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.7. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Chapter 4. Network Analysis and Routing with QGIS . . . . . . . . . . 105
Hervé PELLA and Kenji OSE


4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2. General notions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.1. Definition of a network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.2. Network topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.3. Topological relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.4. Graph traversal – example of the shortest path (Dijkstra) . . . . . . 109
4.3. Examples of development and analysis of hydrographic networks . . . 109
4.4. Thematic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.2. Useful data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.3. Step 1: verification of network consistency . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.4. Step 2: routes organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.5. Step 3: alignment of points on a network . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.4.6. Step 4: network classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.7. Step 5: stations characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.8. Step 6: distance calculation between observation points . . . . . . . 129
4.4.9. Step 7: upstream path and drainage basins calculation . . . . . . . . 133
4.4.10. Step 8: downstream path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4.11. Step 9: calculation of availability areas . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.5. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Chapter 5. Representation of the Drainage Network in Urban and Peri-urban Areas Using a 2D Polygonal Mesh Composed of Pseudo-convex Elements . . . . . . . . . . . . . . . 145
Pedro SANZANA, Sergio VILLAROEL, Isabelle BRAUD, Nancy HITSCHFELD, Jorge GIRONAS, Flora BRANGER, Fabrice RODRIGUEZ, Ximena VARGAS and Tomas GOMEZ

5.1. Definitions and context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1.1. General context and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1.2. Derivation of input GIS layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.1.3. Identification of badly-shaped HRUs and methodology to improve the model mesh quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2. Implementation of the TriangleQGIS module and general methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.1. Used technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.2. Context and general methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.3. Structure of the QGIS plugin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.2.4. Basic used library: MeshPy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.5. Installation of the plugin in Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.6. Installation of the virtual box, QGIS plugin and Geo-PUMMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.3. Illustration of the TriangleQGIS plugin and some Geo-PUMMA scripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3.1. Insertion of nodes for long and thin polygons . . . . . . . . . . . . . 168
5.3.2. Triangulation using the TriangleQGIS plugin . . . . . . . . . . . . . 169
5.3.3. Dissolution of tirangulated elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.3.4. Effect of the model mesh improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.4. Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.5. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Chapter 6. Mapping of Drought . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 
Mohammad EL HAJJ, Mehrez ZRIBI, Nicolas BAGHDADI and Michel LE PAGE 


6.1. Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.2. Satellite data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.1. MODIS products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.2. Land cover map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3. Drought index based on satellite NDVI data . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.4. Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.1. Preprocessing of MOD13Q1 images (step 1) . . . . . . . . . . . . . 189
6.4.2. Delimitation of drought zones (steps 2–5) . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.4.3. Calculate the area of agricultural, urban and forest zones affected by the drought (step 6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.5. Implementation of the application via QGIS . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.5.1. Download MODIS MOD13Q1 data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.5.2. Preprocessing of MODIS MOD13Q1 data (step 1) . . . . . . . . . . 193

6.5.3. Calculate VCI index (steps 1 and 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.5.4. Delimitation of drought zones (steps 2–5) . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5.5. Calculation of agricultural, forest and urban areas affected by drought (step 6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.5.6. Visualization of results (step 7). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.6. Drought map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.7. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

Chapter 7. A Spatial Sampling Design Based on Landscape Metrics for Pest Regulation: The Millet Head Miner Case Study in the Bambey Area, Senegal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Valérie SOTI


7.1. Definition and context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.2. The spatial sampling methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.2.1. Step 1: quantification of landscape metrics . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.2.2. Step 2: sampling plan production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.2.3. Step 3: exportation of selected sampling sites to a GPS . . . . . . . 223
7.3. Practical application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.3.1. Software and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.3.2. Step 1: landscape variables calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.3.3. Step 2: sampling plan production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.3.4. Step 3: integrating sampling points into a GPS device . . . . . . . . 238
7.3.5. Limits of the method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.4. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242


Chapter 8. Modeling Erosion Risk Using the RUSLE Equation . . . . 245
Rémi ANDREOLI

8.1. Definition and context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.2. RUSLE model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.2.1. Climatic factor: rainfall aggressiveness R . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.2. Topographic factor: slope length and gradient . . . . . . . . . . . . . 249
8.2.3. Soil types and land cover factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.2.4. Estimation of soil losses A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.2.5. Limits of the method considered . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.3. Implementation of the RUSLE model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.3.1. Software and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.3.2. Step 1: R factor calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.3.3. Step 2: LS factor calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.3.4. Step 3: preparation of the K factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.3.5. Step 4: C factor creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.3.6. Step 5: soil loss A calculation from the RUSLE equation . . . . . . 280
8.4. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281


List of Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Scientific Committee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

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