1 Obsah přípravné fáze projektu Poohří V rámci projektu Poohří budou pro účely zatápění povrchových hnědouhelných dolů modelovány a predikovány pohyby nadzemních i podzemních vod a jejich předpokládané chemické složení. Zájmové území je severo-západní část Poohří - od řeky Ohře směrem na severozápad – až po hřebeny Krušných hor. Pro potřeby modelování proudění vod v územích postižených těžbou hnědého uhlí (SHR) je potřeba připravit modelové sítě pokrývající danou zájmovou oblast (viz Obrázek 1).
Obrázek 1 Vymezené zájmové oblasti
S ohledem k rozloze území, je nutné zautomatizovat výstavbu geometrie modelových sítí. V rámci přípravné fáze projektu Poohří byla provedena rešerše dostupných softwarových produktů, které byly potenciálně schopné automatizovaně vytvářet plnohodnotně prostorové sítě (většina GIS produktů generuje tzv. 2.5D modely). Z dostupných zdrojů byly vybrány tři komerční produkty a jeden SW šířený na základě OPEN-GNU licence. Vzhledem k výsledkům testování jsme přikročili k budování vlastní aplikace s důrazem na rychlou tvorbu sítí v požadovaném formátu, různého rozsahu a hustot z identických vstupních dat. Součástí přípravy projektu Poohří je i příprava vstupních dat. Z dostupných zdrojů byla získána výšková data (digitální model terénu) ve formátu ESRI GRID. Tato data byla přepracována pro využití v projektu Poohří.
2 Rešerše SW produktů umožňující plně 3D interpolaci Standardní nástroje GIS umožňují pouze tzv. 2,5D interpolaci (dvou a půl rozměrnou). Tento typ interpolace je daný tím, že výsledný interpolovaný povrch je popsán pomocí 2D matice (rastru), nebo případně pomocí TIN (triangulated irregular network). Tyto datové typy neumožňují uložení jednomu bodu o souřadnicích [x, y] dvě hodnoty inrpolovaného jevu (např. výšky Z). Vybrané softwarové produkty jsou, dle popisu v manuálových stránkách, interpolovat data plně ve 3D – schopnost modelovat převisy, kupovité geologické vrstvy – oblasti kde jsou jedné hodnotě souřadnic [x, y] přiřazeny dvě (a více) hodnoty Z. Z dostupných na Internetu byly vybrány následující produkty: 1. EVS-PRO – firma C-TECH, 2. RockWorks 2006 – firma RockWare, 3. VOXLER – firma Golden Software, 4. GRASS 6.3 – šířen v rámci OPEN-GNU licence.
2.1 EVS-PRO Tento produkt byl posuzován z dostupné literatury (manuál, web-help) a dodaného demo DVD. EVS-PRO generuje volumetrické rastry (plně 3D) pomocí 3D-kriggingu1. Dle informací od autorů SW však není možné z dat generovat trojúhelníky – které jsou však nutné pro stavbu našich modelových sítí. Z dostupných zdrojů jsme nebyli schopni zjistit jaká je požadovaná struktura a formát vstupních dat.
2.2 RockWorks RockWorks je mohutný nástroj pro generování podložních vrstev z dat získaných z hloubkových vrtů. Ve výsledku máme opět volumetrický rastr. S ohledem k typu vstupních dat a typů výstupu je tento produkt nevhodný.
2.3 Voxler Voxler funguje na obdobném principu jako program RockWorks – opět z dat získaných z hloubkových vrtů interpoluje objemové rastry. Výsledná data navíc získáme ve formátu, který není možné dále zpracovat v programech dostupných v rámci projektu Poohří.
Obrázek 2 Ukázka výstupu z Voxleru
1
Název funkce dle výrobce SW.
2.4 GRASS 6.3 GIS GRASS je šířen pod licencí OPEN-GNU, což znamená, že je šířen zdarma. Od verze 6 obsahuje experimentální moduly pro tvorbu volumetrických rastrů (tzv. voxelů). Na Obrázek 3 je ukázán převod 2D vrstev do volumetrického rastru pomocí modulu r.to.rast3 na Obrázek 4 je ukázka modelu geologických vrstev vytvořených v GIS GRASS. Z 3D vrstev vytvořených v GRASS je opět nutné vytvořit datovou strukturu (trojúhelníky) potřebnou pro budování geometrie modelových sítí. Tato možnost bude v budoucnu dále zkoumána.
Obrázek 3 Převod 2D vrstev do volumetrického rastru pomocí modulu r.to.rast3
Obrázek 4 Ukázka modelu geologických vrstev v GIS GRASS
3 Implementace vlastního SW pro tvorbu geometrie modelových sítí Z výsledků testování dostupných komerčních i nekomerčních SW produktů pro tvorbu plně prostorových dat vyplývá, že žádný z těchto programů neumožňuje automatickou tvorbu triangulované sítě, potřebné pro výstavbu geometrie modelových sítí dle našich požadavků. Je tedy nutné navrhnout a implementovat program, který je schopný ze vstupních bodů reprezentující geologické zlomy, rozhraní hornin, vrty aj. generovat síť, která je svými vlastnostmi vhodná pro další zpracování v programu Gmesh. Aplikace bude vycházet z faktu, že každá geologická vrstva je definována sítí pravidelných trojbokých hranolů (viz Obrázek 5), jejichž geometrie je popsána v souboru typu *.geo, což je formát vstupních dat do SW Gmesh. Hierarchie formátu *.geo popisující trojboké hranoly je následující: •
každý trojboký hranol je definován body,
•
body definují linii,
•
linie definují plochy: o 2 trojúhelníky (podstava), o 3 obdélníky (plášť),
•
plochy definují objemy (hranoly).
U definice ploch je nutné zachovat správnou orientaci hran (viz Obrázek 6).
Obrázek 5 Geometrická definice trojbokého hranolu ve formátu *.geo
Obrázek 6 Orientace linií v trojúhelníku (podstava trojbokého hranolu)
Pro implementaci algoritmu jsme volili prostředky tak, aby výsledná aplikace byla nezávislá na typu platformy. Byly využity možnosti XML databáze a programovacího jazyka XSL. Na vstupu výstavby sítě je několik typů dat (body, linie), které reprezentují charakteristiky zpracovávané oblasti (geologické zlomy, rozhraní hornin, vrty, …) – ukázka viz Obrázek 7. Tyto charakteristiky se následně převedou na body a celá oblast se doplní body generovanými v pravidelných intervalech. Na těchto bodech provedeme triangulaci a získáme body, linie a plochy trojúhelníků (viz Obrázek 8). Do takto získaných dat je nutné uložit informaci o topologii (vztahy mezi body, liniemi a trojúhelníky), která je využita v aplikaci pro budování trojbokých hranolů.
Obrázek 7 Testovací oblast - vstupní data
Obrázek 8 Trojúhelníková síť generovaná ze vstupních dat
Do aplikace vstupují následující informace: o body svrchní a spodní části vrstvy – obsahují souřadnici X, Y, Z o body definující linie – obsahují odkaz na identifikátor bodu definující souřadnice a identifikátor linie, kterou definují, o linie definující trojúhelníky – obsahují odkaz na identifikátor linie a identifikátor trojúhelníku, který definují. Data (ve stanoveném formátu) se získají předzpracováním triangulovaných dat v prostředí GIS. Do aplikace se načítají CSV soubory (textové soubory oddělené středníkem), které jsou exportované z dbf atributových tabulek předzpracovaných dat. Algoritmus pro generování modelových sítí za pomoci trojbokých hranolů je následující: 1. Data z CSV souborů jsou načtena do XML databáze. Tato databáze umožňuje rychlé a optimalizované vyhledávání. 2. Algoritmus předpokládá, že uzly (vrcholy) trojúhelníků ve svrchní a spodní vrstvě mají identickou souřadnici X a Y. 3. Výpis bodů definujících všechny linie v budované síti. 4. Výpis všech linií definující plochy v budované síti. 5. Výpis obdélníků, definující pláště trojbokých hranolů.
6. Výpis trojúhelníků, definující podstavy trojbokých hranolů. 7. Definice trojbokých hranolů, definovaných pláštěm a podstavou. Výsledek je zapsán do souboru *.geo, který popisuje geometrii modelové sítě a který je nativní formát programu Gmesh. Algoritmus je nyní testován na modelových datech z jiných oblastí, než je oblast Poohří. Pro testování byla použita data o různé struktuře: o Data s rovnoměrným (pravidelným) rozložením vstupních bodů. o Data s nepravidelnou strukturou – zahrnuté geologické hrany, vodní toky, … Výsledky testování jsou na obrázku 9 až 12.
Obrázek 9 Síť trojbokých hranolů generovaná z pravidelně distribuovaných bodů
Obrázek 10 Detail trojbokých hranolů
Obrázek 11 Síť generovaná z nepravidelně rozložených dat
Obrázek 12 Detail sítě generované z nepravidelných vstupních bodů
4 Příprava vstupních výškových dat Pro zpracování výškové složky vstupních dat je zapotřebí obstarat digitální model terénu odpovídající kvality. Za tímto účelem byla provedena rešerše dostupných dat s důrazem na co nejnižší cenu. Byla zvolena data dostupná zdarma na www.arcdata.cz. Jedná se o data, která vznikla pořízených při misi raketoplánu Endeavour, při které byl pořízen model reliéfu celého světa. Dle www.arcdata.cz maximální přesnost digitálního modelu terénu dosahuje 15 metrů v poloze a 12 metrů ve výšce. Data jsou k dispozici v rastrové podobě s prostorovým rozlišením 1 úhlová vteřina (cca 30 metrů na rovníku) pro území USA a 3 úhlové vteřiny (cca 90 metrů na rovníku) pro ostatní svět, což pro zeměpisnou šířku střední Evropy představuje přibližně 90 x 60 metrů. S ohledem na rozlohu oblasti a způsob zpracování je dostupné prostorové rozlišení a přesnost dat plně dostačující. Data jsou distribuována v souřadnicovém systému WGS84 – veškerá data zpracovávaná v projektu Poohří budou v souřadnicovém systému JTSK, což je český národní souřadnicový systém, ve kterém jsou požadovány i výstupy z výstavby modelových sítí. Výškový rastr bylo tedy nutné transformovat ze souřadnicového systému WGS84 do souřadnicového systému JTSK. Transformace rastrových dat byla provedena v programu ArcGIS 9.2 pomocí funkce Project. Při transformaci rastrových dat dochází ke ztrátě informace obsažené ve zdrojových datech. Výsledná data mohou být zašuměná, potrhaná a mohou v nich vzniknout nespojitosti. Abychom odstranily tyto artefakty transformace, použijeme vyhlazovací filtr. Tento filtr ve transformovaných datech zahladí veškeré nespojitosti. Při vyhlazování opět dojde k určité ztrátě informace, vzhledem k přesnosti primárních vstupních dat je však tato degradace zanedbatelná. Na Obrázek 13 a Obrázek 14 jsou vstupní data v souřadnicovém systému WGS84 a JTSK. Rozdíl mezi vyhlazenými a nevyhlazenými daty je ukázán na Obrázek 15 a Obrázek 16. K vizualizaci rozdílu je použit rastr odvozené morfometrické charakteristiky 1. řádu – sklonu topografické plochy. Na těchto datech jsou patrné rozdíly v kvalitě vyhlazeného a nevyhlazeného digitálního modelu terénu.
Obrázek 13 Výškový rastr v souřadnicovém systému WGS84
Obrázek 14 Výškový rastr v souřadnicovém systému JTSK
Obrázek 15 Povrch sklonů odvozený z nevyhlazeného výškového rastru
Obrázek 16 Povrch sklonů odvozený z vyhlazeného výškového rastru
5 Závěry plynoucí z přípravné fáze projektu Poohří V rámci přípravné fáze byla provedena rešerše dostupných softwarových produktů a testována jejich aplikovatelnost na problém automatizované výstavby geometrických sítí. Závěry z testování jsou shrnuty v kapitole 2. Jediný produkt vybraný k dalšímu testování je GIS GRASS v.6.3. Jelikož je pro potřeby dalšího zpracování modelových sítí získat data ve formátu a topologii typu *.geo (nativní formát programu Gmesh), bylo přistoupeno k vývoji vlastní aplikace pro převod dat do formátu *.geo. Aplikace pracuje s databází XML a využívá programovacího jazyka XSL. Data konvertuje do formátu *.geo na základě topologických vazeb připravených v GIS. Aplikace bude dále testována na modelových datech z jiných oblastí. Pro potřeby výstavby modelových sítí bylo nutné získat i výšková data s odpovídající přesností. Z dat dostupných na internetu byla vybrána výšková data dostupná z www.arcdata.cz. Jedná se o s maximální přesností 15 metrů v poloze a 12 metrů ve výšce. Prostorové rozlišení dat je 90x60 metrů. Přesnost dat i jejich rozlišení je pro použití v projektu Poohří dostačující. Zpracoval: ing. Jan Pacina, Ph.D.
