Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav geoinformačních technologií
Hydrologické analýzy v prostředí GIS Diplomová práce
2007/2008
Pavel Svoboda
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Hydrologické analýzy v prostředí GIS zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně, dne 25. dubna 2008
........................................ Bc. Pavel Svoboda
1
Znalosti se získávají rozborem a analýzou věcí. Ale moudrost přichází pochopením toho, co je spojuje dohromady. John A. Morrison
Poděkování Úvodem bych rád poděkoval vedoucímu práce Ing. Martinu Klimánkovi, PhD. za cenné rady a připomínky, odborné vedení a čas, který mi věnoval při zpracování diplomové práce. Závěrem bych rád poděkoval mé přítelkyni, svým rodičům a přátelům, kteří mě podporovali.
2
Abstrakt Hydrologické analýzy v prostředí GIS Pavel Svoboda Geografické informační systémy (GIS) nalézají využití v mnoha vědních disciplínách. Jednou z těchto disciplín je hydrologie a hydrologické modelování. Problematika s vodními zdroji a tvorbou povodní v posledních letech stále hraje větší roli a dostává se do zájmu odborníků, ale i laické veřejnosti. Základním předpokladem hydrologických analýz je vytvoření přesného digitálního modelu terénu na jehož konstrukci lze aplikovat různé algoritmy za použití geoinformačních technologií. K provedení hydrologických analýz a tvorbě digitálního modelu terénu byla využita digitální výškopisná data jak ze státních mapových děl, tak ze soukromého sektoru. Klíčová slova geografický informační systém (GIS), digitální model terénu (DMT), software ArcGis Desktop, data ZABAGED
Abstract The hydrology analysis in environment GIS Pavel Svoboda Geographical information systems (GIS) are being used in many different branches of science. One of these disciplines is hydrology and hydrologic modeling. Over the last few years there has been a big problem with water sources and floods. Not only specialists are concerned. It is disturbing the public sector as well. The main presumption of hydrologic analysis is creation of precise digital model of terrain on which construction is possible to apply alternative algorithms with using geoinformation technology. To perform the hydrologic analysis and to create the digital model of terrain, digital data from map work of the state and also from the private sector were used. Key words geographical information system (GIS), digital terrain model (DTM), software ArcGis, data ZABAGED 3
Obsah: 1
Úvod .....................................................................................................................6
2
Cíl práce ...............................................................................................................7
3
Teorie tvorby DMT ..............................................................................................8 3.1
Charakteristiky terénních ploch.....................................................................................9
3.2
Geoprvky používané pro tvorbu DMT .....................................................................10
3.3
Zdroje dat pro tvorbu DMT........................................................................................10
3.3.1 3.4 3.4.1 3.5
Datové reprezentace.................................................................................................20 Geomorfometrické analýzy..........................................................................................24 Analýzy obecné geomorfometrie............................................................................24
3.5.2
Analýzy specifické geomorfometrie .......................................................................27 Kontrola kvality a přesnosti DMT..............................................................................31
Softwarové zpracování........................................................................................32 4.1
ArcGis .............................................................................................................................32
4.1.1
ArcHydro ...................................................................................................................34
4.1.2
ArcHydro Data Model .............................................................................................35
4.1.3
ArcHydro Tools ........................................................................................................45
4.2
Hydrologické a hydraulické modelování....................................................................50
4.2.1
HEC-GeoHMS .........................................................................................................51
4.2.2
HEC-GeoHMS .........................................................................................................52
4.3.
ArcGis Water Utility .....................................................................................................54
4.4
ArcGis Groundwater ....................................................................................................55
4.4.1 5
Tvorba DMT..................................................................................................................19
3.5.1
3.6 4
Rozdělení zdrojů dat.................................................................................................11
Nástroje ArcGis Groundwater ...............................................................................55
Popis experimentální lokality ............................................................................56 5.1
Biosférická rezervace Dolní Morava...........................................................................56
5.2
Přírodní poměry lokality...............................................................................................57
4
6
Praktické provedení hydrologických analýz ......................................................59 6.1
Vstupní data ...................................................................................................................59
6.2
Tvorba DMT v softwaru ArcGis Desktop................................................................59
6.3
Obecné geomorfometrické analýzy ............................................................................61
6.4
Hydrologické analýzy ....................................................................................................62
6.5
Ověření přesnosti DMT ...............................................................................................66
7
Diskuse...............................................................................................................68
8
Závěr...................................................................................................................70
9
Summary ............................................................................................................73
10
Literatura............................................................................................................74
11
Přílohy ................................................................................................................77 11.1
Slovníček zkratek a pojmů ...........................................................................................77
11.2
Mapové a tabulkové přílohy ........................................................................................79
5
1
Úvod Poslední desetiletí dvacátého století jsou charakteristické nástupem informačních
technologií, zabývajících se daty, která se vztahují k zemskému povrchu. Jednou z těchto disciplín je hydrologie a hydrologické modelování. Problematika s vodními zdroji a tvorbou povodní v posledních letech stále hraje větší roli a dostává se do zájmu odborníků, ale i laické veřejnosti. Předložená kvalifikační práce se zaobírá možnostmi provedení hydrologických analýz za použití kvalitních digitálních dat a softwaru Esri ArcGis Desktop (ArcGis Desktop). Je zde představena spolupráce softwaru ArcGis Desktop s extenzí ArcHydro a nadstavbami ArcGis Water Utility a ArcGis Groundwater. V závěru práce jsou stručně nastíněny možnosti aplikace pokročilých externích modulů HEC-HMS a HEC-RAS. K provedení hydrologických analýz bylo vybráno jako experimentální území Biosférická rezervace Dolní Morava (BRDM), která je charakteristické svým dominantním postavením z pohledu vodního hospodářství. Základem hydrologických analýz v prostředí GIS je digitální model terénu. Pojem „model“ lze chápat jako trojrozměrnou složku, na jejímž povrchu se odehrávají procesy dnešního světa. Modely z prostředí GIS pracují s prostorovými daty, která musí být z hlediska formátu, měřítka a projekce integrována podle potřeb „modelů“. Dalším stavebním kamenem hydrologických analýz je příprava dat, které následně vstupují do konkrétních modelů. Tyto modely by měly poskytnout co nejlepší vypovídací schopnost a provedení takové analýzy na modelu, ze které lze výsledky aplikovat v praxi. Modely terénu pokrývající velké oblasti odvozené z mapových informací (vrstevnice, výškové body), pocházejí zejména z topografických map v měřítkách 1:10 000 až 1:100 000. Tato zdrojová data nevyhovují požadavků na velmi přesné DMT zejména proto, že v nich chybí terénní hrany (singularity). Na rozdíl od souvislých modelů terénů vytvořených pouze z bodů a vrstevnic neexistují žádné uspokojivé postupy pro vytvoření souvislých modelů ze zdrojových dat, která zahrnují trojrozměrné terénní hrany. TIN (Triangulated Irregular Networks – Nepravidelná trojúhelníková síť) je jediná metoda, která umožňuje vytváření souvislých podrobných modelů terénu pro rozsáhlé oblasti (PLŠEK 2007). Na základě modelu terénu je možné popisovat jevy, které se odehrávají na zemském povrchu. Např. erozní činnost, změna využití území, katastrofické události apod.
6
2
Cíl práce Diplomová práce si klade za cíl vytvoření hydrologicky korektního digitálního
modelu terénu s využitím pomocných dat o vodních tocích, vodních plochách a terénních singularitách. Analýza hydrologických parametrů na základě DMT je velmi častou oblastí využití geografických informačních systémů v praxi. Rozsáhlejší nasazení GIS pro tyto úkoly bylo umocněno i katastrofálními povodněmi, které se v posledních letech dotkly několika oblastí v České republice a negativně ovlivnily hospodaření v zemědělských i lesních ekosystémech. Prakticky každý software pro GIS obsahuje základní funkce pro odvození kvalitativních charakteristik (např. vylišování povodí, směrů odtoku apod.) i kvantitativních charakteristik (např. výpočty akumulovaného odtoku, množství eroze apod.) daného území. Problém je však podstatně širší, protože tyto charakteristiky jsou zjišťovány na základě DMT a do jejich kvality se potom promítá jednak typ a kvalita použitých zdrojových dat a jednak i způsob vytvoření DMT (KLIMÁNEK, DOUDA 2006). Digitální model terénu je základní technologickou komponentou pro modelování přírodních procesů a změn v geodatabázi. Jeho analýzou je možné získat cenné údaje v závislosti na jeho přesnosti, respektive způsobu jakým byl vytvořen (algoritmus prostorové interpolace) a z jakých zdrojových (vstupních) dat byl konstruován. Digitální model terénu je jednou z nosných vrstev pro digitální model krajiny, protože ve vztahu k němu probíhají veškeré procesy v životním prostředí (VZ MSM 2006). K tvorbě DMT je nutné zajištění vstupních výškopisných digitálních dat z dostupných zdrojů (ZABAGED, DMÚ 25, OPRL apod.). K uplatnění DMT byla vybrána Biosférická rezervace Dolní Morava, na které v současné době probíhá výzkumný záměr (VZ) MSM 6215648902 01/08 Lesnické a dřevařské fakulty MZLU v Brně. Na experimentální lokalitě byly následně provedeny kvalitativní a kvantitativní hydrologické analýzy a predikce – odtoková síť, řády a délky toků, vtokové body, směry a kvantifikace akumulovaného odtoku, vylišování dílčích povodí. Velmi důležitou podmínkou je kontrola přesnosti použitých geoprostorových dat, zpřesnění a případné opravy DMT. Ze široké škály softwarových produktů zabývajících se tvorbou DMT a hydrologií byl vybrán program ArcGis Desktop. Obrovskou předností tohoto softwaru je velmi kvalitní interpolační nástroj, který je vyvinut k určení hydrologicky korektního DMT z vrstevnicových dat. Následné hydrologické analýzy byly provedeny na vytvořeném DMT.
7
3
Teorie tvorby DMT Digitální modely terénu jsou hojně používanou geoinformační technologií, určenou
pro reprezentaci reliéfu terénu v prostředí geoinformačních systémů. Umožňují reliéf nejen zobrazovat, ale také analyzovat a získávat o něm celou řadu informací. Myšlenka vytvoření digitální reprezentace reliéfu v počítači není nijak stará. Autorství se obvykle přisuzuje dvěma inženýrům z bostonského Institute of Technology, kteří koncem padesátých let minulého století vytvořili první programy umožňující tvorbu a využívání digitálních modelů reliéfů. Jsou také autory vůbec první definice DMT. DMT je jednoduše statistickou reprezentací kontinuálního povrchu zemského prostřednictvím velkého počtu vybraných bodů o známých souřadnicích X, Y a Z v libovolném souřadnicovém systému (RAPANT 2005). V širším slova smyslu můžeme DMT definovat například takto: Digitální model terénu je základní technologickou komponentou pro modelování přírodních procesů a změn v geodatabázi. Jeho analýzou je možné získat cenné údaje v závislosti na jeho přesnosti, respektive způsobu jakým byl vytvořen (algoritmus prostorové interpolace) a z jakých zdrojových (vstupních) dat byl konstruován. Digitální model reliéfu je jednou z nosných vrstev pro digitální model krajiny, protože ve vztahu k němu probíhají veškeré procesy v životním prostředí (VZ MSM 2006). Anglická odborná terminologie rozlišuje několik označení pro toto digitální modelování (ŽIDEK 2005): DTM – digital terrain model (DMT – digitální model terénu) popisuje zemský povrch ve smyslu holého povrchu bez vegetace a bez lidských výtvorů jako jsou budovy, mosty apod. DSM – digital surface model (DMP – digitální model povrchu) popisuje zemský povrch ve smyslu prvního průsečíku projekčního paprsku, tzn. že zahrnuje body na budovách, vegetaci apod. DEM – digital elevation model (DVM – digitální výškový model) popisuje 2,5D rastrový model, který obsahuje výškové body ve vztahu k referenčnímu povrchu, často bez omezení toho co objekty reprezentují. Tento termín tak charakterizuje spíše modelovací techniku, než data, která DEM popisuje.
8
Proces terénního modelování zahrnuje tyto základní kroky (viz. Obr. 3.1): Tvorba DMT – vzorkování reliéfu, formulování vztahů, konstrukce modelu Manipulace DMT – modifikace a „čistění“ , odvozování dílčích modelů Interpretace DMT – analýza, získávání informací z modelu Vizualizace DMT – grafické ztvárnění modelu a odvozených informací Aplikace DMT – vývoj vhodné aplikace pro specifické disciplíny
Obr. 3.1: Hlavní úkoly při modelování terénu (KLIMÁNEK 2005)
3.1
Charakteristiky terénních ploch Při digitálním modelování terénu je možné popsat několik základních charakteristik,
které výrazně ovlivňují celý tento proces (MAYER 1995): Terénní plocha je velmi nepravidelná. Vykazuje místa, kde je průběh hladký, jinde jsou linie, na kterých je hladkost narušena. Mezi tyto místa patří vrcholy, sedla, údolnice a hřbetnice, které mají často podélně hladký průběh, ovšem v kolmém směru se na nich terénní plocha může až ostře lámat. Tyto zjevy se v terminologii DMT nazývají singularity, jejich matematickou charakteristikou je nespojitost funkce či nespojitost její derivace. Modelované plochy mohou být značně rozsáhlé, popisované značným objemem dat. Na druhé straně vzhledem k rozsáhlosti dosahují většinou malých převýšení, rozměry ve směru os plošných jsou větší než ve směru osy výškové. 9
Většinu terénní plochy lze charakterizovat jako funkci polohopisných souřadnic. Těm lze totiž vždy přiřadit pouze jednu výškovou složku. Výjimkou mohou být terénní stupně (zlomy nebo též schody), ve kterých je terénní plocha svislá. Někdy dosahuje až charakteru převisu (místa, kterými lze vést svislici, protínající povrch ve dvou nebo více bodech). Vyskytují se velmi zřídka, ovšem při jejich zpracování vyvstává velký problém, který pak vyvolává velký tlak na kvalitu softwaru pro tvorbu DMT.
3.2
Geoprvky používané pro tvorbu DMT Pro charakteristiku reliéfu lze použít 3 základní prvky:
bodové liniové plošné Každý geoprvek může obsahovat celou řadu atributů, mezi které patří: horizontální poloha nadmořská výška doplňkové informace Má-li být geoprvek upotřeben k tvorbě DMT, musí minimálně obsahovat údaje o horizontální poloze a nadmořské výšce. Doplňková informace nám blíže specifikuje reliéf v blízkém okolí geoprvku (např. lokální minimum hladiny jezera).
3.3
Zdroje dat pro tvorbu DMT Geoinformace potřebné pro tvorbu DMT lze získat různými způsoby měření.
Výběr datových zdrojů se liší cenou, přesností, dostupností a případně rychlostí jejich pořízení. Primární geoprostorová data se získávají pozemním měřením nebo technologiemi dálkového průzkumu Země (DPZ). Sekundární data mají charakter existujících digitálních dat nebo lze analogová data převézt pomocí digitalizace mapových podkladů. V praxi se nejvíce používá kombinace primárních a sekundárních geodat, protože dojde ke zvýšení přesnosti DMT.
10
3.3.1 Rozdělení zdrojů dat Zdrojová data pro tvorbu DMT lze rozdělit do dvou forem. První z nich je zajišťování dat pozemním měřením a druhou formou je zajištění dat z oblasti DPZ. A) Pozemní měření a) geodetická měření Geodetická měření patří k nejpřesnějším, ale zároveň nejpracnějším metodám získávání vstupních dat. Způsob těchto měření v lesních porostech nejčastěji spočívá v zaměření polohových souřadnic vrcholů polygonových pořadů, u kterých je nivelací určena jejich nadmořská výška. Poté jsou jednotlivé body terénního reliéfu zaměřovány tachymetrií,
kdy
dochází
k současnému
určování
polohy
(vyjádřené
polárními
souřadnicemi) i výšky (trigonometricky). Je důležité, aby takto byly zaměřeny body vystihující charakteristické prvky reliéfu terénu (zejména singularity) v závislosti na měřítku mapování. V současné době jsou pro tyto účely používány tzv. totální stanice, které významně zefektivňují práci, zejména díky následnému zpracování na výkonných počítačových stanicích s příslušným geodetickým softwarem. Přes tuto pracnost však jsou takto získaná data stále nezbytná zejména v oblasti lesnických staveb (lesní dopravní síť, meliorace a drobné vodní stavby), kde ostatní metody neposkytují dostatečnou přesnost (KLIMÁNEK 2006). b) družicové polohové systémy Historie družicové navigace sahá do počátku šedesátých let, kdy vojenské námořnictvo USA začalo rozvíjet projekt Transit. O něco později se o družicovou navigaci začalo zajímat i letectvo USA. Obě vojenské složky postupovaly ve vývoji systémů odděleně, až teprve počátkem 70. let vydalo ministerstvo obrany Spojených států amerických memorandum, jímž podřídilo další vývoj družicových navigačních systémů vzdušným silám. Původně samostatné projekty obou vojenských složek byly sloučeny do jediného programu s názvem NAVSTAR – GPS. Od 1. 7. 1973 řídí program společná programová skupina (angl. Joint Program Office – JPO), zřízena při kosmické divizi velitelství systémů vzdušných sil USA (angl. US Air Force Systems Command, Space Systems Division, Navstar GPS Joint Program Office) na letecké základně v Los Angeles. Členy jsou zástupci letectva, námořnictva, armády, námořní pěchoty, pobřežní stráže, obranné mapovací služby (angl. Defense Mapping Service), zástupců NATO a Austrálie.
11
V prosinci 1973 obdržela JPO oficiální povolení k zahájení prací na systému NAVSTAR – GPS (RAPANT 2002). I když má dnes systém GPS rozsáhlé civilní využití, nesmíme zapomínat, že se jedná primárně o vojenský systém, který byl vyvinut pro potřeby ministerstva obrany USA. Systém GPS je tvořen třemi základními komponenty: kosmickým řídícím uživatelským Ačkoliv pro správnou funkci systému GPS jsou potřebné všechny tři segmenty, lze je do jisté míry považovat za nezávislé části, které jsou dohromady svázané jen přesným časem. Přesný čas je základním stavebním kamenem celého systému. Kosmický segment je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných drahách a vysílajících navigační signály. Plná konstelace kosmického segmentu systému GPS sestává z 24 družic: 21 navigačních a 3 aktivních záložních družic. Kromě toho by měly být další čtyři záložní družice připravené v pohotovosti na Zemi, tak aby je bylo možné umístit na oběžné dráze a uvést do plného provozu do 48 hodin. Konstelace je tvořena šesti oběžnými drahami se čtyřmi družicemi na každé z nich a sklon oběžné dráhy je okolo 55 stupňů vzhledem k rovníku. Toto uspořádání garantuje, že na kterémkoliv místě na Zemi jsou trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic po celých 24 hodin. Ve většině případů je však viditelných více družic, v ideálním případě až 12. Řídící segment je zodpovědný za řízení celého globálního polohového systému. Z uživatelského hlediska je jeho hlavním úkolem aktualizovat údaje obsažené v navigačních zprávách vysílaných jednotlivými družicemi kosmického segmentu. Řídící segment je tvořen soustavou pěti pozemních monitorovacích stanic umístěných na velkých vojenských základnách americké armády (Havaj, Kwajalein, Diego García, Ascension a Colorado Springs). Na letecké základně Schriver (Schriver Air Force Base) nacházející se v Colorado Springs je umístěna hlavní řídící stanice (angl. Master Control Station – MCS). Uživatelský segment se skládá GPS přijímačů, uživatelů a vyhodnocovacích nástrojů a postupů. GPS provedou na základě přijatých signálů z družic předběžné výpočty polohy, rychlosti a času. Pro výpočet všech čtyř parametrů (x, y, z) a času je zapotřebí přijímat signály, alespoň ze čtyř družic. Tyto přijímače jsou používány pro navigaci, určování polohy, měřictví, určování přesného času, ale i pro jiné účely (SVOBODA 2006).
12
Systém GPS využívá pro určování polohy a času tři základní principy měření: kódová měření fázová měření Dopplerovská měření Kódová měření představují základní princip měření pomocí systému GPS. Základním principem kódových měření je určování vzdáleností mezi přijímačem a družicemi. K tomuto účelu se využívají tzv. dálkoměrné kódy vysílané jednotlivými družicemi. Dálkoměrné kódy představují přesné časové značky, umožňující přijímači určit čas, kdy byla odvysílána kterákoliv část signálu vysílaného družicí. Fázová měření jsou založena na odlišném principu a to na zpracování vlastní nosné vlny. Při měření přijímač spočítá počet vlnových délek nosné vlny nacházející se mezi přijímačem a družicí. K výpočtu polohy vůbec nevyužívá dálkoměrné kódy. Dopplerovská měření využívají posunu frekvence na nosné vlně, tento moment se nazývá Dopplerův posun. Projevuje se v důsledku relativního pohybu družice vůči přijímači a průběžně mění frekvence přijímaného signálu. Tato měření lze spíše využít k určování rychlosti, s jakou se přijímač pohybuje. Metody zpřesňování GPS: Při návrhu systému GPS uvažovali konstruktéři o možných metodách zpřesňování určování polohy a další metody začaly vznikat především s využíváním civilních uživatelů. Do první skupiny patří průměrování a do druhé diferenční korekce a postprocessing. Průměrování spočívá v mnohahodinovém měření na bodě, jehož polohu chceme určit s frekvencí vzorkování 1 sekunda. Praktické výsledky ukazují, že po 8 hodinách již přesnost nijak výrazně nestoupá. Diferenční korekce a postprocessing – diferenční GPS zpracování poskytuje uživatelům korekce pro opravu určování jejich pohyblivé polohy buď přímo korekcí této polohy (geografických souřadnic) nebo korekcí měřených zdánlivých vzdáleností. V případě postprocessingu není nutné, aby referenční stanice komunikovala s GPS přijímačem v reálném čase – korekční údaje jsou získány později (nejčastěji z internetu) pro časový úsek, kdy bylo prováděno měření. Rozšiřující systémy byly původně plánovány jako samostatné alternativní systémy, ale v současné době plní služby v oblasti šíření diferenčních korekcí a monitorování integrity. Patří sem 4 projekty: americký WAAS a LAAS, kanadský CWAAS, evropský EGNOS a japonský MSAS.
13
B) Dálkový průzkum Země a) fotogrammetrie K použití fotogrammetrické analýzy je nutná dvojice leteckých měřičských snímků nebo družicových snímků se stereoskopickým překrytem (obvykle 60 až 80 %). K vyhodnocení je nutné přístrojové vybavení v podobě stereoplotru nebo digitální fotogrammetrické stanice. Před započetím stereoskopické hodnocení je nutné provést určení prvků vnitřní a vnější orientace snímku (tzv. vlícování). Výstupem ze softwarového zpracování je potom matice čísel, na jejímž základě je možné dále snímky ortorektifikovat (při využití DMT pro eliminaci zkreslení vlivem zemského povrchu). Polohová i výšková přesnost je přímo úměrná měřítku snímku, prostorového rozlišení snímku a přesnosti, s jakou jsou známy souřadnice vlícovacích bodů použitých pro triangulaci (KLIMÁNEK 2006). Při analogovém zpracování jsou v obrazovém poli operátora viditelné dvě tečky, kterými se pohybuje tak, až splynou v jednu tečku ležící na povrchu terénu, kterou je možno po terénu pohybovat. Na základě rozdílu paralax velkého množství bodů se vypočítávají výškové rozdíly a absolutní hodnoty výšek. Zjištění přesné výšky je obtížné na místech, kde pozorovatel nevidí terén (vegetace, budovy, oblačnost). Množství bodů a jejich rozmístění je při této metodě určeno pravidelnou sítí o předepsaných parametrech nebo je výsledkem sledování linií o stejné výšce a záznamem údajů v pravidelných intervalech (ŽIDEK 2005). Při automatizovaném digitálním zpracování se snímky vyhodnocují metodou obrazové korelace dvou odpovídajících si obrazových záznamů. Cílem je automaticky zjistit polohu dvou odpovídajících si bodů (tzv. homologických bodů), zaregistrovat jejich snímkové souřadnice a vypočíst horizontální paralaxu (při znalosti prvků vnitřní orientace kamery) umožňující stanovit výšku příslušného bodu nad srovnávací rovinou (ŽIDEK 2005). b) radarové snímání Radarové systémy lze rozdělit na dvě základní metody. Radarová interferometrie – metoda je založena na získávání radarového echa stejného místa z různých poloh (částí dráhy družice, pozic letadla), tímto dochází k rozdílu fází radarového signálu, který je nositelem informace o výšce daného místa (KLIMÁNEK 2006).
14
Radarová altimetrie – metoda využívá podstaty šíření radarového echa, které je zaznamenáno. Evidován je časový interval mezi vysláním a přijetím zaznamenáno signálu, a jednak jako signál modifikovaný povrchem. Mikrovlnné záření se šíří v prostoru konstantní rychlostí. Z mikrovlnné rozdílu času mezi vysláním a přijetím signálu je možné zjistit vzdálenost. c) laserové snímání (laserscanning) Laserové snímání zemského povrchu patří k nejnovějším technologiím pro pořizování prostorových geodat. Hlavními přednostmi laserového skenování je velká hustota naměřených dat v krátkém čase a možnost použití za snížené viditelnosti a získaní přesných dat. Základem systému leteckého laserového snímání jsou tři komponenty. Kromě samotného laserového zdroje jsou jimi také GPS a INS (inertial navigation system) sloužící k záznamu prostorové polohy a orientace zdroje tak, aby mohly být získané informace přesně interpretovány a lokalizovány. Jako laserový zdroj se používají pulsní lasery vysílající laserový paprsek v krátkých pulsech nebo CW (continuous wave) lasery vysílající nepřetržitý paprsek směrem k odrazové ploše (RAŠKA 2007). Letecké laserové snímače fungují do značné míry podobně jako optické skenery. Zařízení vysílá svazek paprsků, které v řadě více méně napříč pohybu nosiče dopadají na povrch. Krajní body řady definují vyzařovací úhel zařízení (může být až 25o ). Po jejich dosažení je snímán další řádek, tentokrát v opačném směru (KOLEJKA, TEJKAL 2002). V průběhu samotného snímání krajiny je směrem k povrchu vysílán svazek paprsků, které se odrážejí zpět jako „echa“, podle jejichž časového zpoždění je analyzována vzdálenost objektu (viz. Obr. 3.2). Svazek paprsků má stanovený vyzařovací úhel vyjadřující průměr snímané stopy na povrchu (laser footprint diameter), na němž spolu s výškou letu závisí hustota snímaných bodů. Výška letu zůstává konstantní, zvolená s ohledem na technické parametry (vyzařovací úhel svazku paprsků i jednotlivých paprsků, frekvence a intenzita záření, hustota snímaných bodů, velikost snímaného území aj.) s ohledem na další omezení (např. úředně stanovené limity šířky stopy paprsku). Krajina je nejčastěji snímána v pruzích orientovaných příčně ke směru letu tak, že je vždy následující pruh snímán v opačném směru než předchozí. Protože stopa pohybu svazku paprsků připomíná písmeno Z, vžilo se pro takový způsob snímání označení Z scanning. Pro optimalizaci interpretace dat a jejich využití je ideálním doplňkem laserového snímání také optické snímání, např. fotogrammetrické mapování (RAŠKA 2007).
15
Obr. 3.2: Princip zjišťování prostorových dat metodou laserového snímání (GEODIS 2008) V praxi se jeví jako velmi atraktivní modelování městských aglomerací, modelování procesu kontaminace městského prostředí. Na kvalitní DMT lze také daleko spolehlivěji nasadit nejrůznější odtokové a erozní modely. V praxi může být poptávka orientována za účelem získání kvalitních 3D podkladů pro projektování, vedení výstavby, rozvodů vody, plynu, kanalizace, kabelových sítí aj. (viz. Obr. 3.3). Zcela aktuálním se jeví modelování povodňových situací v rurálních i urbánních územích, přesnější odhadování kubatury stávajících i potenciálních záplavových území, trvalých i sezónních (KOLEJKA, TEJKAL 2002).
Obr. 3.3: Výsledný záznam elektrovodu metodou laserového snímání (GEODIS 2008) 16
Firma Geodis Brno, spol. s r. o. uvádí, že při ověřování DMT geodetickými a fotogrammetrickými metodami byla potvrzena výšková přesnost se střední chybou 35 mm. Při vlícování dat na přesnější výškové podklady by zřejmě bylo možné dosáhnout ještě větší přesnosti (SIROTEK 2006). C) Existující digitální a analogová geoprostorová data V České republice jsou nejdostupnější geodata pro tvorbu DMT z podkladů Základní báze geografických dat (ZABAGED), Oblastních plánů rozvoje lesů (OPRL) a Vojenského geografického informačního systému (VGIS). a) Základní báze geografických dat Jedná se o digitální geografický model území České republiky, který svou přesností a podrobností zobrazení geografické reality odpovídá přesnosti a podrobnosti Základní mapy České republiky v měřítku 1:10 000 (ZM 10). Obsah ZABAGED tvoří 106 typů geografických objektů zobrazených v databázi vektorovým polohopisem a příslušnými popisnými a kvalitativními atributy. ZABAGED obsahuje informace o sídlech, komunikacích, rozvodných sítích a produktovodech, vodstvu, územních jednotkách, chráněných územích, vegetaci, povrchu a prvcích terénního reliéfu (ČUZK 2008). Prvotní sběr dat zahájil Zeměměřický úřad v roce 1995 vektorovou digitalizací analogových pokladů ZM 10. Základní digitalizace byla s výjimkou zástavby sídel dokončena v roce 2001. Digitalizace zástavby a dalších popisných atributů byla dokončena v roce 2004. Od roku 2005 probíhá aktualizace dat pomocí fotogrammetrických metod. Data ZABAGED spravuje a poskytuje Český úřad zeměměřický a katastrální. Poskytovaná data obsahují vektorové soubory polohopisu (2D) ve formátu DGN, případně s atributy v MPD (pro aplikace softwaru Intergraph), nebo ve formátu SHP pro aplikaci v programových prostředích firmy ESRI, využívající relační databázi Oracle. Data jsou poskytována v souřadnicových systémech S-JTSK, WGS 84, S-42 a výškovém systému Balt po vyrovnání. Digitální výškopis obsahuje pouze vrstevnice ve variabilním intervalu 2, 4, 6, 8 a 10 m nebo 5 a 10 m. Důležitým faktem je, že v místě singularit terénu (strže, zářezy aj.) jsou vrstevnice přerušené (tzn. že zde údaj výškopisu chybí, protože ve zdrojové analogové mapě byla značka bez výškopisného atributu). Poskytnutí dat je placenou službou, kterou tvoří mapové listy jako vektorové soubory polohopisu a výškopisu ve formátu DGN (příp. DXF, SHP) s popisnou složkou (KLIMÁNEK 2006).
17
b) Oblastní plány rozvoje lesů Oblastní plány rozvoje lesů (OPRL) jako metodický nástroj státní lesnické politiky jsou legislativně zakotveny v Zákoně č.289/1995 Sb., o lesních, ve znění pozdějších předpisů. Od začátku tvorby OPRL bylo jasné, že vzhledem k širokému spektru šetřených a prezentovaných informací bude digitální podoba pro uživatele nejpřehlednější. Digitální OPRL je postaven na kombinaci rastrového podkladu (státní mapy odvozené s lesnickým detailem) a vektorových objektů. Ty jsou tématicky uspořádány po vrstvách. Jednotlivé Přírodní lesní oblasti (PLO) v rámci ČR tvoří samostatné projekty, které jsou navzájem souvisle zobrazeny. To znamená, že společné objekty jednotlivých témat netvoří vzájemný přesah a plynule na sebe navazují, jak po stránce obsahu (témata), tak i prostorové identity. Jednotnost zpracování projektu (včetně databázových struktur) a souvislé zobrazení tvoří základní kvalitativní předpoklad. Každý, kdo se zabývá tvorbou GIS, může ocenit tyto vlastnosti z hlediska jeho dalšího využití – včetně aktualizace. Projekt se tak stává v pravém slova smyslu významným nástrojem a pomocníkem v oblasti informačních technologií (MANSFELD 2003). Přesnost výškopisných dat je velmi problematická, vrstevnicový interval je 20 m a pro tvorbu přesného DMT jsou tyto data nedostačující. c) Vojenský geografický informační systém Správcem a poskytovatelem dat je Vojenský geografický a hydrometeorologický úřad v Dobrušce. Jedná se o vojenské zařízení se speciální vojensko-odbornou působností a zodpovědností. Zabezpečuje sběr informací, tvorbu a správu standardizovaných geodetických, kartografických a geografických podkladů a map a speciálních databází určených pro zabezpečení obrany České republiky. Plní úkoly přímé geodetické, geografické a hydrometeorologické podpory velitelů a štábů vojsk při výcviku, řešení humanitárních operací a zejména při ohrožení bezpečnosti České republiky (VGHÚ 2008). Vojenská geodata jsou poskytována ve formátech ESRI ArcGis. Výškopisná data pro tvorbu DMT jsou součástí produktů: Digitální model území 25 a 200 (DMÚ 25 a DMÚ 200), podle kladu mapových listů topografické mapy 1:25 000 a 1:100 000. Digitální výškopisná data (DVD) – skutečná výška terénu se zaznamenává pro body v síti 100 x 100 m, Digitální model reliéfu 1 (DMR 1) – maximální výška terénu se zaznamenává pro body v síti 1 x 1 km. Z hlediska přesnosti a podrobnosti je pro DMT
18
nejvhodnější výškopis z DMÚ 25. Tato data obsahují pouze vrstevnice v intervalu 5 m a narozdíl od dat ZABAGED jsou tyto linie nepřerušované (KLIMÁNEK 2006). d) další možnosti získání geodat Výzkumný ústav vodohospodářský TGM Český hydrometeorologický ústav Ředitelství silnic a dálnic Agentura ochrany přírody a krajiny ČR Správa chráněných krajinných oblastí Privátní sektor
3.4
Tvorba DMT
Pro vytvoření kvalitního DMT je nutné dodržet několik podmínek z těchto oblastí: A) Interpolace Jedná se především o zvolení vhodného algoritmu v závislosti na charakteristikách vstupních dat, včetně filtrování těchto dat na základě obsažených chyb a statistických parametrech. Slouží k výpočtu hodnot v místech kde nebyly naměřeny. Nejčastěji se jedná o dopočítání výšky (souřadnice z) pro daný bod nebo pixel, výpočet polohy (souřadnice x, y) při interpolaci vrstevnic anebo změnu rozlišení (resampling), případně změnu datové struktury (KLIMÁNEK 2006). Úkolem interpolace je určit vhodnou funkci y = f(x), která v daných (tzv. uzlových) bodech nabývá známých hodnot (KLIMÁNEK 2005) Proto je velmi nutné také znát rozmístění zdrojových dat (viz. Obr. 3.4). B) Geomorfologie Dává nám možnost vkládat a opravovat singularity terénu, tím pádem se snažíme co nejlépe zachovat geomorfologické charakteristiky.
19
C) Použitelnost Volba datové reprezentace při ohledu na její možnosti (rastrové reprezentace nám nemohou popsat singularity terénu, jako jsou například převisy nebo jeskyně) v souvislosti s použitím softwarových nástrojů i volba standardizovaných formátů dat pro osobní počítač (KLIMÁNEK 2006). D) Model Pro snížení náročnosti procesů na tvorbu DMT je nutné myslet na použití techniky, která model ukládá s variabilní hustotou což vede k úspoře diskového prostoru, operační paměti a také času.
Obr. 3.4: Rozmístění zdrojových dat (BURROUGH AND MCDONNELL 1998)
3.4.1 Datové reprezentace Pro snadný popis terénu se většinou používá princip rozdělení celé plochy na menší části, které se dají snadněji geometricky popsat. Podle charakteristik těchto plošek se rozlišují následující typy modelů. Rastrový model Polyedrický model Plátový model
20
A) Rastrový model Rastrový model je chápán ve dvou variantách: První považuje buňku (pixel) za plošku (fasetu) uzavřenou čtyřmi body rastrové sítě, z nichž každý může mít jinou výšku (grid), a výsledný model je tak tvořen zborcenými čtyřúhelníky (KRAUS 2000). Druhá pokládá buňku (pixel) za objekt reprezentující pravoúhlou plošku integrálně a přiřazená hodnota reprezentuje atribut výšky pro celou plochu buňky (pixelu) – tato varianta se používá v rastrově orientovaných GIS nejčastěji (KRAUS 2000). Rastrový model je výhodný v tom, že pracuje s pravidelnou maticí uzlových bodů, jenž se dají snadno vypočítat a není nutné o nich udržovat všechna data. Ovšem vypovídající schopnost modelu silně závisí na jeho rozlišovací úrovni, na kolik jsou jednotlivé prvky rastru přimknuty ke skutečnému reliéfu terénu. Velmi špatně se taková hustota volí pro krajinu s velkou nepravidelností, kde jsou vysoké hory i rozsáhlé rovné pláně nebo jezera. Takový reliéf je nutné řešit rozdělením na několik modelů a každý zpracovávat v různém rozlišení. Rastrový model je v principu definován hodnotami (x, y, z) – tedy prostorovými souřadnicemi každého bodu rastru. Při praktickém použití stačí určit vzdálenost bodů rastru a umístit jeden bod do souřadného systému, všechny ostatní prvky se snadno dopočítají (GRAFIKA 2008). B) Polyedrický model Oproti rastrovému modelu jsou zde elementárními ploškami trojúhelníky, které k sobě přiléhají a tvoří tak mnohostěn, přimykající se k terénu (viz. Obr. 3.5). Vrcholy mnohostěnu jsou body na terénní ploše. Interpolace plochy se provádí lineárně po trojúhelnících. Tento přístup je v současné době u komerčních systémů nejrozšířenější. Vrcholy trojúhelníků je vhodné zvolit tak, aby vystihovaly nejen obecně průběh terénu, ale hlavně jeho singularity.
21
Obr. 3.5: Ukázka digitálního modelu terénu typu TIN (ARIZONA UNIVERZITY 2008) Terén je v tomto případě reprezentován trojúhelníky, čili sadou vrcholů (vertices, vertex), hran (edges) a plošek (faces). Vstupní zdrojová data jsou vyjádřena x, y a z souřadnicemi vrcholů, každá hrana tak spojuje 2 vrcholy a rozděluje 2 plošky, každá trojúhelníkovitá ploška je potom ohraničena 3 hranami a je považována za rovinný útvar (KLIMÁNEK 2006). Velmi důležitou podmínkou pro tvorbu polyedrického modelu je samotný typ triangulace, která se týká rovinných souřadnic vstupních bodů. Nejvíce je používána tzv. Delaunyho podmínka. Vychází ze vztahu, že vnitřek kruhu opsaného libovolnému z trojúhelníků sítě neobsahuje žádný další (čtvrtý) bod sítě. Postup triangulace znázorňuje obrázek 3.6, kdy k danému bodu b najdeme nejbližšího souseda a, tzv. Thiessenovy sousedy (A). Rozšíříme hledací kružnici procházející přes tyto body tak, aby do ní padly další body (B). Vybereme z nich ten, u kterého úhel ke spojnici východiskových bodů ab je větší, tedy c (C). Pokračujeme v hledání do té doby, až v kružnici opět najdeme bod b (D). Kromě Delaunyho podmínky je potom druhým kritériem maximalizace úhlu mezi přilehlými trojúhelníky, tzn. minimalizace úhlu mezi normálami (KLIMÁNEK 2006).
22
Obr. 3.6: Princip tvorby triangulace (RAPER 1993) TIN struktura bývá nejčastěji uložena ve dvou typech: Ukládají se jednotlivé trojúhelníky jako polygony s příslušnými atributy V tomto případě se registruje jednoznačný identifikátor každého trojúhelníka (viz. Obr. 3.7). Souřadnice (x, y, z) pro každý vrchol a identifikátory trojúhelníků sousedních . Ukládají se jednotlivé body spolu s informacemi o jejich sousedech Zapisuje se identifikátor každého vrcholu spolu se svými souřadnicemi (x, y, z) a identifikátory vrcholů sousedních (viz. Obr. 3.7).
Obr. 3.7: Princip ukládání TIN struktury (KLIMÁNEK 2005)
23
C) Plátový model Tento typ modelu předpokládá, že se povrch rozdělí na menší plošky, které však nemusí být pouze rovinné, mohou být i jistým způsobem zakřivené. Tyto obecně křivé plošky trojúhelníkového nebo čtyřúhelníkového tvaru musí být vedeny po hranici singularit a charakteristických bodech terénu. Zřídka se používají rovněž obecné n-úhelníky. Prvním krokem při tvorbě plátového modelu je triangulace. Začíná se pospojováním vstupního seznamu bodů do trojúhelníkové sítě. Výsledkem triangulace je terénní model popsaný vhodnou datovou strukturou. Součástí tvorby modelu může být i optimalizace jednotlivých plátů. Při ní jsou některé zbytečné hrany trojúhelníkové sítě vypuštěny a model je pak tvořen i čtyřúhelníky, či ještě složitějšími mnohoúhelníky. Při provádění těchto operací vzniká z trojúhelníkovité sítě obecný plátový model, který se skládá z obecných n-úhelníků. Vždy však bývá zachován vztah, nazývaný Eulerův,
V+F−E=2 kde V je počet vrcholů, E je počet hran a F je počet ploch. Tento vzorec ovšem předpokládá započítání okolí trojúhelníkovité sítě, které se reprezentuje jednou plochou nebo musí být síť uzavřená a popisovat tak uzavřené prostorové těleso ze všech stran (MAYER 1995).
3.5
Geomorfometrické analýzy Předmětem geomorfometrie je analýza geometrie tvarů zemského povrchu (formy
georeliéfu).
Důraz
se
klade
na
morfometrické
analýzy
georeliéfu
vycházející
z geometrického aspektu tvaru zemského povrchu. Geomorfometrické analýzy lze rozdělit na obecnou geomorfometrii a na specifickou geomorfometrii.
3.5.1 Analýzy obecné geomorfometrie Algoritmus těchto analýz je založen na výpočtech, které probíhají prostřednictvím operací s okolím za využití výškových údajů z okolních bodů. Ty jsou určeny prostřednictvím okna (submatice) 3×3 pixely, které má centrum v uvažovaném bodě (viz. Obr. 3.8).
24
Obr. 3.8: Definice okna 3x3 pro morfometrické výpočty v DMT (KLIMÁNEK 2005) V GIS jsou nejvíce využívanou analýzou obecné geomorfometrie: Sklonitost Expozice Reflektance Zakřivení A) Sklonitost Sklonitost definujeme jako gradient (maximální spád) výšky. Gradient je v definovaném bodě úhel měřený od horizontály k tečné rovině v tomto bodě (viz. Obr. 3.9). Sklonitost lze počítat jako sklonitost ve směru osy x nebo lze počítat sklonitost ve směru osy y a maximální sklonitost (gradient).
Obr. 3.9: Princip zjišťování sklonu terénu (KLIMÁNEK 2005)
25
B) Expozice Expozici definujeme jako azimut. Azimut je horizontální úhel ve stupních, sevřený mezi zeměpisným severem a gradientem (ve smyslu směru pohybu hodinových ručiček, viz. Obr. 3.10). Méně často se používá tzv. elevační úhel Eu, což je výškový úhel ve stupních, sevřený horizontálou a přímkou proloženou daným bodem kolmo k povrchu.
Obr. 3.10: Expozice (KLIMÁNEK 2005) C) Reflektance Sklonitost a expozice jsou úzce spjaty s vytvářením analytického stínování reliéfu terénu. Vstupními daty jsou gradient, azimut (horizontální úhel zdroje osvětlení) a zenit (vertikální úhel zdroje osvětlení). Poloha stínů produkovaných reliéfem přispívá k představě trojrozměrného povrchu. Pro lidské oko je trojrozměrný vjem reliéfu mnohem účinnějším zobrazením nežli dvourozměrné rovinné zobrazení (ŽIDEK 2005). Existuje mnoho výpočetních postupů pro stanovení reflektance povrchu, nejčastěji používaným je tzv. Lambertův model, kdy se předpokládá ideální odrazivost paprsků od povrchu, který se potom jeví jako rovnoměrně osvětlen ze všech úhlů pohledu (KLIMÁNEK 2006).
26
D) Zakřivení (Míra změny křivosti) Zakřivení je možné představit ve dvou formách: vertikální zakřivení (profile curvature) – míra změny u gradientu horizontální zakřivení (plan curvature, tangential curvature) – míra změny u vrstevnic Ve výsledcích potom záporné hodnoty značí konvexní tvary a kladné hodnoty tvary konkávní (KLIMÁNEK 2006).
3.5.2 Analýzy specifické geomorfometrie Specifická geomorfometrie se zaměřuje na tvorbu algoritmů, které provádí analýzy terénních prvků spojené především s hydrologií a inženýrskými aplikacemi. Hlavním úkolem diplomové práce je poukázat jak tyto hydrologické analýzy fungují a konkrétně je ověřit na experimentálním územím. Hydrologické analýzy řeší: směry a velikost odtoku stanovení odvodňovací sítě akumulovaný odtok hranice a plochy povodí Základem specifických geomorfometrických analýz je nutné rozdělení terénních prvků na bodové (vrcholy, prohlubně, sedla), liniové (hřebeny, údolí) a plošné (svahy, plošiny). Principem je tedy určení požadovaných objektů na základě jejich charakteristik a závislostí v reálném terénu pomocí algoritmů založených na analýze okolí (pomocí pohybujícího se okna). Celá technologie se skládá z postupu, kdy se nejprve musí upravit (vyhladit) DMT tak, aby v následující fázi matematické klasifikace nedocházelo k chybným závěrům. Úprava DMT se nejčastěji provádí snížením textury pomocí filtrování (lowpass filtering) oknem o velikosti 3×3 pixely (nebo jiného lichého rozměru). Vhodnou podporou terénních klasifikací mohou být různé texturální analýzy, jako například klasifikace dimenzí ve smyslu Eukleidovské geometrie (linie = 1, plocha = 2, prostor = 3), vylišování hran podle orientace terénu ke světovým stranám nebo index fragmentace terénu v kombinaci s vhodnou velikostí filtrovacího okna (KLIMÁNEK 2006).
27
A) Směry a velikost odtoku Algoritmy pro stanovení odtoku počítají kvalitativní (směry odtoku) a kvantitativní (velikost odtoku) charakteristiky, které patří k základním hydrologickým charakteristikám zjišťovaným z DMT. Algoritmy vypočítávající směr odtoku můžeme rozdělit na dvě základní varianty. a) Předpokládají se pouze 4 možnosti odtoku (stranová souvislost pixelů). b) Předpokládá se 8 možností odtoku (stranová a diagonální souvislost pixelů). V současnosti jsou nejvíce využívanou variantou systémy založené na 8 směrech odtoku a to zejména v souvislosti s orientací ke světovým stranám. Směr pohybu se obvykle označuje číslicí. Většinou se začíná na nejhořejší pozici s postupem ve směru pohybu hodinových ručiček (viz. Obr. 3.11). V případě, že už žádná sousední buňka neobsahuje nižší hodnotu, představuje tato buňka propad (kanalizační prvek) a obdrží kód 0. Tyto kódy a začátek číslování se však rámci jednotlivých algoritmů mohou lišit. Odvodňovací síť lze stanovit, připojíme-li ke kódům směrů odtoku příslušné směrové šipky. Nula na konci pole šipek pak představuje kanalizační prvek, sloužící k odvodnění území (KLIMÁNEK 2006).
Obr. 3.11: Směr odtoku a akumulovaný odtok na základě DMT (KLIMÁNEK 2005) DMT velmi často obsahuje tzv. bezodtoké deprese (pits, viz. Obr. 3.12). Jedná se o hodnoty, jejichž výška je lokálně vyšší než předcházející ve směru spádu. Tímto dochází k přerušení odtoku, který nemůže proudit z jedné buňky rastru do jiné a ve výsledku dochází k chybnému stanovení akumulovaného odtoku. Vzniklé bezodtoké deprese se řeší
28
speciálními algoritmy, které zaplavené deprese překonávají zvyšováním jejich hladiny, až se dosáhne buňky, která svou výškou odtok vody umožní.
Obr. 3.12: Problematika bezodtokových depresí (KLIMÁNEK 2005) B) Stanovení odvodňovací sítě Stanovení odvodňovací sítě lze utvořit tak, že připojíme ke kódům směrů odtoku příslušné směrové šipky. Nula na konci šipek značí tzv. kanalizační prvek, který slouží k odvodnění území (viz. Obr. 3.13).
Obr. 3.13: Princip tvorby odvodňovací sítě (ŽIDEK 2005) 29
C) Akumulovaný odtok Akumulovaný odtok je složitější hydrologická analýza, do které je nutné zahrnout takové faktory jako je: množství dopadajících dešťových srážek, následné vsakování do půdy, resp. propustnost podložních vrstev. Tyto faktory následně umožňují zpřesnit odhad reálné hodnoty akumulovaného odtoku z určitého území (viz. Obr. 3.14) Dalším faktorem může být i prahová hodnota, která vymezuje akumulační fázi odtoku a po jejímž dosažení začíná vlastní odvodňovací etapa (případně stanovení množství vody, které bude již působit erozní škody). Akumulovaný odtok předpokládá, že vlastní kanalizační etapa může nastat až ve chvíli, kdy voda přitékající do buňky dosáhne určité kritické hodnoty. Odvodňovací síť vyhledaná tímto procesem je považována za dobrý odhad skutečné odvodňovací sítě (ŽIDEK 2005).
Obr. 3.14: Akumulovaný odtok na základě množství srážek S a propustnosti povrchu P, odtok z povrchu O je definován vztahem O = S*(1-P) a směr je dán z DMT obr. 3.11 (KLIMÁNEK 2005) D) Hranice a plochy povodí Povodí můžeme charakterizovat jako oblast, která je odvodňována určitou říční soustavou, jež je proti sousední oblasti vymezena rozvodím. Z pohledu GIS můžeme povodí definovat jako atribut každého bodu DMT, který identifikuje území ležící v oblasti s přítokem do tohoto bodu (viz. Obr. 3.15). Hranice povodí lze zjistit pomocí různých algoritmů provázaných s odtokovými charakteristikami (směr odtoku a akumulovaný odtok). Tradičně tyto algoritmy pracují s odstraněním lokálních depresí a umožňují zjišťovat povodí na základě zadání jeho minimální výměry
30
nebo zadáním uzavíracího profilu. V rámci těchto povodí pak lze určovat další charakteristiky, jako jsou například souvislé délky svahů, které jsou vhodné pro využití k výpočtům v erozních modelech (KLIMÁNEK 2006).
Obr. 3.15: Princip tvorby povodí (ŽIDEK 2005) Povodí je možno definovat jako atribut každého bodu sítě, který identifikuje území ležící v oblasti proti proudu tohoto bodu (ŽIDEK 2005). Tvorba povodí je založena na algoritmu, který začíná ve stanovené buňce, do které je odváděna voda. Následně pokračuje analogicky v tomto procesu s označenými buňkami tak dlouho, dokud není dosáhnuto horního výškového limitu území. Povodí je následně určeno polygonem ohraničujícím označené buňky.
3.6
Kontrola kvality a přesnosti DMT Pro kvalitní výsledek je nutné, aby byla zajištěna kontrola vstupních dat a případně
byly odstraněny hrubé či náhodné chyby. Kontrola přesnosti DMT se nejčastěji provádí porovnáním s jiným DMT nebo se provádí další kontrolní měření. Pro bližší kontrolu je nutné nejdříve DMT vytvořit a poté na něj následně aplikovat vhodné filtry pro detekci hran. Jedná se o tzv. vysokofrekvenční filtry, které zdůrazňují změny v hodnotách mezi jednotlivými pixely a následně tyto rozdíly reprezentují především hrany a linie. Pro analýzu hran je nejčastěji používán Laplaceův filtr, který hrany zvýrazňuje a Sobelův filtr, který hrany detekuje. Těmito aplikacemi lze lokalizovat chyby ve vrstevnicích v závislosti na jejich intervalu. Přesnost DMT nejčastěji hodnotí kvantifikací střední kvadratické výšky (RMSE).
Tato
hodnota
představuje
interval,
který
odchylka
mezi
hodnotou
interpolovaného povrchu a kontrolním měřením nepřekročí s danou pravděpodobností. Obecně platí, že čím je střední kvadratická chyba menší, tím je příslušná interpolace spolehlivější (KLIMÁNEK 2006).
31
4
Softwarové zpracování V současnosti se na poli GIS vyskytuje velké množství různě kvalitních
softwarových produktů pro tvorbu DMT. Je možné využívat komerční systémy, které jsou sice velmi nákladné, ale zaručují nám kvalitu a spolehlivost. Druhou alternativou jsou freeware a open source programy, které jsou cenově dostupnější nebo zdarma, ale interpolační algoritmy nejsou na takové úrovni jako u komerčních systémů. Poslední dobou se objevují nástroje pro tvorbu DMT i v aplikacích CAD/CAM. Ještě nějakou chvíli potrvá než se přiblíží dnešním GIS softwarům, ale signalizují že chtějí na poli GIS také hrát roli.
4.1
ArcGis V roce 1969 Jack a Laura Dangermondovi založili v Kalifornii soukromou
konzultační skupinu ESRI (Environmental Systems Research Institute, Redlands, USA). Vstupní kapitál tvořilo pouhých 1 100 dolarů a starý dům v Jackově rodišti Redlands. Během sedmdesátých let se ESRI zaměřila na vývoj základních principů GIS a jejich využití v reálných projektech. V roce 1981 byl uveden na trh první geografický informační systém ArcInfo, z něj se v roce 1986 vyvinula verze pro stolní počítače PC ARC/INFO. V roce 1990 ESRI upevnila svoji pozici na trhu s desktop produktem ArcView GIS, jehož bylo již prodáno přes 300 000 instalací. V dubnu 2001 začíná rozesílání ArcGIS 8.1, ze které lze vystavět komplexní GIS pro všechny úrovně organizací. V květnu 2004 ESRI uvádí na trh ArcGIS 9, další generaci produktů pro komplexní GIS. Součástí jsou dva nové produkty: ArcGIS Engine pro GIS aplikace na desktop a ArcGIS Server pro serverování GIS aplikací. V současnosti je na trhu aktuální verze ArcGIS 9.2 (ARCDATA PRAHA 2008). ArcGis patří mezi legendární průkopníky softwaru s GIS, který nabízí pět hlavních komponent (viz. Obr. 4.1): ArcGis Desktop, Serverový GIS, GIS pro vývojáře, Mobilní GIS a ESRI Data. Do kategorie ArcGis Desktop spadají produkty (ArcView, ArcEditor, ArcInfo a volně dostupný prohlížeč publikovaných map ArcReader). Aplikace ArcGIS Explorer je nový prohlížeč geoprostorových dat vytvořený pomocí ArcGIS Server. Nabízí snadnou cestu, jak zdarma a rychle prohlížet geografické informace jak ve 2D, tak i ve 3D a navíc obsahuje možnost provádět nad zobrazenými daty dotazy a analytické úlohy. Každý z těchto produktů splňuje různou úroveň funkcionality a lze jej tak nasadit na té úrovni, která bude uživateli nejvíce vyhovovat. Základním modulem všech produktů ArcGis Desktop je ArcMap, který slouží pro zobrazení a editaci dat. Dalším modulem je ArcCatalog, který je správcem vektorových a rastrových dat a v modulu ArcToolbox jsou k dispozici (dle instalovaných extenzí) příslušné nástroje pro zpracování dat. 32
Obr. 4.1: Architektura ArcGis Desktop (ARCGIS 2008) ArcGis Desktop může být rozšířen až o 16 extenzí (3D Analyst, Geostatistical Analyst, Network Analyst, Schematics, Spatial Analyst, Survey Analyst, Tracking Analyst, Data Interoperability, Publisher, StreetMap, ArcPress, ArcScan, Maplex, Business Analyst, Military Analyst, ArcWeb services). Pro tvorbu DMT a hydrologické analýzy jsou nejpotřebnější extenze 3D Analyst a Spatial Analyst. ArcGis 3D Analyst efektivně zobrazuje a analyzuje data reprezentující povrch. Poskytuje nástroje pro tvorbu 3D povrchů (rastrový nebo trojúhelníkový model) a jejich analýzu (orientace svahů, sklon, změnu sklonu, rozdíl dvou ploch, výpočet kubatury, profil, analýza viditelnosti, ...). Jádrem nadstavby ArcGIS 3D Analyst je aplikace ArcGlobe, která poskytuje rozhraní pro prohlížení mnoha vrstev GIS dat a pro tvorbu a analýzu povrchů. Pomocí této nadstavby můžeme rovněž vytvářet a spravovat datové sady typu terén (povrchy založené na TIN s různým rozlišením, které jsou sestaveny z naměřených dat, uložených jako prvky v geodatabázi). Zdrojem těchto dat jsou nejčastěji LIDAR, SONAR a fotogrammetrická zařízení (ARCDATA PRAHA 2008). ArcGIS Spatial Analyst nabízí širokou škálu nástrojů pro prostorové modelování a analýzu, která umožňuje vytvářet, zobrazovat, dotazovat a analyzovat rastrová data. ArcGIS Spatial Analyst dovoluje provádět kombinovanou analýzu vektorových 33
a rastrových dat. S použitím nadstavby ArcGIS Spatial Analyst můžeme získávat informace ze svých dat, definovat prostorové vztahy, vyhledávat vhodné lokality a počítat cestovní náklady z jednoho místa na jiné. ArcGIS Spatial Analyst nabízí důležitou sadu nástrojů (toolbox) sestávající z více než 200 funkcí pro zpracování rastrových dat, které je možné použít v rámci geoprocesingu v prostředí ArcGIS Desktop (ARCDATA PRAHA 2008).
4.1.1 ArcHydro Jedná se o extenzi, která slouží pro potřeby hydrologických analýz v ArcGis Desktop a vznikala za spolupráce firmy ESRI a Center for Research in Water Resources of the Univerzity of Texas at Austin. ArcHydro je iniciativa, která nemohla být vyvinuta předchozími ESRI produkty jako ArcInfo, ArcEditor a ArcView. Poprvé využívá INFO™ databázi zatímco ESRI produkty operují přes dBASE soubory. Oba dva jsou databáze typu otevřeného souboru, kterým se registruje s datovým slovníkem a proto není relační. Místo toho, ArcGis Desktop představuje "geodatabase" koncept. Tento typ struktury dat je podporovaný moderními relačními databázemi Oracle a MS Access (ARIAS 2003). ArcHydro může být použitý ve dvou různých rozměrech: ArcHydro plný model a ArcHydro model rámce. Ačkoli tyto rozměry nabízejí dva různé způsoby jak použít model, oba dva potřebují dva klíčové rysy k tomu, aby podporovaly model. HydroID a HydroCode. Klíčové rysy definovány v ArcObjects, jsou užívaný k tomu, aby vytvořily jedinečné atributy každého hydrologického identifikátoru spojenému s modelem. HydroID je celé číslo sloužící jako jednoznačný identifikátor rysů v geodatabázi. HydroCode je atribut textu, který pracuje jako "veřejný" identifikátor rysu (ARIAS 2003). Nadstavba ArcHydro vyžaduje minimálně verzi ArcGis Desktop 8.1 a extenzi Spatial Analyst. ArcHydro obsahuje nástroje umožňující (ŠILHANOVÁ A KOL. 2007): propojení prvků v rámci datového modelu správu atributů jednotlivých prvků podporu hydrologický analýz Nadstavba ArcHydro není schopna podporovat hydrologické simulace, ale je dostatečně pružná pro podporu exitujících simulací (ARIAS 2003). Výměna dat při hydrologických analýzách probíhá s nezávislým hydrologicky korektním modelem. ArcHydro podporuje možnost vytvoření vlastního hydrologického informačního systému, který je založen na propojení prostorových a časových dat ze sítě monitorovacích
34
stanic (viz. Obr. 4.2). Vzniklá data jsou zpracovávána v rámci jedné geodatabáze, která nám umožňuje rychle a efektivně popisovat změny hydrologických veličin v čase.
Obr. 4.2: Hydrologický informační systém s připojenými prostorovými a časovými daty na hydrologický model (MAIDMENT 2002)
4.1.2 ArcHydro Data Model ArcHydro Data Model obsahuje základní nástroje pro podporu hydrologických analýz v prostředí ArcGis Desktop. Vychází přímo z modelu ArcHydro, který byl upraven pro potřeby analýzy povrchových vod. Je přístupný k analýzám pro specifické povrchy a pro analýzy přírodních vodních systémů (ŠILHANOVÁ A KOL. 2007). Model není vhodné aplikovat při analýze umělých vodních systémů vytvořených činností člověka. Pro tyto specifické vodní plochy byly vytvořeny speciální datové modely ArcGis Water Utility a ArcGis Groundwater. ArcHydro data model se skládá z prostorových dat (Hydro Features) spojených s časovými daty – průběhem sledovaných jevů v monitorovacích stanicích (Time Series). Prostorová data popisují prostředí, skrz které voda proudí, a časová data popisují pohyb vody tímto prostředím. Každý objekt v geodatabázi je jednoznačně určen pomocí jedinečného identifikátoru HydroID. Propojení jednotlivých prvků je zajištěno tím, že HydroID jednoho objektu představuje atribut v atributové tabulce druhého objektu. Toto propojení umožňuje sledovat pohyb vody prostředím od jednoho prvku k druhému. Dále též umožňuje vzájemné propojení různých hydrologických objektů. Časová data jsou k jednotlivým prostorovým datům připojena pomocí uložení Hydro ID prostorových dat v atributové tabulce časových dat (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006).
35
Velmi důležitou položkou v geodatabázi je HydroCode. HydroCode je nejčastěji představován jako textová položka, která spojuje objekt v geodatabázi s externím zdrojem. Pomocí tohoto spojení mohou být aktualizována data v geodatabázi pro potřeby hydrologických analýz. ArcHydro vytváří pro potřeby propojení v rámci geodatabáze u jednotlivých objektů předem definované položky v jejich atributových tabulkách (např. HydroID, DrainID,
NextDownID,
HydroCode,
ReachCode
a
další).
Pomocí
těchto
předdefinovaných položek jsou pak vytvořeny předdefinované vztahové prvky mezi některými objekty v geodatabázi (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). Vztahové třídy: HydroJunctionHasWaterbody – propojení určených bodů v síti vodních toků s vodními plochami HydroJunctionHasWatershed – propojení určených bodů v síti vodních toků s příslušnými povodími HydroJunctionHasMonitoringPoint – propojení určených bodů v síti vodních toků s monitorovacími stanicemi MonitoringPointHasTimeSeries – propojení monitorovacích stanic s časovými daty ArcHydro Data Model obsahuje pět základních komponent (viz. Obr. 4.3): Network – popisuje geometrickou síť bodů a linií vodního toku Drainage – definuje povodí a povrchový odtok Channel – 3D reprezentace říčních kanálů Hydrography – souhrn hydrologických informacích o objektech a jejich souřadnice Time series – obsahuje časová data měřených veličin z monitorovacích stanic Obr. 4.3: Struktura ArcHydro Data model (ROOSAARE 2004)
36
A) Network (topologická síť) Hydrologické analýzy obsažené v komponentě Network popisují spojitost vodního toku pomocí geometrické sítě (viz. Obr. 4.4). Díky ní je zabezpečeno propojení nejdůležitějších prvků v databázi, segmentů vodních toků (Edge) a bodů na vodních tocích (Junction), jako jsou soutoky, ústí jezer a nádrží, monitorovací stanice atd.
Obr. 4.4: Jedna z komponent ArcHydro Data Model – Network (ROOSAARE 2004) HydroEdge (v překladu vodní hrana) lokalizuje Shoreline (břehová čára) a Flowline (proudnice – viz. Obr. 4.5). Linie jsou charakterizovány jako PolylinesM – což znamená, že kromě rovinných souřadnic x, y je k dispozici ještě údaj o vzdálenosti od počátku linie. Flowline definují vlastní tok, u širších toků či vodních ploch pak středovou linii daného objektu. Shorelines představují břehové čáry u širších toků, vodních ploch nebo pobřeží. Pro vytvoření geometrické sítě je možné použít pouze Flowlines. HydroJunction – je vrstva popisující říční síť, která vznikla propojením bodů na vodních tocích pomocí HydroID. Body třídy HydroJunction reprezentují pramennou část (source), soutoky řek, ústí či závěrový bod (sink) či další uživatelem definované body na toku monitorovací stanice, přehrady atd. Pro geometrickou síť hrají nejdůležitější roli body označené jako source a sink, které určují směr toku v rámci sítě (implicitně nastaveny od source k sink). SchematicLink a SchematicNode představují schématické zobrazení linií a bodů (uzlů).
37
Obr. 4.5: Princip lokalizace HydroEdges – Flowlines a Shorelines (MAIDMENT 2002) B) Drainage (odvodnění území) Nástroje obsažené v komponentě Drainage definují z pohledu hydrologických analýz především povrchový odtok, který je navržen dle konfigurace terénu. Dále obsahuje nástroje pro vymezení oblastí, které jsou odvodňovány jedním tokem. Pro efektivní hydrologické analýzy je nutné dbát na přesné vymezení hranic jednotlivých odvodňovaných oblastí. Pro snadné vymezení těchto hranic je vytvořena sada nástrojů v rámci ArcHydro Tools. Dále je zde k popisu oblasti vytvořena třída Drainage Line a Drainage Point.
Obr. 4.6: Schématické znázornění nástrojů obsažených v komponentě Drainage (ROOSAARE 2004) 38
Basin (základní povodí) je soubor administrativně vybraných povodí, která rozdělují experimentální oblast pro účely řízení vodního hospodářství. Základní povodí jsou pojmenovávána podle hlavních toků, které protékají oblastí. Watershed (odvodňovaná oblast do zvoleného bodu) je pododdělením nástroje Basin v povodí vybraných pro specifické hydrologické účely. Výsledkem tohoto nástroje jsou body na říční síti ukazující oblasti, které jsou odvodňovány do zvoleného bodu. Catchment (elementární odvodňovací oblasti) je pododdělením nástroje Basin, který je založen definování odvodňovacích oblastí, které vznikly na základě odpovídajících si fyzických pravidlech. Na základě konfigurace terénu, kdy ke každému toku nebo jeho části je podle daných pravidel vymezena odvodňovaná oblast. DrainagePoints jsou body, které jsou umístěny v centru buňky (pixelu), která je východiskem povodí (viz. Obr. 4.7). DrainageLines jsou charakteristické linie, které taženy přes jednotlivé středy buněk (pixelů) zájmového toku.
Obr. 4.7: Princip tvorby DrainagePoints a DrainageLines (MAIDMENT 2002)
39
C) Channel (říční kanál) Analýzy, které komponenta Channel využijeme především k 3D reprezentaci tvaru říčních kanálů, pro vymezení záplavových oblastí a k tvorbě podélných a příčných profilů. Liniové objekty jsou určeny kromě rovinných souřadnic ještě informací o nadmořské výšce a vzdálenosti od počátku. Data jsou nejčastěji získána terénním měřením. Mohou být také odvozena z digitálních modelů terénu.
Obr. 4.8: Nástroje obsažené v komponentě Channel (ROOSARE 2004) CrossSection (příčný řez) z překladu je patrné, že tento nástroj slouží k tvorbě příčných profilů na vodním toku. Nástroj využívá identifikační údajů o profilu, souřadnicové informace a vlastnosti, které mohou ovlivnit výsledek (viz. Obr. 4.9).
Obr. 4.9: Princip CrossSection (MAIDMENT 2002)
40
ProfileLine (podélný profil) jedná se o nástroj, který definuje podélný profil říčním tokem. Pro kvalitní výstup je nutné spojit geometrii (konfiguraci terénu) a vlastnosti příčných řezů s reprezentujícím tokem. Musíme zde zahrnout další rysy jako například hráze, nábřeží, náspy, dále rozsah inundačních zón s hlavním tokem. Všechny tyto složky musí být integrovány do jednotného systému než je mít jako individuální součásti. Podélný profil říčním tokem následně poskytuje velmi užitečnou informaci o porušeních a identifikuje umístění možného výskytu přelití vody přes hráz vodního toku. ProfileLine můžeme definovat, jako podélný pohled na vodní tok používající linie, které jsou taženy paralelně s průtokem vody v korytě. Existuje několik typů, které rozeznává ProfileLine: Thalweg (údolnice) linie, která vedena nejnižšími body koryta toku. Banklines ukazuje břehovou čáru pro levý i pravý břeh řeky. Floodlines je linie, která může být tažena v údolní nivě a znázorňuje hlavní směr vodního toku, kdy je údolní niva zaplavena (viz. Obr. 4.8). Streamlines mohou být koncipovány kdekoliv ve vodním toku, ku příkladu k tomu, aby zobrazovali hladinu vody pro specifický průtok v korytě řeky. CrossSectionPoint identifikuje body, které v atributové tabulce nesou informaci o nadmořské výšce, vzdálenosti o počátku příčného profilu a identifikátor příslušného příčného profilu. Tyto body bývají využívány v případě, že nejsou k dispozici přesné souřadnice příčného profilu x, y (příčný profil je měřen pouze v lokálním systému). Linie příčného profilu pak představuje pouze jakýsi „náčrt“, přesná data jsou uložena v atributové tabulce třídy CrossSectionPoint (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). D) Hydrography (hydrografie) Hydrography v překladu Hydrografie je další hlavním komponentou ArcHydro Data Model. Obsahuje mapovou reprezentaci rysů povrchových vod. Jedná se jednotlivé hydrologické druhy: body, linie a plochy. Představuje důležité hydrologické objekty, získané z map či jiných zdrojů, a jejich souřadnice. Například jezera, zátoky, mosty, monitorovací stanice atd. (viz. Obr. 4.10). Jednotlivé třídy nesou v atributové tabulce popisné informace k objektům, které znázorňují. HydroPoint, HydroLine a HydroArea tyto nástroje definují bodové, liniové a plošné rysy, které jsou odvozeny z hydrografie mapové vrstvy. Dam (hráz) je struktura, která vytváří umělé jezero nebo nádrž blokováním řeky. Hráze mohou spojit energii padající vody a poskytnou tak ochranu před povodněmi. Také zadržují vodu pro městskou zástavbu a zavlažovací systémy. Hráze jsou velmi důležité
41
struktury a proto jsou popisovány tabulkovým datovým inventářem obsahující zeměpisnou šířku a délku. Souřadnice nám udávají body, ze kterých mohou být následně hráze vytvořeny. Bridge (most) je nástroj, který umožňuje průchod přes překážku (zábranu). Jedná se o železnice, silnice, stezky, které je nutné dostat přes vodní plochu nebo roklinu. Informace o mostních rysech je udržována jako část dopravní sítě a vymezení mostních lokalit. Vzniká tak množina bodů, která je tvořena dopravní křižovatkou a říční sítí. Structure (struktura) jedná se o třídu obsahující jiný druh struktury vodních zdrojů, která není reprezentována třídou Dam a Bridge. Struktury mění hydraulické vlastnosti toku jejichž jsou přítomny. Typickými příklady jsou rybníky, ochranné hráze, které mají zadržet přívalové vody. Strukturní třída může popisovat budovy a další fyzické struktury v záplavových oblastech pro účely ekonomického rozboru účinků povodňových škod. MonitoringPoint (kontrolní body) mají za cíl skladovat rozmístění bodů, do jejichž atributů jsou zaznamenány údaje o umístění lokality, množství vody a její kvalita a časová řada. Příkladem kontrolního bodu je monitorovací stanice hodnotící počet srážkových dní, období se zvýšeným průtokem atd. Bodová hlavní třída nedefinuje žádné dodatečné atributy, ačkoli typicky je zde mnoho takových atributů, včetně jména monitorovacího místa. Uživatel může přidat takové atributy podle potřeby. WaterWithdrawal
představují
třídu
reprezentující
body,
které
jsou
od
vodního toku odkloněny nebo nasyceny z povrchových vod anebo se jedná o prameny podzemní vody. Tyto bodové lokality s přidruženými daty jsou udržovány vládními organizacemi. Body jsou velmi významné, protože představují rozhraní mezi lidským faktorem a přirozeným vodním hospodářstvím jejichž vztah je důležitý pro výpočet vodní bilance. WaterDischarge jedná se o místa, kde se přičítá znečišťující tok k říční síti. Data o těchto lokalitách jsou udržována vládními povoleními pro vypouštění znečišťujících látek do vodního toku. Například: Voda je vypouštěna z čistíren odpadních vod a obratem proudí v zavlažovacích systémech. Tento nástroj se stává důležitým pro jakostní parametry jímání vody, pro výpočet vodní bilance a přirozené vodní hospodářství.
42
UserPoint předmětem tohoto nástroje nejsou zájmové hydrologické body, ale zahrnuje uživatelské body lokality. Především jde o lokalizaci vodního zdroje, inundační území, administrativní hranice, významné soutoky a body na říční síti. Vzniká tak velký soubor dat různých bodů, tak že po použití ArcHydro mohou být body exportovány k dalším vhodným třídám. HydroLine jsou navrženy k tomu, aby obsahovaly charakteristické linie, které jsou důležité pro kartografickou reprezentaci. Příkladem hydrografických linií jsou přírodní potoky a řeky, umělé kanály nebo příkopy, potrubí vedoucí pod zemským povrchem, osy jezer a dalších vodních recipientů. HydroLine především poskytují prostorový odkaz a proto jsou nepostradatelné v modelu. HydroArea z mapové
obsahuje
hydrografie.
Jedná
prostorové se
o
vlastnosti reprezentaci
mnohoúhelníků z orientačních bodů, které byly zmíněny v popisu HydroLine. Například se jedná o zóny uvnitř recipientů (vodních útvarů), jurisdikční oblasti, inundační území či ostrovy. Waterbody je podtřídou HydroArea a představuje vodní útvary jako jezera, zátoky a plochy nacházející se při ústí řek. Rozdíl mezi Waterbody a HydroArea je v tom, že Waterbody může být velice komplexním prostorovým rysem s mnoha ostrovy a vodními plochami. Obr. 4.10: Nástroje obsažené v komponentě Hydrography
43
E) Time series Slouží k propojení časových a prostorových dat. Data znázorňují časový průběh měřené veličiny z monitorovací stanice. V Time series jsou dále uložena data o zeměpisné poloze, propustnosti podloží, výška vodní hladiny, jakost vody a další. Tato komponenta sestává z jednotlivých objektů sloučených v časové řadě. Časová řada připojená k prostorovému rysu může být považována jako časová složka s měnícími se hodnotami atributů. To znamená, že objekt existující v geodatabázi je připojen jak na data temporální (časová) tak na data prostorových vodních zdrojů, která jsou sdružena do jednotné geodatabáze. Předností ArcHydro je právě schopnost pracovat s časovými daty. V dynamických a rychle se měnících systémech jako jsou například povodně, není možné jejich přesné pochopení bez časového kontextu. Časoprostorová data mohou být v GIS uchována ve třech datových typech a dále může být využito i „klasické“ zaznamenání veličiny v čase (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). Časoprostorové datové typy: Time Series – jedná se o znázornění průběhu veličiny v čase. Tento typ dat není primárně georeferencován, ale lze jej nepřímo georeferencovat pomocí vytvoření vztahové třídy many-to-many. Atribut Series – jedná se o tabulkovou kolekci údajů o velikosti veličiny a čase měření, spojenou s jedním prostorovým objektem. Umožňují popisovat objekt s hodnotou atributu, která se v čase mění. Feature Series – jedná se o kolekci prostorových objektů seřazených podle času výskytu. Tento typ časových dat je vhodný pro zobrazení šíření povodně či pohybu částice prostředím. Raster Series – jedná se o kolekci rastrů seřazených podle časového výskytu. Každý rastr představuje hodnoty prostředí v daném čase. Tento způsob časoprostorových dat je vhodný pro zobrazení změny prostředí v čase. ArcHydro Data model obsahuje v základní podobě pouze Atribut Series, ale ostatní typy časoprostorových dat je možné do datového modelu též importovat (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). MonitoringPoint představují monitorovací místa, kde dochází ke sběru dat a následnému zanesení do geodatabáze (viz. Obr. 4.11). Za monitorovací místa považujeme hydrologické a klimatické stanice, nebo místa kde pravidelně odebíráme vzorky vody, pro další kvalitativní analýzy.
44
Obr. 4.11: Princip Time series (ROOSARE 2004)
4.1.3 ArcHydro Tools ArcHydro Tools je spolu a ArcHydro Data modelem součástí nadstavby ArcHydro (viz. Obr. 4.12). Slouží především k vytvoření hlavních složek datového modelu (geometrické sítě, povodí, DMT). Umožňuje práci s atributovými tabulkami a zobrazuje série map ukazující změnu určité veličiny v čase.
Obr. 4.12: Nástroje obsažené v ArcHydro Tools (ARCHYDRO 2008)
45
ArcHydro Tools obsahuje šest sad nástrojů: A) Terrain Processing V tomto menu jsou obsaženy nástroje pro tvorbu hydrologicky korektního DMT, dále k určení odtokových poměrů v zájmové oblasti a vymezení hranic povodí. Jednotlivé nástroje by měly být aplikovány podle pořadí, ve kterém jsou v sadě uvedeny. Před vlastním vymezením povodí je nutné postupovat od nástroje Flow Direction po nástroj Adjoint Catchment Processing. Aplikace nástrojů DEM Reconditing a Fill Sinks záleží na kvalitě vstupního digitálního modelu terénu (DEM = DMT). DEM Reconditing nástroj se používá k úpravě kvality vstupního DMT, zdůrazňuje se tlak na hydrologické parametry a následné odstranění případné chyby vstupujících do DMT. Fill sinks slouží k odstranění bezodtokých depresí, které vznikly při tvorbě DMT. Flow Direction představuje směr odtoku vody z buňky, výpočet se děje na principu pohybujícího se okna o velikosti 3 × 3 buňky. V rámci posuvného okna se určí buňka s nejnižší hodnotou nadmořské výšky. Tento proces se opakuje na všech buňkách rastru a následně je buňkám přiřazen směr odtoku. Flow Acumulation přiděluje každé buňce rastru počet buněk, z kterých voda odtéká do dané buňky. Stream Definition rozděluje rastr akumulovaného odtoku na dvě skupiny a podle prahové hodnoty vznikne rastr vodních toků. Prahová hodnota je dána procentem buněk rastru z akumulovaného odtoku vtékající do dané buňky. Stream segmentation určuje rozdělení rastru říčních toků na dílčí segmenty. V rastru říčních toků mají všechny buňky hodnotu jedna. V nově vzniklém rastru je jednotlivým částem toku (mohou to být části od pramene k soutoku, či části mezi jednotlivými soutoky) přiřazeno jednotné specifické číslo (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). Catchment Grid Delineation výsledkem je rastr, ve kterém jsou vyznačeny oblasti odvodňované daným segmentem, který vznikl nástrojem Stream segmentation. Catchment polygon Processing převádí předchozí výsledný rastr Catchment Grid Delineation na vektor v podobě polygonu. V atributové tabulce daného polygonu jsou vytvořeny jedinečná čísla identifikující příslušnou oblast v rastru GridID a identifikátor polygonu HydroID (umožňuje jednoznačně identifikovat prvek v rámci databáze). Drainage Line Processing z rastru vodních toků rozdělených na segmenty vygeneruje liniovou vrstvu. V atributové tabulce jsou následně vytvořeny položky GridID, HydroID,
46
From Node, To Node a Next DownID. Tyto položky určují návaznost jednotlivých dílčích prvků vrstvy a zaručují tak její konzistenci a provázanost k dalším prvkům v databázi. Adjoint Catchment processing spojuje dílčí polygony odvodňované jednotlivými segmenty říčního toku do souvislých polygonů, které jsou následně odvodňovány v rámci jedné navazující říční sítě. Drainage point processing výsledkem je vrstva bodů, která je lokalizována v těžišti jednotlivých polygonů odvodňovaných segmenty řek (catchment) a příslušná položka v atributové tabulce vrstvy bodů umožňující propojení prvků v rámci databáze. Longest Flow Path for Catchment dokáže nalézt nejdelší cestu odtoku vody v rámci dílčích povodí. Následně umožňuje pozdější nalezení nejdelší odtokové cesty v rámci povodí. Longest Flow Path for Catchment slouží k nalezení nejdelší cesty odtoku vody v rámci polygonů sjednocených do souvislých povodí. K urychlení výpočtu je využita vrstva vygenerovaná v předešlém kroku. Slope umožňuje tvorbu rastru sklonitosti svahů v procentech. K výpočtu rastru sklonů se používá okolí buňky o velikosti 3×3 buňky. V tomto okolí se spočte maximální velikost změny nadmořské výšky a z ní poté velikost sklonu svahu pro danou buňku (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). B) Watershed Processing Nástroje zde obsažené slouží k vymezení povodí k danému bodu. Navazují na Terrain Processing, protože je nutné mít informace o terénu. Batch Watershed Delineation vymezuje povodí pro závěrové body určené ve vrstvě Batch Point. Batch Subwatershed umožňuje vytvoření dílčích subpovodí v rámci již vytvořeného povodí (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). Drainage Area Centroid nástroj vytváří body, které se nachází v těžišti zadané vstupní polygonové vrstvy. Longest Flow Path, Longest Flow Path for Watershed a longest Flow Path for Subwatershed tyto nástroje umožňují najít nejdelší cestu odtoku vody a spočítá její délku. Tento údaj může být spočten pro celé povodí, subpovodí či pouze vybrané subpovodí.
47
C) Attribute Tools Umožňuje vytváření nových položek v atributových tabulkách jednotlivých vrstev a celkovou správu těchto atributových tabulek. Hlavním nástrojem v tomto menu je Display Time Series, který umožňuje zobrazit změnu hodnot vztažených ke konkrétnímu místu v čase (např. denní průtoky v jednotlivých tocích během měsíce). Assing Hydro ID nástroj může být využit pouze u vrstev, u kterých ještě není vytvořen HydroID identifikátor v jejich atributové tabulce. Je tedy uplatňován na vrstvy, které jsou importovány do databáze z jiných zdrojů (nebyly vytvořeny s využitím ArcHydro Tools). Pomocí tohoto nástroje lze též měnit již existující HydroID. Tato změna se však projeví pouze na samotné hodnotě HydroID, neovlivní již hodnotu položek, které jsou s tímto polem svázány (proto může dojít k narušení databáze). Generate From/To Node for Lines umožňuje určit počáteční a koncový spoj pro hrany v rámci sítě říčních toků. V atributové tabulce příslušné vrstvy vygeneruje položky FFOM_NODE (počáteční spoj) a TO_NODE (koncový spoj). Find Next Downstream Line nalezne další navazující linie ve směru toku pro vrstvu hran (využívá vlastností geometrické sítě). V atributové tabulce hran vygeneruje novou položku NextDownID, která osahuje HydroID linie ležící níže po proudu. Calculate Length Downstream for Edge pro vrstvu hran vypočte vzdálenost od zadané hrany k závěrovému bodu povodí. V atributové tabulce tak vytvoří novou položku LegthDown, kde jsou tyto údaje jednotlivých hran následně uloženy. Calculate Length Downstream for Junction je obdobou nástroje předcházejícího a liší se pouze v tom, že se nevztahuje k hranám, ale ke spojům geometrické sítě. Find Next Downstream Junction stanovuje HydoID prvního spoje nacházejícího se dále po proudu. Funguje obdobně jako Find Next Downstream for Line. Store Areas Outlets dokáže najít výstupní spoj příslušný k subpovodí daného toku či jeho části. HydroID tohoto spoje je následně uloženo v atributové tabulce vrstvy subpovodí v nově vytvořené atributové složce JunctionID. S využitím tohoto nástroje lze připojit jednotlivá subpovodí k geometrické síti říčních toků. Consolidate Area umí vygenerovat nové položky v atributové tabulce na základě dat z atributové tabulky jiné vrstvy. Acumulate Atribute umožňuje vytvářet nové položky v atributové tabulce na základě souhrnných informacích o všech prvcích nacházejících se výše po proudu od zadaného prvku. Identifikace prvků výše po proudu, se děje na základě geometrické sítě říčních toků, nebo na základě položky NextDownID (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006).
48
D) Network Tools Jedná se o sadu nástrojů určených pro tvorbu geometrické sítě toků (popis pohybu vody prostředím, geometrická a topologická síť). Geometrická síť je určena k popisu pohybu vody prostředím. Je složena ze dvou složek: vlastní a logické geometrické sítě. Vlastní geometrická síť je tvořena dvěma základními prvky. Hranami (Edge feature) a spoji (Junction feature), které zde představují prameny, soutoky a závěrové body povodí (prameny a soutoky jsou automaticky generovány při vytváření geometrické sítě). Každá hrana v geometrické síti musí být připojena alespoň ke dvěma spojům (na začátku a na konci). Mezi prvky geometrické sítě jsou vytvořeny topologické vazby. Logická síť představuje tabulku, která popisuje jednotlivé prvky v geometrické síti a vztahy mezi nimi. V této tabulce již nejsou obsaženy informace o poloze prvků a jejich topologii. Každému prvku v geometrické síti odpovídá záznam v logické síti. Směr pohybu v rámci sítě je určen pomocí hodnot spojů. Jednotlivé spoje mohou být označeny jako SOURCE (zdroj) nebo SINK (cíl). V případě říční sítě je zdroj představován prameny a závěrovým bodům povodí je pak přiřazena hodnota sink. Průběh toku pak směřuje od spoje source ke spoji sink. Kromě těchto údajů je dále možné všem prvků geometrické sítě (hranám i spojům) přiřadit hodnotu označující zda je daný prvek průchozí (true) či nikoliv (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). Hydro Network Generation tvoří geometrickou síť, popisující strukturu říční sítě v daném povodí. Dále též vytvoří vztahovou tabulku mezi vrstvou spojů geometrické sítě (Hydro junction) a vrstvou jednotlivých odvodňovaných oblastí (Catchment). Node/Link Schema Generation obdobný nástroj jako Hydro Network Generation. Dokáže vytvořit prvky vhodné pro tvorbu geometrické sítě (hrany a spoje). Výsledné schéma je vhodné pro práci s rozsáhlými daty, které umožňuje lepší přehled o celkovém charakteru říční sítě. Store Flow Direction vytvoří položku v atributové tabulce vrstvy Hydro Edge, kde jsou uloženy informace o směru toku. Směr toku je určen polohou SOURCE a SINK. Set Flow direction umožňuje určit směr toku v říční síti. E) ApUtilities Nástroje zde obsažené slouží pro management a projektování nemovitostí. Obecně jsou tyto nástroje zřídka využívány.
49
F) Terreain Morphology Tato sada nástrojů je určena k hodnocení morfologických charakteristik. Umožňuje počítat povrch či objem zkoumaného povodí a charakter jeho hranic. Údaje jsou odvozeny z DMT, který může být jak ve formě rastru, tak TINu. Již na počátku práce je vhodné v Data Management Tools určit zda se bude pro odvození výškových údajů používat rastr či TIN.
4.2
Hydrologické a hydraulické modelování Nadstavba ArcHydro neposkytuje přímé nástroje pro tvorbu hydrologických
modelů jak již bylo zmíněno výše. Je proto nutné využít externí software s možností importu výsledků zpět do ArcGis Desktop. Důležitým požadavkem pro výběr externího softwaru je možnost exportu dat z ArcGis Desktop respektive ArcHydro do zvoleného softwaru a následně možnost importovat vlastní výsledky modelování zpět do prostředí GIS. Software, který velmi dobře splňuje tento požadavek, byl vyvinut v organizaci Hydrologic Engineering Center (HEC) – Institute for Water Resources, který tento software vyvíjí pro americká ženijní vojska. Jedná se o HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) pro modelaci srážko-odtokových poměrů a HEC-RAS (River Analysis Systém) pro hydraulické modelování proudění vody v říčním korytě a inundačním území. Pro oba tyto programy byly vyvinuty extenze (HEC-GeoHMS a HEC-GeoRAS) umožňující export dat z prostředí ArcGis Desktop do HEC-HMS a HEC-RAS a následně import výstupů zpět do ArcGis Desktop. Pro hydrologické či hydraulické modelování lze samozřejmě využít i jiné modely, je ovšem potřeba zajistit možnost výměny dat mezi externími modely a prostředím ArcGis Desktop. Modelování požadovaných charakteristik se odehrává v několika krocích. Nejprve je třeba utvořit si určitou představu o projektu, umístění výstupů z HEC-HMS a příčných profilů pro HEC-RAS. Dále je třeba určit charakter vstupních srážkových dat. Následně se jedná o shromáždění a přípravu dat, sloužících jako vstup do HEC-HMS. Poté následuje transport dat do prostředí HEC-HMS a vlastní výpočet srážko-odtokového modelu. Výstup z HEC-HMS spolu s dalšími daty shromážděnými pomocí GeoRAS slouží jako vstup pro HEC-RAS. Po transformaci dat do prostředí HEC-RAS a výpočtu modelu je výstup importován zpět do prostředí ArcGis Desktop, kde jsou dalšími analýzami s využitím dat z ArcHydro modelu vymezena záplavová území a objekty, které se v nich nacházejí (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006).
50
4.2.1
HEC-GeoHMS HEC-GeoHMS (Hydrologic Engineering Center-Geospatial Hydrologic Modeling
System) jedná se o soubor programů pro použití se softwarem ArcGis Desktop. GeoHMS užívá ArcView a Spatial Analyst se vstupy do hydrologického modelování. HEC-GeoHMS transformuje cesty odvodnění lokality a vodní hranice do hydrologické struktury dat. Program je navrhnut pro simulaci srážko-odtokových poměrů v povodí. Dále obsahuje nástroje pro reprezentaci vodních děl, meteorologické analýzy dat, hydrologické simulace, odhad parametrů a GIS propojení. Pro získání požadovaných vstupních parametrů je třeba zajistit velké množství dat o konfiguraci terénu, vymezení povodí a dílčích povodí, data o využití půdy a půdních typech, srážková data a mnohá další. Pro efektivní zpracování a uložení takových dat se používá datový model ArcHydro. Existuje zde těsná provázanost mezi GeoHMS a ArcHydro, kdy GeoHMS může využívat data již uložená v ArcHydro. Pro získání dalších požadovaných dat používá GeoHMS přímo nástroje ArcHydro Tools či nástroje vzniklé jejich modifikací. Po shromáždění všech potřebných dat GeoHMS exportuje tato data do formátu DSS, který je využíván softwarem HEC-HMS. Výstupem z HEC-HMS jsou hydrogramy znázorňující průběh odtoku vody v čase v závislosti na srážkách a dalších charakteristikách povodí (viz. Obr.4.13). Model HEC-HMS obsahuje dvě základní komponenty. První je model povodí, který popisuje jeho vlastnosti. Model povodí obsahuje několik metod pro určení množství infiltrované vody, metody pro transformaci dopadajících srážek na povrchový odtok a metody pro určení příspěvku podpovrchového odtoku do celkového odtoku z povodí. Do charakteristik povodí mohou být též zahrnuty nádrže a jezera. Druhou základní častí je meteorologický model. Zde je nejprve nutné charakterizovat vstupní data, zda se jedná o data z monitorovacích stanic, úhrnné srážky za povodí a dílčí povodí, či srážková data reprezentovaná rastrem. Meteorologický model obsahuje 6 metod pro analýzu srážek, 4 metody pro hodnocení evapotranspirace a jednu metodu pro hodnocení tání sněhové pokrývky. HEC-HMS umožňuje určit časové rozmezí pro simulaci a časový interval simulace. Vlastní simulace pak kombinuje data z meteorologického modelu a modelu povodí v daném časovém intervalu pro specifikované časové období. Pro zjištění správné funkce modelu je nutná jeho kalibrace tj. porovnání vypočtených výsledků s naměřenými hodnotami. Výstupy z HEC-HMS jsou spolu s dalšími daty použity jako vstup do programu HEC-RAS.
51
Obr. 4.13: Ukázka výstupního hydrogramu z programu HEC-HMS (US ARMY CORPS OF ENGINEERS 2008)
4.2.2
HEC-GeoHMS HEC-GeoRAS (Hydrologic Engineering Centers-Geospatial River Analysis
System) je sada procedur, nástrojů, a utility pro zpracování prostorových dat v ArcGis Desktop. Rozhraní dovoluje přípravu geometrických dat do HEC-GeoRAS a zpracovává výsledky simulace exportované z HEC-RAS. Pro vytvoření simulačního modelu musí mít uživatel digitální model terénu říčního systému z ArcView v TIN formátu, příčné profily a linie znázorňující střed toku (se souřadnicemi x, y a z), dalšími doplňujícími daty mohou být proudnice, břehové čáry, data o využití půdy, mostech, křivolakosti řeky, objekty ovlivňující proudění vody v korytě atd. HEC-GeoRAS je určen pro simulace proudění vody v říčním korytě a inundačním územím, podporuje analýzy pro mapování povodňových oblastí a počítání povodňových škod. Po shromáždění všech dostupných dat jsou tato data exportována do předem vytvořených prázdných tříd v HEC-RAS (třídy je možné vytvořit s využitím nástrojů HECGeoRAS). HEC-RAS umožňuje jednodimenzionální hydraulický výpočet pro říční sítě či umělé kanály. Základní funkce HEC-RAS jsou hydraulické analýzy, uložení a správa dat
52
a grafické výstupy. Analýza dat umožňuje modelovat výšku vodní hladiny pro stálý či proměnlivý průtok. Při stálém průtoku je možno pracovat s hodnotami podkritickými, nadkritickými či kombinovanými. Proměnný průtok je určen primárně pro hodnocení podkritického průtoku. Software HEC-RAS umí pracovat s daty v binárním (ASCII) formátu a s daty ve formátu DSS. Pro práci s daty jsou zde určeny nástroje Data Storage and Management. Jednotlivé typy dat jsou uloženy v oddělených kategoriích (project, plan, geometry, steady flow, unsteady flow and sediment data). Výstup z HEC-RAS je primárně uložen v odděleném binárním souboru, který může být transformován do dalších programů. Důležitou úlohu v HEC-RAS představují výstupy z modelu, které mohou být ve formě grafické či tabulkové. HEC-RAS poskytuje 2D a 3D grafy příčných profilů (viz. Obr. 4.14), hydrografů, říční sítě, výšky vodní hladiny a dalších údajů. Všechny tyto výstupy jsou dostupné též ve formě tabulek (JEDLIČKA, ŠTYCH 2006). Pro vymezení záplavových území je nutné importovat výsledky modelu HEC-RAS zpět do prostředí ArcGIS Desktop. K tomu je použit opět software HEC-GeoRAS. Po importu všech potřebných dat do ArcGIS Desktop je pomocí nástrojů vytvořen TIN reprezentující povrch vodní hladiny. Tento TIN je vytvořen z příčných profilů bez ohledu na tvar reliéfu. Následně doplněn o mosty (clip polygon) a poté převeden na rastr. Porovnáním výšek rastru vodní hladiny a rastru DMT jsou vymezeny záplavová území a také rastr znázorňující hloubku v každém místě záplavového území. Z údajů o rychlosti proudění importovaných z HEC-RAS lze získat též rastr znázorňující rychlost proudění v záplavovém území. Kombinací těchto rastrů s přihlédnutí k pravděpodobnosti zaplavení daného území jsou následně zkonstruovány mapy znázorňující stupeň ohrožení (JEDLIČKA, ŠTYCH 20006).
53
Obr. 4.14: Digitální model koryta řeky s proložením příčných profilů v extenzi HEC-GeoRAS v ArcView (BENTLEY 2008)
4.3. ArcGis Water Utility ArcGIS Water Utility poskytuje rámec pro kompletní GIS řešení pro vodní prostředí, kanály (stoky), odvodňovací příkopy a odvádění dešťové vody. Zavádění datového modelu je základem úspěšné GIS implementace. Utility zahrnují jak GIS rozhraní, tak zákaznické informační systémy, systémy řízení údržby a další klíčové aplikace, které obsahují data pro každodenní operace.
54
4.4
ArcGis Groundwater ArcGis Groundwater je zaměřen na získávání informací o podzemních vodách.
Tyto informace jsou následně začleněny s povrchovými vodami do modelu, který popisuje prostředí. Stejně jako ArcHydro Data model je ArcGis Groundwater rozdělen na základní komponenty: A) Geology (geologie) Nástroje zde obsažené slouží především k reprezentaci geologických map. B) Wells and Boreholes (prameny, studny a vrty) Už z překladu je zřejmé čím se nástroj bude zabývat. Popisuje vlastnosti atributů a vertikální údaje podél vrtů a studen. Atributy Wells popisují jeho umístění, hloubku, užívání vody, majitele atd. Většinou jsou tato data získána z vrtací soupravy, ze které je následně podána výsledná zpráva popisují charakter podzemních vod a podloží. Vrtný bod je definován jako 2D bod představující hlavní třídu. Pro představu mohou být následně vytvářeny 3D reprezentace bodů a linií. C) Hydrostratigraphy (hydrostratigrafie) Stratigrafie je v původním slova smyslu popis vrstevního sledu. Hydrostratigrafie analyzuje sled vrstev (pořadí jejich ukládání, povahu a obsah). Zabývá se určováním jejich stáří, dělením, srovnáváním, okolnostmi vzniku i jejich vývojem. D) Temporal (časovost) Reprezentuje údaje časových řad stejně jako Time Series v nadstavbě ArcHydro (viz. Kapitola 4.1.2). E) Simulation (simulace) Představuje simulační modely podzemních vod.
4.4.1
Nástroje ArcGis Groundwater Souhrn nástrojů, které obsahuje ArcGis Groundwater je znázorněn v přílohách
práce.
55
5
Popis experimentální lokality
5.1
Biosférická rezervace Dolní Morava Světová organizace pro výchovu, vědu a kulturu (UNESCO) vyhlásila v roce 1970
program ekologické spolupráce, nazvaný Člověk a biosféra (Man and Biosphere – MaB). Jeho cílem je podpora rozumného využívání přírodních zdrojů a zavedení vyvážených vztahů mezi člověkem a přírodou. Ke studiu a podpoře těchto cílů vymezily jednotlivé státy území nazvaná Biosférické rezervace (BR). Tyto větší územní celky naplňují tři základní funkce BR, kterými jsou: (1) ochrana a zachování genetických zdrojů, rostlinných a živočišných druhů, ekosystémů a krajiny, (2) rozvoj a podpora trvale udržitelného ekonomického a demografického rozvoje a (3) podpora výchovy, vzdělávání a výzkumu souvisejícího s ochranou přírody a udržitelným rozvojem. Každá BR je rozdělena do tří zón odstupňovaného využívání. Nejcennější je jádrová zóna, určená především k ochraně přírody a krajiny. Následuje nárazníková zóna, sloužící především výzkumu, vzdělávání a výchově a vhodným formám turistiky. Poslední je přechodová zóna, v níž probíhá běžné hospodaření se zvláštním zřetelem na jeho šetrné formy. V roce 2007 zahrnovala světová síť více než 500 biosférických rezervací, z toho šest v ČR (Šumava, Krkonoše, Křivoklátsko, Třeboňsko, Bílé Karpaty a Dolní Morava). Garantem Programu MaB a biosférických rezervací v České republice je Český národní komitét MaB, zřízený při Akademii věd ČR (DOLNÍ MORAVA 2008). V roce 2003 v Paříži schválil Výbor Mezinárodní koordinační rady UNESCO programu MaB rozšíření BR Pálava (vyhlášena v roce 1986) o Lednicko-valtický areál a lužní lesy na soutoku Moravy a Dyje. Nově vymezené území o celkové rozloze přesahující 300 km2 dostalo název Biosférická rezervace Dolní Morava. Území rezervace je
jedinečným
spojením
ekosystémů
vápencového
bradla
Pálavy,
unikátního
středoevropského nížinného luhu na dolních tocích řek Kyjovky, Dyje a Moravy a kulturní komponované krajiny Lednicko-valtického areálu. Správu nad naplňováním cílů a funkcí BR Dolní Morava převzala od srpna 2004 obecně prospěšná společnost BR Dolní Morava. Je to v ČR poprvé, kdy biosférickou rezervaci zastupuje nevládní organizace (DOLNÍ MORAVA 2008).
56
5.2
Přírodní poměry lokality Biosférická rezervace Dolní Morava je charakteristická svou přírodní krásou,
zachovalostí ekosystémů a kulturními památkami. I proto se v oblasti Biosférické rezervace Dolní Morava nachází celá řada území národního a mezinárodního významu. Mezi které patří území evropské soustavy Natura 2000, zvláště chráněná území v čele s Chráněnou krajinnou oblastí Pálava, Lednicko - valtický areál, mokřady evidované Ramsarskou úmluvou, dva Přírodní parky (Niva Dyje a Mikulčický luh) nebo Chráněná oblast přirozené akumulace vod Kvartér řeky Moravy. Biosférickou rezervaci (BR) nejvíce charakterizují bohaté lužní lesy. V BR zabírají plochu cca 80 km2, což je 1/4 její rozlohy. Lesní hospodářství je zde již od dob vydání prvního lesního zákona v roce 1852 dlouhodobě postaveno na principech trvalé udržitelnosti, což oceňují mnozí odborníci z celého světa. Zdejší lužní lesní komplexy jsou obdivovaným ekosystémem, v němž je nebývalé bohatství rostlinných i živočišných druhů, navíc většinou i ve velkých populacích. Nádherné staré dubové a smíšené listnaté lesy vznikly velkorysou přeměnou bývalého převládajícího měkkého luhu s vrbami, babykou, olší a topoly za Liechtensteinů v předminulém století. Dnešní porosty se zakládaly na “polařených” plochách o velikosti 10 až 20 ha (ale i 40 ha), kde se vyklučil les včetně kořenů. Připravená plocha se osela žaludy, z velké části nepůvodního dubu letního slavonského, a mezi řadami mladé “dubové monokultury” se zemědělsky hospodařilo až do doby zajištění, tedy 7–10 roků. Dospělé porosty takto založené jsou však dnes lesy smíšenými, s přítomností jasanu úzkolistého, babyky, jilmu, lípy, habru a dalších dřevin (LESNICKÁ PRÁCE 2008). Ekologickou stabilitu celé BR je nutné postavit především na stabilitě hydrologického systému, včetně dynamického kolísání hladiny podzemní vody během roku. Dle geomorfologické členění ČR patří BR Dolní Morava do systému Alpskohimalájský, provincie Západopanonská pánev, subprovincie Vídeňská pánev, oblast Jihomoravská pánev, celek Dolnomoravský úval a Mikulovská vrchovina, podcelek Dyjskomoravská niva, Valtická pahorkatina, Pavlovské vrchy a Dyjskomoravská pahorkatina. Reliéf má převážně charakter širokých plošin, pahorkatin a širokých říčních niv. Nejvyšším bodem na území BR je vrchol Děvín (549 m n. m.) nacházející se v Mikulovské vrchovině. Nejnižším nadmořských výšek okolo 150 m nabývají lokality říčních niv. Dominantou BR jsou údolní nivy, které utvářejí typickou tvář místní krajiny. Nivy představují ploché rovinné povrchy na dně říčního údolí, které jsou při zvýšené hladině
57
vody zaplavovány. Jihomoravské údolní nivy můžeme rozdělit do dvou kategorií (KOSTROUN, KOLEJKA, HUDCOVÁ A KOL. 2004): nivy hlavních toků o šířce 500 m a více doprovázející řeky pramenící mimo sousedící orografické jednotky, nivy drobných přítoků o šířce do 500 m podél toků stékajících ze sousedních elevací do jihomoravských úvalů . Krajina údolní nivy začíná v polovině 20. století značně měnit svoji tvář. Je vystavena intenzivnímu tlaku na stupňující se hospodářské využití a opatřením, která mají zajistit protipovodňovou ochranu. Nejvíce jsou poškozeny meandry ustupující mírným obloukům, mokřady a drobné vodní plochy, které buď mizí nebo se soustřeďují do uměle vytvořených nádrží. Nedílnou součástí BR je voda. Oblast nejvíce ovlivňují řeky Dyje, Morava a Kyjovka, které utvářejí typickou krajinu údolních niv. Řeky Dyje a Morava patří mezi největší moravské toky. Řeka Dyje se svými dvěma pramennými oblastmi – moravskou a rakouskou po jejich soutoku protéká postupně nádržemi Vranov nad Dyjí, Znojmo a třemi nádržemi vodního díla Nové Mlýny. Řeka Morava na svém 350 km dlouhém toku neprotéká žádnou údolní nádrží. Na toku se vyskytují pouze četné jezové zdrže. Řeka Kyjovka s přítoky Zamazaná, Hruškovice a Šardický potok napájí celou soustavu rybníků v oblasti jihomoravského luhu. Z vodohospodářského pohledu má nezastupitelný vliv na krajinu vodní dílo Nové Mlýny, které se nachází v těsném kontaktu s BR. Vodní dílo Nové Mlýny bylo postaveno v letech 1975–1988 na řece Dyji jako ochrana proti povodním a k následnému využití energie a k zavlažování zemědělských ploch. Voda tří nádrží se dnes rozlévá na více než 3000 hektarech. Je nesporné, že s výstavbou VD Nové Mlýny zanikly vzácné biotopy a zhoršily se podmínky v přilehlých lužních lesích. Kontinuální vývoj krajiny údolních niv, závislý na činnosti toku, byl zastaven. Stavba novomlýnských nádrží byla do značné míry i stavbou politickou. Údajně mají být Novomlýnské nádrže vidět i z kosmu.
58
6 Praktické provedení hydrologických analýz Praktické provedení hydrologických analýz bylo uskutečněno v produktu ArcGis Desktop (viz. kapitola 4.1). Přesněji v kategorii ArcEditor 9.2 s využitím nadstavby Spatial Analyst a ArcHydro.
6.1
Vstupní data Pro praktické aplikace byla vybrána digitální data od ČÚZK z produktu
ZABAGED. Tento digitální geografický model území ČR odpovídá přesnosti Základní mapy ČR 1:10 000. Digitální výškopis obsahuje vrstevnice v různém intervalu 2, 4, 6 a 10 m nebo 5 a 10 m. K doplnění výškopisných dat ze ZABAGED byla využita digitální výškopisná data z mapového díla Státní mapa odvozená (SMO) v měřítku 1:5 000. Všechna data od ČÚZK byla zakoupena Ústavem geoinformačních technologií v rámci Výzkumného záměru MSM 6215648902/01/08. Data SMO obsahovala především kóty vrcholových partií, které nejsou součástí digitálního výškopisu ze ZABAGED. Dále byla využita digitální výškopisná data v podobě bodového pole od firmy Geodis Brno. Tato data sloužila především ke zjištění přesnosti DMT a byla také zakoupena v rámci Výzkumného záměru MSM 6215648902/01/08. Celková oblast, pro kterou byla zakoupena digitální data se rozkládá na 81 mapových listech Základní mapy ČR a 319 mapových listech SMO. Pro všechna geodata byl použit souřadnicový systém S-JTSK a výškový systém Balt po vyrovnání (Bpv).
6.2
Tvorba DMT v softwaru ArcGis Desktop Software ArcEditor poskytuje mnoho interpolačních metod pro tvorbu DMT.
Podle M. Klimánka (2005), který testoval veškeré nástroje obsažené v softwaru ArcEditor na území Školního lesního podniku Křtiny se jeví jako nejlepší varianta nástroj Topo to Raster, který vykazuje při použití vrstevnicových dat ZABAGED hodnotu střední kvadratické chyby (RMSE) 1,63 m. Interpolační metoda Topo to Raster je výslovně určena pro vytvoření hydrologicky korektního DMT. Je založena na programu ANUDEM, který vyvinul Michael Hutchinson (ESRI 2008). Algoritmus je primárně navržen pro práci s vrstevnicovými daty a základní úvaha vychází z předpokladu, že hlavním faktorem, který modeluje tvar terénu, jsou hydrologické procesy (KLIMÁNEK 2005). Prvotní fází algoritmu je tvorba zjednodušené odtokové sítě, určení lokálních maxim křivosti v každé vrstevnici a výpočty maximálních
59
sklonů svahů. Tyto informace jsou následně využity v interpolaci DMT a k určení bezodtokých depresí.
Obr. 6.1: Volba parametrů nástroje Topo to Raster v ArcGis Desktop Primárními vstupními daty jsou vrstevnice, které představující digitální výškopisná data, ze kterých byla pomocí algoritmu vytvořena zjednodušená odtoková síť, určující lokální maxima křivosti v každé vrstevnici. Následné definovaní maximálních sklonů svahů zajistí tvorbu hydrologicky korektní DMT. Dalšími zpřesňujícími daty jsou vektorové vrstvy bodového pole ze SMO, vodních toků a vodních ploch. Bodového pole bylo vytvořeno ze Státní mapy odvozené obsahující výškové kóty. Liniová vrstva toků zaručuje zlepšení interpolace. Musí být dodrženy podmínky směrovosti toků a druhou podmínkou je, aby jedna linie reprezentovala jeden tok. Posledním mapovým podkladem byla hranice zájmového území (maska) podle, které se interpolovaná oblast ořízne (viz. Obr. 6.1).
60
Zpracování DMT pomocí algoritmu Topo to Raster je z pohledu rozsáhlosti území (300 km2 ) časově méně náročné než jiné interpolační metody. Vygenerovaní DMT touto metodou trvá 35 až 40 minut. Časová náročnost je přímo ovlivněna konfigurací stolního počítače. Konfigurace PC: Procesor Intel Pentium 4CPU 3.00 GHz Paměť RAM 1024 MB Základní deska ASUS P5L 1394 Grafická karta Nvidia GeForce 7600 GS
6.3
Obecné geomorfometrické analýzy Jak již bylo zmíněno v kapitole 3.5 obecné geomorfometrické analýzy popisují tvary
zemského povrchu. Z těchto analýz byla prakticky provedena na zájmovém území sklonitost svahů, expozice a reflektance (výsledky viz. Přílohy). Oblast Biosférické rezervace je typická nížinným charakterem se širokými nivami, proto zde převažují sklony svahů do 6 stupňů, které zaujímají přes 90 % plochy území. Největší sklony jsou dosaženy v oblasti Pálavských vrchů. Hodnota sklonu 35° je dosažena v oblasti Děvína. Maximální sklony nabývající hodnoty 36° – 49,8° detekují náspy hrází Novomlýnských nádrží. Z tabulky 6.1 lze usuzovat o geomorfologii terénu a k zastoupení maximálních sklonů lze dodat, že zaujímají zanedbatelnou část území. Tab. 6.1: Přehled zastoupení kategorií sklonů svahů Kategorie sklonů Procentické zastoupení svahů celé oblasti dat 0° – 3° 79,49 % 3°– 6° 11,28 % 6° – 9° 5,18 % 9°– 12° 2,26 % 12°– 15° 0,89 % 15°– 20° 0,53 % 20° – 25° 0,21 % 25°– 30° 0,11 % 30° – 49,8° 0,06 %
61
Procentické zastoupení území BRDM 73,68 % 12,33 % 7,32 % 3,67 % 1,55 % 0,94 % 0,37 % 0,11 % 0,03 %
Expozici můžeme popsat jako orientaci svahů ke světovým stranám. Na zájmovém území převažují jižní expozice (viz. Tab 6.2). Tuto skutečnost potvrzuje především zdejší historie vinařství. Expoziční a klimatické podmínky jsou pro pěstování révy na výborné úrovni. Tab. 6.2: Přehled zastoupení kategorií směrů expozic Kategorie směrů expozic Rovina S (337,5°– 0°– 22,5°) SV (22,5°– 67,5°) V (67,5° – 112,5°) JV (112,5° – 157,5°) J (157,5° – 202,5°) JZ (202,5° – 247,5°) Z (247,5° – 292,5°) SZ (292,5° – 337,5°) Reflektance
(neboli
Procentické zastoupení Procentické zastoupení celé oblasti dat Biosférické rezervace DM 8,10 % 5,69 % 4,61 % 5,44 % 12,45 % 15,94 % 12,30 % 14,63 % 12,48 % 13,00 % 12,17 % 11,59 % 13,40 % 10,80 % 10,76 % 9,27 % 9,38 % 8,90 % stíny
produkované
reliéfem)
přispívá
k představě
trojrozměrného povrchu. K tvorbě stínovaného reliéfu byl použit Lambertův model, který předpokládá ideální odrazivost paprsků od povrchu s rovnoměrným osvětlením ze všech úhlů pohledu. Zdroj světla zaujímá úhel 315°, který je měřen ve směru hodinových ručiček od severu. Dále se stanovuje úhel nad horizontem, který je implicitně nastaven na hodnotu 45°.
6.4
Hydrologické analýzy Hydrologické analýzy řadíme mezi specifické geomorfometrické analýzy jejichž
zákonitosti byly popsány v kapitole 3.5. V závislosti na DMT byly modelovány především kvalitativní parametry. Kvantitativní analýzy nebyli prováděny, poněvadž pro jejich uskutečnění je potřeba specifických dat. Mezi kvalitativní parametry řadíme směry odtoku, akumulovaný odtok, stanovení odvodňovací sítě a řády toků, hranice a plochy povodí. Základní podmínkou pro stanovení kvalitativních parametrů je odstranění bezodtokých depresí, které vznikly při tvorbě DMT. Jedná se o hodnoty, jejichž výška je lokálně vyšší než předcházející ve směru spádu (viz. kapitola 3.5.2). Odstranění bezodtokých depresí dosáhneme nástrojem Fill, který vzniklé deprese překonává zvyšováním jejich hladiny, až se dosáhne buňky, která svou výškou odtok vody umožní.
62
Před použitím nástroje Fill bylo na celém území detekováno 10 055 bezodtokých depresí z toho 5 343 depresí bylo lokalizováno na území BR Dolní Morava. V posloupnosti hydrologických analýz byl dalším nástrojem směr pohybu odtoku (Flow direction, viz. Tab. 6.3). Základní principy tohoto algoritmu jsou popsány v kapitole 3.5.2. Vstupní datovou sadou pro tento nástroj je DMT, který byl upraven předchozím nástrojem Fill. Z tab. 6.3 je zřejmé, že na lokalitě mírně převažují směry odtoku ze severní a východní světové strany. Tab. 6.3: Přehled zastoupení kategorií směrů povrchového odtoku Kategorie směrů odtoku Procentické zastoupení Procentické zastoupení celé oblasti dat Biosférické rezervace DM S (337,5°– 0°– 22,5°) 16,0 % 17,5 % SV (22,5°– 67,5°) 11,8 % 12,3 % V (67,5° – 112,5°) 16,5 % 14,3 % JV (112,5° – 157,5°) 12,6 % 10,0 % J (157,5° – 202,5°) 12,6 % 11,3 % JZ (202,5° – 247,5°) 8,7 % 8,0 % Z (247,5° – 292,5°) 10,2 % 11,7 % SZ (292,5° – 337,5°) 11,6 % 14,9 % Akumulovaný odtok (Flow accumulation) využijeme pro modelaci parametrů, při kterém chceme, aby se voda akumulovala a následně nastala vlastní kanalizační etapa po dosažení určité prahové hodnoty. Na zájmovém území byly experimentálně vyzkoušeny prahové hodnoty 5, 7 a 10 tisíc, které byly lokalizovány nástrojem Set null. Při prahové hodnotě 5 tisíc byl akumulovaný odtok rozindexován na 813 stružek, při hodnotě 7 tisíc na 592 stružek a při hodnotě 10 tisíc bylo nalezeno 417 stružek. Porovnání rozdílů akumulovaného odtoku dle prahových hodnot viz. Přílohy. Další kvalitativní charakteristikou bylo pomocí nástroje Stream Order stanovení řádů toků. V softwaru ArcGis Desktop lze aplikovat dvě různé metody směrů odtoků (viz. Obr. 6.2). První a nejpoužívanější metodou je stanovení řádů toků dle Strahlera. Tento postup vychází z principu, že vodní toky prvního řádu se nacházejí v nejvyšším místě a následně při kontaktu s dalším tokem se vlévají do řádu toku o jednu hodnotu vyšší. Touto metodou bylo v zájmové oblasti nalezeno 5 řádů toků z toho 3 řády toků se vyskytují v BR Dolní Morava (viz. Přílohy). Kdežto Shreverova metoda vychází z principu, že řády jednotlivých toků se při soutoku sčítají. Shreverovou metodou bylo stanoveno 275 řádů toků, což je z pohledu přehlednosti říční sítě metoda méně progresivní. Pro stanovení
63
řádů toků je nutné mít stanoveny směry odtoku a akumulovaný odtok, který se uskutečňuje od určité prahové hodnoty.
Obr. 6.2: Princip stanovení řádů toků dle Strahlera a Shrevera (ESRI COURSE LECTURES 2005) Pomocí atributových dat, která jsou zapisována při tvorbě délky akumulovaného odtoku bylo možné statisticky vyhodnotit jednotlivé řády toků (viz. Tab. 6.4). Statistická analýza byla provedena pomocí kontingenční tabulky v softwaru Microsoft Excel. Tab. 6.4: Statistické zastoupení jednotlivých řádů toků a jejich parametry Řád toku
Délka toku (m) Maximální délka Minimální délka toku (m) toku (m) 1 420 945,58 5 591,16 10,00 2 223 200,27 7 865,35 5,00 3 115 680,28 6 046,48 36,06 4 52 366,69 4 052,04 7,07 5 45 376,88 7 190,08 31,62 Celkový součet 857 569,70 7 865,35 89,75
Počet toků v řádu 423 201 114 44 31 813
Předchozí výsledné kvalitativní hydrologické charakteristiky se nacházejí v rastrové podobě. Software ArcGis Desktop obsahuje jedinečný nástroj Stream to feature, který slouží k převodu liniových rastrových dat do vektorové podoby. Hlavní předností jsou zřejmé z Obrázku 6.3. Při převodu rastrové vrstvy do vektorové liniové vrstvy za použití nástroje Raster to polyline nastane, že shluk rastrů při soutoku je rozdělen na malinkaté toky. K odstranění tohoto problému slouží právě nástroj Stream to feature, který topologicky správně naváže na další tok.
64
Obr. 6.3: Rozdíl mezi nástrojem Stream to Feature a Raster to polyline (ESRI COURSE LECTURES 2005) Délka akumulovaného odtoku vychází z výpočtu směru odtoku. Ke stanovení délky akumulovaného odtoku byl použit nástroj Flow length, který vypočítává délku odtoku od nejvýše položených míst. Nejdelší akumulovaný odtok je uskutečněn v oblasti Novomlýnských nádrží a Pálavských vrchů. Maximální délka odtoku má hodnotu 68,5 km (viz. Přílohy). Mezi poslední výsledné kvalitativní charakteristiky patřilo stanovení povodí. Povodí můžeme charakterizovat jako oblast, která je odvodňovaná určitou říční soustavou, jež je proti sousední oblasti vymezena rozvodím (viz. Obr. 6.4). Hranice povodí lze zjistit pomocí algoritmů provázaných s odtokovými charakteristikami (směr odtoku a akumulovaný odtok). Software ArcGis Desktop umožňuje vylišení tzv. základních a dílčích povodí. Stanovení základních povodí (viz. Přílohy) lze provést nástrojem Basin. Tento nástroj nevyžaduje žádná specifická data. K výpočtu používá rastr směrů odtoků, ze kterého následně podle převažujících směrů vyliší základní povodí. Pomocí nástroje Basin bylo na zájmovém území lokalizováno 7 základních povodí. Počet zobrazovaných povodí lze změnit pomocí klasifikační stupnice v ArcMapu. Povodí
Rozvodí
Závěrový profil
Obr. 6.4: Výsledkem nástroje Basin je vygenerování základních povodí
65
Určení dílčích povodí poskytuje detailnější rozdělení zájmové oblasti. Stanovení dílčích povodí lze dosáhnout dvěma metodami. První je použití nástroje Watershed, který je založen na identifikování závěrových profilů a následné maximalizaci odtoku z daného závěrového profilu. Stanovení závěrových profilů lze dosáhnout dvěma způsoby. Prvním je, že si vytvoříme vlastní bodové pole závěrových profilů nebo využijeme nástrojů ArcGis Desktop (Region group, Zonal statistics, Single output map algebra, Combine). Posledním krokem k realizaci povodí je vložit vytvořené závěrové profily (Pourpoints) a směry odtoku do nástroje Watershed, který následně vyliší dílčí povodí. Druhou alternativou, jak zjistit dílčí, povodí je využití extenze Hydrology modeling. Pomocí této extenze lze kromě povodí stanovit směry a akumulaci odtoku a odstranit bezodtoké deprese. Hydrology modeling umí také provádět interaktivní dotazování, které dokáže vylišit povodí v místě, které jsme takto označili nebo pomocí nástroje Rain drop simulovat dráhu odtoku dešťové kapky, která dopadla na lokalitu (viz. Přílohy). Důležitým parametrem, který ovlivňuje velikost výsledného povodí je zadaná vstupní minimální hodnota pixelů pro stanovení povodí. Dalšími vstupními daty jsou směry odtoku a akumulovaný odtok.
6.5
Ověření přesnosti DMT Pro kvalitní výsledek bylo předmětné ověřit přesnost digitálních vstupních dat.
Ověření přesnosti dat se týkalo zjištění zda vrstevnice nenesou výšku, která jim nepřísluší. Takto špatně zadaných vrstevnic bylo nalezeno 17. Odhalení těchto vrstevnic je dosaženo detailním pohledem na DMT, kde se nelogicky objeví strmý hřeben či velice zahloubené údolí. Dále je možné využít Laplaceův vysokofrekvenční filtr, který je určen pro detekci terénních hran. Kontrola přesnosti DMT byla provedena porovnáním s bodovým polem od firmy Geodis Brno. Bodové pole bylo převedeno do rastrové podoby, aby mohlo být odečteno (pomocí nástroje Minus) od DMT. Dosažený rozdíl měl maximální hodnotu 25 m. Výsledky rozdílů dobře popisuje histogram (viz. Přílohy). Z něho je zřejmé, že výskyt počtu bodů maximálních hodnot je zjevně příčinou neodstraněním špatně zadaných vstupních dat. Je důležité zmínit, že bodové pole firmy Geodis bylo odečítáno od DMT. Firma Geodis Brno využila k tvorbě bodového pole stereofotogrammetrické technologie stejně jako ČÚZK. Z pohledu přesnosti bodového pole jasné, že privátní firma využila modernější přístupy k tvorbě datové sady, protože státní podnik si nemůžu dovolit
66
takovéto náklady kvůli návratnosti investice. Ale i přesto bylo dosaženo velmi kvalitní odchylky, které je u většiny hodnot do 2 m. Pomocí popisné statistiky softwaru Microsoft Excel byla vyhodnocena porovnávaná data (viz. Tab. 6.5). Nejlépe vystihující hodnotou je směrodatná odchylka představující data rozptýlena okolo průměru. Obecně platí, že čím je směrodatná odchylka menší, tím jsou data přesnější. Směrodatná odchylka je silně ovlivněna extrémními hodnotami. Vypovídá o tom, jak moc se od sebe navzájem liší porovnávané hodnoty (bodové pole firmy Geodis a DMT). Je-li malá, jsou si prvky souboru většinou navzájem podobné, a naopak velká směrodatná odchylka signalizuje velké vzájemné odlišnosti. Dalšími statistickými výsledky jsou především: Medián jenž zjišťuje hodnotu, v níž kumulativní četnost dosáhne 50%. Tato statistická hodnota je ukazatelem toho, jak je soubor orientován v jeho středu, přičemž není ovlivněn krajními hodnotami, na rozdíl od průměru. Modus zastupuje nejčetnější hodnoty rozdílu, které byly pomocí popisné statistiky stanoveny mezi bodovým polem od firmy Geodis a DMT vytvořených z digitálních výškopisných dat. Tab. 6.5: Ověření přesnosti výškopisných dat pomocí popisné statistiky Popisná statistika Vypočítané hodnoty Střední hodnota -0,384471702 Medián -0,3678 Modus 0,1979 Směrodatná odchylka 1,301203253 Rozptyl výběru 1,693129906 Rozdíl max - min 24,8703 Minimum -13,0795 Maximum 11,7908 Součet -10286,5404 Počet 26755 Hladina spolehlivosti (95,0%) 0,015592303
67
7
Diskuse Spolehlivost vstupních dat je často alfou a omegou úspěchu zpracovatelské
procedury. Zdálo by se, že digitálních a analogových dat je v současnosti dostatek. Ale jsou v dobré kvalitě? Data nejvíce trpí ztrátou aktuálnosti. Z toho je zřejmé, že data vyžadují další korekce. Základním předpokladem hydrologických analýz je dostatek kvalitních digitálních dat a s ním spojená tvorba přesného DMT. Tvorba terénních modelů klade značné nároky zejména na znalosti v oblasti geografických informačních systémů, dálkového průzkumu Země a geostatistiky. První
krokem
k uskutečnění
hydrologických
analýz
je
tvorba
DMT.
Nejpoužívanějším zdrojem dat pro tvorbu DMT jsou digitální výškopisná data ve formě vrstevnic od ČÚZK z geografického modelu ZABAGED. Použití vrstevnicových dat má jeden obrovský problém, kterým je přerušení vrstevnic v místě singularit, kdy už dále není dále zachována informace o výškopisu. Proto probíhá každé 3 roky aktualizace vrstevnicových dat pomocí ortorektifikace leteckých měřických snímků, sběrem dat ze zájmového území a fotogrammetrickým doměřením. Dalším velkým nedostatkem vrstevnicových dat je, že v místě vrcholů, hřebenů a údolí neobsahují výškové kóty. Tento nedostatek byl docela dobře odstraněn pomocí bodového pole, které bylo vytvořeno ze Státní mapy odvozené, ovšem tento proces editace jednotlivých vrcholových bodů byl časově nejnáročnější. Vytvoření bodového pole trvalo 56 hodin během nichž bylo vytvořeno 2011 výškopisných bodů. Po vytvoření modelu terénu následovalo odstranění bezodtokých depresí (vznik hydrologicky korektního modelu terénu) a následné zjištění obecných geomorfometrických analýz: sklony svahů, orientace svahů ke světovým stranám a stínovaný reliéf. Specifické geomorfometrické analýzy jsou založeny na hydrologicky korektním DMT, který umožňuje provést kvalitativní a kvantitativní hydrologické analýzy. Základními hydrologickými analýzami, které následně ovlivňují celou řadou nástrojů jsou akumulovaný odtok a směr odtoku. Směr odtoku může být uskutečněn v osmi směrech dle rozdělení světových stran. Přehled zastoupení kategorií směrů povrchového odtoku znázorňuje Tab. 6.3, ze které je patrné, že na území převažuje severní a východní směr odtoku. Již zmíněný akumulovaný odtok je možné využít pro modelaci parametrů, při kterém chceme, aby se voda akumulovala a následně nastala vlastní kanalizační etapa. Tato etapa nastane při dosažení určité prahové hodnoty. Na zájmovém území byly vyzkoušeny 3 prahové hodnoty. Volba prahové hodnoty je v přímé úměře s četností odtokové sítě. Čím nižší je
68
zvolena prahová hodnota, tím větší je rozsáhlost odtokové sítě (viz. Přílohy). Síť akumulovaného odtoku velice dobře koresponduje s vodní sítí toků ze ZABAGED. Toto zjištění nám říká, že když si nezajistíme mapovou vrstvu vodních toků od ČÚZK nebo jiného subjektu lze velice spolehlivě vrstvu vodních toků nahradit akumulovaným odtokem určité prahové hodnoty. Na zájmovém území byly vyzkoušeny dvě metody stanovení povodí (viz. Kap. 6.4). První vychází především z výpočtu směrů odtoků (stanovení základních povodí) a druhá metoda je založena na lokalizaci míst, kde je maximalizován odtok (určení dílčích povodí). Poslední analýzou, která byla provedena na digitálních datech bylo ověření přesnosti DMT. K tomuto účelu bylo využito bodového pole firmy Geodis Brno. Výsledky jsou shrnuty v Tab. 6.5. Nejdůležitějšími vypovídající hodnotami je směrodatná odchylka, která činí 1,3 m. Výsledek vypovídá o tom, jak moc se od sebe navzájem liší porovnávané hodnoty. Výsledná hodnota je dobrým výsledkem, jestliže bereme v úvahu, že k tvorbě digitálních datových sad bylo využito stejné technologie sběru dat. Technologické prostředky a postupy firmy Geodis Brno jsou na poli GIS na mnohem vyšší úrovni než státní mapová díla.
69
8
Závěr Diplomová práce by měla poskytnout odpověď na otázku, zda se dají efektivně
využít hydrologické analýzy v prostředí GIS. K zodpovězení této otázky by měly patřičně odpovědět kapitoly teoretického a praktického využití a výsledky, kterých bylo dosaženo při hydrologických analýzách. Hlavními úkoly, které vedou k cíli práce, mělo být pochopení problému se zajištěním dostatečného množství kvalitních dat a porozumění procesů srážkoodtokových a jejich modelování pomocí matematických modelů. Kvalifikační práce by měla čtenáře seznámit s celou řadou nástrojů, které lze aplikovat na specifická data a pochopit jejich funkci. Problematika zdrojových dat hraje primární roli na kvalitní a přesné výstupy. Jak již bylo zmíněno v kapitole 3.3. hlavním omezením pro nejpřesnější digitální data je časová náročnost a finance. V posledních letech se jeví velice efektivně metoda laserového skenování povrchu, která dokáže zaručit přesnost v řádů milimetrů. Ale co se týče finanční náročnosti jedná se o metodu nejnákladnější, kdy skenování 1 km2 území stojí přes 1 milión korun. Takovéto náklady si mohou dovolit pouze velké privátní firmy, které dokáží tato data velmi efektivně využít. Při praktické aplikaci byla zvolena již existující digitální data. Ke splnění úkolu byla využita široká škála státních mapových děl a také digitální data od firmy Geodis Brno. V rámci přesného digitálního modelu terénu bylo nutné vytvořit bodové pole, které mělo poskytnout zpřesnění výškopisných dat (především hrany a vrcholy). K tomuto účelu bylo využito Státní mapy odvozené v měřítku 1:5 000 (SMO 5), ve které se vyskytují kóty vrcholových partií oproti datům ze ZABAGED, kde většinou nejsou zaneseny. Hlavním zdrojem dat pro tvorbu DMT byla digitální výškopisná data ze ZABAGED. Největším problém vrstevnicových dat je jejich přerušení v místě singularit. To působí především problémy algoritmům, které jsou založeny na práci s liniovými daty. Dalším podstatným problémem jsou chyby pracovníků ČÚZK, kteří při tvorbě digitálních vrstevnicových dat přidali špatný atribut nadmořské výšky a tím bylo dosaženo, že se v území najednou vyskytla obrovská strž či hřeben. Takto špatně zadaných nadmořských výšek bylo na zájmovém území identifikováno 17. Tyto nadmořské výšky byly následně opraveny dle logického sledu po sobě jdoucích nadmořských výšek. Dalším důležitým krokem bylo opravení logickému směru toků, protože docházelo k tomu, že jednotlivé toky proudily z nižších nadmořských výšek do vyšších. Proto se musela pomocí editačních nástrojů opravit topologická správnost jednotlivých toků.
70
Zpracování digitálních dat bylo provedeno v softwaru ArcEditor 9.2 od firmy ESRI, ze kterého bylo využito především interpolačního nástroje Topo to Raster, editační nástroje a v neposlední řadě nástroje potřebné k tvorbě hydrologických analýz. Prvním krokem vedoucím k provedení hydrologických analýz byla tvorba hydrologicky korektního DMT. K tomu bylo využito již zmíněného interpolačního algoritmu Topo to raster, který také odhalil, že se na zájmovém území vyskytuje 10 055 bezodtokých depresí. Tyto deprese musely být následně odstraněny, aby byl zajištěn povrchový odtok. K vytvoření hydrologicky korektního DMT byla nadále využita digitální data ze ZABAGED o vodních tocích, vodních plochách a terénních singularitách. Celková kompozice vstupních dat byla tvořena vrstevnicemi ze ZABAGED, bodovým polem ze SMO, liniemi vodních toků, plochami vodních ploch a rámem (maskou) zájmového území. Na hydrologicky korektní DMT bylo již možné aplikovat kvalitativní a kvantitativní hydrologické analýzy a predikce (odtoková síť, řády a délky toku, vtokové body, směry a kvantifikace akumulovaného odtoku, vylišování dílčích povodí). Celý hydrologický systém se řídí infiltrací srážky a pohybem vody v povodí, stejně tak jako struktura povodí je nesmírně složitý proces a jeho převedení pomocí matematických rovnic do matematických modelů je jen hrubým obrysem zachycujícím jeho hlavní objekty, vazby a vztahy mezi nimi. Je tedy patrné, že simulace produkované matematickými modely jsou výrazně závisle právě na rovnicích, podle kterých se výpočty řídí. Diplomová práce shrnuje metody hydrologických analýz nad digitálním modelem terénu. Výše popsané hydrologické analýzy nepředpokládají, že část vody stékající po zemském terénu se vypaří, či že dojde k průsaku do půdy, nebo že ji rostliny pohltí kořenovou soustavou a listy, a že dojde k výparu rostlinstvem a půdou. Pro ucelené a reálné modelování potřebujeme také velmi specifická data jako jsou např. evapotranspirace, typy půd, sněhová pokrývka, pokryv a využití území, teplota povrchu atd. Tři poslední zmíněné datové vrstvy se dají velice dobře získat z metod dálkového průzkumu Země, která v posledním desetiletí hraje čím dál větší roli na poli GIS. Ohledně simulačních procesů (viz. kapitola 4.2) není hlavní problém modelování vztahů na povodí, ale zanesení srážko-odtokových procesů jako je odtok, infiltrace srážek a srážky na povodí. Tyto procesy jsou nejvýraznějším faktorem ovlivňujícím výsledky simulací modelů. Pokud si uvědomíme další faktory ovlivňující hydrologickou bilanci (evapotranspirace, změny zásob v podzemních vodách, podzemní odtok) je více než zřejmé, že získat přesné vteřinové hodnoty množství protékající vody v rámci např.
71
závěrového profilu pro povodí o ploše v řádu stovek km2 je nad míru složitý problém. Kromě nadstavby ArcHydro jsou v práci naznačeny možnosti dalších komponent. Především extenze ArcGis Groundwater se jeví jako velice schopný nástroj. Ale pro využití této extenze jsou nejdůležitější velice specifická data, která zaručí kvalitní výsledek.
72
9
Summary ANALYSIS OF THE HYDROLOGY IN GIS ENVIRONMENT
Pavel Svoboda The last ten years in the 20th century are characteristic by information technology engaged in data which are related to the global surface. One of these disciplines is hydrology and hydrologic modeling. Over the last few years there has been a big problem with water sources and floods. Not only specialists are concerned. It is disturbing the public sector as well. Diploma thesis work takes an interest in many possibilities of making hydrologic analysis together with use of quality digital data and software ArcGis Desktop. There is cooperation between the ArcGis Desktop software with Arc hydro extension and also ArcGis water utility modulus and ArcGis groundwater modulus. In the conclusion of the qualifying paper work is to describe different applications of external modulus HEC-HMS and HEC-RAS. Hydrologic model HEC-HMS intents on draining process modeling. Hydraulic model HEC-RAS intents on how water flows in bed and flooding areas modeling. Is there any possibility of using the hydrologic analysis in environment of GIS? The diploma thesis work should give you an answer for this question. Satisfying answer should be found in chapters about theory and practical use, also from the results which were achieved during hydrologic analysis. The main purpose is to understand the problem and to obtain enough of quality data. It is also important to figure out what the draining process is and its modeling by using mathematical models. The diploma thesis work also includes an introduction with many utilities which you apply on specific data and you should be able to understand the real function. Problems with sources data are the most significant for quality results. Digital data are limited by flexibility and finances. Over the last few years it is very popular to use laser scanning which is the most precise method. This method is probably the most expensive. Scanning one hectare of land will cost you over one million crowns (1 000 000 kc). Only huge companies can afford to pay these charges. To assert hydrologic analysis the area of the Biosphere reserve Dolni Morava has been chosen. This area is not the most suitable for terrain modeling but from hydrologic point of view it is very well supplied with water.
73
10
Literatura
ARCDATA PRAHA. WWW stránky firmy ArcData Praha (online) [cit. 12.02.2008]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web:
. ARCGIS. WWW stránky produktu ArcGis Desktop (online) [cit. 11.01.2008]. Text v angličtině. Dostupné na World Wide Web:
. ARCHYDRO. ArcHydro Data Model download. (online) [cit. 24.02.2008]. Text v angličtině. Dostupné na World Wide Web: < http://www.crwr.utexas.edu/ >. ARIAS, H. Introduction to hydrologic modeling using. (online) [cit. 24.02.2008]. Text v angličtině Dostupné na World Wide Web: < http://www.ucalgary.ca/ >. ARIZONA UNIVERZITY. Arizona State University (online) [cit. 07.02.2008]. Text v angličtině. Dostupné na World Wide Web:
. BENTLEY. WWW stránky produktu Bentley (online) [cit. 17.02.2008]. Text v angličtině. Dostupné na World Wide Web:
. BURROUGH, P.A.,MCDONNELL, R.A. Principles of Geographical Information Systems. USA, New York: Oxford University Press Inc., 1998. 333 p. ISBN 0-19-823366-3. CRWR. Center for Research in Water Resource. The University of Texas at Austin (online) [cit. 24.02.2008].
Text
v angličtině
Dostupné
na
World
Wide
Web:
< http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishydro07/index.htm>. ČEPICKÝ, J., KLIMÁNEK, M., MIKITA, t. a kol. Tvorba digitálního modelu krajiny v oblasti jihomoravského luhu. 3. ročník pracovní konference Říční krajina, Olomouc 5.-6.10. 2005,
(online)
2006.
Dostupné
na
World
Wide
Web:
. ČSN P 97 9800. Geografické informace. Praha – Český normalizační institut, 2000. 26 s. ČÚZK. Český úřad zeměměřický a katastrální (online) [cit. 20.01.2008]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web:
. DOLNÍ MORAVA. WWW stránky Biosférické rezervace Dolní Morava (online) [cit. 21.03.2008].
Text
v češtině.
Dostupné
na
World
Wide
Web:
. ESRI COURSE LECTURES. Working with ArcGis Spatial Analyst. Redlands California, 2005. 157 s. GEODIS. WWW stránky firmy Geodis (online) [cit. 21.01.2008]. Text v češtině, angličtině. Dostupné na World Wide Web:
. GRAFIKA. WWW stránky Grafika (online) [cit. 21.06.2005]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web: < http://grafika.cz/>.
74
HANZLOVÁ, M. Stékání vody po terénu. Ostrava, 2007. 18 s. VŠB – Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta, Institut Geoinformatiky. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web: < http://gis.vsb.cz/>. JEDLIČKA, J., ŠTYCH, P. Hydrologické modelování v programu ArcGis. CITT Praha, Akademie kosmických technologií, oblast Galileo, GMES. 2006. 62 s. KLIMÁNEK, M. Digitální modely terénu. 1. vydání. Brno – MZLU, 2006. 85 s. ISBN 807157-982-3. KLIMÁNEK, M. Přesnost digitálního modelu terénu a jeho využití v lesnictví. In Sborník Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně. 2007, ročník LV, č.4. s. 137–144. KLIMÁNEK, M. Digitální modely terénu v lesnictví. Brno, 2005. 150 s. Vedoucí disertační práce prof. Ing. Vladimír Židek, CSc. Fakulta lesnická a dřevařská. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. KLIMÁNEK, M., DOUDA, P. Hydrologické modelování v GIS Idrisi na základě DMT. Příspěvek z XII. ročníku evropské konference "Informační systémy v zemědělství a lesnictví" ČZU Praha, 16.–17.5. 2006 (online). Dostupné na World Wide Web:
. KOLEJKA, J., TEJKAL, M. Nejrychlejší pohled na svět: Přesný 3D model povrchu z laserového snímání. GEODIS News, 2002, ročník I, č. 1. s. 9–11. KOSTROUN, J., KOLEJKA, J., HUDCOVÁ, J. a kol. Lužní les v Dyjsko-moravské nivě. Moraviapress Břeclav, 2004. 591 s. ISBN 80-86181-68-5. KRAUS, K. Photogrammetrie Band 3. Topographische Informations systeme. First edition. Köln, Germany – Dümmler Verlag, 2000. LESNICKÁ PRÁCE. Časopis pro lesnickou vědu a praxi (online) [cit. 23.03.2008]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web: < http://lesprace.silvarium.cz/>. MAIDMENT, D. ArcHydro Gis for Water Resources. 1. vydání. ESRI Press Redlans, California, 2002. 203 s. ISBN 1-58948-034-1. MANSFELD, V. Informační a datové centrum – nástroj využití OPRL. Příspěvek z konference GIS Ostrava, 21.-26.1. 2003. (online) [cit. 15.02.2008]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web:
. MAYER, P. Počítačové modelování krajiny. 1. vydání. Praha – ČVUT, 1995. 110 s. ISBN 8001-01389-8. PLŠEK, V. Letecké snímkování jako zdroj dat pro trojrozměrné geoprostorové databáze. GEODIS News, 2007, ročník VI, č. 1. s. 17–18.
75
RAPANT, P. Geoinformační technologie. 1. vydání. Ostrava VŠB – TU Ostrava, 2005. 125 s. Dostupné na World Wide Web
. RAPANT, P. Družicové polohové systémy. 1. vydání. Ostrava VŠB – TU Ostrava, 2002. 200 s. ISBN 80-248-0124-8. RAPER, J.F. Vývoj k prostorovým multimédiím. Digitální data v informačních systémech. Vyškov – Antrim, 1993. RAŠKA, P. Laserové snímání krajiny – principy a možnosti v geografii. (online) [cit. 20.02.2008]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web:
. ROOSAARE, J. Geospatial analysis in GIS integrating data forhydrologic applications by means of ArcGIS software. Prezentace Socrates Erasmus Summer School. LDF MZLU v Brně 2006.
Text
v angličtině.
Dostupné
na
World
Wide
Web:
< http://mapserver.mendelu.cz/>. SIROTEK, J. Letecký laserscannig v Česku. GEODIS News, 2006, ročník V, č. 1. s. 18–19. SVOBODA, P. Možnosti mapování v lesních ekosystémech. Brno, 2006. 53 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Martin Klimánek, Ph.D. Fakulta lesnická a dřevařská. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. ŠILHANOVÁ, V. a kol. Nástroj ArcHydro a jeho možnosti v hydrologickém modelování. Prezentace k přednáškám v předmětu Modelování hydrologických procesů. Univerzita Karlova Přírodovědecká fakulta, Katedra fyzické geografie a geoekologie v Praze 2007. Dostupné na World Wide Web: < http://natur.cuni.cz/>. US ARMY CORPS OF ENGINEERS. U.S. Army Corps of Engineers (online) [cit. 09.03.2008].
Text
v angličtině.
Dostupné
na
World
Wide
Web:
< http://www.usace.army.mil/>. VGHÚ. Vojenský geografický a hydrometeorologický úřad (online) [cit. 20.01.2008]. Text v češtině. Dostupné na World Wide Web:
. VZ MSM. Výzkumný záměr MSM 6215648902/01/08 Les a dřevo – podpora funkčně integrovaného lesního hospodářství a využívání dřeva jako obnovitelný zdroj 2005 – 2010, Anotace výzkumných projektů. Brno, 2006. 80 s. Dostupné na World Wide Web: < http://www.ldf.mendelu.cz>. ŽIDEK, V. Geoinformační systémy (10). DMT a topografické modelování. Prezentace k přednáškám v předmětu Geografické informační systémy. LDF MZLU v Brně 2005.
76
11
Přílohy
11.1 Slovníček zkratek a pojmů ANUDEM – program určený pro práci s digitálními daty vyvinutý M. Hutchinsonem, který je určen pro výpočet hydrologicky korektního digitálního modelu terénu Algoritmus – soubor pravidel a postupů pro řešení problému Bpv – Balt po vyrovnání – výškový systém v mapování. BRDM – Biosférická rezervace Dolní Morava BR – Biosférická rezervace CAD/CAM – Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing (počítačem podporované navrhování/ počítačem podporovaná výroba). CRWR – Center for Research in Water Resource of the University of Texas at Austin (Univerzita z města Austin zabývající vývojem extenze ArcHydro). ČÚZK – Český zeměměřický a katastrální. DEM – Digital Elevation Model (Digitální výškový model). DGN – proprietární formát souborů CAD aplikace Microstation. DMT – Digitální model terénu. DMÚ – Digitální model území, který je produktem VGHÚ. DPI – Dots Per Inch (počet bodů na palec – jemnost tisku či zobrazení vyjádřená v počtu bodů na jeden palec). DSM – Digital Surface Model (Digitální model povrchu). DTM – Digital Terrain Model (Digitální model terénu). DVD – Digitální výšková data, která jsou produktem VGHÚ ESRI – Environmental Systems Research Institute (privátní firma vyvíjející produkt ArcGis). Geodata – informace vztahující se k zemskému povrchu. GIS – Geographic Information System (Geografický informační systém – pracující s vektorovými a rastrovými daty). GPS – Global Positioning System (systém využívající satelity pro určení přesné polohy na Zemi). HEC-HMS – software pro modelaci srážko-odtokových poměrů. HEC-RAS – software pro hydraulické modelování proudění vody v říčním korytě a inundačním území. Hydro ID – celé číslo sloužící jako jednoznačný identifikátor rysů v geodatabázi. Hydro Code – atribut textu 77
JPG – Joint Photographic Experts Group (grafický rastrový formát využívající ztrátovou kompresi pro zmenšení objemu souborů fotografických snímků v plných barvách). Layout – rozvržení stránky pro tisk. LiDAR – Light Detection And Ranging. MaB – Man and Biosphere (Program ekologické spolupráce Člověk a biosféra). Makro – posloupnost několika uživatelských operací nadefinovaná za účelem zefektivnění a zautomatizování často používaných či opakovaných postupů. OPRL – Oblastní plán rozvoje lesů dle z. č. 289/1995 Sb. ve znění všech pozdějších novel a příslušných vyhlášek. Pit – bezodtoká deprese. Pixel – dvojrozměrné geometrické primitivum (dílčí nebo úplný popis prostorových aspektů objektu prostřednictvím souřadnic a matematických funkcí), které je jednotkou v určitém dvojrozměrném rámci (ČSN P 97 9800). Rastr – souvislá reprezentace mozaiky hodnot sledovaných fenoménů, jevů atd. v konkrétních polohách prostoru, kde se v jednotlivém elementu zaznamenává podmínka, atribut nebo hodnota, která vyjadřuje stav v této poloze. Objekty jako takové neexistují. RMSE – Root Mean Square Error (Střední kvadratická chyba). SHP – formát vektorových dat Esri Shapefile. SMO – Státní mapa odvozená. S-JTSK – Souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální. SQL – Structured Query Language (standardizovaný dotazovací jazyk pro práci s databázemi). TIN – Triangulated Irregular Network (Nepravidelná trojúhelníková síť). Topologie – nemetrické diskrétní prostorové aspekty geografické informace (ČSN P 97 9800). UNESCO – United Nations Educational Scientific and Cultural Organization (Organizace spojených národů pro výchovu, vědu a kulturu). VD – vodní dílo. Vektor – vektorová prezentace individuálních entit modelu prostoru jednotlivými objekty, pro něž explicitně zaznamenáváme polohové, topologické, atributové a časové informace. Základními entitami jsou body (uzly), linie a plochy. VGIS – Vojenský geografický informační systém. VGHÚ – Vojenský geografický a hydrometeorologický úřad. ZABAGED – Základní báze geografických dat.
78
11.2 Mapové a tabulkové přílohy Seznam příloh: Příloha č. 1: Schématické znázornění posloupnosti hydrologických analýz Příloha č. 2: Histogram – srovnání přesnosti bodového pole Geodis a DMT Příloha č. 3: Souhrn nástrojů obsažených v nadstavbě ArcGis Groundwater Příloha č. 4: Mapa sklonitosti území Příloha č. 5: Mapa expozice území Příloha č. 6: Mapa digitálního modelu terénu Příloha č. 7: Mapa délky akumulovaného odtoku Příloha č. 8: Mapa řádů toků Příloha č. 9: Mapa rozdělení akumulovaného odtoku dle prahové hodnoty Příloha č. 10: Mapa vylišení základních povodí Příloha č. 11: Mapa dílčích povodí a simulace dráhy odtoku dešťové kapky
79
Histogram
1800 1600 1400
Četnost
1200 1000 800 600 400
Četnost
200
Příloha č.1: Porovnání přesnosti DMT na základě odečtení bodového pole od firmy Geodis a DMT vytvořeného z vrstevnic ze ZABAGED
80
12,80
11,89
10,98
9,16
8,24
7,33
6,42
5,51
4,60
3,69
10,07
Třídy rozdílu
2,78
1,87
0,96
0,05
-0,86
-1,77
-2,68
-3,59
-4,51
-5,42
-6,33
-7,24
-8,15
-9,06
-9,97
-10,88
-11,79
0
Příloha č. 2: Schématické znázornění posloupnosti hydrologických analýz (ArcEditor 9.2 – ModelBuilder)
81
Příloha č. 3: Souhrn nástrojů obsažených v nadstavbě ArcGis Groundwater)
83
