Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav geoinformačních tecgnologií

Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav geoinformačních tecgnologií

Možnosti využití softwaru GIS SAGA pro analýzu krajiny Bakalářská práce

2011

Zuzana Drncová

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Možnosti využití softwaru GIS SAGA pro analýzu krajiny zpracovala sama a uvedla jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU 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:

Podpis:

PODĚKOVÁNÍ Děkuji Ing. Tomáši Mikitovi, PhD. za odborné vedení během zpracovávání této bakalářské práce a za rady, které mi poskytl.

ABSTRAKT Tématem této bakalářské práce jsou Možnosti využití softwaru GIS SAGA pro analýzu krajiny. SAGA je modulární program a je publikován s licencí Free Open Source Software, což je taky fakt, který přitahuje naši pozornost k tomuto programu. Předmětem této práce je tedy popsat tento software, jeho základní charakteristiky, historii, ale především jeho funkce. Dalším cílem práce je srovnání s dalšími GIS softwary a to především ArcGISem.

KLÍČOVÁ SLOVA SAGA, geoinformační systémy, Free Open Source Software, analýza krajiny

ABSTRACT The software SAGA usage posibilities in landscape analysing. This is the main topic of the thesis, that you are holding in your hands. SAGA is a modular software and it is published as a Free Open Source Software. That is the fact, what cought our attention to that software. The object of this thesis is to describe this software, its history, basic characteristics and the tools it offers to users. The other interest is to compare SAGA with other GIS softwares, especially ESRI ArcGIS.

KEY WORDS SAGA, geoinformatic systems, Free Open Source Software, landscape analyses

OBSAH 1 ÚVOD ..................................................................................................................................... 8 2 CÍL PRÁCE ........................................................................................................................... 9 3 ÚVOD DO PROBLEMATIKY .......................................................................................... 10 3.1 Krajinná analýza v GIS .................................................................................................. 10 3.2 Digitální model terénu (DMT) ....................................................................................... 11 3.3 GIS Software .................................................................................................................. 13 3.4 Softwarové licence ......................................................................................................... 14 4 SAGA A POPIS JEJÍCH MODULŮ ................................................................................. 16 4.1 DMT Školního lesního podniku Křtiny ......................................................................... 16 4.2 Popis a Historie programu SAGA .................................................................................. 17 4.3 Uživatelské prostředí programu ..................................................................................... 18 4.4 Moduly ........................................................................................................................... 19 4.4.1 Terrain Analysis – Compound analyses .......................................................................... 20 4.4.1.1 Standard Terrain Analyses ........................................................................................... 20 4.4.2 Terrein analysis – Preprocessing – Předzpracování dat ................................................ 27 4.4.2.1 Fill Sinks ...................................................................................................................... 27 4.4.2.2 Fill Sinks (Wang & Liu)............................................................................................... 27 4.4.2.3 Fill Sinks XXL (Wang & Liu) ..................................................................................... 27 4.4.2.4 Sink Removal ............................................................................................................... 27 4.4.3 Hydrologie .......................................................................................................................... 28 4.4.3.1 Metody užívané při hydrologických analýzách ............................................................ 28 4.4.3.1.1 Algoritmy s odtokem do jedné buňky ................................................................................. 28 4.4.3.1.2 Algoritmy s odtokem do více buněk ................................................................................... 28

4.4.3.2 Terrain analyses – Hydrology ...................................................................................... 29 4.4.3.2.1 Flow Accumulation, Mass-Flux Method............................................................................. 29 4.4.3.2.2Flow Path Lenght ................................................................................................................. 30 4.4.3.2.3 Flow Tracing ...................................................................................................................... 30 4.4.3.2.4 Flow Width ......................................................................................................................... 31 4.4.3.2.5 Lake Flood .......................................................................................................................... 31 4.4.3.2.6 Parallel Procesing ................................................................................................................ 32 4.4.3.2.7 Recrusive Upward Processing ............................................................................................ 32 4.4.3.2.8 SAGA Wetness Index ......................................................................................................... 32 4.4.3.2.9 Slope Lenhgt – délka svahu ................................................................................................ 33 4.4.3.2.10 Topographic Indices .......................................................................................................... 33 4.4.3.2.11 Upslope area...................................................................................................................... 34

4.4.4 Terrain Analysis - Channels ............................................................................................. 34 4.4.4.1 Channel Network.......................................................................................................... 34 4.4.4.2 D8 Flow Analyses ........................................................................................................ 35 4.4.4.3 Overland Flow Distance to Channel Network.............................................................. 36 4.4.4.4 Strahler Order ............................................................................................................... 36 4.4.4.5 Vertical Distance to Channel Network ......................................................................... 37 4.4.4.6 Watershed Basins ......................................................................................................... 37 4.4.5 Terrain Analysis – Morphometry – Morfometrie .......................................................... 38 4.4.5.1. Convergence Index ...................................................................................................... 38 4.4.5.2. Convergence Index (Search Radius) ........................................................................... 39 4.4.5.3 Diurnal Anisotropic Heating ........................................................................................ 39

4.4.5.4 Curvature Classification ............................................................................................... 40 4.4.5.5. Downslope Distance Gradient ..................................................................................... 41 4.4.5.6 Hypsometry .................................................................................................................. 42 4.4.5.7 Local Morphometry...................................................................................................... 42 4.4.5.8 Mass Balance Index...................................................................................................... 42 4.4.5.9 Morphometric Protection Index ................................................................................... 43 4.4.5.10 Multiresolution Index of Valley Bottom FLatness (MRVBF) ................................... 43 4.4.5.11 Real Area Calculation ................................................................................................ 44 4.4.5.12 Terrain Ruggedness Index (TRI) ................................................................................ 45 4.4.5.13Vector Ruggedness Measure (VRM) .......................................................................... 45 4.4.6 Terrain analysis – Lighting, Visibility ............................................................................. 46 4.4.6.1 Analytical hillshadingn................................................................................................. 46 4.4.6.2 Potential Incoming Solar Radiation.............................................................................. 46 4.4.6.3 Sky View Factor ........................................................................................................... 47 4.4.6.4 Topographic correction ................................................................................................ 48 4.4.7 Terrain Analysis – Profiles ............................................................................................... 48 4.4.8 Interaktivní moduly ........................................................................................................... 49

5 VÝSLEDKY A DISKUZE .................................................................................................. 51 6 ZÁVĚR ................................................................................................................................. 53 7 SUMMARY.......................................................................................................................... 54 8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ............................................................................... 55 9 SEZNAM OBRÁZKŮ......................................................................................................... 58

1 ÚVOD Již od pradávna člověk utváří krajinu, ve které žije. Nějaký čas poté, co k tomu došlo, začal popisovat její jednotlivé prvky a nakonec se dostal i k jejím analýzám, ze kterých čerpá mnohé informace, například o historii, o jejím stavu, o jejím vývoji, na základě této analýzy se dostává i k předpovídání možných jevů v krajině. Jak ve vývoji člověka, tak ve vývoji jeho zájmu o krajinu i ve všech dalších směrech hraje zásadní roli čas. S rozvojem digitálních technologií došlo také k rozvoji GIS – počítačově orientovaných systémů pro zpracování a analýzu digitálních prostorových dat umožňující analýzu a syntézu krajinného prostoru. Současný trh nabízí velké množství geoinformačních systémů, jsou to programy, které jsou prodávány za částky v řádech desetitisíců, ale na druhou stranu můžete některé mít naprosto legálně po stažení z internetu zdarma. Jelikož otázka peněz vždy byla a jistě bude i v budoucnu jednou z nejvýznamnějších faktorů, na základě kterých jedinec pořizuje jakoukoli komoditu, je zajímavým faktem, že i takové programy, jako jsou tyto zmíněné, lze pořídit a využívat bez toho, aby bylo nutno je směnit za peníze. Nabízí se ale otázka, zda je kvalita softwaru dostačující, pokud za něj nemusíme zaplatit. Každý program se ale liší od jiného a každý je třeba i vyvíjen s trochu jiným cílem, k jakému by měl sloužit. Je tedy těžké je konkrétněji srovnávat a dá se u toho vycházet hlavně z daných parametrů programu, jako je například jeho velikost, cena, rychlost, aj. Dá se ale předpokládat, že další a další softwary budou vyvíjeny a mohou to být i následovníci existujících programů. To ale není tak důležité. Myšlenkou je to, co už bylo zmíněno výše a to neustálý vývoj. Tento pokrok dal vzniknout známému GIS softwaru ArcGIS někdy na počátku 80. let a stejný pokrok dovedl jiné vědce zhruba o dvacet let později k vývoji jiného GIS softwaru, jelikož žádná z těch platforem, které byly vyvinuty, ArcGIS je uveden jen jako příklad, neposkytoval takové možnosti užití, jaké byly v jejich představách. Tímto programem je GIS SAGA.

8

2 CÍL PRÁCE Cílem práce je v základech popsat software GIS SAGA, jeho uživatelské prostředí, celkovou charakteristiku a následně jednotlivé moduly (jedná se o software modulární), které mohou sloužit pro analýzu krajiny. Tento program je jedním z mnoha existujících GIS programů a dalším předpokladem práce je alespoň hrubé srovnání s několika vybranými, zejména pak rozšířeným softwarem ESRI ArcGIS. Jedná se o program s Free Open Source Software licencí, což může významně ovlivňovat budoucí uživatele při rozhodování, zda si software pořídí, či ne. Práce má tedy také za úkol popsat základní rozdíly mezi běžně užívanými softwarovými licencemi.

9

3 ÚVOD DO PROBLEMATIKY

3.1 Krajinná analýza v GIS Chceme-li se zabývat analýzou krajiny, je dobré se seznámit s pojmem geomorfometrie, což je to interdisciplinární věda, která hledá možné techniky (matematické, statistické, možnosti zpracování dat), které lze využít k zjišťování různých parametrů zemského povrchu, popřípadě k popisu objektů v krajině. Vyvinula se kombinací matematiky, věd o Zemi a počítačových technologií. Myšlenky tohoto směru pocházejí už z počátku 19. století, ale k významnějšímu rozvoji dochází až vytvořením prvního digitálního modelu terénu, který významně posunul možnosti zkoumání zemského povrchu kupředu. Díky rozšiřování zdrojů dat a jejich zkvalitňování je rozsah využití geomorfometrie široký a lze ho rozdělit do pěti skupin [Hengl, T., Reuter H. I., 2009]:
Aplikace v oblasti věd o Zemi a životní prostředí
Aplikace v inženýrství a pro armádní účely
Aplikace v oceánografii
Aplikace v astronomii
Aplikace v zábavním průmyslu V této práci se soustřeďujeme na aplikace v oblasti věd o Zemi a životním prostředí. Mnoho informací lze získat pouze z parametrů zemského povrchu a to jsou základní kameny, na kterých toto odvětví staví. Popsat možnosti, které nám geomorfometrie poskytuje v daném oboru, by nebylo možné na jen několika stránkách, uvedeme zde tedy pouze oblasti, ve kterých se běžně aplikuje.
Geomorfologie a geologie V oblasti geomorfologie a geologie se aplikuje hlavně pro rozeznávání a vykreslování geomorfologických rysů, získávání a následné využití morfometrických parametrů, které popisují zemský povrch, jako sklon, orientace vůči světovým stranám a zakřivení terénu, ke geomorfologickým analýzám a detekci struktur. V některých ohledech se aplikace dotýká také oboru hydrologie, v případech, kdy jsou extrahovány struktury jako odvodňovací síť. Užitím poloautomatických, nebo i plně automatických algoritmů

10

se extrahují formy povrchu půdy. Příkladem využití je analýza ohrožení dané lokality erozí.
Hydrologie Jedna z nejvýznamnějších oblastí využití je právě v hydrologii. Všeobecné povědomí o tom, že voda v krajině musí být nějakým způsobem zachována, pohybujíc se z místa na místo, ať už na povrchu, pod ním nebo v atmosféře, nás o této důležitosti přesvědčuje. Popisuje hydrologické procesy v povodí, ke kterým používá zejména rastrové DMT sklonu a orientace vůči světovým stranám. Příklady užití jsou určení rychlosti povrchového odtoku, ale také třeba stanovení solární radiace, která ovlivňuje evapotranspirace a tání sněhu.
Mapování vegetace Na základě zmapování vegetace lze popsat stav životního prostředí v zájmových oblastech a je možné určit potenciál pro různé druhy zvířat, rostlin, atd., které se mohou v dané lokalitě vyskytovat za aktuálních podmínek.
Meteorologie a klimatologie Hlavními produkty meteorologie a klimatologie jsou analýzy klimatu, počasí, předpovědi počasí a hodnocení kvality ovzduší. To, co spojuje tyto vědní obory s geomorfometrií je popis vlivu různých topografických rysů, například formy povrchu půdy, hory, využití půdy, formy povrchu půdy, a půdních typů, na atmosféru. Základním stavebním kamenem pro analýzu krajiny a přírodních procesů v ní probíhajících u všech výše zmíněných oborů je kvalitní digitální model terénu.

3.2 Digitální model terénu (DMT) Digitální model terénu (DMT) je prostorový geometrický model, popisující reliéf terénu. Pro každý bod zájmu existuje jeho výška. Patři k nejvýznamnějším vstupům pro analýzu krajiny v GIS aplikacích. Kvůli snadnějšímu popisu terénu se většinou celá plocha rozděluje na menší plochy, které se dají snadněji geometricky popsat. Na základě charakteristik těchto plošek dostáváme tři typy modelů: vektorový, rastrový a plátový.
Vektorový model Vektorový model, jinými slovy model polyedrický, je složen z trojúhelníků (odsud model TIN – Triangulated Irregular Network, tj. nepravidelná trojúhelníková síť), které

11

k sobě přiléhají a tvoří tak mnohostěn neboli polyedr. Body na terénní ploše jsou vrcholy mnohostěnu, souřadnicově určené příslušnými geodetickými metodami.
Rastrový model Rastrový model je dán pravidelnou strukturou – mřížkou – která je konzistentní v každé části zájmového území. Každé buňce mřížky je přiřazena hodnota, odpovídající nadmořské výšce v daném bodě. Pro potřeby analýzy krajiny je tento model vhodnější, díky jeho jednoduchosti ve srovnání s modely vektorovými. Problémem rastrového modelu je užití nevhodného rozměru buněk. Pokud jsou příliš velké, dochází ke ztrátě terénního detailu, pokud jsou naopak moc malé, vzrůstají nároky na prostor k ukládání dat.
Plátový model Jako u modelu rastrového je i u modelu plátového terén rozdělen do plošek. Rozdílem je to, že buňky vzniklé dělením u rastrového modelu jsou rovinné, ale v případě plátového modelu mohou být i zakřivené. Používají se hlavně plochy popsatelné polynomickými funkcemi, jež na sebe při hraničních liniích navazují tak dobře, aby se zajistila spojitost derivací do jistého řádu, který je určen předem.
Zdroje dat pro tvorbu DMT -

Přímé měření v terénu (geodetické měření)

-

Digitalizace vrstevnic z existujících mapových podkladů (digitalizace ruční nebo digitalizace skenovaných podkladů), tak je získána nepravidelná síť bodů, kterým je nutno přiřadit údaje o příslušné výšce.

-

Fotogrammetrická analýza leteckých a družicových snímků

-

Automatizované metody dálkového průzkumu Země (radarová altimetrie, letecké laserové skenování)

-

Měření stanicemi GPS

Ze zdrojových dat bodového či liniového charakteru se vytváří DMT na základě různých interpolačních technik v závislosti na požadavcích zpracovatele a možnostech zpracovatelského softwaru (Spline, Inverse Distance Weigted, Kriging, Natural Neighbour). Přesnost vytvořeného DMT je závislá jak na použité metodě interpolace, tak především na metodě sběru zdrojových dat. V případě území ČR je nejrozšířenějším zdrojem dat pro tvorbu DMT databáze Základní báze geografických dat (ZABAGED) vytvořená na základě stereofotogrammetrického zpracování leteckých snímků v průběhu 60.−70. let 20. století. Vzhledem k řadě nepřesností a také jistému zastarání dat bude v blízké 12

budoucnosti nahrazena daty leteckého laserového skenování, jež umožní razantní zvýšení přesnosti a kvality vytvářených DMT.

3.3 GIS Software Pro analýzy krajiny bylo vytvořeno mnoho metod a technik. S rozvíjejícími se počítačovými technologiemi se také rozšiřují možnosti výběru z různých GIS softwarů, které umožňují implementaci těchto technik a metod. V současné době jich existuje celá řada. V této kapitole se zaměříme na osm vybraných, které jsou popsány v knize Geomorphometry od autorů Hengl a Reuter, kde bylo jejich základní srovnání publikováno, a to ArcGIS, GRASS, ILWIS, LandSerf, MicroDEM, River Tools, SAGA a TAS. Při výběru softwaru všeobecně hraje velkou roli několik kritérií a není tomu jinak ani v případě výběru GIS softwaru. Za zmínku stojí, že ne všechny zmíněné programy jsou všeobecné geoinformační systémy (ArcGIS, GRASS), ale některé jsou vyvíjeny s větším zaměřením na analýzu povrchu (MicroDEM, RiverTools), což je kritériem funkčnosti. Je zřejmé, že všeobecný software má širší možnost využití, tím pádem také rozsáhlejší komunitu uživatelů a významnější podporu vývoje. Naproti tomu je např. MicroDEM silně orientovaný na geomorfometrii, ale nic to nemění na tom, že je schopen vykonávat i mnoho jiných GIS funkcí. Ne všechny programy lze instalovat na jakýkoli operační systém. Je to podmíněno užitými programovacími a skriptovacími jazyky a použitými nástroji pro tvorbu uživatelského prostředí. Existuje velké množství operačních systémů, zaměříme se na ty asi nejrozšířenější v ČR, kterými jsou Windows, Linux a Unix.

ArcGIS 9.2 GRASS 6.2 ILWIS 3.3 LandSerf 2.3 MicroDEM RiverTools 3.0 SAGA 2.0 TAS 2.09

Windows       

Linux

Unix







 



Tabulka 1 Kompatibilita vybraných GIS softwarů a operačních systému Windows, Linux a Unix (Hengl, Reuter, 2009)

13

Free Open Source Software ArcGIS 9.2 GRASS 6.2 ILWIS 3.3 LandSerf 2.3 MicroDEM RiverTools 3.0 SAGA 2.0 TAS 2.09

Free Software with Closed Source

Commercial Software 

      

Tabulka 2 Dostupnost vybraných GIS software (Hengl, Reuter, 2009)

Cena a dostupnost je dalším velmi významným hlediskem. V oblasti počítačového světa se setkáváme s výrazy jako Free Open Source Software, Free Software a Commercial Software, k jejichž vysvětlení se dostaneme v kapitole 3.4 Softwarové licence. Tady se zaměříme pouze na rozdělení jmenovaných programů do těchto kategorií a to v tabulce č. 2. Nepopsali jsme všechna kritéria, ale zaměřili jsme se na ta hlavní a celkově lze říci, že jsou pokryty široké nároky uživatelů, i když jako v každé oblasti, je určitě, co zlepšovat. Jen když se podíváme na příklad SAGY, jejíž možnosti aplikací a celkové charakteristiky jsou předmětem této práce, její vývoj započal poté, co skupina vědců došla k závěru, že pro jejich potřeby žádná vyhovující platforma neexistuje a to je z osmi uvedených programů druhá nejmladší. [Hengl, Reuter, 2009]

3. 4 Softwarové licence Softwarová licence je nástroj, který právně upravuje možnosti užívání a šíření programu v informatice. Všeobecně jsou tato opatření ošetřena zákonem, v České republice je to zákon č. 121/2000 Sb., Autorský zákon. [Softwarov%C3%A1 licence, 2006] Licencí existuje celá řada, pro potřeby této práce se zaměříme pouze na vysvětlení několika souvisejících pojmů: • Commercial Software – Komerční software Za komerční software jsou označovány takové, které jsou šířeny za úplatu. Za takový program je tedy nutné zaplatit jeho autorovy, či autorům.. Další podmínky jsou ale stanoveny konkrétní licencí, která může omezovat počet jeho instalací, či právo na jeho modifikace, aj. Jsou to například běžně užívané operační systémy Microsoft Windows. [Komer%C4%8Dn%C3%AD software, 2006] 14

• Free Open Source Software (FOSS) – Svobodný software s otevřeným zdrojovým kódem FOSS je takový software, jehož šíření je volné, ale má také navíc otevřený zdrojový kód, do kterého je možné nahlížet, ale lze ho také upravovat. Jednou ze základních podmínek FOSS je, že všechny programy odvozené od tohoto, musí být šířeny stejným způsobem, jako ten zdrojový. [Free and open source software, 2005] Jako příklad poslouží další operační systém a to Linux. • Free Software with Closed Source – Svobodný software s uzavřeným zdrojovým kódem Z předchozích dvou odstavců je jasné, jak Svobodný software s uzavřeným zdrojovým kódem funguje. Lze ho volně šířit, ale není možné nahlížet do jeho zdrojového kódu, ani ho upravovat.

15

4 SAGA A POPIS JEJÍCH MODULŮ

4.1 DMT Školního lesního podniku Křtiny Z předchozího textu je zřejmé, že digitální model terénu je pro analýzu krajiny významným vstupem. Pro popsání funkcí jednotlivých modulů softwaru SAGA byly tyto zkoušeny na DMT Školního lesního podniku Masarykův les Křtiny (ŠLP Křtiny). Školní lesní podnik Masarykův les Křtiny vznikl v roce 1923. Je to účelové zařízení Mendelovy univerzity v Brně a plní hned několik funkcí. Poskytuje zázemí pro praktickou výuku na univerzitě a také pro výzkumnou činnost, obhospodařuje univerzitní majetek s vysokou mírou odbornosti a citlivosti a rozhodně nesmíme zapomenout na to, že jsou pozemky využívány širokou veřejností rekreačním účelům. ŠLP Křtiny je orientován na sever od Brna (viz. Obr. Č 1) a má rozlohu 10 265 ha. Na celém území podniku je převýšení 365 m, s minimální nadmořskou výškou 210 m a maximální 575 m. V celkově velice členitém terénu je možné determinovat čtyři lesní vegetační stupně a na celé ploše převládají smíšené porosty. Geologickým podložím jsou zde granodiorit, kulmská droba a vápenec. Nejvýznamnějším tokem ŠLP je řeka Svitava a dále například Křtinský potok, Podomský potok, aj. Přírodní podmínky jsou zde dotvářeny průměrnou roční teplotou 7,5 °C a průměrnými ročními srážkami 610 mm. [Slpkrtiny, 2002]

Obrázek 1 ŠLP Křtiny orientačně vůči městu Brnu

Použitý DMT z území ŠLP byl vytvořen na základě vrstevnic ZABAGED pomocí nástroje Topo To Raster s následným vyplněním bezodtokových depresí s výsledným rozlišením 10x10 m. 16

4.2 Popis a Historie programu SAGA SAGA je sofware GIS, její název je zkratkou slov System for Automated Geoscientific Analyses. Myšlenka vytvořit SAGU pochází z konce 90. let, kdy začaly být zvyšovány požadavky na možnosti analýzy rastrových dat – digitálních modelů terénu – a vědci nenašli na trhu vyhovující platformu, rozhodli se tedy, že vytvoří svůj vlastní program. Vývoj SAGY započal po roce 2000. Na jejím vytvoření spolupracovala skupina vědců pod vedením Jürgena Böhnera (dříve působících na Univerzitě Göttingen, v současné době je to Univerzita Hamburk). Dr. Olaf Conrad je osoba zastřešující hlavní programovací práce týmu vývojářů, jmenovitě: Rüdiger Köthe, Andre Ringeler, Victor Olaya, Dr. Christian Caro, Dr. Volker Wichmann a již zmíněný Prof. Dr. Jürgen Böhner. SAGA byla vyvinuta pro snadné a efektivní využití prostorových algoritmů. Od roku 2004, kdy byla publikována SAGA 1.0, nabízí obsáhlou a stále se rozrůstající sadu modulů. SAGA je psána v rozšířeném programovacím jazyce C++ a vydáním verze SAGA 2.0 v roce 2007 lze instalovat jak v operačním systému Windows, tak Linux a FreeBSD a to díky využití knihovny základních elementů pro tvorbu grafického uživatelského rozhraní wxWidgets, která umožňuje využívání programu na několika počítačových platformách s minimálními nebo dokonce i žádnými změnami kódu [wxWidgets, 2007]. SAGA je publikována jako Free Open Source software, je tedy možné ji volně stáhnout nebo se i podílet na jejím vývoji a rozšiřovat tak její možnosti využití. Stažení z webových stránek www.saga-gis.org a její následná instalace trvá jen několik minut, jelikož instalační soubor má velikost 6 MB. Po nainstalování zabírá celý program místo pouhých 26,25 MB. Program je ve většině případů rychlý i v průběhu práce. S cílem umožnit dlouhodobý vývoj programu, pokrývající širokou škálu uživatelských zájmů, byla v roce 2005 založena nezisková organizace The Saga User Group Association. Jedním z jejích úkolů je také organizace setkání uživatelů. První mezinárodní setkání se uskutečnilo v červenci 2006 v rámci The Conference and Exhibition on Applied Geoinformaticks, AGIT v Salzburku v Rakousku. [Saga/gis.org, 2004]

17

4.3 Uživatelské prostředí programu Po otevření SAGY se zobrazí běžná sada elementů, jako u mnoha jiných programů: Menu, Nástroje. Třemi hlavními částmi jsou Workspace, Okénko hlášení a Vlastnosti a nastavení objektů. Okénko hlášení informuje o akcích, které jsou prováděny, ať už je to aplikace nějakého modulu nebo třeba načítání dat, jejich úspěšném, či neúspěšném dokončení. V případě nějakých chyb se zde tyto zobrazují výběrem záložky Chyby, která se nachází přímo pod Okénkem hlášení. Podle toho, jaký objekt je vybrán ve Workspace, zobrazuje se ve Vlastnostech a nastaveních jejich odpovídající vlastnosti, případně jejich popis a lze zde nastavit různá kriteria. Workspace má tři podkategorie, jsou to Moduly, Data a Mapy. U každé kategorie se mění nabídka informací ve Vlastnostech a nastaveních. V záložce Moduly jsou zobrazeny všechny dostupné moduly aktuálně nainstalované verze programu. V Datech se nalézají všechna načtená data seřazena podle jejich typu a Mapy poskytují přehled vytvořených map a lze je zde také organizovat. Poklepáním pravého tlačítka myši na jakoukoli položku ve Workspace dostaneme nabídku akcí, které lze provést. Stejnou nabídku bychom dostali také v Menu.

Obrázek 2 Popis uživatelského prostředí programu SAGA (SAGA Software)

18

4.4 Moduly pro geomorfometrickou analýzu SAGA je vyvíjena už deset let a za těchto deset let se nabídka modulů v její knihovně neustále rozšiřovala a rozšiřování také pokračuje. I za dobu zpracovávání této práce do knihovny modulů přibyly nové. Všechny jsou uspořádány do jednotlivých skupin. Existuje zde celkem čtrnáct skupin, každá s různým počtem podskupin a každá podskupina zahrnuje až několik desítek modulů. Než se pustíme do konkrétního popisu jednotlivých modulů z podskupin skupiny Terrain Analysis, podíváme se jen v přehledu na ty ostatní:
Contributions
Geostatistics
Grid
Imagery
Import/Export
Lectures
Projection
Recreations
Reports
Shapes
Simulation
TIN
Table Pokud projdeme knihovnu modulů programu SAGA, zjistíme, že je zde množství takových, které nabízejí zpracování podobných, nebo i stejných analýz. Mnohokrát se stane, že výstup, pro který existuje samostatný modul, je i výstupem modulu, kde se primárně jedná o něco jiného. V této práci jsou vedlejší produkty analýz pouze zmiňovány. V několika případech se jedná o moduly, jejichž popis nelze obsáhnou pouze několika řádkami a tato bakalářská práce se jimi nezabývá.

19

4.4.1 Terrain Analysis – Compound analyses Compound analyses obsahuje pouze jediný modul, který najednou vyprodukuje soubor analýz běžně prováděných v softwarech GIS. Je to 15 map, například sklonitost, expozice, zakřivení terénu a další. V jiném programu bychom na vyhotovení těchto map provedli mnohem více kroků a zabralo by to více času. Modul byl vytvořen v roce 2005 O. Conradem. Vstupem je pouze DMT. 4.4.1.1 Standard Terrain Analyses Jak bylo zmíněno výše, je to jediný modul ze skupiny Compound analyses. Následuje výčet a popis jednotlivých map, které zpracovává.
Analytical hillshading Je nástrojem pro kalkulaci stínování převýšení. Výstupem je mapa zobrazující úhel mezi povrchem a dopadajícími slunečními paprsky, uvedeno v radiánech. Je zde několik možností nastavení a to Shading Metod - metoda stínování, Azimuth - Azimut (orientace světelného zdroje, měřená ve stupních, ve směru hodinových ručiček), Declination - Sklon (myšleno sklon světelného zdroje nad horizontem, měřeno ve stupních) a Exagenerration - Zveličení výšek (ke zdůraznění kontrastu v případě území s malými převýšeními). Pro vytvoření této mapy lze také využít modul Analytical Hillshading ze skupiny Terrain analysis – Lighting, Visibility, který je vytvořen přímo pro to. [Relief Shading, 2006, Geo.hunter.cuni.edu, 1996]

Obrázek 3 Analytial Hillshading
Slope – Sklon svahu Vyhotoví mapu sklonu svahu ve směru největšího spádu. 20

Obrázek 4 Slope/Sklon
Aspect – Expozice svahu Výslednou mapou je mapa orientace vůči světovým stranám. Legenda je uvedena ve stupních od 0 do 360°. Hodnoty jsou vztaženy ke světovým stranám ve směru hodinových ručiček. Při dotazech na atributy jsou hodnoty v radiánech místo ve stupních.

Obrázek 5 Aspect/Expozice svahu
Curvature – Zakřivení Výsledkem je mapa popisující zakřivení terénu, která je jakousi kombinací plan a profile curvature. Vysvětlení těchto pojmů následuje níže.

21

Obrázek 6 Curvature/Zakřivení
Profile Curvature Výsledkem je mapa profile curvature, která popisuje zakřivení terénu ve vertikálním směru. Je dán poměrem změny sklonu svahu v daném bodě. Pokud je hodnota záporná, jedná se o svah konkávní, pokud je hodnota kladná, v daném místě je svah konvexní a body s hodnotou nula nemají zakřivení. [Spatialanalysisonline.com, 2006]

Obrázek 7 Profil Curvature
Plan Curvature Jedná se zde o stejnou mapu jako u Profile Curvature, s tím rozdílem, že Plan Curvature popisuje zakřivení terénu v horizontálním směru. [Spatialanalysisonline.com, 2006]

22

Obrázek 8 Plan curvature
Convergence Index Tvoří mapu, která zobrazuje sbíhavost terénu. Popisuje ji indexem od -20 po 20, kde záporné hodnoty náležejí rozbíhavému (divergentnímu) terénu, jako je např. vrchol hory a naopak hodnoty kladné patří k útvarům sbíhavým (konvergentním), jako jsou údolí.

Obrázek 9 Convergence Index
Catchment Area – Plocha povodí Modul vykresluje dílčí povodí a počítá jeho nebo jejich velikost.

23

Obrázek 10 Catchment Area
Wetness Index Wetness Index – index vlhkosti je vyjádřením působení topografických vlastností terénu, jako sklon nebo orientace vůči světovým stranám, na obsah vody v půdách v zájmovém území [Science.rank.org,2011].

Obrázek 11 Wetness Index
Stream Power Vypočítává sílu proudu v toku na základě tvarování terénu, tedy sklonu svahu, popřípadě jeho sbíhavosti či rozbíhavosti.

24

Obrázek 12 Stream Power
LS-Factor LS faktor je faktor délky a sklonu svahu a využívá se při určování ohroženosti svahů erozí.

Obrázek 13 LS Factor


Channel Network Mapa říční sítě. Stejně tak je možno ji vytvořit ve skupině modulů Terrain Analysis – Channels. Výstupem je mapa jak rastrová, tak vektorová.
Altitude above Channel Network

25

Obrázek 14 Altitude above Channel Network

Vypočítává výšku nad říční sítí k ní vztaženou.
Channel Network Base Level Mapa užitečná pro stanovení ohroženosti území vodní erozí. Base level neboli erozní základna, je ta část toku, kde se eroze hloubková daná sklonem mění na erozí boční, při které je koryto řeky vymýláno ve vertikálním směru vždy k jedné ze stran [Eroze, 2005]. Modul však mapu nedokončil a jako výstup byl získán pouze modrý obdélník.
Watershed Subbasins Mapa ploch povodí v menším měřítku, než u modulu Watershed Basins.

Obrázek 15 Watershed Subasins

26

4.4.2 Terrain analysis – Preprocessing – Předzpracování dat Od kvality DMT se samozřejmě odvíjí také kvalita výsledných analýz. V DMT se mohou vyskytovat chyby, které vznikají při jeho interpolaci, které v některých případech zapříčiňují nedokonalý výsledek. Jedná se zejména o problémy při hydrologických analýzách, ale ne jenom u nich. Následující moduly jsou navrženy pro odstraňování těchto chyb. Jedná se zejména o deprese, buňky s menší výškou, než všechny sousední buňky, které je obklopují, případně naopak. Pro získání, co nejlepších výsledků při aplikaci modulů, je lepší nejprve DMT předzpracovat užitím jednoho z následujících modulů. Autory modulů, které vznikaly od roku 2001 do roku 2010, jsou V. Wichman a O. Conrad. Jelikož se jedná o předzpracování DMT, jak bylo popsáno výše, je logické, že vstupem je DMT. Výstup přepíše původní DMT, pokud není nastaveno jinak. 4.4.2.1 Fill Sinks Je založen na metodě vyplňování depresí popsané v roce 2001 O. Planchomem a F. Darbouxem. Celý DMT je nejprve zalit tenkou vrstvou vody a poté jsou odstraněny přebytky vody. Vyžaduje to pouze několik desítek řádků kódu a je to tím pádem mnohem rychlejší metoda, než byla užívána, kde se jednotlivé deprese zaplňují postupně. [Planchon, Darboux, 2001] Výstup je na první pohled naprosto shodný s DMT. 4.4.2.2 Fill Sinks (Wang & Liu) V tomto případě je k detekování a odstraňování depresí terénu užíván algoritmus vytvořený v roce 2006, autory jsou L. Wang a H. Liu. Je navržena tak, aby byly vyplněny deprese, ale aby také byly zachovány svahy okolo koryt toků. Výstupem je nejen DMT, ale také mapa Směru odtoku a Povodí. 4.4.2.3 Fill Sinks XXL (Wang & Liu) Modul se stejnou funkcí, jako Fill Sinks (Wang & Liu), jen je navržen pro velké datasety. 4.4.2.4 Sink Removal Princip tohoto modulu je stejný jako u předchozích. Nachází nežádoucí deprese v modelu a vyplňuje je. 27

4.4.3 Hydrologie Voda a veškeré procesy s ní související jsou významnými součástmi běžného života každého jednotlivce. GIS softwary jsou velice užitečným prostředkem, jenž nám tyto procesy pomáhá zkoumat. Rozvoj GIS nástrojů v této oblasti nám poskytuje širší možnosti při jednotlivých analýzách, které slouží jako vodítka např. při hospodaření s vodou, navrhování ochranných opatření, aj. Díky dlouhodobému zájmu o tuto oblast bylo již vyvinuto množství metod pro zpracovávání těchto hydrologických analýz. Pro snazší orientaci v těchto metodách se v následující kapitole podíváme na ty nejvíce využívané. 4.4.3.1 Metody užívané při hydrologických analýzách Každá činnost má nějaký svůj postup. Každá činnost může mít ale postupů i více a tyto postupy pak ovlivňují výsledek. SAGA při spouštění modulů nabízí různá nastavení a v mnoha případech lze vybrat, kterou z několika dostupných metod chceme pro výpočet použít. Abychom si ujasnili podstatu jednotlivých metod, následuje kapitola o několika z nich a to těch, které se využívají při hydrologických analýzách. 4.4.3.1.1 Algoritmy s odtokem do jedné buňky Algoritmy, které počítají tak, že odtok z buňky je možný pouze do jedné ze sousedních buněk.
Deterministic 8/D8 V rastrovém modelu se čtvercovým pixelem má každá buňka osm sousedních. Odtud také název D8. Metoda D8 uvažuje odtok z výchozí buňky do sousední buňky na základě největšího sklonu mezi buňkami. Funguje dobře v případech konvergence toku, ale v případě toku divergentního není už analýza přesná právě proto, že je počítáno pouze s jedním sousedním čtvercem.
Rho8 Rho8 je jakési rozšíření metody D8. Pixel, který následuje po výchozím, je do jisté míry vybírán namátkově. Má to eliminovat nepřesnosti. Dá se tedy říci, že při každém pokusu, kdy uplatníme tento algoritmus na stejném DMT, dostaneme rozdílný výsledek. 4.4.3.1.2 Algoritmy s odtokem do více buněk V tomto případě je umožněn odtok z výchozí buňky do více než jedné sousední v největším sklonu. 28


Multiple Flow Direction (MFD) Existuje celá řada algoritmů, které zvládají počítat odtok v divergentním terénu, tedy odtok do více, než jedné sousední buňky. Nemají přesně udané názvy, spíše se všeobecně označují jako Multiple Flow Direction (MFD). Jednotlivé metody jsou specifické zejména užitou hodnotou rozptylu. Pokud je tato hodnota vysoká, odtok je směřován více k těm nejstrmějším buňkám, pokud nízká, rozptyl je výrazný. Hodnoty musí být větší nebo rovny nule. Je ale problémem stanovit tuto hodnotu optimálně, aby nedocházelo až k příliš velkému rozptylu.
DEMON Tato metoda poskytuje dobré výsledky v případech konvergentních i divergentních toků. Konstruuje jakési potrubí skrz rohy pixelu na ploše, která je vyhodnocena jako nejvhodnější. Může ale vytvořit i skutečnosti neodpovídající výsledky a to kvůli jedné z užitých metod, které jsou součástí tohoto algoritmu. Výstup je pak nejednoznačný v případě vrcholů a brázd.
Deterministic Infinity/D∞ Infinity proto, že tok může být orientován naprosto kterýmkoli směrem mezi 0 a 2π. Každé buňce je přiřazen jeden směr odtoku. 4.4.3.2 Terrain analyses – Hydrology Tato kapitola se věnuje rozsáhlé skupině modulů Terrain analyses – Hydrology, která se hydrologickými analýzami zabývá. Jednotlivě vznikaly mezi lety 2001 až 2004, hlavními zpracovateli jsou O. Conrad, V. Wichman, a V. Olaya. 4.4.3.2.1 Flow Accumulation, Mass-Flux Method Flow accumulation udává počet buněk, ze kterých voda stéká do každé buňky. Jak už je zřejmé z názvu tohoto modulu, pro tento výpočet se zde využívá Mass-Flux metoda, vytvořena S. Gruberem a S. Peckhamem v roce 2008. Vzhledem k tomu, že ji využívá pouze tento modul, není uvedena v přehledu metod pro hydrologické analýzy využívaných, ale pouze tady. Princip metody je takový, že na začátek rozdělí každou buňku na čtyři čtvrtiny. Na základě nadmořské výšky zdrojové buňky a dvou přímo sousedících určí plochu a odpovídající sklon pro každou čtvrtinu pixelu. Tok pak směřuje z každé čtvrtiny pixelu do jedné či dvou sousedících buněk, podle vektoru směru toku určeného sklonem buňky. [Kopecký, M. Čížková, Š]

29

Výstupem je hlavně mapa Flow Accumulation. Modul se stále vyvíjí a čtyři výstupy, které model umí, nejsou zatím „k dostání“ (Slope, Aspect, Flow Accumulation, Flow Lines).

Obrázek 16 Flow Accumulation

4.4.3.2.2Flow Path Lenght Počítá průměrnou délku toku od pramene. Rastr s prameny lze použít jako volitelný vstup modulu. Pokud data s prameny nevložíme, počítá jako prameny vrcholky a hřebeny. Lze zde vybrat algoritmus, který bude aplikován a to mezi D8 a aMDF.

Obrázek 17 Flow Path Lenght

4.4.3.2.3 Flow Tracing Algoritmus tohoto modulu sleduje průběh toku v každé jednotlivé buňce, dokud nenarazí na okraj DMT. 30

Hlavním výstupem je mapa Plochy povodí (Catchment area), ale je zde i několik volitelných výstupů. Zda nastavit algoritmus pro výpočet. Na výběr je z několika možností a to DEMON, Rho8 a Kinematic Routing Algorithm.

Obrázek 18 Catchment area

4.4.3.2.4 Flow Width Modul provádí výpočet šířek toku a specifické plochy povodí. Lze vybrat mezi metodami D8 a MFD.

Obrázek 19 Flow Width

4.4.3.2.5 Lake Flood Využitím tohoto modulu získáme model zatopeného DMT, důležitou roli zde hraje volitelný vstup, který obsahuje data s informacemi o pramenech.

31

4.4.3.2.6 Parallel Procesing Zpracovává DMT od nejvyšších buněk po ty nejnižší s cílem vypočítat množství materiálu, který se akumuluje při pohybu toku a s tím související další parametry. Primárním vstupem je DMT a výstupem Catchment Area – Plocha povodí. Modul však nabízí množství volitelných vstupů, na jejichž základě je pak schopen vytvořit i větší množství výstupů, například množství akumulovaného materiálu, sklon povodí, průměrnou výšku povodí, atd. Pracuje s metodami D8, Rho8, MFD, Deterministic Infinity a Braunschweiger Reliefmodell 4.4.3.2.7 Recrusive Upward Processing Modul vzestupně zpracovává všechny propojené buňky DMT, dokud nejsou zpracovány úplně všechny. Vstupem je DMT a je možné zadat i množství volitelných vstupů, nejsou ale nutné. Výstupem je mapa Plochy povodí (Catchment Area). Lze zvolit také volitelné výstupy, například sklon povodí, množství akumulovaného materiálu, aj. Problémem je, že po spuštění modulu bylo ohlášeno narušení přístupu (Acces violation), jako u modulu Flow Accumulation, Mass and Flux Method, který je stále ve vývoji. To vede k myšlence, že stejný problém by mohl být i u tohoto modulu, i když o tom autoři v tomto případě neuvádí žádnou poznámku. Žádné mapy tedy program nevykreslil. 4.4.3.2.8 SAGA Wetness Index Modul podobný modulu Topographic Wetness Index, ale je založený na modifikovaném výpočtu povodí, který nepočítá s tokem jako tenkým vláknem. Pro buňky v údolích s malými převýšeními poskytuje realističtější výsledek, než standardní kalkulace Topographic Wetness indexu. Výstupy jsou hned čtyři. Plocha povodí (Catchment Area), Sklon povodí (Catchment Slope), Modifikovaná plocha povodí (Modified catchment area), která je tím rozdílným parametrem, který je zde užit na rozdíl od Topographic Wetness indexu a jako poslední je to samotný index vlhkosti (Wetness Index).

32

Obrázek 20 SAGA Wetness Index

4.4.3.2.9 Slope Lenght – délka svahu Modul vypočítává délky svahu, což je užitečné například pro stanovování ztrát půdy vodní erozí nebo z přívalového deště. Výstupem je mapa délek svahů.

Obrázek 21 Slope Lenght

4.4.3.2.10 Topographic Indices Vypočítává topografické indexy a to LS faktor, index vlhkosti a index síly toku. Promítá je do map LS Factor, Topographical Wetness Index a Stream Power Index. Indexy jsou užitečné pro výpočty ohroženosti erozí, aj. Vstupy tohoto modulu jsou rastrové mapy Slope a Catchment Area.

33

4.4.3.2.11 Upslope area Umožňuje určit cíl, a spočítá, jaká část každé buňky (v procentech) tohoto daného cíle dosáhne. Tedy kolik procent z každé buňky „odteče“ do zvoleného cíle. Pro výpočet můžeme vybrat z metod D8, Deterministic Infinity a MFD. V našem případě jsme jako cíl zvolili síť toků z celého DMT, kde 100 % buněk dosáhlo cíle.

4.4.4 Terrain Analysis - Channels Sedm modulů z této podskupiny je orientováno hlavně na tok a jeho vlastnosti. Organizaci v rámci povodí, velikost povodí, charakteristiky povrchového odtoku a další. Moduly byly vyvinuty mezi lety 2001−2004 a autory jsou zejména pánové O. Conrad a V. Olaya. Vstupem u všech modulů je DMT. Je zde pár modulů, u kterých je nutno použít další vstupy, ty jsou uváděny v konkrétních případech. U některých modulů je ještě možno zvolit různé volitelné vstupy, těmi se ale podrobněji nezabýváme. 4.4.4.1 Channel Network Je nástrojem odvozujícím síť toků z digitálního modelu terénu. Výstupem jsou tři mapy, dvě rastrové: Channel Network (síť toků) a Channel Direction (Orientace toku) a jedna mapa sítě toků vektorová. Nastaveními modulu lze určit hraniční parametry, kterými chceme tok definovat.

34

Obrázek 22 Channel Network 4.4.4.2 D8 Flow Analyses Modul slouží k určení směru odtoku. D8 algoritmus (na základě kterého tento modul pracuje) nebo také tzv. osmi bodový algoritmus toku (vytvořený v roce 1984 O’Callaghanem a Markem) vede směr toku ve směru největšího klesání v rámci osmi sousedních buněk dané buňky. Za nevýhodu se považuje fakt, že algoritmus umožňuje odtok pouze do jedné sousedící buňky (2.1), takže výsledek je odpovídající jen v místech, kde je tok konvergentní (údolí). [Gis.zcu, 2005] Výstupem jsou tři mapy Flow Direction (Směr odtoku), Flow connectivity (Spojitost toků) a vektorový Flow Network (síť toků).

Obrázek 23 Flow Direction

35

4.4.4.3 Overland Flow Distance to Channel Network Vypočítavá délku povrchového odtoku k danému toku. Faktor, který může sloužit pro výpočet ohroženosti vodní erozí. Dalším vstupem, kromě DMT, je ještě mapa Channel Network, která se dá vytvořit také v této podskupině modulů. Výstupem je mapa Vertical Distance to Channel Network v takových jednotkách, v jakých byl DMT a dále mapy Vertical Overland Flow Distance a Horizontal Overland Flow Distance, které zobrazují jeho vertikální a horizontální složku.

Obrázek 24 Overland Flow Distance to Channel Network 4.4.4.4 Strahler Order Strahlerovo pořadí je algoritmus užívaný k popisu velikosti toku založeném na hierarchii přítoků. Bylo poprvé popsáno Arthurem Newellem Strahlerem v roce 1952 v článku „Hypsometric (area altitude) analysis of erosional topology“, který byl uveřejněn ve zpravodaji Geological Society of America. Toky jsou označeny hodnotami 1-12 od horních toků řek po nejsilnější toky jako Amazonka s hodnotou 12, řeka Ohio 8 a řeka Mississippi 10. Přibližně 80 % řek na světě je v pořadí 1 nebo 2. Tokem označujeme taková místa, kde se voda v korytě vyskytuje alespoň část roku. Pokud se spojí toky prvního pořadí, vytvoří tok druhého pořadí. Pokud se spojí toky druhého pořadí, vytvoří tok třetího pořadí, atd. Pokud se tok nižšího pořadí vlévá do toku vyššího pořadí, nemění se pořadí vyššího toku (po soutoku řek prvního a druhého pořadí je tok stále tokem druhého pořadí). [Strahler number, 2008] Výstupem je mapa Strahlerova pořadí.

36

Obrázek 25 Strahlerovo pořadí 4.4.4.5 Vertical Distance to Channel Network Vypočítává výšku nad říční sítí. Dalším vstupem, kromě DMT, je ještě mapa Channel Network, která se dá vytvořit také v této podskupině modulů. Výstupem je mapa Vertical Distance to Channel Network.

Obrázek 26 Vertical Distance to Channel Network

4.4.4.6 Watershed Basins Tvoří mapu povodí a vypočítává jejich plochy. Dalším vstupem, kromě DMT, je ještě mapa Channel Network, která se dá vytvořit také v této podskupině modulů. Výstupem je rastrová mapa Watershed Basins.

37

Obrázek 27 Watershed Basins

4.4.5 Terrain Analysis – Morphometry – Morfometrie Zajímáme-li se o většinu vlastností zemského povrchu, vždycky narazíme na morfometrii, která měří tvary povrchu Země. Tvary na povrchu Země jsou určující pro mnoho faktorů a dějů, které se zde dějí a proto je to pro nás tak zajímavá oblast a v GISech našla velkou podporu. Máme tedy před sebou několik modulů, které nám mohou k tomuto tématu mnoho říci. Byly vytvořeny v letech 2001-2010 a podílelo se na ní více autorů, zejména ale O. Conrad. 4.4.5.1. Convergence Index Tvoří mapu, která zobrazuje sbíhavost terénu. Popisuje ji indexem od -20 po 20, kde záporné hodnoty náležejí rozbíhavému (divergentnímu) terénu, jako je např. vrchol hory a naopak hodnoty kladné patří k útvarům sbíhavým (konvergentním), jako jsou údolí. Výstupem je mapa Convergence Index. Je zde možné nastavit metodu – Aspect nebo Gradient, čímž se nastaví, z jakých vlastností terénu bude modul vycházet. V tomto případě je modul popsán při užití metody Aspect.

38

Obrázek 28 Convergence Index

4.4.5.2. Convergence Index (Search Radius) Podobně jako modul Convergence Index tvoří mapu popisující sbíhavost terénu. Terén, který zohledňuje je specifikován poloměrem, který je možno nastavit při spouštění modulu. Index se pohybuje v rozmezí -40 až 40. Výstupem je mapa Convergence Radius Index.

Obrázek 29 Convergence Index (Search Radius)

4.4.5.3 Diurnal Anisotropic Heating Ohřívání povrchu během dne. Výstupem je mapa, kde jednotlivé hodnoty jsou v rozmezí od -0,7 do +0,7 a je jasné, že čím víc tepla se povrchu dostává, tím je hodnota vyšší. Tento výpočet může být užitečný například při popisu městských tepelných ostrovů.

39

Obrázek 30 Diurnal Anisotropic Heating

4.4.5.4 Curvature Classification Vytváří mapu klasifikace terénu. Výstupní hodnoty popisují jak zakřivení horizontální, tak vertikální a jednotlivá zakřivení jsou popsána čísly od nuly do osmi. 0 – V/V 1 – GE/V 2 – X/V 3 – V/GR 5 – X/GR 6 – V/X 7 – GE/X 8 – X/X Klasifikace, kterou tento modul využívá je převzata z knihy R. Dikaua z roku 1988 a vysvětlení jednotlivých zkratek je níže na obrázku č. 24.

40

Obrázek 31 Klasifikace terénu podle R. Dikau, 1988 (Dikau, R. 1988), X = konvexní, V = konkávní, GR/GE, přímí

Obrázek 32 Curvature Classification

4.4.5.5. Downslope Distance Gradient Modul vypočítává nový topografický index k popisu toho, jaký vliv má sklon na odtok.

41

Obrázek 33 Downslope Distance Gradient

4.4.5.6 Hypsometry Na základě DMT vytváří tabulku pro vytvoření hypsometrické křivky.

Obrázek 34 Výstupní tabulka modulu Hypsometry (prvních 10 hodnot)

4.4.5.7 Local Morphometry Vytváří mapy lokálních morfometrických atributů. Výstupy jsou mapy sklonu, orientace vůči světovým stranám a mapy zakřivení. 4.4.5.8 Mass Balance Index Mass Balance Index je definován jako sklon balanční křivky, která je funkcí horizontální vzdálenosti podél povrchu např. ledovce. Využívá se například pro stanovování rychlosti odtávání ledovců, popřípadě sněhové pokrývky [Bahr, D. B. a kol., 1998].

42

Obrázek 35 Mass Balance Index

4.4.5.9 Morphometric Protection Index Morphometric Protection Index je modul, kde je analyzováno přímé okolí každé buňky (v zadané vzdálenosti) a následně je určeno, jak je dané místo chráněno reliéfem. V nastaveních lze zvolit poloměr vzdálenosti, která bude analyzována. Vzhledem k absenci dat v bezprostředním okolí ŠLP je rozsah výsledné mapy redukován v závislosti na zvoleném poloměru.

Obrázek 36 Morphometric Protection Index

4.4.5.10 Multiresolution Index of Valley Bottom FLatness (MRVBF) Jednoduše lze říci, že modul vytváří mapu, která popisuje míru plochosti jednotlivých území, údolí. To je jeden z výstupů, Multiresolution Index of Valley Bottom FLatness

43

(MVRBF). Je zde ale ještě druhý výstup Multiresolution index of the ridge top flatness (MRRTF), který se zaměřuje na určení míry plochosti vrcholů.

Obrázek 37 MRRTF a MVRBF

4.4.5.11 Real Area Calculation Výstupem je mapa Real Area Calculation. Dozvíme se z ní skutečnou velikost jednotlivých buněk, ne tu předpokládanou. Velikost jednotlivých buněk není zcela stejná.

44

Obrázek 38 Real Area Calulation

4.4.5.12 Terrain Ruggedness Index (TRI) Terrain Ruggedness index je index popisující drsnost povrchu. Je většinou určován podle sklonu, což může vést k nežádoucím výsledkům. Pro jeho určení postačí DMT [Onlinelibrarystatistic.wiley.com, 1999].

Obrázek 39 Terrain Ruggedness Index

4.4.5.13Vector Ruggedness Measure (VRM) Vector Ruggedness Measure popisuje drsnost terénu, jako Terrain Ruggedness Index. Využívá však mnohem více možnosti GIS a metoda pro jeho určení je založena na disperzi vektorů a výsledek se neodvíjí tolik od sklonitosti a je tedy přesnější. Jako vsup modulu je zapotřebí DMT [Onlinelibrarystatistic.wiley.com, 1999].

45

Obrázek 40 Vector Rugedness Measures

4.4.6 Terrain analysis – Lighting, Visibility Tato skupina modulů se zaměřuje na analýzy, které mají co dočinění se slunečním zářením. Autorem je O. Conrad a vznikaly mezi lety 2001-2010: 4.4.6.1 Analytical hillshadingn Je nástrojem pro kalkulaci stínování převýšení. Výstupem je mapa zobrazující úhel mezi povrchem a dopadajícími slunečními paprsky, uvedeno v radiánech. Vstupem je DEM. Je zde několik možností nastavení a to Shading Metod - metoda stínování, Azimuth - Azimut (orientace světelného zdroje, měřená ve stupních, ve směru hodinových ručiček), Declination - Sklon (myšleno sklon světelného zdroje nad horizontem, měřeno ve stupních) a Exagenerration - Zveličení výšek (ke zdůraznění kontrastu v případě území s malými převýšeními). Stejnou mapu dostaneme také užitím modulu Standart Terrain Analyses ve skupině modulů Terrain Analysis – Compound analysis. [Relief Shading, 2006, geo.hunter.cuni.edu, 1996] Výstup je stejný jako u skupiny Compound analyses – Analytical Hillshading. 4.4.6.2 Potential Incoming Solar Radiation Jedná se o kalkulaci potenciálního množství dopadajícího slunečního záření na zemský povrch. Modul nabízí celou řadu možností s jakými vstupy chceme pracovat a mnoho volitelných nastavení. Povinným vstupem je DMT. Dále jsou zde čtyři volitelné vstupy a to Sky View Factor (lze vytvořit stejnojmenným modulem z této skupiny), Water Vapour Pressure (tlak vodní páry uvedený v milibarech), Latitude a Longitude 46

(zeměpisné souřadnice – šířka a délka – uvedené ve stupních). Pro velmi konkrétní situaci, pro kterou chceme mapu vytvořit, jsou zde velice rozsáhlé možnosti nastavení, jako specifikace dne, denní doby, konkrétního data a mnoha dalších informací.

Obrázek 41 Direct Insoltion

4.4.6.3 Sky View Factor Sky View Factor (faktor viditelnosti oblohy) je vyjádřením vztahu mezi viditelnou oblohou a územím, kde je tato viditelnost ovlivněna urbanizovanými strukturami. Čím menší je plocha, ze které je obloha viditelná, tím pomaleji se zástavba ochlazuje, jedná se zejména o městské zástavby. Je tedy jedním z významných faktorů ovlivňujících vznik městských tepelných ostrovů. Městský tepelný ostrov je urbanizovaná struktura, která je podstatně teplejší, než okolní prostředí. Základními dvěma výstupy jsou mapa Visible Sky, která zobrazuje volný výhled na oblohu v procentech a mapa Sky View Factor, který pracuje právě s faktorem viditelnosti oblohy, hodnota jedna je obloha maximálně viditelná, čím více se číslo blíží k nule, viditelnost se snižuje. Modul nabízí dva volitelné výstupy a to Sky View Factor (Simplified) – Faktor viditelnosti oblohy (zjednodušeně) a Terrain View Factor.

47

Obrázek 42 Sky View Factor

4.4.6.4 Topographic correction Geografické informační systémy se také využívají pro mapování vegetace a vytváření map využití půd. Pracuje se zde mimo jiné se satelitními snímky zemského povrchu. Problémem jsou ale rozdíly v zabarvení ploch se stejným typem vegetace, které jsou dány osluněním povrchu, oblačností, aj. Pro zkvalitnění takovýchto mapování byly vyvinuty algoritmy pro opravy těchto úkazů [Law, K. H., Nichol, J. 2004]. Tento modul je tedy nástrojem pro výše zmíněné opravy a nabízí pět metod zpracování. Popis metod je přístupný přímo v programu v popisu modulu, jako odkaz na PDF soubory.

4.4.7 Terrain Analysis – Profiles Poslední skupina modulů z oblasti analýz terénu byla vytvořena mezi lety 2004 až 2006 O. Conradem a V. Olayou Pomocí těchto nástrojů je možno vytvářet profily terénu. Je zde celkově šest modulů a z toho jsou tři interaktivní. Vstupem modulů je vždy DMT a další vstup, podle toho, z jakých dat chceme profil vytvořit (body, ty je nutno dodat v tabulce, a pak liniová data). Konkrétně jsou to: Cross Profiles, Profile from Points, Profile from Lines a interaktivní Flow Path Profile, Profile a Swath Profile. Obrázek, který vidíte níže, byl vytvořen za použití modulu Profile from Lines, a jako liniová data byla zvolena mapa Sítě toků (Channel Network).

48

Obrázek 43 Profile from Lines

4.4.8 Interaktivní moduly Jak jsme se dozvěděli na předchozích několika stránkách, program SAGA poskytuje širokou nabídku možností generování map. Využitelnost programu se dále rozšiřuje nabídkou modulů interaktivních. Ve skupině Terrain Analysis je jich celkem 11 a z toho většina náleží do podskupiny Hydrology. Jmenovitě jsou to Downslope Area, Flow Depth, Slow Sinuosity, Isochrones Constant Speed, Isochrones Variable Speed, Lake Flood,, Upslope Area, Visibility (Single point), Flow Path Profile, Profile a Swath Profile. V několika případech program nabízí variantu klasickou s výstupem jedné mapy, anebo interaktivní a to jsou třeba Lake Flood a Upslope Area. Jako příklad si můžeme uvést modul Lake Flood. Vstupem je DMT. Po spuštění modulu volíme poklikáním buňky s různými hodnotami výšek a sledujeme, jaká část DMT je zatopena. U tohoto příkladu byla zvolena výška 427 m.

49

Obrázek 44 Lake flood [interactive]

50

5 VÝSLEDKY A DISKUZE SAGA je snadno dostupný GIS software, dostupný díky licenci s jakou je publikovaný, což je již několikrát zmíněná Free Open Source Software licence a její dostupnost je zvýšena také tím, že k jejímu bezproblémovému fungování není nutné mít nadstandardně vybavený počítač, co se týče paměti, ať už paměti harddisku, či paměti operační. Pro uživatele, který běžně pracuje s různými programy, tím spíše takového, který už v nějakém GIS softwaru pracoval, je zorientování se v SAGA GIS bezproblémové. Uživatelské prostředí je koncipováno velice jednoduše a po základním se seznámení se s ním, je veškerá manipulace velice intuitivní. V této práci je popsáno 40 modulů GIS softwaru SAGA, další moduly byly popsány rámcově, díky shodným charakteristikám (Profiles a interaktivní moduly) a jistá část modulů byla také vynechána v důsledku toho, že není možné je uspokojivě popsat v rozsahu této bakalářské práce. V některých případech dostaneme stejný výstup po implementaci různých modulů, většinou je to takový případ, že mapa, která je u jednoho modulu primárním výstupem, je u dalšího modulu výstupem vedlejším, či dokonce volitelným. Lze říci, že všechny moduly jsou navrženy přímo na nějakou konkrétní situaci, pro konkrétní analýzu. To jest jedna z hlavních odlišností od jiných GIS softwarů, kde se většina nástrojů dá využít velice rozmanitě. Na druhou stranu je tato specifikace funkce modulů v SAGA GIS velice užitečná, pokud máme data a jasnou představu o tom, jaké výstupy chceme dostat a může to významně šetřit část a počet kroků, které pro analýzu potřebujeme. Navíc tyto specifické moduly, které dokáží provést zajímavé analýzy sledem pro koncového uživatele jednoduchých kroků, umožňují tomuto vybrat z různých metod zpracování, což ovlivňuje konečné výstupy. Jedním z velice užitečných modulů je jistě Standard Terrain Analysis, který je jediným modulem skupiny Compound Analyses a jednou akcí vyhotoví na základě vstupních dat, což je DMT, 17 map. Tyto mapy se běžně vyhotovují při analýzách krajiny a tady je dostaneme do pěti minut všechny. (Jsou to mapy jako sklon, expozice, LS-faktor a další.)

51

SAGA není jediným programem, který je publikován s licencí Free Open Source Software, ale rozhodně obsahuje široce využitelné nástroje a to zejména pro analýzu krajiny, která je z hlediska krajinářské praxe, ale i teorie, velice významná. Předností této licence není ale jenom to, že software pod ní publikovaný jednoduše získáme zdarma, jsou to ale také možnosti čtení zdrojového kódu a jeho případné úpravy. Každý uživatel je oprávněn k vývoji programu přispívat.

Naproti tomu ArcGIS a další

komerční GIS mají menší možnosti úpravy algoritmů jednotlivých nástrojů a především vyžadují až neúměrné finanční prostředky na pořízení. Z praktického hlediska ale není jeho vývoj až tak omezován „dobou, kterou autoři sdílí nadšení pro věc“. Dalším plusem SAGY je fakt, že ji lze instalovat v operačních systémech Windows, ale i Linux. V době zpracovávání této práce lze ArcGIS instalovat pouze na Windows, což může být pro jistou skupinu uživatelů limitující. Jedním z limitujících faktorů SAGY je ale fakt, že se prostřednictvím programu nelze připojovat k mapovým serverům. Dle mého názoru je ale srovnání těchto dvou programů celkem složitá a velice ošemetná záležitost, ArcGIS je na trhu už zhruba 30 let, SAGA deset, přístup k vývoji je naprosto odlišný a z mého pohledu i celková koncepce a cíl vývojářů je v obou případech rozdílný, což z nich dělá softwary těžko srovnatelné.

52

6 ZÁVĚR SAGA je GIS software, který je snadno dostupný pro každého běžného uživatele. Bakalářská práce, k jejímuž konci jste se právě dopracovali, může jednotlivci nastínit využitelnost softwaru SAGA a pomůže mu si udělat jasnější představu o tom, zda dokáže naplnit jeho konkrétní představy o GIS softwaru, který on chce využívat. Požadavky a představy každého jsou rozdílné. Jedním z cílů práce bylo také srovnání s ostatními GIS softwary, zejména tedy s rozšířeným ArcGISem. V průběhu zpracovávání této práce došlo ke srovnání základních charakteristik, jako je dostupnost softwaru, aj., ale dostali jsme se k bodu, že není v podstatně možné tyto nějak navzájem porovnat, jelikož koncepce obou programů, je odlišná.

53

7 SUMMARY SAGA is a GIS software easily available for every user. The bachelor thesis, its end you just got to, suppose to be a basic guide for a potential user and it could help him to learn, if SAGA can play a role in his work, or not. The basic characteristics of SAGA are here and also the description of 40 of its modules. The confrontation with other GIS softwares was another goal of this bachelor thesis, especially with widely spread ArcGIS. There are the basic characteristics of both of these softwares, but the confrontation on all levels is impossible, because of the diferent development conception of both of them.

54

8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY BAHR, D. B. a kol. Response time of glaciers as a function of size and mass balance: 1. Theory, J. Geophys. 1998. Res., 103(B5), 9777–9782, doi:10.1029/98JB00507. Bike-forum.cz [online]. 2003 [cit. 2011-04-13]. Fotosoutěž ŠLP Křtiny a "cyklostezka Nad klajdovkou". Dostupné z WWW: . Business.center.cz [online]. 1998 [cit. 2011-04-11]. Autorský zákon. Dostupné z WWW: . DIKAU, Richard. Heidelberger Geographische Bausteine Vol. 5 [online]. Heidelberg : Universität Heidelberg, 1988 [cit. 2011-04-24]. Dostupné z WWW: . DARBOUX, F. PLANCHOM, O. A fast, simple and versathile algorithm to fill the depressions of digital elevation models [online]. France : Elsevier, 2001 [cit. 201104-11]. Dostupné z WWW: . Eroze. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 6.1.2005, last modified on 17.4.2011 [cit. 2011-04-24]. Dostupné z WWW: . Free and open source software. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 11.4.2005, last modified on 9.4.2011 [cit. 2011-04-11]. Dostupné z WWW: . Geo.hunter.cuny.edu [online]. 1996 [cit. 2011-04-11]. Hillshading: Digital Terrain Modeling. Dostupné z WWW: . Gis.zcu [online]. 25.5.2005 [cit. 2011-04-11]. Hydrologické analýzy. Dostupné z WWW: .

55

HENGL, T. REUTER, H. I.Geomorphometry : Concepts, Software, Applications.. Amsterdam : Elsevier, 2009. 765 s. ISBN 978-0-12-374345-9. Komer%C4%8Dn%C3%AD software. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 2.12.2006, last modified on 27.5.2010 [cit. 2011-04-11]. Dostupné z WWW: . KOPECKÝ, M., MYŠKOVÁ, Š. Using topographic wetness index in vegetation ecology: does the algorithm matter? 2010,. Applied Vegetation Science, 13: 450–459. doi: 10.1111/j.1654-109X.2010.01083.x ĹAW, K.H., NICHOL. J. Topographic correction for differential illumination effects on IKONOS satalite imagery. [online]. Hong Kong : The Hong Kong Polytechnic University, 2004 [cit. 2011-04-26]. Dostupné z WWW: . Maps.gstatic.com [online]. 2011 [cit. 2011-04-13]. Brno - Mapy Google. Dostupné z WWW: Relief Shading [online]. 2006 [cit. 2011-04-11]. Relief Shading Analytical - Shading methods. Dostupné z WWW: . Onlinelibrarystatic.wiley.com [online]. 1999 [cit. 2011-04-27]. Quantifying Landscape Ruggedness for Animal Habitat Analysis: A Case Study Using Bighorn Sheep in the Mojave Desert - SAPPINGTON - 2010 - The Journal of Wildlife Management - Wiley Online Librar. Dostupné z WWW: . Opera%C4%8Dn%C3%AD syst%C3%A9m. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 24.6.2003, last modified on 6.4.2011 [cit. 2011-04-11]. Dostupné z WWW: . Saga-gis.org [online]. 2004 [cit. 2011-04-11]. SAGA - System for Autimated Geoscientific Analyses. Dostupné z WWW: . Satimagingcorp.com [online]. 2001 [cit. 2011-04-26]. Atmospheric and Topographic Correction for Satellite Imagery | Satellite Imaging Corp. Dostupné z WWW: . 56

Science.rank.org [online]. 2011 [cit. 2011-04-26]. Wetness index (wi) compound topographic index, Geografiska A. Dostupné z WWW: . Slpkrtiny [online]. 2002 [cit. 2011-04-11]. ŠLP Křtiny. Dostupné z WWW: . Softwarov%C3%A1 licence. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 23.8.2006, last modified on 10.2.2011 [cit. 2011-04-11]. Dostupné z WWW: . Spatialanalysisonline.com [online]. 2006 [cit. 2011-04-11]. Plan Curvature. Dostupné z WWW: . Spatialanalysisonline.com [online]. 2006 [cit. 2011-04-11]. Profil curvature. Dostupné z WWW: . Strahler number. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 5.6.2006, last modified on 10.3.2008) [cit. 2011-0411]. Dostupné z WWW: . Webhelp.esri.com [online]. 2007 [cit. 2011-04-11]. Exploring Digital Elevation Models (DEM). Dostupné z WWW: . WILSON, J.P. GALLANT, J.C. Terrain analysis: principles and applications [online]. [s.l.] : [s.n.], 2000 [cit. 2011-04-11]. Dostupné z WWW: .

57

9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1 ŠLP Křtiny orientačně vůči městu Brnu ........................................................ 16 Obrázek 2 Popis uživatelského prostředí programu SAGA (SAGA Software) ............... 18 Obrázek 3 Analytial Hillshading .................................................................................... 20 Obrázek 4 Slope/Sklon .................................................................................................... 21 Obrázek 5 Aspect/Expozice svahu .................................................................................. 21 Obrázek 6 Curvature/Zakřivení ...................................................................................... 22 Obrázek 7 Profil Curvature ............................................................................................ 22 Obrázek 8 Plan curvature ............................................................................................... 23 Obrázek 9 Convergence Index ........................................................................................ 23 Obrázek 10 Catchment Area ........................................................................................... 24 Obrázek 11 Wetness Index .............................................................................................. 24 Obrázek 12 Stream Power .............................................................................................. 25 Obrázek 13 LS Factor ..................................................................................................... 25 Obrázek 14 Altitude above Channel Network................................................................. 26 Obrázek 15 Watershed Subasins..................................................................................... 26 Obrázek 16 Flow Accumulation ..................................................................................... 30 Obrázek 17 Flow Path Lenght ........................................................................................ 30 Obrázek 18 Catchment area ........................................................................................... 31 Obrázek 19 Flow Width .................................................................................................. 31 Obrázek 20 SAGA Wetness Index ................................................................................... 33 Obrázek 21 Slope Lenght ................................................................................................ 33 Obrázek 22 Channel Network ......................................................................................... 35 Obrázek 23 Flow Direction ............................................................................................ 35 Obrázek 24 Overland Flow Distance to Channel Network ............................................ 36 Obrázek 25 Strahlerovo pořadí ...................................................................................... 37 Obrázek 26 Vertical Distance to Channel Network........................................................ 37 Obrázek 27 Watershed Basins ........................................................................................ 38 Obrázek 28 Convergence Index ...................................................................................... 39 Obrázek 29 Convergence Index (Search Radius) ........................................................... 39 Obrázek 30 Diurnal Anisotropic Heating ....................................................................... 40 Obrázek 31 Klasifikace terénu podle R. Dikau, 1988 (Dikau, R. 1988), X = konvexní, V = konkávní, GR/GE, přímí .............................................................................................. 41 Obrázek 32 Curvature Classification ............................................................................. 41 Obrázek 33 Downslope Distance Gradient .................................................................... 42 Obrázek 34 Výstupní tabulka modulu Hypsometry (prvních 10 hodnot)........................ 42 Obrázek 35 Mass Balance Index .................................................................................... 43 Obrázek 36 Morphometric Protection Index .................................................................. 43 Obrázek 37 MRRTF a MVRBF ....................................................................................... 44 Obrázek 38 Real Area Calulation ................................................................................... 45 Obrázek 39 Terrain Ruggedness Index ........................................................................... 45 Obrázek 40 Vector Rugedness Measures........................................................................ 46 Obrázek 41 Direct Insoltion ........................................................................................... 47 Obrázek 42 Sky View Factor .......................................................................................... 48 Obrázek 43 Profile from Lines........................................................................................ 49 Obrázek 44 Lake flood [interactive] ............................................................................... 50 58