Návrh a implementace nástroje pro tvorbu hydrometrických modelů

Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta

Návrh a implementace nástroje pro tvorbu hydrometrických modelů Diplomová práce

Vedoucí práce: Ing. David Procházka, PhD.

Bc. Jan Velička

Brno 2010

Volná stránka pro zadání

Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vyřešil samostatně s použitím literatury, kterou uvádím v seznamu.

V Brně 20. 5. 2010

....................................................

Rád bych na tomto místě poděkoval vedoucímu mé práce panu Ing. Davidu Procházkovi, Ph.D. za cenné rady a připomínky, kterými napomohl k vypracování této diplomové práce. Také bych rád poděkoval Českému úřadu zeměměřickému a katastrálnímu za zapůjčení dat.

Abstrakt Tématem této diplomové práce je problematika tvorby privilegovaných vodních cest a její zpracování pomocí počítače. Obecná metodika je převedena na dílčí kroky zpracovatelné pomocí počítače. Jednotlivé kroky jsou pak pomocí specializovaného software pro tvorbu modelů (ModelBuilder) uspořádány do logického celku a vytváří automatizovaný model pro tvorbu privilegovaných vodních cest. V druhé části se práce věnuje testování modelu a určení nevhodnějších dat pro modelování privilegovaných vodních cest. Sledovány jsou dva aspekty dat – datová struktura a metoda získání dat.

Klíčová slova ModelBuilder, modelování, hydrologické analýzi, morfohydrometrické analýzi, privilegované cesty

Abstract This master thesis deals with creation of privileged water courses and how to process this technique by computers. Essential methodology was transformed to partial steps processable by computers. Easch step is then by specialized software for creation of models (ModelBuilder) arranged into the logical unit and creates automated model for creation of privileged water courses. Second part of master thesis deals with model testing a determining the best fitting data for purpose of privileged water courses modeling. Followed are two aspects of data – data structure and method of data obtaining.

Keywords ModelBuilder, modeling, hydrologic analysis, morfohydrometric analysis, privileged water courses

OBSAH

Obsah 1 Úvod a cíl práce 1.1 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Cíl práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Modelování terénu 2.1 Tvorba DMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Datové reprezentace DMT . . . . . . . . . . 2.1.2 Interpolační techniky . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Přehled dostupných dat a jejich využitelnost 2.2 Ověřování přesnosti DMT . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

7 7 8

. . . . .

9 9 10 12 13 15

3 Analýzy DMT 3.1 Hydrologické analýzy . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Směr odtoku . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Akumulovaný odtok . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Čištění/Vyhlazování DMT . . . . . . . . . 3.1.4 Povodí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Morfostrukturní a morfohydrogeometrické analýzy 3.2.1 Tvorba z topografických map . . . . . . . 3.2.2 Tvorba s využitím materiálů DPZ . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

16 16 16 17 18 19 21 21 22

4 Metodika modelování 4.1 Metodika tvorby privilegovaných cest . 4.2 Popis zkoumané oblasti . . . . . . . . . 4.3 Použité GIS nastroje a data . . . . . . 4.3.1 GIS Software . . . . . . . . . . 4.3.2 DATA . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Tvorba DMT . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Rastrový model terénu . . . . . 4.4.2 Plátový model terénu . . . . . . 4.5 Modelovani v ArcGIS . . . . . . . . . . 4.5.1 Modelování privilegovaných cest 4.5.2 Tvorba modelu . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

23 23 23 24 24 26 27 27 28 29 29 30

. . . . . . .

32 32 33 36 36 42 43 44

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

5 Vlastní práce 5.1 Příprava vstupních dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Tvorba vlastního DMT z dostupných dat . . . . . . . 5.1.2 Hotový DMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Tvorba modelu v MB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Porovnání modelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Rozdíly mezi modelem a realitou v obecné rovině . . 5.3.2 Detailní pohled na rozdíly mezi jednotlivými modely

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

6

OBSAH

6 Diskuze

48

7 Závěr

50

8 Literatura

51

Přílohy

53

A Obrázky

54

B Zdrojový kód skriptu

56

7

1

ÚVOD A CÍL PRÁCE

1 1.1

Úvod a cíl práce Úvod

V dnešním světě přeplněném technickými výdobytky doby se počítače staly rutinní součástí každodenního života, setkáváme se s nimi takřka na každém kroku. Nejinak je tomu v geografických informačních systémech (GIS), kde se staly zdatným a hojně využívaným pomocníkem při zpracování nejrůznějších úkolů všeho druhu i obtížnosti, takřka ve všech oblastech lidské činnosti. S velkým využitím GIS se můžeme setkat ve veřejné správě, při tvorbě inženýrských sítí, při řešení dopravy nebo obrany, v oboru kartografie a zdravotnictví, či v oblasti přírodních zdrojů, životního prostředí a zemědělství. Zejména otázka nasazení GIS v oblasti modelování životního prostředí je velice problematická a diskutovaná. GIS software a výpočetní výkon dnešních počítačů je na takové úrovni, že s přehledem dokáží řešit i ty nejsložitější problémy. Je však nutné mít na paměti, že každý model představuje pouze přiblížení se realitě, poněvadž do procesu modelování často vstupují nejrůznější nepředvídatelné faktory a výsledky je proto nutné opravovat na základě empirický získaných výsledků. Při sestavení map zranitelnosti resp. znečištění podzemních vod se předpokládá využití morfohydrogeometrické analýzy, umožňující s pomocí nepřímých ukazatelů vyčlenění na povrchu terénu hranice předpokládaných privilegovaných cest pohybu podzemní. Morfohydrogeometrická analýza terénu vychází ze dvou základních předpokladů, a sice že reliéf je forma projevu geologického obsahu a že reliéf je tvořen dvěma základními tvary – dutými a vypuklými, tj. depresemi a elevacemi. A zde je možno z tohoto pohledu vysvětlit výše uvedenou hypotézu, že reliéf je odrazem geologie a to znamená. že u různých geologických útvarů (jednotek) se může výrazně odlišovat tvar i průběh depresí a elevací. Z hydrogeologického hlediska se pak liší i síť privilegovaných cest pohybu podzemní vody, kterou představují vzájemně provázané deprese. Z grafické analýzy členitosti (plasticity) reliéfu (aniž by byla známa geologická pozice zájmového území) lze určit hranice mezi odlišnými geologickými jednotkami. V zásadě lze říci, že lze sestrojit tímto způsobem geomorfologické, geologické i hydrogeologické schéma z leteckých i satelitních snímků a to jak detailního, tak i regionálního měřítka. Základ metodiky analýzy prostorových struktur tvoří dešifrování topografických map a materiálů DPZ – morfostrukturní a morfometrická analýza reliéfu jako součást indikace umožňující vymezení nádrží podzemních vod coby nástroj rajonizace a klasifikace prostorově-strukturních elementů geomorfologických a hydrogeologických systémů. S cílem vymezení morfostrukturních elementů reliéfu coby objektů hydrogeologického rajónování jsou využívány metody geomorfologie, zvláště pak metoda členitosti (plasticity) reliéfu, která spojuje analýzu povrchového reliéfu podle vrstevnic 8

1.2

CÍL PRÁCE

topografických map s analýzou leteckých nebo satelitních snímků. Dosud byly hranice geomorfologických rajónů, geologických jednotek a hydrogeologických rajónů konstruovány tradičním způsobem s větší či menší subjektivitou specialisty podle toho, jak přesně jsou nastavena kritéria oceňování jejich hodnověrnosti.

1.2

Cíl práce

V úvodu byla nastíněna problematika tvorby privilegovaných vodních cest, která je dosud zpracovávána výhradně tradičním způsobem s větší či menší subjektivitou specialisty. Cílem této práce je nastudovat techniku tvorby privilegovaných cest a tento doposud výhradně ručně řešený proces zpracovat s pomocí počítačů. Hlavním cílem této práce tedy bude obecnou metodiku tvorby privilegovaných vodních cest rozebrat a převést na dílčí kroky zpracovatelné s pomocí počítačů a speciálního GIS SW. Po přeložení do „řeči počítačůÿ bude zapotřebí vytvořit model, který se postará o automatizované zpracování jednotlivých kroků a zkonstruuje síť privilegovaných vodních cest. Dílčím cílem bude vytvořený model otestovat s reálnými daty a porovnat dosažené výsledky. Vzhledem k faktu, že na trhu existuje široká nabídka dat nejrůznějšího zaměření a datových typů, bude hlavním úkolem této části nalezení otázky na odpověď: „Jaká data jsou nejvhodnější pro potřeby modelování?ÿ V tomto kontextu daty není myšleno pouze data A, či data B, ale jaká datová struktura, jaký typ dat, jaká podrobnost či který přístup k pořízení dat je vhodnější.

9

2

MODELOVÁNÍ TERÉNU

2

Modelování terénu

Digitální modely terénu (DMT) jsou v geoinformatických analýzách využívány zhruba od poloviny padesátých let minulého století. Od té doby se digitální modely terénu staly nedílnou součástí digitálního zpracování prostorových geografických informací. S jejich pomocí lze popisovat procesy v reálném světě, které se odehrávají jak na povrchu, tak i pod zemským povrchem. Aplikace GIS nám poskytují nástroje pro modelování, analyzování a zobrazování jevů majících vztah k zemskému povrchu, jako jsou např. výšková měření, analýzy v území, povodňové plány či odtokové poměry. Anglická odborná terminologie rozlišuje několik označení pro toto digitální modelování (Žídek 2005): DTM − digital terrain model − digitální model terénu představuje prostorový geometrický popis reliéfu terénu ve smyslu holého povrchu bez vegetace a bez lidských výtvorů. Využije se v celé řadě aplikací, vizualizací terénu počínaje až po analytické úlohy. DSM − digital surface model − digitální model povrchu představuje popis zemského povrchu ve smyslu prvního průsečíku projekčního paprsku, tzn. že zobrazuje body na budovách, vegetaci apod. Uplatnění nacházejí např. v oblasti telekomunikací pro určení průchodnosti signálu územím. DEM − digital elevation model − digitální výškový model popisuje 2,5D rastrový model, který obsahuje výškové body ve vztahu k referenčnímu povrchu, často bez omezení toho co objekty reprezentují. Proces terénního modelování zahrnuje tyto základní kroky (Klimánek 2008): • Tvorba DMT − vzorkování reliéfu, formulování vztahů, konstrukce modelu • Manipulace DMT − modifikace a „čištěníÿ, derivace 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

2.1

Tvorba DMT

Pro dosažení kvalitního DMT je zapotřebí dodržet následující podmínky, týkající se těchto oblastí: Interpolace − volba vhodného algoritmu v závislosti na charakteristikách vstupních dat, včetně filtrování těchto dat na základě obsažených chyb a statistických parametrech. Používá se k dopočítání hodnot v místech, kde nebyly naměřeny. Nejčastěji se jedná o dopočítání výšky (souřadnice z) pro daný bod, výpočet polohy (souřadnice x, y) při interpolaci vrstevnic anebo změnu rozlišení (Klimánek 2008). 10

2.1

TVORBA DMT

Z výše uvedeného tedy plyne, že úkolem interpolace je nalezení vhodné funkce y = f (x), která v uzlových bodech nabývá známých hodnot. Geomorfologie − představuje možnost vkládání a opravy singularit terénu. Což nám umožňuje maximální zachování geomorfologické informace. Singularitou rozumíme místo, kde se terén chová jiným způsobem, než by se dalo usoudit z jeho chování v okolí singularity. Singularity mohou být různých typů. Na některých hranách například můžeme požadovat spojitost vlastního terénu, ale nikoliv již hladké napojení plátů. Příkladem může být horský hřeben. Terén může obsahovat zlom (tedy kolmý sráz, na kterém na sebe dva pláty nenavazují spojitě), nebo dokonce převis (místo, kde se dva pláty částečně překrývají a terén tedy netvoří funkci). Použitelnost − volba datové reprezentace s ohledem na její popisné možnosti – rastrové reprezentace nemohou popsat singularity terénu, jako jsou převisy nebo jeskyně. Dále je třeba volit vhodné standardizované formáty dat s ohledem na zpracování softwarovými nástroji pomocí osobních počítačů (Klimánek 2008). 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 (Svoboda 2008). 2.1.1

Datové reprezentace DMT

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 3 typy modelů − rastrový, polyedrický a plátový (viz obrázek 1). Rastrový model Rastr je tvořen maticí buněk (pixelů), které obsahují určitou informaci. Existují dva pohledy jak rastrový model interpretovat. První považuje buňku za plošku uzavřenou čtyřmi body rastrové sítě, z nichž každý může mít jinou výšku (grid) a výsledný model je tak tvořen zborcenými čtyřúhelníky. Podle druhé interpretace je buňka objekt reprezentující pravoúhlou plošku integrálně a přiřazená hodnota reprezentuje atribut výšky pro celou plochu buňky − tato interpretace se v rastrově orientovaných GIS používá nejčastěji (Kraus 2000). Jednou z výhod rastrových DMT oproti je jednoduchá struktura ukládání dat a možnost zpracování ve většině GIS programů. Velmi jednoduché jsou i výpočetní operace pomocí rastrové mapové algebry při kombinaci více vrstev v rastrové podobě. U rastrového modelu rovněž není nutné řešit singularity, poněvadž maticové uspořádání dat splňuje podmínku funkce. Naopak nevýhodou je poměrně vysoká náročnost na objem dat, kdy jsou zbytečně definovány i body na rovných plochách. Další nevýhodou je limitní podrobnost dat díky konstantní velikosti pixelu v celém souboru (UJEP 2010).

11

2.1

TVORBA DMT

Polyedrický model Zde jsou elementárními ploškami trojúhelníky, které k sobě přiléhají. Vrcholy mnohostěnu jsou body na terénní ploše, souřadnicově určené příslušnými geodetickými metodami. Interpolace plochy se obvykle provádí lineárně po trojúhelnících. Tento přístup nazývaný triangulace či nepravidelná trojúhelníková síť, v originále Triangulated Irregular Network − TIN, je u vektorově orientovaných GIS v současné době nejrozšířenější. Terén je reprezentován trojúhelníky, čili sadou vrcholů, hran a plošek. Vrcholy trojúhelníků je vhodné zvolit tak, aby vystihovaly nejen obecně průběh terénu, ale i jeho singularity (Klimánek 2008). Mezi hlavní výhody TIN modelů patří schopnost jednoduše popsat singularity terénu. Oproti rastrovým modelům je velikost a hustota buněk (v tomto případě trojúhelníků) variabilní v závislosti na členitosti terénu, čímž TIN napomáhají vytvářet efektivní datové struktury a snížit tak datovou náročnost (Wilson, Galant 2000). Nevýhodami TIN je složitější matematický model a větší nároky na softwarové vybavení. Plátový model Tento typ modelu má společné rysy s modelem polyedrickým. Podobně jako TIN předpokládá, že se povrch rozdělí na nepravidelné, obecně křivé plošky trojúhelníkového nebo čtyřúhelníkového tvaru, přičemž hranice dělení se vedou po singularitách. Pro popis jednotlivých plošek se obvykle používají polynomické funkce. Stupeň těchto funkcí souvisí se stupněm hladkosti navázání jednotlivých plátů. Tvorba plátového modelu ze vstupních dat se skládá z několika postupných kroků. Nejprve je triangulací pospojován vstupní seznam bodů do trojúhelníkové sítě, představující terénní model. Dalším možným krokem může být optimalizace jednotlivých plátů. Při ní jsou některé zbytečné hrany trojúhelníkové sítě vypuštěny a model je pak tvořen i čtyřúhelníky, případně mnohoúhelníky.

Obrázek 1: Typy DMT - rastrový, polyedrický, plátový (Wilson, Gallant 2000)

12

2.1

TVORBA DMT

2.1.2

Interpolační techniky

Interpolace představuje obecně aplikovatelné statistické metody. Podle oblasti vstupních dat lze interpolaci obecně dělit na bodové, liniové a plošné metody, a dále pak vzhledem k typu odhadu na lokální, blokové nebo globální postupy. Hlavní algoritmy můžeme rozdělit na dvě hlavní skupiny podle nakládání s datovými body, a to na algoritmy přesné a vyrovnávací. Přesné metody interpolace zachovávají hodnoty v datových bodech, které při interpolaci mají maximální možnou váhu, tj. 1,0. Mezi tyto metody patří zejména triangulace, IDW bez vyrovnávacího faktoru, Kriging a Nearest Neighbor. Vyrovnávací algoritmy působí na jemnější vyrovnání mezi jednotlivými body, přičemž nejsou zachovány hodnoty datových bodů, které v tomto případě mají nižší váhu než 1. Celkový průběh výsledného gridu je proto hladší, dochází k vyrovnání lokálních nerovností. Mezi tyto metody patří Minimum curvature, Kriging s nugget efektem, IDW s vyrovnáním a polynomická regrese (Langhammer 2010). Lineární interpolace Jedná se o nejjednodušší interpolaci, kdy mezi třemi body je vytvořen trojúhelník (rovinná plocha) a výška mezilehlých bodů je odečtena z této plochy. Tato interpolace je použita při přímém převodu TIN na DEM (UJEP 2010). Inverse distance weighted (IDW) Jedná se o statistickou metodu, která používá pro výpočet hodnoty v definovaném bodě hodnoty z okolních bodů. Pro tyto hodnoty je dále specifikována váha jako inverzní hodnota vzdálenosti od bodu hledaného. Protože se používají všechny body z okolí bodu hledaného, dochází k vyhlazení průběhu terénu. To má ale za následek zjemnění detailů. Úroveň vyhlazení lze ovlivnit pomocí parametru Power, která se snaží zachovávat trend průběhu terénu úpravou vah. Důležité je při nastavení interpolace definovat počet bodů v okolí a maximální přípustnou vzdálenost bodu. Do interpolace mohou vstupovat tzv. bariéry, které definují hranici, ke které má interpolace probíhat. Může se tak definovat skoková funkce v průběhu terénu jako například nábřeží, útesy, kolmé skalní stěny nebo chyby (UJEP 2010). Metoda IDW je velmi rychlá, lze ji bez problému použít i na rozsáhlé datové soubory. Data jsou vážena vzdáleností bodu od ostatních. Čím vyšší je váha, tím menší je ovlivnění ostatními body. Síla váhy klesá se vzdáleností od bodu. Současně s tím, jak váha klesá, interpolovaná hodnota se přibližuje datovému bodu. Důsledkem je pak vytváření „očíÿ okolo datových bodů. Proto IDW interpolaci nepoužíváme pro značně nerovnoměrně rozložená data (Langhammer 2010). Kriging Kriging je rozšířená geostatistická metoda, která vytváří pravděpodobný průběh terénu ze sady rozptýlených bodů. Váha je opět definována na základě vzdálenosti, ale je zároveň stanovován odhad pravděpodobnosti dané hodnoty v každém bodě. 13

2.1

TVORBA DMT

Znamená to, že po interpolaci nemusí být výška terénu rovna výšce na měřených bodech (UJEP 2010). Kriging interpolační metoda je vhodná pro interpolování proměnných, které se v prostoru mění s jistou kontinuitou, ale nelze je popsat jednoduchou shlazující funkcí některého z globálních interpolátorů (Pásková 2008). Spline (metoda minimální křivosti) U Spline funkce je hledáno minimální zakřivení plochy (linie) a terén musí přesně procházet měřenými body. Tím je zajištěno vyhlazení plochy terénu a dosahuje se zároveň spojitosti první derivace funkce v každém bodě. Míru vyhlazení lze ovlivňovat váhou spojitosti třetí derivace funkce. Čím vyšší tato váha je, tím je terén více vyhlazován a ztrácejí se detaily. Efektivní hodnota je do 0,5 (UJEP 2010). Spline metoda zachovává řadu lokálních rysů interpolované proměnné. Spline interpolované povrchy jsou často značně vyhlazené a jsou tedy vhodné pro interpolaci jevů, které se mění spojitě (Pásková 2008). 2.1.3

Přehled dostupných dat a jejich využitelnost

ZABAGED ZÁkladní BÁze GEografických Dat je 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 a chráněných územích, vegetaci a povrchu a prvcích terénního reliéfu. Součástí ZABAGED jsou i vybrané údaje o geodetických, výškových a tíhových bodech na území České republiky a výškopis reprezentovaný prostorovým 3D souborem vrstevnic (CÚZK, 2010). Data ZABAGED jsou poskytována po mapových listech v kladu ZM 10, dále v rozsahu krajů, případně jako ucelená bezešvá databáze z celého území České republiky. Data jsou poskytována v souřadnicových systémech S-JTSK, WGS84UTM, případně v S-421983 a výškovém referenčním systému Balt po vyrovnání (CÚZK, 2010). Digitální modely GEODIS GEODIS je přední evropská společnost v oblasti geodézie, fotogrammetrie a dálkového průzkumu Země. GEODIS nabízí svým zákazníkům kompletně zpracovaný digitální výškový model terénu celé České republiky s přesností 1 metr. Digitální modely terénu a povrchu umožňují vytvořit si přehled o zájmovém území, vizualizovat a analyzovat jej. Mezi nejčastější oblasti využití DMT patří – výšková měření,

14

2.1

TVORBA DMT

analýzy v území, povodňové plány, 3D vizualizace či odtokové poměry (GEODIS, 2010). V nabídce GEODIS nalezneme dva typy digitálních modelů – povrchu a terénu. Digitální model povrchu je model terénu včetně vegetace a budov. Vzhledem k tomu, že obsahuje velmi realistické informace o průběhu povrchu, využívají jej zejména telekomunikační firmy pro určení průchodnosti signálu územím. Digitální model terénu představuje prostorový geometrický popis reliéfu terénu. Využije se v celé řadě aplikací, vizualizací terénu počínaje až po analytické úlohy. V aplikacích s intervalem vrstevnic menším než 1 metr lze dosáhnout přesnosti, která splňuje požadavky průmyslového standardu i vyšší. Informace o DTM je získávána na digitálních přístrojích obvykle formou linií terénních hran, okrajů kanálů a jiných oblastí změn reliéfu. Obecný výškopis je pak tvořen sběrem bodů 3D v pravidelných intervalech (GEODIS, 2010). DIBAVOD DIgitální BÁze VOdohospodářských Dat je pracovní označení návrhu katalogu typů objektů jako tématické vodohospodářské nadstavby ZABAGED. Je to referenční geografická databáze vytvořená primárně z odpovídajících vrstev ZABAGED a cílově určená pro tvorbu tématických kartografických výstupů s vodohospodářskou tématikou a tématikou ochrany vod nad Základní mapou ČR 1 : 10 000, resp. 1 : 50 000, včetně Mapy záplavových území ČR 1 : 10 000, a dále pro prostorové analýzy v prostředí geografických informačních systémů (VÚV TGM, 2010). DIBAVOD je průběžne aktualizovaný a doplňovaný „živý produktÿ. Vybrané datové vrstvy objektů DIBAVOD jsou poskytovány zdarma ke stažení ve formátu ESRI shapefile komprimovaném do archivu .zip (VÚV TGM, 2010). Mapový geoportál CENIA Mapový server je samostatnou součástí Portálu veřejné správy, jehož zřizovatelem je Ministerstvo vnitra České republiky. Jednotlivé mapové úlohy jsou rozděleny do kategorií podle jejich tematického zaměření – hranice územních jednotek, obce a komunikace, Základní mapa 1 : 10 000, Základní mapa 1 : 50 000, Ortofotomapa. . . Každá úloha je doprovázena metadatovým popisem, vytvořeným v souladu s normou ČSN ISO 19 115 Geografické informace – metadata, ve kterém uživatel nalezne bližší podrobnosti o datech použitých v mapových úlohách (CENIA, 2010). Přístup k mapovým službám je kromě webového rozhraní umožněn rovněž formou IMS a WMS služeb, což dovoluje jejich využití nejen profesionály pracujícími s nejrůznějšími GIS softwary, ale i dalšími mapovými servery, které mohou jednotlivé mapové služby přebírat a zobrazovat spolu s vlastními, lokálně uloženými daty (CENIA, 2010).

15

2.2

OVĚŘOVÁNÍ PŘESNOSTI DMT

IZGARD (DMÚ 25) Internetový zobrazovač geografických armádních dat (IZGARD) je součástí Digitálního vojenského informačního systému o území (DVISÚ). Je to internetový mapový server, jehož posláním je poskytnout uživatelům kontinuální on-line přístup k nejaktuálnějším rastrovým i vektorovým geografickým datům (VGHMÚ, 2010). V projektu IZGARD může uživatel podle svého zájmu zapínat pro zobrazení jednotlivé tematické vrstvy, pohybovat se po území, vyhledávat objekty podle jejich názvů a provádět dotazy na vlastnosti jednotlivých objektů, uložit si zobrazenou grafickou podobu dat do zvláštního souboru a tento dále používat jako podkladovou vrstvu pro případné doplnění dalších vlastních údajů (VGHMÚ, 2010). Základním produktem IZGARD je digitální atlas České republiky s podrobností dat odpovídající obsahu map měřítka až 1 : 25 000, jehož obsahej je Digitální model území v měřítku 1 : 25 000 (DMÚ 25), hranice krajů, přiřazení sídel do administrativního členění, výškové překážky a další (VGHMÚ, 2010).

2.2

Ověřování přesnosti DMT

Vyhodnocování kvality a přesnosti vytvořeného DMT představuje ve své podstatě také analýzu modelu. Do procesu tvorby mohou v jeho průběhu vstupovat jak systematické, tak i náhodné chyby. Pro dosažení maximální kvality je proto nutné zajistit, aby na začátku a na konci každého kroku byla zajištěna kontrola dat, případně odstranění hrubých chyb a minimalizace náhodných chyb. Nejčastěji se kontrola přesnosti DMT provádí porovnáním s referenčními daty – kontrolní měření, jiný DMT (Klimánek 2008). Pro bližší kontrolu je potřeba model nejprve vytvořit a poté na něj aplikovat vhodné vysokofrekvenční filtry pro detekci hran. Ty zdůrazňují změny v hodnotách mezi jednotlivými pixely a následně tyto rozdíly reprezentují především hrany a linie. Tímto způsobem lze odhalit a opravit chyby ve vrstevnicích (Svoboda 2008). Kvalitu výsledných modelů zásadním způsobem ovlivňují použité interpolační metody pro zpracování vstupních dat. Přesnost interpolačních algoritmů se nejčastěji hodnotí kvantifikací střední kvadratické výšky, která představuje interval, který odchylka mezi hodnotou interpolovaného povrchu a kontrolním měřením nepřekročí s danou přesností. Obecně platí, že čím je střední kvadratická chyba menší, tím je příslušná interpolace spolehlivější (Klimánek 2008).

16

3

ANALÝZY DMT

3

Analýzy DMT

Cílem analýzy modelu terénu je získat informace o povrchu reálného terénu. Analýzu lze rozlišit dvojího druhu – vizuální analýza a čistě kvantitativní analýza. V praxi se často obě formy kombinují. Výstup může být použit v ostatních složkách GIS anebo může sloužit jako vstup pro další modely. Analýza geometrie tvarů zemského povrchu je předmětem studia geomorfometrie. Důraz se klade na morfometrické analýzy georeliéfu vycházející z geometrického aspektu tvaru zemskéhopovrchu. Obvykle se dělí na obecnou a na specifickou geomorfometrii (Evans 1972). Mezi základní geomorfometrické analýzy patří: Sklonitost Expozice Obecná geomorfometrie Reflektance Zakřivení Tvary terénu Odtok Specifická geomorfometrie Povodí Viditelnost Geomorfometrické analýzy, resp. analýzy nad DMT, jsou dnes nedílnou součástí každodenní praxe. Nachází široké uplatnění v oblastech digitálního modelování krajiny, vizualizačních úloh, hydrologických, klimatologických či erozních analýz. Vzhledem k zaměření této práce na problematiku hydrometrického modelování se budu v následujícím textu podrobněji věnovat problematice využití DMT v hydrologických analýzách.

3.1

Hydrologické analýzy

Hydrologické analýzy představují nejčastější využití DMT v praxi. Na základě DMT jsou modelovány kvantitativní (množství) a kvalitativní (směr) parametry odtoku nebo definována jednotlivá povodí. Hydrologické analýzy se uplatňují např. při dimenzování vodních děl (kvantifikace odtoku) nebo protipovodňové ochraně území. 3.1.1

Směr odtoku

Směr odtoku je takový směr, kterým při simulaci povrchového odtoku odtéká voda z dané buňky. Podle toho, zda je pro danou buňku povolen pouze jeden směr odtoku (zpravidla směr odpovídající největšímu spádu) či směrů více, jedná se buď o jednosměrný (single flow) či vícesměrný (multiple flow) odtok (Barták 2008).

17

3.1

HYDROLOGICKÉ ANALÝZY

Výpočet směru odtoku je založen na principu posuvného okna o velikosti 3 × 3 buňky. V rámci posuvného okna se v okolí středové buňky určí buňka s nejnižší hodnotou nadmořské výšky a středové buňce se přiřadí kód směru odtoku z buňky (viz obrázek 2).

Obrázek 2: Kódy přiřazené jednotlivým směrům odtoku (Benedikt 2009) Tento proces se opakuje na všech buňkách rastru. Výsledkem procesu je rastr směru odtoku z buňěk (viz obrázek 3). Vstupní vrstvou pro určení směru odtoku je rastr DEM (Jedlička a Štych 2007), nejlépe již s vyplněnými bezodtokými oblastmi.

Obrázek 3: Přiřazení hodnot směru odtoku z buňky (Benedikt 2009) 3.1.2

Akumulovaný odtok

Akumulace vody v buňce neboli akumulace odtoku je dána součtem hodnot buněk, které přispívají do dané buňky. Akumulace odtoku tedy závisí na směru odtoku z buněk (viz obrázek 4). Vstupním rastrem je rastr směru odtoku vody z buněk. Každá buňka má automaticky přidělenou hodnotu 1 a výsledná hodnota každé buňky v rastru akumulace vody se pak tedy rovná součtu buněk, ze kterých přitéká voda do vyšetřované buňky.

18

3.1

HYDROLOGICKÉ ANALÝZY

Obrázek 4: Rastr směru odtoku z buňky a z něj spočtený rastr akumulace vody (Benedikt 2009) Reálný ekosystém se však z hydrologického hlediska chová poněkud složitěji. Při přesnějším modelování tohoto procesu je tedy nutné uvažovat také množství dopadajících dešťových srážek a jejich vsakování do půdy. Tyto charakteristiky potom umožňují zpřesnit odhad reálné hodnoty akumulovaného odtoku z určitého území (Klimánek 2008). 3.1.3

Čištění/Vyhlazování DMT

DMT často obsahují bezodtokové oblasti (angl. sink), to jsou takové oblasti, kdy buňka má všech 8 sousedních buněk vyšších nebo pokud jsou dvě buňky vedle sebe se stejnou nejnižší výškou. Jsou to tedy buňky ve kterých nelze určit směr. Bezodtokové oblasti většinou vznikají chybou při vytváření DEM, ale také se může jednat o přirozené terénní útvary (Jedlička a Štych 2007). Pro vytvoření správného rastru směru odtoku a rastru akumulace vody je nutné tyto bezodtoké oblasti odstranit (viz obrázek 5). Podél hranic vyplněných oblastí se mohou vytvořit nové bezodtoké oblasti, které opět potřebují vyplnit, proto se proces vyplňování provádí opakovaně, dokud nejsou všechny odstraněny. Podobně nežádoucím prvkem v DMT jako jsou bezodtokové oblasti, mohou být lokální extrémy − „vrcholkyÿ − buňky, které nemají sousední buňku s vyšší hodnotou výšky. Ty jsou společně s bezodtokovými oblastmi odstraněny (viz obrázek 5) a výstupem je upravený DMT zbavený bezodtokých oblastí.

19

3.1

HYDROLOGICKÉ ANALÝZY

Obrázek 5: Vyplnění bezodtokých oblastí a snížení převyšujících vrcholků (ArcDATA Praha 2010) 3.1.4

Povodí

Povodí je možno definovat jako atribut každého bodu DMT, který identifikuje území ležící v oblasti s přítokem do tohoto bodu. Hranice povodí lze zjistit pomocí různých algoritmů provázaných s odtokovými charakteristikami. Rastr vodních toků vzniká prahováním rastru akumulace vody. Prahováním rozumíme rozdělení hodnot v rastru na dvě části podle prahové hodnoty (viz obrázek 6).

Obrázek 6: Rastr akumulace vody a z něj spočtený rastr vodních toků s prahovou hodnotou 2 (Jedlička a Mentlík 2002). Pro rastr vodních toků je nad rastrem směru odtoku z buňky provedena analýza příslušnosti jednotlivých jeho buněk ke konkrétním vodním tokům. Výsledkem této analýzy je rastr povodí (viz obrázek 7). V podstatě se jedná o zjišťování skupin buněk z rastru směru odtoku z buňky, z nichž voda odtéká do stejného toku. Tyto skupiny buněk pak tvoří jednotlivá povodí.

20

3.1

HYDROLOGICKÉ ANALÝZY

Obrázek 7: Rastr povodí (Jedlička a Mentlík 2002). V rámci těchto povodí pak lze určovat další charakteristiky, jako jsou například nejdelší dráha odtoku, segmentace vodních toků nebo pořadí vodních toků. Postup hydrologického modelování nejlépe vystihuje následující schéma.

Obrázek 8: Schéma hydrologických analýz (Klimánek 2008).

21

3.2

MORFOSTRUKTURNÍ A MORFOHYDROGEOMETRICKÉ ANALÝZY

3.2

Morfostrukturní a morfohydrogeometrické analýzy

V současné době je sestavováno morfostrukturní a morfohydrogeometrické schéma dvěma způsoby: 1. s využitím topografických map různých měřítek (1 : 5 000, 1 : 10 000, 1 : 25 000, 1 : 50 000 a 1 : 100 000) 2. s využitím materiálů dálkového průzkumu Země (remote sensing) – letecké stereoskopické snímky, satelitní snímky se zvýrazněných reliéfů, radarové snímky SLAR První způsob je pro podmínky ČR považován za optimální s ohledem na existenci poměrně významné nabídky kvalitních vrstevnicových map poskytujících detailní či generalizovaný terén pro různé způsoby využití interpretace členitosti (plasticity) reliéfu (Slavík 2009). Druhý způsob je pak vhodný spíše pro terény, kde nejsou k dispozici vrstevnicové mapy z jakýchkoliv důvodů – buď chybí mapové dílo vhodných měřítek, nebo existují mapy vojenské, které nejsou pro civilní potřeby k dispozici. Některé státy neuvolňují vojenské mapy pro cizí experty (Slavík 2009). 3.2.1

Tvorba z topografických map

Studium vrstevnic na topografických mapách v rámci analýzi členitosti (plasticity) reliéfu umožňuje integraci geologických a geomorfologických odlišností ve vztahu k formování a pohybu podzemních vod. Základem je morfostrukturní analýza, která popisuje fungování vnitřních forem reliéfu. Morfostrukturní analýza se opírá o nalezení a vyjádření strukturních linií reliéfu, který je tvořen nejstabilnějšími elementy reliéfu - těmi jsou tvary vypuklé (elevace) a duté (deprese) (Slavík 2009). Podstatou provádění morfostrukturní a morfohydrogeometrické analýzy z topografických map je vykreslení veškerých depresí plynulou čarou spojující body na rozhraní svahu a dna deprese a to po obou jejich stranách. Vystupující elevace je pak vhodné vyšrafovat pro představu o typu reliéfu. Vzhledem k tomu, že vymapované deprese představují vzájemné propojení sítí, které jsou podle své funkce rozděleny jako hlavní a vedlejší, tj. I. a II. řádu, resp. i III. řádu (podle měřítka mapy), umožňují jejich jednotlivá zakončení vytvoření uvobalové čáry, která může představovat hranici mezi odlišnými geomorfologickými, geologickými, hydrologickými a hydrogeologickými jednotkami (Slavík 2009). Ve spojení s vodou povrchovou může sestrojená hranice představovat buď hlavní, nebo dílčí povodí a v případě vody podzemní pak rozsah bilanční jednotky (reprezentující rozsah území, na němž dochází ke vzniku a formování přírodních zdrojů podzemní vody.) nebo rozsah vodního útvaru resp. hydrologického rajónu (Slavík 2009).

22

3.2

MORFOSTRUKTURNÍ A MORFOHYDROGEOMETRICKÉ ANALÝZY

3.2.2

Tvorba s využitím materiálů DPZ

Při absenci topografických map lze pro potřeby morfohydrogeometrických analýz využít materiály dálkového průzkumu Země – letecké stereoskopické snímky, satelitní snímky, radarové snímky (Slavík 2009). Letecké stereoskopické snímky splňují výchozí podklad pro vytvoření výše popsaného schéma analýzou reliéfu a to především z důvodu dokonalého prostorového vidění. Toto prostorové vidění je dáno vznikem stereoefektu, spočívajícího v tom, že jsou k dispozici dvojice fotografií se 60% podélným překryvem. To znamená, že na každém snímku je zobrazeno 60 % z celkové plochy území, zachycené již předchozím (sousedním) snímkem. Při posuzování takové dvojice snímku pod stereoskopem, zrcadlovým nebo čočkovým (kapesním), se dosáhne umělého stereoskopického vjemu. Princip tohoto vjemu je stejný jako u přirozeného prostorového vnímání, kde je vyvolán rozdílností obrazů, formovaných se v levém a pravém oku (Slavík 2009). Z dalších materiálů DPZ lze pro hodnocení morfologie terénu využít i satelitní snímky regionálního významu, kde je s ohledem na použité měřítko (1 : 200 000, 1 : 100 000) „zvýrazněnýÿ reliéf terénu a pouhým okem je možno sestavit výsledné morfologické schéma veškerých depresí a elevací (Slavík 2009). S úspěchem se dají využít i radarové snímky pořízené tzv. šikmým radarem SLAR (side-looking radar) spočívajícím na principu zachycování a měření odražených impulsů elektromagnetických vln vysílaných z nosiče (letadla). Výhodou této metody je naprostá nezávislost na vnějších podmínkách, na denní době a v neposlední řadě i na povětrnostních podmínkách. Navíc, při vhodně zvolené vlnové délce elektromagnetického záření lze získat tzv. „čistý reliéfÿ bez vegetace, usnadňující realizaci rozčlenění terénu na dva základní tvary – duté (deprese) a vypuklé (elevace). Jedinou nevýhodou je skutečnost, že radarové snímky nejsou tzv. „měřickéÿ a navíc jsou stranově zkreslené (šikmo vysílaný paprsek – SLAR) (Slavík 2009). Je třeba podotknout, že u všech výše popsaných metod je základním předpokladem pro kvalitní morfostrukturní i morfohydrogeometrické hodnocení reliéfu tzv. „stereoskopické viděníÿ, spočívající v rozlišení elevací i depresí. Pokud tento vjem chybí (jedná se o zhruba 1/3 populace) nepomůže ani v případě stereoskopických snímků použití stereoskopu (Slavík 2009).

23

4

METODIKA MODELOVÁNÍ

4 4.1

Metodika modelování Metodika tvorby privilegovaných cest

Při tvorbě privilegovaných cest pohybu vody se využívá poznatků morfostrukturní a morfohydrogeometricke analýzy terénu, které, jak již bylo řečeno v úvodu, vychází ze základního předpokladu, a sice že reliéf je forma projevu geologického obsahu, který je tvořen dvěma základními tvary – dutými a vypuklými, tj. depresemi a elevacemi. Nejčastěji jsou privilegované vodní cesty konstruovány z topografických map nebo s využitím materiálů dálkového průzkumu Země. Vzhledem k cíli této práce a také s ohledem na dostupné technické a datové prostředky, jsem se zaměřil na problematiku tvorby privilegovaných vodních cest s využitím dostupných topografických mapových podkladů. Princip identifikace privilegovaných vodních cest z topografických map spočívá v nalezení a vyjádření strukturních linií reliéfu, který je tvořen dvěma základními tvary – vypuklými (elevacemi) a dutými (depresemi). Proces identifikace privilegovaných cest pak spočívá ve vykreslení veškerých depresí plynulou čarou spojující body na rozhraní svahu a dna deprese a to po obou jejich stranách. Vymapované deprese představují vzájemné propojení sítí, které jsou podle své funkce rozděleny jako hlavní a vedlejší, umožňují jejich jednotlivá zakončení vytvoření „obalovéÿ čáry, která může představovat hranici mezi odlišnými geomorfologickými, geologickými, hydrologickými a hydrogeologickými jednotkami.

4.2

Popis zkoumané oblasti

Morfohydrometrické analýzy byly zpracovány pro území Březové nad Svitavou a jejího okolí. Březová nad Svitavou je malé město léžící na řece Svitava, která zde zčásti tvoří původní hranici Čech a Moravy. Bžezová je součástí svitavského regionu, který leží v České vysočině na pomezí tří velkých horopisných soustav – České tabuli, Krkonošsko-jesenické soustavě a Česko-moravské soustavě. Severní a západní část má mírně zvlněný charakter s výškami od 350–500 m. Ve východní části v okolí Moravské Třebové to jsou hřbety s výškami kolem 450–600 m. Jižní část tvořena převážně Brněnskou vrchovinou má mírně zvlněný ráz s výškami 400–500 m. Z hydrologického hlediska se svitavsko nachází na rozvodí Labe-Dunaj (tedy úmoří Severního a Černého moře), pramení zde řeka Svitava, která je zde ústředním tokem a dále odtéká na jih spolu s přítokem Křetínkou do Svratky a dále do Moravy. Na sever zase odtékají Loučná, Třebovka a Desná směrem do Orlice a dále do Labe. Na katastru Březové je významné vydatné prameniště podzemních vod. K jejich využití došlo na počátku 20. století, kdy byl vybudován první březovský vodovod pro město Brno. Současná vodárenská soustava Březová II má (spolu 24

4.3

POUŽITÉ GIS NASTROJE A DATA

s Vírským oblastním vodovodem a vodovodem Březová I) rozhodující podíl na zásobování obyvatelstva pitnou vodou v Jihomoravském kraji, především pro územní celky Brno-venkov a Brno-město.

4.3

Použité GIS nastroje a data

4.3.1

GIS Software

Pro zpracování byl využit software ArcGIS 9.3 – ArcInfo s rozšířeními Spatial Analyst a 3D Analyst. Model byl vytvořen v prostředí Model Builder s využitím kompletní knihovny funkcí pro zpracování prostorových dat ArcToolbox. ArcGIS Desktop ArcGIS Desktop, klientská část ArcGIS, je řada softwarových produktů, pomocí nichž lze řešit nejrůznější úlohy GIS, od tvorby, editace a správy dat přes prostorovou analýzu až po tvorbu map. Softwarový produkt ArcGIS Desktop se skládají z navzájem spolupracujících softwarových aplikací: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox. (ARCDATA PRAHA, 2010). ArcMap je centrální aplikace v ArcGIS Desktop, použitelná pro všechny mapově orientované úlohy, včetně prostorových analýz, editace dat a tvorby kartografických výstupů (ARCDATA PRAHA, 2010). ArcCatalog pomáhá organizovat a spravovat všechna geodata. Obsahuje nástroje pro vyhledávání a prohlížení geografických datových sad, tvorbu a prohlížení metadat a pro vytváření schématu struktury geografických vrstev (ARCDATA PRAHA, 2010). ArcToolbox obsahuje kompletní sadu funkcí pro zpracování prostorových dat včetně nástrojů pro správu a konverzi dat, vektorové i rastrové analýzy a statistické analýzy (ACDATA PRAHA, 2010). Mimo kompletní palety nástrojů nabízí aplikace uživateli možnost vytvořit si vlastní toolboxy (nástrojové sady) a mít tak na jednom místě všechny potřebné funkce a modely pro různé typy úloh. Aplikace ModelBuilder umožňuje graficky ztvárnit diagramy postupů zpracování dat, které seřazují řadu nástrojů a dat za účelem vytvoření progresivních procedur a postupů zpracování dat. Do modelu lze umístit jak nástroje a datové sady, tak i modely a skripty, propojit je a vytvořit tak uspořádanou posloupnost kroků pro provádění komplexních úloh GIS. Vytvořené modely lze potom sdílet s ostatními uživateli.

25

4.3

POUŽITÉ GIS NASTROJE A DATA

Model v prostředí okna ModelBuilderu je sestavován z následujících prvků (Fort Lewis 2009): Project Data elements – geografická vstupní data, která existují před spuštěním modelu. Data reprezentovaná těmito elementy složí jako vstupní data pro nástroje modelu. Tools elements – představují operace prováděné nad vstupními daty. Derived Data elements – vystupní data vytvořená operacemi nad vstupními daty. Jendá se o data nově vznikající za běhu modelu, s vyjímkou případů kdy výstupem funkce je aktualizace již existujících vstupních dat. Výstupní data procesu mohou sloužit jako vstupní data pro další procesy. Value elements – představují hodnoty (konstanty) nebo negeografická data sloužící jako vstupní parametry používané na vstupech procesů. Derived Value elements – představují hodnoty (konstanty) nebo negeografická data vzniklá při provádění procesů modelu. Takto vzniklé parametry mohou dále sloužit jako vstupní hodnoty pro další procesy. A Connector – linie znázornující posloupnost procesů. Spojuje datové a procesní prvky a šipka představuje směr zpracovávání. Funkcionalitu produktů ArcGIS Desktop lze značně rozšířit přidáním rozšiřujících modulů, např. Spatial Analyst (pokročilá prostorová analýza), 3D Analyst (třírozměrná vizualizace, topografická analýza, tvorba modelu reliéfu), Geostatical Analyst (statická analýza dat, modelování a pokročilé generování povrchu) a celou řadou dalších. Nadstavba Spatial Analyst se používá pro prostorové modelování a analýzy. Pomocí této nadstavby se mohou vytvářet a analyzovat rastrová data, provádět vektorové analýzy, získávat nové informace z existujících dat, dotazovat se na problémy napříč rozmanitými datovými vrstvami a vytvářet rastr ze zadaných vektorových dat. Spatial Analyst je vhodný pro uživatele GIS, který potřebuje analyzovat a popisovat spojitě se měnící veličiny, jako např. nadmořská výška, sklon, teplota, tlak, srážky, výskyt znečištění, apod. (ARCDATA PRAHA, 2010). Součástí Spatial Analyst je sada nástrojů Hydrology, která obsahuje funkce umožňující provádět hydrologické analýzy povodí – např. identifikace bezodtokých 26

4.3

POUŽITÉ GIS NASTROJE A DATA

oblasti, určení směru odtoku z buňky, vykreslení povodí a také obsahuje sadu nástrojů pro interpolace – např. IDW, Kriging, Topo To Raster. Nadstavba 3D Analyst je zaměřena na tvorbu zobrazení dat ve 3D. Poskytuje jak nástroje pro interpolaci rastrových povrchů, tak možnosti pro konstrukci TIN. Součástí jsou i nástroje pro mapovou algebru, deklasifikaci rastrů a analýzu DMT. Mezi základní operace nad DMT patří výpočty sklonu, expozice, křivosti, stínování reliéfu, extrakce vrstevnic a analýzy viditelnosti. 4.3.2

DATA

Jako vstupní data pro vytvoření digitálního modelu terénu byly použity výškopisná a polohopisná data ZABAGED zapůjčena od Českého úřadu zeměměřičského a katastrálního – výškopis 3D vrstevnice a polohopis. Výškopis byl reprezentován vektorovými daty znázorňující vrstevnice ve formátu .shp – hlavními vrstevnice po 5 m, zesílenými vrstevnicemi po 25 m a doplňkovými vrstevnicemi. Polohopis byl vyjádřen vektorovými daty ve formátu .shp – vodními toky, vodními plochami, kotovacími a výškopisnými body. Jako data pro kontrolu přesnosti výstupu byla použita data privilegovaných vodních cest, zapůjčených z GEOTEST Brno, a. s. . Data byla zapůjčena v CAD vektorovém formátu .dgn. Vyšetřovaná oblast (viz obrázek 9) odpovídá kladu mapových listů (z leva doprava): 24-12-02, 24-12-03, 24-12-04 (horní řada), 24-12-07, 24-12-08, 24-12-09 (dolní řada) zpracovaných na úrovni podrobnosti Základní mapy ČR 1:10 000 (ZM 10). Všechna data byla reprezentována v souřadnicovém systému S-JTSK Křovák EastNorth.

Obrázek 9: Vyšetřovaná oblast Březové nad Svitavou

27

4.4

TVORBA DMT

4.4

Tvorba DMT

Rozhodl jsem se vytvořit dva typy DMT a zjistit úskalí jednotlivých typů DMT a jejich vhodnost pro potřeby modelování privilegovaných cest. 4.4.1

Rastrový model terénu

Jako první budeme vytvářet rastrový DMT. Pro jeho vytvoření zvolíme nástroj Topo to Raster, který je specificky navržen pro vytvoření hydrologicky korektního DMT. Algoritmus je primárně přizpůsoben pro práci s vrstevnicovými daty. Podle typu interpolace se jedná o diskrétní spline metodu s modifikací kritéria Roughness penalty, které dovoluje modelovat náhlé změny v reliéfu terénu. Prvním krokem je tvorba zjednodušené odtokové sítě identifikací lokálního maxima křivosti v každé vrstevnici a také výpočty maximální sklonitosti. Tato informace je pak využita v následné interpolaci DMT. Pro zpřesnění interpolace je možné použít další data relevantní pro danou oblast – linie toků, břehová linie jezer, výškové kóty nebo hranice zájmového území. Jelikož vrstevnicová data jsou ve třech souborech – vrstevnice hlavní, zesílené a doplňkové, je pro další práci výhodné spojit data do jednoho shapefile souboru. Spojení provedeme pomocí nástroje Merge. Jako vstupní soubory (Input Features) vybereme všechny liniové soubory vrstevnic, které chceme spojit do jednoho, pojmenujeme výstupní soubor (Output Features) a potvrdíme. Pro využití linie toků při tvorbě DMT (pomocí nástroje Topo to Raster), je nutné, aby směr linii toků byl ve směru toku. V Symbol Property Editor klinutím na symbol vodních toků otevřeme Symbol Selector → Properties) v kartě Line Properties vybereme značku šipky směřující z leva doprava a potvrdíme. Směr linií musíme odvozovat podle reliéfu. Pokud směr neodpovídá, je nutné linii otočit. Nyní máme nachystána všechna vstupní data a můžeme přistoupit k tvorbě DMT pomocí nástroje Topo to Raster. V dialogovém okně nástroje postupně vybereme všechny vstupní data (Input feature data), vybereme typ dat a případně vybereme pole z atributové tabulky obsahující informaci o výšce. Dále zvolíme název výstupního souboru (Output surface raster ), zvolíme velikost pixelu výstupního rastru (Output cell size), případně podle potřeby nastavíme další volitelné hodnoty, jako jsou Roughness penatly, Tolerance 1, Tolerance 2 a další, nebo specifikujeme další volitelné výstupy (Optional outputs). Po vyplnění všech potřebných polí, nám nic nebrání volby potvrdit a vytvořit výsledný DMT. Jestliže jsme v předchozím kroku vytvořili soubor Outsinks, vidíme nyní, jestli námi vytvořený DMT stále obsahuje lokální bezodtokové deprese. Jejich případné odstranění provedeme nástrojem Fill. Tímto jsme vytvořili DMT zbavený bezodtokových depresí vhodný pro další použití. Pro lepší vizuální prostorový vjem je vhodné změnit barevnou paletu (Color ramp) a překrýt DMT vrstvou stínového reliéfu (Hillshade) s 50% průhledností. 28

4.4

TVORBA DMT

4.4.2

Plátový model terénu

Druhým typem DMT, který budeme vytvářet, je polyedrický model terénu neboli TIN model. K tvorbě TIN modelu využiji standardních nástrojů rozšíření 3D Analyst. Stejně jako u předchozího rastrového modelu budou vstupem vrstevnicová data, která budou pro snadnější manipulaci spojena pomocí funkce Merge do jednoho souboru. Pro tvorbu TIN modelu vybereme z nástrojové lišty 3D Analyst → Create/Modify TIN funkci Create TIN from features. V nabídce Layers vybereme jako vstupní data pro tvorbu TIN vrstvu vrstevnic, specifikujeme z kterého atributu má být převzata výšková hodnota (Height source) a vybereme typ interpretace zdrojových dat (Triangulate as). Poté potvrdíme volby a vytvoříme TIN model. Taktový vytvořený TIN model můžeme doplnit o další informace – linie vodních toků, vodní plochy či výškové body. Pro přidání vrstvy vodních toků či vodních ploch je zapotřebí vkládaným datům přiřadit výškovou informaci (Z-value), tedy převést data do 3D. To provedeme pomocí nástroje Features to 3D z nástrojové lišty 3D Analyst → Convert. V poli Input features vybereme vrstvu, kterou chceme převést do 3D a v Source of heights vybereme TIN model vytvořený v předcházejícím kroku – tím dané vrstvě přiřadíme výškovou informaci. U vodních linií a ploch je vhodné vyjádřit fakt, že vodní koryto, plocha má určitou hloubku. Vyjádření hloubky provedeme snížením hodnoty Z-value nesoucí výškovou informaci. Snížení hodnoty Z-value provedeme následujícím způsobem. V atributové tabulce příslušné vrstvy, označíme sloupec Shape a kliknutím pravým tlačítkem do záhlaví sloupce vybereme Field Calculator 1 . Kliknutím na Load a načteme skript shape Offset Z 2 a zadáme hodnotu posunu Z-value, tedy hloubku koryta. Takto připravená data můžeme nyní vložit do TIN modelu pomocí funkce Add Features to TIN z nástrojové lišty 3D Analyst → Create/Modify TIN. Vybereme TIN (Input TIN ), který chceme doplnit o další informace a zvolíme vrstvy (Layers), které chceme do TIN vložit. U jednotlivých vkládaných vrstev zvolíme způsob triangulace (Triangulate as). Vybereme, zda chceme nové prvky vložit do stávajícího TIN, či vytvořit TIN nový a potvrzením voleb provedeme přidání hodnot. Tímto jsme úspěšně vytvořili TIN model terénu. Ten však není vhodný pro provádění analýz nad DMT. Proto musíme TIN převést na rastrový výškový model terénu (DEM) pomocí nástroje TIN to Raster z z nástrojové lišty 3D Analyst → Convert. Vybereme TIN, který chceme převést na rastr (Input TIN ), dále specifikujeme velikost buňky rastru (Cell size) a vybereme způsob interpretace hodnot (Attribute). Takto vytvořený DEM, obsahuje bezodtokové oblasti, které je nutné 1

ArcMap Field Calculator umožňuje provádět jednoduché i pokročilé výpočty nad všemi nebo vybranými záznamy v atributové tabulce. 2 Tento a spoustu jiných užitečných skriptů lze získat zdarma z http:www.ian-ko.com

29

4.5

MODELOVANI V ARCGIS

pro správný průběh dalších analýz odstranit. Pomocí funkce Fill, vytvoříme DEM vhodný pro další modelování.

4.5 4.5.1

Modelovani v ArcGIS Modelování privilegovaných cest

Jak plyne z metodiky popsané výše, princip vymapování privilegované cesty spočívá v propojení depresí plynulou čarou spojující body na rozhraní svahu a dna deprese. Představíme-li si tento proces prostorově, dojdeme k závěru, že jde v podstatě o jakási pomyslná „údolíÿ, místa kudy je pro vodu nejsnadnější odtok. Na základě tohoto lze pro tvorbu privilegovaných vodních cest s výhodou využít principů modelování vodních toků, resp hydrologického modelování jako takového. Prvním krokem pří modelování vodních toků je určení směru odtoků. To provedeme pomocí nástroje Flow Direction. Jako vstupní DMT zvolíme DMT, který jsme si připravili v předchozí kapitole. Pokud ve výsledném rastru bude více než 8 směrů odtoků, znamená to, že máme v DMT stále bezodtokové oblasti, které je nutné odstranit. Následujícím krokem je výpočet akumulovaného odtoku použitím nástroje Flow Accumulation. Vstupním rastrem je rastr směru odtoků vytvořený v předchozím kroku. Vypočtený rastr akumulovaného odtoku má značný rozsah hodnot (v závislosti na detailnosti vstupního DMT) a proto si zobrazíme odtok jen nad určitou hodnotu (většinou okolo 5 000). Čím nižší hodnotu zvolíme, tím detailnější sít získáme. Po nalezení vhodné hraniční hodnoty pro zobrazení hlavních toků, je potřeba hodnoty nižší než námi zvolená hraniční hodnota odstranit. Pro odstranění hodnot máme na výběr z několika nástrojů – Set Null, Con nebo Reclassify. Vstupem je rastr akumulovaných odtoků a výstupem odtoková síť reprezentující hlavní toky. Takto vytvořenou odtokovou síť je zapotřebí rozdělit na jednotlivé segmenty. Rozdělení provedeme pomocí nástroje Stream Link, kde vstupními rastry jsou rastr odtokové sítě hlavních toků vytvořený v předchozím kroku a rastr směru odtoků. Takto vytvořeným jednotlivým segmentům můžeme pomocí nástroje Stream Order přiřadit označení řádu toku. Na výběr máme ze dvou metod indexování řádů toků (viz obrázek 10). Vstupní rastry tvoří segmentovaný rastr odtokové sítě a rastr směrů odtoku.

30

4.5

MODELOVANI V ARCGIS

Obrázek 10: Strahler a Shreve metody indexování toků (Stibalová 2009) Takto vytvořenou odtokovou síť je vhodné převést do vektorového formátu pomocí nástroje Stream to Feature. Vstupem je rastr odvodňovací sítě a rastr směrů odtoků. Vhodné je také zvolit možnost zjednodušení linií (Simplify Line) a vyhlazení linií (Smooth Line). Nedílnou součástí procesu modelování je i proces verifikace modelu. Takto získaný model odtokové sítě sice reprezentuje privilegované vodní cesty, nevíme však nakolik je takto vytvořený model věrohodný. Vhodnou metodou zjištění věrohodnosti modelu je porovnání námi vytvořeného modelu s referenčními daty, tedy s daty reprezentujícími privilegované vodní cesty vymapované „tradičnímÿ způsobem. 4.5.2

Tvorba modelu

Pro výše popsanou posloupnost kroků nyní vytvoříme model pomocí aplikace ModelBilder. Proces tvorby modelu se skládá z 3 + 1 postupných kroků – přípravná fáze, tvorba modelu, spuštění modelu + tvorba dokumentace. Přípravná fáze Před tím, než přistoupíme k tvorbě modelu, nastavíme v Tools → Options → Geoprocessing → My Toolboxes adresář, kam se má námi vytvořený model uložit. Poté spustíme ArcToolbox, kde na kořenovou složku klikneme pravým tlačítkem a vybereme New Toolbox a pojmenujeme novu sadu nástrojů. Nyní nakopírujeme všechny potřebné nástroje popsané výše. Možností je několik – copy & paste, drag and drop nebo Add → Tool (pravým tlačítkem myši na náš toolbox). Mámeli nachystány všechny potřebné nástroje, klikneme pravým tlačítkem na náš toolbox a z menu vybereme New → Model. Otevře se nám okno aplikace ModelBuilder a můžeme začít vytvářet model. Ve vlastnostech modelu (Model → Model Properties) na kartě General vyplnímě jméno modelu (Name) – Pozor! Název nesmí obsahovat znak „ ÿ. Dále vyplníme popisek – jméno modelu v ArcToolbox (Label ), popis modelu (Desctription) a zatrhneme volbu Store relative path names, potvrdíme volby a model uložíme. Tímto jsme dokončili všechny kroky přípravné fáze a můžeme přistoupit k dalšímu kroku – tvorbě modelu. 31

4.5

MODELOVANI V ARCGIS

Tvorba modelu Vlastní tvorba modelu je velice jednoduchá a intuitivní. Budeme postupovat podle výše popsaného postupu a postupně jednotlivá data či nástroje vkládáme přetažením z Layers nebo ArcToolbox → „Náš toolboxÿ do okna ModelBuilderu. Vložené prvky mají bílou barvu a jsou neaktivní, tudíž je zapotřeby prvky propojit Add Connection s ostatními. Propojení prvků modelu provedeme pomocí ikony (druhá zprava). Parametry nástroje či názvy výstupních vrstev měníme dvojklikem Select můžeme měnit levého tlačítka na zvolený prvek modelu. Pomocí nástroje uspořádání prvků. V závislosti na typu prvku lze pravým tlačítkem přiřadit prvkům specifické vlastnosti: • Nástroj (Tool) – můžeme vytvořit vstupní proměnné (Make Variables). • Vstupní prvek (Project Data, Value), výstupní prvek (Derived Data) lze nastavit prvek jako parametr modelu (Model Parametr ) a měnit tak parametr při spuštění modelu. V kartě Parametrs (Model → Model Properties), pak máme seznam všech prvků specifikovaných jako parametry modelu. Zde můžeme měnit pořadí jednotlivých parametrů, jejich název nebo určit zda daný prvek bude volitelný (Optional ) nebo povinný (Required ). • Výstupní prvek (Derived Data), resp. mapovou vrstvu, můžeme vložit do Layers a zobrazit tak výstup v ArcMap (Add To Display). Výsledný model uložíme a přejdeme k fází spuštění modelu. Spuštění modelu Před spuštěním modelu, je zapotřebí provést kontrolu správnosti modelu (Model → Validate Entire Model ). Jeli v modelu chyba, problémový prvek se „odbarvíÿ. Kliknutím pravým tlačítkem na problémový prvek, většinou Tool, zobrazíme pomocí Viem Message chybové hlášení. Odstraníme problém a provedeme znovu validaci modelu. Proběhne-li validace modelu bez problému, poznáme tak, že se žádný prRun nebo Model → Run. vek „neodbarvilÿ, můžeme spustit model pomocí ikony Tvorba dokumentace Chceme-li aby byl námi vytvořený model použitelný a čitelný i pro jiné uživatele, je zapotřebí vyplnit dokumentaci modelu. Klikneme pravým tlačítkem na námi vytvořený model a vybereme Edit Documentation. Otevře se nám dokumentace modelu a nyní můžeme jednotlivé části opatřit popisky – jak obrázkovými, tak i textovými. Pro základní představu o modelu a jeho fungování je vhodné vyplnit popis modelu v General Information → Abstract a dále pak popsat funkce jednotlivých parametrů (Help → Parameters).

32

5

VLASTNÍ PRÁCE

5

Vlastní práce

Jak již bylo řečeno dříve, cílem této práce je zpracovat techniku tvorby privilegovaných cest, která byla doposud prováděna výhradně ručně, pomocí počítačů. Celý proces dosahování cíle, lze rozdělit do několika postupných kroků. Výchozím krokem byla obecná metodika tvorby privilegovaných cest. Tu bylo zapotřebí transformovat na úkony, proveditelné pomocí softwarových prostředků. Jak již bylo několikrát zmíněno, pro tvorbu privilegovaných cest prostředky GIS SW, lze s výhodou využít postupy používané v hydrologickém modelování – modelování vodních toků, odtokových sítí, povodí. . . Tyto postupy byly obecně popsány v kapitole 3.1 Hydrologické modelování a konkrétní postup řešení pomocí nástrojů GIS SW byl popsán v kapitole 4.5.1 Modelování privilegovaných cest, která se věnuje problematice zpracování obecných technik nástroji GIS SW. Dalším krokem je pro výše zmíněný metodický postup tvorba automatizovaného modelu – jak pro snadné modelování privilegovaných cest bez nutnosti detailní znalosti problematiky, tak i pro rychlost a opakovatelnost modelovacího procesu. Model byl vytvořen v prostředí ModelBuilder, jehož mechanizmy fungování a práce s ním jsou popsány v kapitolách 4.3.1 a 4.5.2. V neposledním kroku je nutné si uvědomit, že analýzy jsou prováděný nad rastrovými daty, resp. rastrovým DMT. Ne všechny data však splňují tuto podmínku. Proto, aby vytvořený model mohl být použit, je nutné připravit zamýšlená data tak, aby mohla být použita na vstupu modelu. Této problematice je věnována následující kapitola.

5.1

Příprava vstupních dat

Při hledání nejvhodnějšího modelu pro modelování privilegovaných vodních cest byly uvažovány dva typy datových struktur – rastrový a polyedrický. Druhou otázkou bylo, zda jít cestou tvorby DMT pomocí interpolačních technik z výškopisných (vrstevnice, výškové body) a polohopisných (vodní toky, vodní plochy) dat nebo je vhodnější použití již hotového DMT. Pro vytvoření DMT jsem měl k dispozici dva typy dat. Výškopisná a polohopisná data ZABAGED a digitální model terénu z dílny firmy GEODIS. Data ZABAGED Výškopis – 3D vrstevnice – jsou tvořeny třemi typy objektů vrstevnic - vrstevnicemi hlavními v 2 m intervalech, vrstevnicemi zesílenými v intervalu po 10 m a vrstevnicemi doplňkovými. Soubor vrstevnic je také doplněn o vybrané terénních hrany. To vše na úrovni podrobnosti Základní mapy ČR 1 : 10 000. Objekty jsou reprezentovány trojrozměrnou vektorovou prostorovou složkou a jsou v liniovém vektorovém formátu .shp.

33

5.1

PŘÍPRAVA VSTUPNÍCH DAT

Polohopis – představuje soubor rozmanitých typů geografických objektů sídel, komunikací, rozvodných sítích a produktovodů, vodstva, územních jednotek a chráněných území, vegetace a povrchu, terénního reliéfu a vybrané údaje o geodetických bodech. Objekty jsou reprezentovány dvourozměrnou vektorovou prostorovou složkou a popisnou složkou, obsahující kvalitativní a kvantitativní informace o objektech. Z pohledu využití pro tvorbu DMT mají význam zejména vodní toky, vodní plochy, kotovací a výškopisné body, vše ve vektorové formátu .shp. Data GEODIS Digitální modely terénu a povrchu z dílny GEODIS umožňují vytvořit si přehled o zájmovém území, vizualizovat a analyzovat jej. Digitální model povrchu (DSM) je model terénu včetně vegetace a budov a z tohoto pohledu je nepoužitelný pro modelování privilegovaných vodních cest. Naproti tomu digitální výškový model (DEM) terénu představuje prostorový geometrický popis reliéfu terénu, který je přesně to, co potřebujeme pro potřeby modelování privilegovaných vodních cest. GEODIS BRNO má zpracovaný kompletní digitální výškový model terénu celé České republiky s přesností 1 m. Pro účely testování vhodnosti dat v procesu modelování privilegovaných vodních cest mi byl zapůjčen DEM s přesností 10 m v ASCII formátu .asc. 5.1.1

Tvorba vlastního DMT z dostupných dat

V rámci fair-play, aby byla dosažena maximální objektivita při porovnávání vhodnosti dat, resp. porovnávání dosažených výsledků, bylo nutné, aby požité digitální modely terénu měly stejné parametry, tedy stejnou velikost buňky. Z dostupných dat disponují nejmenší podrobností, velikostí buňky, data GEODIS. Proto vytvářené DMT byly vytvořeny s velikostí buňky 10 m. Rastrový DMT Pro vytvoření rastrového DMT jsem použil nástroj Topo to Raster, který je specificky navržen pro vytvoření hydrologicky korektního DMT. Jeho algoritmus je primárně přizpůsoben pro práci s vrstevnicovými daty. Mimo jiné dokáže zpracovat i data bodová, liniová či polygonová a tak zpřesnit vytvářený model. Podle typu interpolace se jedná o diskrétní spline metodu s modifikací kritéria rougness penalty, které dovoluje modelovat náhlé změny v reliéfu terénu. Také by se dalo uvažovat o použití krigovacích interpolačních metod nebo metody inverzních vzdáleností, ale nástroje využívající tyto interpolační algoritmy jsou uzpůsobeny pro práci s vektorovými bodovými daty a nikoli daty liniovými. Jako hlavní vstupní data jsem použil vrstevnicová data ZABAGED. Dalšími zpřesňujícími daty jsou vrstvy vodních toků, ploch a kotované body. U vodních toků musí být dodržena podmínka směrovosti toků a podmínka že jeden tok je reprezentován jednou linií. Pro oříznutí výsledného modelu byla použita vrstva reprezentující hranici zájmového území. Pro každou vrstvu je potřeba specifikovat 34

5.1

PŘÍPRAVA VSTUPNÍCH DAT

jaký prvek vrstva reprezentuje a u vrstev nesoucích výškovou informaci je třeba specifikovat výškovou hodnotu (viz obrázek 11). Jak bylo řečeno v úvodu této kapitoly, s ohledem na zachování objektivity při porovnávání vhodnoti dat byla valikost buňky výstupního rastru nastavena na 10 m. S ohledem na fakt, že se jedná o liniová data, nastavíme hodnoty Roughnes penalty na hodnotu 0 , pro Tolerance 1 zvolíme hodnotu 1 a pro Tolerance 2 nastavíme hodnotu 100. V případě potřeby můžeme vyplnit i položky v sekci Optional outputs.

Obrázek 11: Nastavení Topo to Raster Polyedrický DMT Zástupcem druhého datového typu DMT použitého při hledání odpovědi na otázku, který DMT (data, datová reprezentace) je nejvhodnější pro modelování privilegovaných vodních cest prostředky GIS, je polyedrický DMT, neboli TIN model. Pro vytvoření TIN modelu, byla podobně jako v předchozím případě použita výškopisná a polohopisná data ZABAGED. Hlavním zdrojovým souborem byla i v tomto případě vrstevnicová data a bodové vrstvy představující výškové kóty. TIN model byl vytvořen pomocí nástroje Create TIN From Features, kde pro každou vrstvu bylo potřeba provést nastavení (viz obrázek 12) a určit způsob triangulace

35

5.1

PŘÍPRAVA VSTUPNÍCH DAT

a atribut nesoucí informaci o výšce. Vrstevnice byly triangulovány jako soft line3 , body jako mass points4 .

Obrázek 12: Nastavení Tin from Features Pro zpřesnění byly do vytvořeného TIN modelu přidány vrstvy vodních toků a linií. Problémem však je, že vrstvy sami o sobě nenesou žádnou výškovou informaci. Tudíž bylo nutné vkládaná data vhodně upravit a přiřadit jim nadmořskou výšku. Přidání třetího rozměru bylo provedeno pomocí funkce Features to 3D. Takto upravené vrstvy by již bylo možné použít pro zpřesnění TIN modelu, ale je třeba také vzít v úvahu fakt, že řeky, vodní plochy mají určitou hloubku. Nástrojem Field Calculator a za použití skriptu shape Offset Z byla snížena hodnota z-ové souřadnice, tzv. z-value (viz příloha A obrázek 29) . U vodních ploch byla z-value snížena o 1 m, u vodních toků o 3 m. Takto upravené vrstvy byly pomocí Add Features to TIN vloženy do TIN modelu a tím bylo dosaženo vytvoření říčního koryta. Vodní plochy byly triangulovány jako hard value fill, vodní toky jako hard line. Rozdíl mezi TINem doplněným o vodní toky a bez nich je patrný na první pohled (viz obrázek 13). 3

Soft line, Hard line – tento typ se nastavuje především u liniových vrstev, ale může být použit i pro polygony, chceme-li využívat hranice polygonů jako lomové linie. Tyto linie budou v TIN vystupovat jako strany trojúhelníků. Nastavení Hard breakelines je určeno pro linie, které reprezentují nespojitosti ve sklonu terénu (např. vodní toky, náspy komunikací) v bezprostřední blízkosti těchto linií. Nastavení Soft breakelines je určeno pro linie, které nezpůsobí lokální změnu sklonu v bezprostřední blízkosti dané linie, např. vrstevnice (Vojtek, 2010). 4 Mass points – tento typ se nastavuje především u bodových vrstev, ale může být nastaven u liniových, či polygonových vrstev, chceme-li s vertexy linií, či polygonů pracovat jako se samostatnými výškovými body. Tyto body budou v TIN prezentovat vrcholy trojúhelníků (Vojtek, 2010).

36

5.2

TVORBA MODELU V MB

Obrázek 13: Porovnání TIN model bez vodních toků a s nimi Jelikož analýzy DMT jsou prováděny nad rastrovými vrstvami, bylo nutné polyedrický model pomocí TIN to Raster rasterizovat, tak aby jej bylo možné použít jako vstup pro modelování privilegovaných vodních cest. 5.1.2

Hotový DMT

Zatímco první dva modely byly vytvořeny pomocí interpolačních technik, následující model patří do kategorie „hotovýchÿ. Jeho nespornou výhodou oproti předchozím modelům, je jeho připravenost pro okamžité použití bez nutnosti provádět zdlouhavé předpřípravné práce. Pro modelování byl použit rastrový DMT jehož výrobcem je GEODIS. Jelikož data jsou distribuována v ASCII GRID formátu, je zapotřebí data převést do formátu, se kterým ArcMap umí pracovat. Pro převod do rastrového formátu, použitelného pro modelování, byl proveden pomocí nástroje ASCII to Raster. Výstupní datový typ byl specifikován jako Integer.

5.2

Tvorba modelu v MB

Jak již bylo jednou řečeno dříve, modely představují grafické schéma postupu zpracování dat. Nástrojem pro vytváření modelů v prostředí Arcmap je aplikace ModelBuilder, která umožňuje jednoduše a přehledně propojit dílčí kroky, resp. analýzy popsané v metodice a zautomatizovat tak tvorbu privilegovaných cest. V podstatě jde o vhodné propojení jednotlivých nástrojů a dat za účelem zpracování dat a získání požadovaného výstupu. Před samotným procesem tvorby modelu však bylo potřeba vytvořit tool box a nakopírovat do něj všechny nástroje potřebné pro vytvoření modelu: • • • •

Fill – odstranění bezodtokových oblastí z DMT Flow direction – určení směru odtoku Flow Accumulation – výpočet akumulovaného odtoku Set Null – zobrazení odtoku specifické velikosti 37

5.2

TVORBA MODELU V MB

• Stream to Feature – vektorizace vodních toků • Simplify Line – zjednodušení linie • Smooth Line – vyhlazení linie Po zkompletování toolboxu, bylo možné přistoupit k samotné tvorbě modelu. Jako vstup byl použit DMT. Výstupní data jednotlivých procesu byla použita jako vstupy procesů následujících. Mimo geografických dat byly u některých funkcí použity i parametrické vstupní hodnoty negeografické povahy. Výsledkem je potom vrstva privilegovaných vodních cest. Vyjádřením výše popsaného pomocí aplikace modelbuilder je následující diagram, znázorňující logickou posloupnost procesů a zpracování dat (viz obrázek 14).

Obrázek 14: Kostra modelu Takto jsme vytvořili pouze kostru modelu, která sama o sobě není životaschopná. Pro její oživení bylo zapotřebí nastavit parametry jednotlivých procesů. Na detailní nastavení jednotlivých procesů se zaměříme v následujícím. U prvních tří nástrojů Fill, Flow direction a Flow Accumulation bylo ponecháno výchozí nastavení. U nástroje Set Null bylo zapotřebí nastavit prahovou hodnotu pro eliminování nadbytečných hodnot odtoku. Prahová hodnota 3000 byla zapsána výrazem value < 3000. Dále bylo potřeba určit konstantu, pro hodnoty nevyhovující předchozí podmínce (viz obrázek 15).

38

5.2

TVORBA MODELU V MB

Obrázek 15: Nastavení Set Null Pro převedení rastrové vrstvy na vektorovou, byla použita funkce Stream to feature, kde bylo potřeba nastavit rastr směru toku, který slouží jako zdroj informací o směru toku. K identifikování směru toku byl použit rastr směru toku vytvořený v prvním kroku. Správné propojení prvků je indikováno šipkou, která spojuje rastr s funkcí. Pro zjednodušení vektorizované linie zaškrtneme parametr symplify polyline, který pomocí Douglas-Pueckerova algororitmu provede zjednodušení linie (viz obrázek 16).

Obrázek 16: Nastavení Stream to Feature Jelikož linie vytvořená v předchozím kroku nepůsobí příliš realisticky (příliš klikatá, ostré zlomy), bylo potřeba linii zjednodušit. Pro zjednodušení a zjemnění výstupní linie byly použity funkce Simplify a Smooth polyline. Zjednodušení bylo provedeno pomocí BEND SIMPLIFY algoritmu, který zachovává hlavní tvar křivky a odebírá pouze nepatřičné zlomy. Simplification tolerance byla nastavena na 150 m. Pro vyhlazení (zjemnění) linie byla použita funkce Smooth polyline s PAEK algoritmem a tolerancí 50 m. Takto nakonfigurovaný model byl předposledním stádiem před spuštěním modelu. Výběrem zdrojového DEM a spuštěním validace, po jejímž úspěšném proběhnutí se nám celý diagram obarvil, což signalizuje, že model je funkční. Z pohledu modelování by bylo možné prohlásit model za hotový, ale z hlediska použitelnosti v praxi nikoliv. U takto vytvořeného modelu není možné jednoduše měnit parametry modelu a ovlivnit tak proces modelování privilegovaných vodních cest. Pro praktické použití modelu je potřeba rozhodnout, které parametry bude 39

5.2

TVORBA MODELU V MB

možné nastavit při spuštění modelu, které z nich budou povinné a které pouze volitelné. Eventuelně se lze také rozhodnout, které z vytvořených map chceme zobrazit v prohlížeči. Jako parametry modelu, které bude možné měnit při startu modelu, byly nastaveny: • • • •

DEM – odkaz na zdrojový DMT Privilegované cesty – odkaz kam má být výsledný model uložen Prahová hodnota – výraz pro eliminaci nadbytečných hodnot odtoku Simplification Algorithm a Simplification Tolerance – algoritmus a tolerance pro zjednodušení linie • Smoothing Algorithm a Smoothing Tolerance – algoritmus a tolerance pro vyhlazení linie • Scratch Workspace – specifikuje adresář pro pomocné výpočty Kromě parametrů modelu bylo také výstupní vrstvy privilegovaných cest nastavena vlastnost zobrazit vytvořená data v prohlížeči. Povinnost parametru byla specifikována ve vlastnostech modelu (RMB na model → Properties) na kartě Parametrs. Mimo volitelnosti parametru zde lze také měnit pořadí jednotlivých parametrů. Na následujícím obrázku (viz obrázek 17) můžeme vidět konkrétní podobu nastavení jednotlivých parametrů modelu.

Obrázek 17: Nastavení povinnosti parametrů Jednotlivým parametrům lze také nadefinovat výchozí hodnoty nebo ponechat pole prázdné a volbu parametru tak ponechat na uživateli. U datových prvků (vstupní/výstupní soubor, uložiště mezidat) byla volba parametrů ponechána na uživateli. Konstantám na vstupech procesů Set Null, Simplify a Smooth Line byly přednastaveny odpovídající hodnoty. Takto jsme vytvořili komplexní model, který nabízí možnost velice jednoduše a rychle produkovat různé varianty řešení. Výše nadefinovaný model má v grafickém vyjádření následující podobu (viz obrázek 18). 40

5.2

TVORBA MODELU V MB

Obrázek 18: Diagram hotového modelu Jednotlivým parametrům lze také nadefinovat výchozí hodnoty nebo ponechat pole prázdné a volbu parametru tak ponechat na uživateli. U datových prvků (vstupní/výstupní soubor, uložiště mezidat) byla volba úložného prostoru ponechána na uživateli. Konstantám na vstupech procesů Set Null, Simplify a Smooth Line byly přednastaveny odpovídající hodnoty, jejichž nastavení si můžeme všimnout na následujícím obrázku 19.

Obrázek 19: Nastavení výchozích hodnot parametrů na vstupu modelu Tyto hodnoty představují optimální hodnoty pro dosažení výsledku co možná nejpřesněji vystihující realitu. Hodnoty byly zjištěny procesem testování modelu s různým nastavením hodnot. Hledání optimálních hodnot neprobíhalo zcela náhodně, nýbrž vycházelo z obecných znalostí o funkcionalitách funkcí. 41

5.2

TVORBA MODELU V MB

Set Null – příliš vysoká prahová hodnota u Set Null má za následek nepříliš detailní síť vodních toků. Naopak při použití příliš nízké hodnoty dojde k zobrazení i nežádoucích odtoků. Zde popsaný princip je patrný z následujícího obrázku 20, zobrazujícího odtokovou síť při prahové hodnotě 1500, 3000 a 5000.

Obrázek 20: Odtoková síť při prahové hodnotě 1500, 3000 a 5000 Simplify a Smooth Line – nevhodně zvolený algoritmus v kombinaci s příliš vysokou hodnotou tolerance ve zjednodušovací a vyhlazovací funkci má za následek přílišné zkreslení výstupní vrstvy, naopak při použití příliš nízké hodnoty je zjednodušení nedostačující nebo ke zjednodušení nedojde vůbec. Na následujícím obrázku 21 můžeme pozorovat odlišnosti při použití různých algoritmů a tolerancí zjednodušení.

Obrázek 21: Simplifiy Line pro různé kombinace algoritmu a tolerance Zatímco u zjednodušení lze pozorovat značné rozdíly, u vyhlazení nejsou rozdíly na první pohled tak patrné, jak si ostatně můžeme také všimnout na obrázku 22 ilustrujícího použití různých vyhlazovacích tolerancí při použití Peak algoritmu a použití Bezierovské Interpolace.

Obrázek 22: Smooth Line pro Peak a Bezier Interpolation algoritmus 42

5.3

POROVNÁNÍ MODELŮ

Model ja také možné exportovat do scriptu, který pak může být použit v těle jiného modelu nebo samostatně. Výše popsaná problematika definice parametrů modelu a předdefinování jejich výchozích hodnot má v JSscriptu následující podobu: var DEM = WScript.Arguments.item(0); var Prahova_hodnota = WScript.Arguments.item(3); if (Prahova_hodnota == "#"){ Prahova_hodnota = "value < 3000"; // provide a~default value if unspecified } Z ukázky je patrné, která část kódu popisuje datový prvek bez přednastavené hodnoty a která popisuje přednastavenou konstantu. Kompletní zdrojový kód je k nalezení v příloze (viz příloha B). Pro potřeby lepší čitelnosti a hlavně možnosti používání modelu jinými uživateli, bylo potřeba vyplnit dokumentaci modelu a jednotlivé parametry opatřit nápovědou. V General Information, první sekci dokumentace byla uvedena charakteristika modelu zahrnující popis jeho hlavní funkcionality a definice klíčových slov. V druhé sekci dokumentace modelu Help → Parameters byly postupně jednotlivé parametry opatřeny nápovědou s popisem funkcionality daného parametru. Podobně jako u parametru DEM (viz příloha A obrázek 30) byly popisem opatřeny i ostatní parametry.

5.3

Porovnání modelů

Jak již bylo mnohokrát řečeno, jedním z cílů této práce je mimo jiné také poskytnout odpověď na otázku vhodnosti jednotlivých dat, datových struktur a přístupů k tvorbě digitálního modelu terénu. Jak jsem se již zmínil na počátku této kapitoly, uvažovány dvě datové struktury – rastrová a polyedrická a dva přístupy – tvorba DMT z polohopisných a výškopisných dat a použití hotového DMT. Aby byla zachována maximální objektivita dosažených výsledků, byly porovnávané DMT vytvořeny na stejné úrovni podrobnosti neboli se stejnou velikostí buňky. Dle postupů uvedených výše byly vytvořeny tyto modely s velikostí buňky 10 m: • Rastrový ZABAGED – DMT vytvořený pouze z výškopisných (vrstevnicových) dat • Rastrový ZABAGED – DMT vytvořený z výškopisných (vrstevnice) a polohopisných (vodní toky, plochy, výškové body) dat • Polyedrický ZABAGED – DMT vytvořený z výškopisných a polohopisných dat • Rastrový GEODIS – hotový DMT Kontrola přesnosti dosažených výsledků byla provedena porovnáním s referenčním modelem, tedy s vrstvou privilegovaných vodních cest vytvořenou odbornými pracovníky firmy Geotest Brno. K vyhodnocení přesnosti modelu jsem přistupoval 43

5.3

POROVNÁNÍ MODELŮ

ze dvou pohledů. První byl zaměřený na identifikaci společných a odlišných prvků v obecné rovině. Druhý pohled byl zaměřen detailněji na odlišnosti mezi jednotlivými modely a identifikaci možných příčin. 5.3.1

Rozdíly mezi modelem a realitou v obecné rovině

Při pohledu na dosažené výsledek v porovnání s referenčním modelem, je hned na první pohled možné rozlišit oblasti vystihující průběh vymodelovaných privilegovaných vodních cest přesněji než jiné oblasti. Podíváme-li se na tyto oblasti detailněji z pohledu geomorfologického, zjistíme, že se jedná o značně členitý, plastický terén – relativně úzká údolí se strmými svahy. Při podložení zkoumaných vrstev vrstvou sklonitosti terénu, zjišťujeme, že tam, kde je terén svažitý, model realisticky reprezentuje skutečný stav. Pro dosažení relativně přesného výsledku je postačující i velmi mírný sklon pod 5 stupňů. Rozhodujícím faktorem není ani tak sklon terénů, jak relativně velké plochy s minimálním nebo nulovým sklonem. V takovýchto případech algoritmus pro výpočet směru odtoku (viz kapitola 3.1.1) není schopen jednoznačně určit následující buňku odtoku a dochází tak k nepřesnostem ve výpočtu, jichž si také můžeme povšimnout na následujícím obrázku 23.

Obrázek 23: Ukázka správného a špatného výpočtu odtoku Zatímco výše popsaný rozchod modelu s realitou je zapříčiněn chybným výpočtem odtoku v důsledku velkých ploch s nulovým nebo minimálním sklonem. Druhou oblast rozchodu modelu s realitou lze spatřovat v „lidském faktoruÿ. Člověk, lidská bytost, se vyznačuje schopností zohledňovat při svém rozhodování dříve získané zkušenosti nebo geomorfologické poznatky o daného území. Stejně tak dobře

44

5.3

POROVNÁNÍ MODELŮ

je při svém rozhodování náchylný snadněji udělat chybu. Kdežto algoritmus pro výpočet odtoku má přesně definovaná pravidla jak postupovat a až na případ popsaný výše nepřipouští prostor pro chybu. Na následujícím obrázku 24 lze pozorovat jak chybu způsobenou člověkem, tak chybu způsobenou algoritmem v důsledku rozsáhlé plochy se stejným sklonem.

Obrázek 24: Ukázka chybného určení privilegované cesty – chyba lidského faktoru (vlevo), chyba algoritmu v důsledku oblasti se stejným sklonem (vpravo) Zatímco v levém obrázku algoritmem vymodelovaná privilegovaná cesta (černá čára) je v souladu s filosofií tvorby privilegovaných cest5 a propojuje správně jednotlivé deprese oproti privilegované cestě vytvořené člověkem (modrá čára), která chybně propojuje i elevace (vyznačené červenými šipkami). Naproti tomu pravý obrázek je příkladem chyby algoritmu v důsledku oblasti se stejným sklonem. Můžeme vidět, že do bodu vyznačeného červenou šipkou (více vlevo) se obě privilegované cesty shodují. Do bodu vyznačeného druhou šipkou, je privilegovaná cesta vymodelována v souladu s principem tvorby privilegovaných cest a dále je krásně vidět jak v důsledku plochy se stejným sklonem algoritmus selhává a nesprávně zahrnuje do výpočtu i elevace. 5.3.2

Detailní pohled na rozdíly mezi jednotlivými modely

V následujícím se budeme zabývat detailně odlišnostmi mezi jednotlivými modely a snažit se odpovědět na otázku, jaká datová struktura a který přístup k tvorbě modelů je vhodnější. Odklonům od reality, stejným pro všechny modely a popsaným v předchozí kapitole, nebude v následujících porovnáních přikládána významná důležitost. Vrstevnice × zpřesňující informace Předmětem tohoto porovnání, jsou dva rastrové DMT vytvořené za pomoci výškopisných vrstevnicových dat a interpolačního nástroje Topo to Raster, s tím 5

Princip identifikace privilegovaných vodních cest z topografických map spočívá v nalezení a vyjádření strukturních linií reliéfu, který je tvořen dvěma základními tvary – elevacemi a depresemi, a propojení veškerých depresí plynulou čarou spojující body na rozhraní svahu a dna deprese. Podrobně viz kapitola 4.1.

45

5.3

POROVNÁNÍ MODELŮ

rozdílem, že jeden DMT je doplněn o vodní toky a plochy a druhý je vytvořený pouze z vrstevnic. Při porovnání dosažených výsledků můžeme konstatovat, že dosažené výsledky jsou takřka identické. Zásadnější rozdíly lze nalézt v místech, která byla doplněna o vodní toky. Při porovnání sítě vodních toků s vymodelovanou sítí privilegovaných cest, lze pozorovat, že obě sítě jsou takřka identické. Z toho plyne jednoznačná závislost – určení privilegované cesty je jednoznačně určeno říčním tokem. Tato skutečnost však není ideální. Je nutné si uvědomit, že říční tok vždy neteče svou přirozenou cestou, ale jeho tok je v mnoha případech ovlivněn zásahem člověka do říčního koryta. Tímto dochází ke znatelnému zkreslení výsledků a odklonu od reality. Tento efekt můžeme pozorovat na následujícím obrázku 25, kde je názorně vidět, že v důsledku výstavby železniční tratě došlo k úpravě říčního koryta. A také je hezky vidět jak privilegované vodní cesty vytvořené z DMT s vodními toky kopíruje směr toku řeky. Naproti tomu privilegované vodní cesty vytvořené z DMT pouze podle vrstevnic se s větší či menší odchylkou přibližují reálnému stavu.

Obrázek 25: Ukázka správného a špatného výpočtu odtoku Rastrový DMT × polyedrický DMT Jednou z dílčích otázek bylo, který ze dvou datových typů je vhodnější. Porovnávány byly dva různé datové typy DMT – rastrový a polyedrický (TIN). Oba dva byly vytvářeny ze stejných geodat s velikostí buňky 10 m. Při porovnávání výsledků dosažených z jednotlivých DMT nelze jednoznačně říci, který DMT vede k lepším výsledkům. Oba dva poskytují téměř identické výsledky, a proto byly vytvořeny podrobnější DMT s velikostí buňky 3 m. U výsledků dosažených s podrobnějšími DMT můžeme pozorovat, že rastrový DMT poskytuje při stejném nastavení6 o něco přesnější výsledky než TIN model (viz obrázek 26). To však jednoznačně nestaví rastrový DMT do pozice favorita. S jiným nastavením tolerancí pro zjednodušovací a vyhlazovací algoritmy by mohlo dojít k vylepšení výsledku vycházejícího z TIN modelu. 6

Nastavení vstupních parametrů modelu pro tvorbu privilegovaných cest – prahová hodnota 2000, Bend simplify algoritmus s tolerancí 150 m a Peak smoothing algoritmus s tolerancí 75 m

46

5.3

POROVNÁNÍ MODELŮ

Výhody, či nevýhody jednotlivých datových reprezentací modelů je zapotřebí hledat jinde.

Obrázek 26: Porovnání privilegovaných vodních cest vytvořených z rastrového a polyedrického DMT Vzhledem k faktu, že modelování privilegovaných cest probíhá nad rastrovými daty, je TIN model v lehké nevýhodě. K tomu, aby mohl být použit v procesu modelování privilegovaných vodních cest, je zapotřebí dodatečné transformace do rastrového formátu. Jakkoli se tento předpřípravný mezikrok může zdát být nevýhodou, opak je pravdou. Pravou výhodou polyedrického modelu je jeho datová „nenáročnostÿ. TIN představuje vektorový formát popsaný matematickými funkcemi a datová velikost TIN modelu je tak stejná bez ohledu na rozlišení. Naproti tomu velikost rastrového modelu při maximálním rozlišení bude několikanásobně větší. Vlastní DMT × hotový DMT Posledním bodem porovnání, bylo porovnání DMT vytvořeného interpolačními metodami z vrstevnic s hotovým DMT, oba na stejné úrovni podrobnosti s velikostí buňky 10 m. Při porovnání výsledků zjišťujeme, že vítězem tohoto duelu je DMT vytvořený z vrstevnicových dat. Porovnáme-li dosažené výsledky a pomineme-li údolní oblast řeky Svitavy, kde s určením privilegované cesty měli problém všechny DMT, vidíme, že s určitou odchylkou vlastní DMT vystihuje poměrně přesně reálný stav. Naproti tomu hotový DMT se chová tak trochu rozporuplně – na jednu stranu poměrně přesně vystihuje realitu, ale na druhou stranu se vyznačuje značnými odklony od reality. Tyto odklony jsou v rozporu s metodikou modelování privilegovaných cest a při podložení vrstevnicemi vše poukazuje na chyby v DMT mající původ pravděpodobně již v procesu jeho tvorby. Na následujícím obrázku 27 můžeme pozorovat dva zcela extrémní případy, ve kterých došlo ke špatnému určení privilegované cesty.

47

5.3

POROVNÁNÍ MODELŮ

Obrázek 27: Ukázka špatného určení privilegované vodní cesty na základě hotového DMT

48

6

6

DISKUZE

Diskuze

Tato práce si kladla hned několik cílů. Hlavním cílem bylo dle obecné metodiky navrhnout a vytvořit automatizovaný model pro tvorbu privilegovaných vodních cest. Dalšími cíli bylo otestovat model s reálnými daty a na základě porovnání výsledků zhodnotit vhodnost jednotlivých dat pro potřeby modelování. K vytvoření modelu pro tvorbu privilegovaných vodních cest byla použita metodika pro modelování vodních toků. Tato metodika se sice spíše používá pro modelování povrchové vody, ale při abstrahování na samotnou její podstatu zjistíme, že se v zásadě uplatňuje stejný princip – nalezení „údolíÿ kudy voda odtéká. Pro zpracování metodiky byl použit ModelBuilder patřící do balíku aplikací ArcGIS Desktop, který představuje celosvětově rozšířené a podporované řešení GIS. Vzhledem k faktu, že v České republice je technologie ESRI ArcGIS nepsaným standardem, myslím si, že se jedná o správnou volbu, která umožní široké použití. Nesporným přínosem vytvořeného modelu je snížení nároků na znalost problematiky ze strany uživatele. Na druhou stranu je třeba mít na paměti, že každý model představuje pouze přiblížení se realitě a nezaručuje stoprocentně spolehlivé výsledky. Vzhledem k tomuto faktu, vidím jako hlavní přínos vytvořeného modelu v úspoře času odborníka, kterému může být model nápomocen při tvorbě privilegovaných cest a značnou část práce udělat za něj. Odborník pak už jen výsledek odkontroluje, případně opraví nesrovnalosti. V rámci hledání nejvhodnějších dat a přístupu k jejich získání bylo vyzkoušeno několik variant. Jejich jednotlivé přednosti a nedostatky jsou popsány v předchozí kapitole. Na jedné straně jsme si kladli otázku, která datová reprezentace je vhodnější – rastrová nebo polyedrická. Na straně druhé jsme si zjišťovali, zda je vhodné použít hotový DMT nebo je lepší si DMT „vyrobitÿ z dostupných dat. Co se datové reprezentace týče, jako efektivnější se ukázalo použití rastrového DMT. Už jen samotný fakt, že celý proces modelování privilegovaných vodních cest je postaven na analýzách prováděných nad rastrovým DMT. Nevýhodou podrobných rastrových DMT sice může být jejich větší náročnost na datový prostor, ale tato nevýhoda je vykompenzována přesnějšími výsledky. Přes jakkoli slibně vypadající předpoklady polyedrického modelu, se jeho použití pro potřeby modelování ukázalo jako neproduktivní. Spíše než v oblasti modelování, bych využití polyedrických modelů hledal v oblasti 3D vizualizací. Druhou otázkou bylo jaký postoj zaujmout k přístupu získávání dat. K dispozici jsme měli dvě varianty DMT – hotový DMT a DMT vytvořený interpolačními metodami z vrstevnicových dat. Jakkoli se oproti původnímu předpokladu – interpolace = nalezení přibližné hodnoty – mohl hotový DMT zdát favoritem, opak je pravdou. Jak již bylo diskutováno v předchozí kapitole, hotový DMT poskytoval diametrálně odlišné výsledky. Na straně jedné relativně přesně reprezentoval realitu, na straně druhé produkoval zcela nesmyslné výsledky, které byly v rozporu s metodikou tvorby privilegovaných vodních cest. Pomyslným vítězem se tak stal DMT 49

6

DISKUZE

vytvořený z vrstevnicových dat interpolační metodou Topo To Raster. A to dokonce i navzdory faktu, že vrstevnice byly nespojité (viz obrázek 28).

Obrázek 28: Ukázka nespojitosti vrstevnic Všeobecně vzato se jako slabina u všech typů DMT ukázaly oblasti s nulovým nebo téměř stejným sklonem terénu. V těchto oblastech algoritmus pro výpočet odtoku nebyl schopen správně určit směr a docházelo k odklonu od reality (viz příklady v předchozí kapitole). Pro odstranění tohoto nedostatku a tak zlepšení výsledku by mohlo zpřesnění informací o výškovém profilu v těchto problematických oblastech.

50

7

7

ZÁVĚR

Závěr

V rámci této práce byla nejprve analyzována metodika tvorby privilegovaných vodních cest, která byla dříve výhradně zpracovávána ručně. Daná problematika byla přeformulována do „řeči počítačových programůÿ a pomocí specializovaného software byl vytvořen model pro zautomatizování rutinních činností. Jako softwarová platforma byl použit ArcGIS Desktop od ESRI, předního světového tvůrce GIS software. Vytvořený model byl otestován s několika různými DMT. Analyzování výsledků probíhalo v zásadě ve dvou rovinách. V první rovině se zjišťovalo, která ze dvou datových reprezentací – rastrová nebo polyedrická – je výhodnější pro modelování privilegovaných vodních cest. V rovině druhé se zkoumalo, jaký přístup získání dat je příhodnější. Zda je lepší jít cestou interpolace DMT ze základních dat o zemském povrchu (vrstevnice, výškové body) nebo využít nasazení hotového DMT.

51

8

8

LITERATURA

Literatura ARCDATA PRAHA. ArcGIS Desktop. [online]. Webové stránky. [cit. 17. března 2010]. Dostupné z internetu: Barták, V. Algoritmy pro zpracování digitálních modelů terénu s aplikacemi v hydrologickém modelování. Diplomová práce. Praha: FŽP, ČZU. 2008. Benedikt, J. Flow direction and flow accumulation. Prezentace k přednáškám z předmětu Advanced Spatial Modeling and Analysis. FH Kaernten 2009. CENIA. Mapový server. [online]. Webové stránky. [cit. 19. května 2010]. Dostupné z internetu: ČÚZK. Základní báze geografických dat ZABAGED. [online]. Webové stránky. [cit. 12. května 2010]. Dostupné z internetu: Ewans, I. S. General geomorphometry, derivatives of altitude and descriptive statistics. In: Chorley, R.J. (ed.)Spatial Analysis and geomorphology. London, 1972. Fort Lewis. GEOG 300: Intermediate GIS: Vector-based Analysis. Working with the ArcGIS ModelBuilder. [online]. Webové stránky. [cit. 5. března 2010]. Dostupné z internetu: GEODIS. Digitální modely terénu. [online]. Webové stránky. [cit. 12. května 2010]. Dostupné z internetu: Jedlička K., Mentlík, P. Hydrologická analýza a výpočet základních morfometrických charakteristik povodí s využitím GIS. GEOINFORMATIKA sborník z XX. sjezdu ČGS, Ústí nad Labem : UJEP, 2002, s.46-58. ISBN 80-7044-410-X. Jedlička J., Štych, P. Hydrologické modelování v programu ArcGIS. Praha: Akademie kosmických technologií oblast Galileo, 2007. 62 s. Klimánek, M. Digitální modely terénu. BRNO: MZLU, 2008. 85 s. ISBN 97880-7157-982-3. Klimánek, M. Geoinformační systémy. Návody ke cvičení v systému ArcGIS. BRNO: MZLU, 2008. 66 s. ISBN 978-80-7375-211-8. Kraus, K. Photogrammetrie Band 3. Topographische Informationssysteme. Köln, Germany: Dümmler Verlag, 2000.

52

8

LITERATURA

Langhammer, J.. Hlavní metody interpolace. [online]. Webové stránky. [cit. 19. května 2010]. Dostupné z internetu: Pásková, M. 3D kartografická vizualizace okresu Svitavy. Diplomová práce. Brno: Masarykova univerzita, 2008. Slavík, J. Teoretické a praktické předpoklady využití morfohydrogeometrické analýzy v oboru geomorfologie, geologie, hydrogeologie a ochrany vod. Brno: GEOtest. 2009. Stibalová, A. Možnosti využití programu ArcGIS v hydrologii. Bakalářská práce. Praha: FŽP, ČZU. 2009. Svoboda, P. Hydrologické analýzi v prostředí GIS. Diplomová práce. Brno: MZLU, 2008. 83s. UJEP. Výukové materiály k DMT. [online]. Webové stránky. [cit. 8. března 2010]. Dostupné z internetu: VGHMÚ. Internetový zobrazovač geografických armádních dat. [online]. Webové stránky. [cit. 19. května 2010]. Dostupné z internetu: Vojtek, D. Digitální modely reliéfu a povrchu v prostředí GIS a jejich analýzy. [online]. Webové stránky. [cit. 21. dubna 2010]. Dostupné z internetu: Wilson, J. P. – Gallant, J. C. Terrain analysis : principles and applications. New York: Wiley, 2000. 479 s. ISBN 978-0-471-32188-0. Žídek, V. Geoinformační systémy (10). DMT a topografické modelování. Prezentace k přednáškám v předmětu Geografické informační systémy. LDF MZLU v Brně 2005.

53

Přílohy

A

A

OBRÁZKY

Obrázky

Obrázek 29: Field calculator – nastavení Z offset value

Obrázek 30: Dokumentace modelu – popis parametru DEM

55

Obrázek 31: Diagram hotového modelu

A OBRÁZKY

56

B

B

ZDROJOVÝ KÓD SKRIPTU

Zdrojový kód skriptu

JSskript modelu privilegovaných vodních cest // -----------------------------------------------------------------// scr.js // Created on: st IV 28 2010 11:25:00 odp. // (generated by ArcGIS/ModelBuilder) // Usage: scr <Scratch_Workspace> <Smoothing_Tolerance> <Smoothing_Algorithm> <Simplification_Tolerance> <Simplification_Algorithm> // -----------------------------------------------------------------// Create the Geoprocessor object var gp = WScript.CreateObject("esriGeoprocessing.GPDispatch.1"); // Set the necessary product code gp.SetProduct("ArcEditor"); // Check out any necessary licenses gp.CheckOutExtension("spatial"); // Load required toolboxes... gp.AddToolbox("C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"); // Script arguments... var DEM = WScript.Arguments.item(0); var Scratch_Workspace = WScript.Arguments.item(1); var Privilegovane_cesty = WScript.Arguments.item(2); var Prahova_hodnota = WScript.Arguments.item(3); if (Prahova_hodnota == "#"){ Prahova_hodnota = "value < 3000"; // provide a default value if unspecified } var Smoothing_Tolerance = WScript.Arguments.item(4); if (Smoothing_Tolerance == "#"){ Smoothing_Tolerance = "75 Meters"; // provide a default value if unspecified }

57

B

ZDROJOVÝ KÓD SKRIPTU

var Smoothing_Algorithm = WScript.Arguments.item(5); if (Smoothing_Algorithm == "#"){ Smoothing_Algorithm = "PAEK"; // provide a default value if unspecified } var Simplification_Tolerance = WScript.Arguments.item(6); if (Simplification_Tolerance == "#"){ Simplification_Tolerance = "150 Meters"; // provide a default value if unspecified } var Simplification_Algorithm = WScript.Arguments.item(7); if (Simplification_Algorithm == "#"){ Simplification_Algorithm = "BEND_SIMPLIFY"; // provide a default value if unspecified } // Local variables... var Accumulation_raster = "C:\\Jahovel\\MZLU\\Diplomka\\data\\_test\\ FlowAcc_Flow1"; var Flow_direction_raster = "C:\\Jahovel\\MZLU\\Diplomka\\data\\ _test\\FlowDir_Fill1"; var Output_drop_raster = ""; var Flow = "C:\\Jahovel\\MZLU\\Diplomka\\data\\_test\\SetNull_Flow1"; var Flow_vector = "C:\\Jahovel\\MZLU\\Diplomka\\data\\_test\\ StreamT_SetNull1.shp"; var Simplify_Lin = "C:\\Jahovel\\MZLU\\Diplomka\\data\\_test\\ StreamT_SetNull1_SimplifyLin.shp"; var StreamT_SetNull1_SimplifyLin2_Pnt_shp = "C:\\Jahovel\\MZLU\\ Diplomka\\data\\_test\\StreamT_SetNull1_SimplifyLin_Pnt.shp"; var Input_false_raster_or_constant_value = "1"; var Sinkless_DEM = "C:\\Jahovel\\MZLU\\Diplomka\\data\\_test\\ Fill_sinkles1"; // Process: Fill... tempEnvironment0 = gp.scratchWorkspace; gp.scratchWorkspace = ""; gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"; gp.Fill(DEM, Sinkless_DEM, ""); gp.scratchWorkspace = tempEnvironment0; // Process: Flow Direction... 58

B

ZDROJOVÝ KÓD SKRIPTU

gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"; gp.FlowDirection(Sinkless_DEM, Flow_direction_raster, "FORCE", Output_drop_raster); // Process: Flow Accumulation... gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg. tbx"; gp.FlowAccumulation(Flow_direction_raster, Accumulation_raster, "", "FLOAT"); // Process: Set Null... gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"; gp.SetNull(Accumulation_raster, Input_false_raster_or_constant_value, Flow, Prahova_hodnota); // Process: Stream to Feature... gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"; gp.StreamToFeature(Flow, Flow_direction_raster, Flow_vector, "NO_SIMPLIFY"); // Process: Simplify Line... gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"; gp.SimplifyLine(Flow_vector, Simplify_Lin, Simplification_Algorithm, Simplification_Tolerance, "RESOLVE_ERRORS", "NO_KEEP", "CHECK"); // Process: Smooth Line... gp.toolbox = "C:/Jahovel/MZLU/Diplomka/data/Privileg_model/Privileg.tbx"; gp.SmoothLine(Simplify_Lin, Privilegovane_cesty, Smoothing_Algorithm, Smoothing_Tolerance, "FIXED_CLOSED_ENDPOINT", "NO_CHECK");

59