Tvorba geoinformačního systému Melechov a předzpracování dat v GIS pro tvorbu sítě pro další modelování (Zpráva o řešení.) RNDr. Blanka Malá, Ph.D. Úvod Geografický informační systém (GIS) představuje obsáhlou sadu nástrojů pro sběr, ukládání, zpracování, transformaci a zobrazování prostorových dat reálného světa. Přitom jsou tyto digitálně kódované jevy a objekty reálného světa primárně uloženy podle své geografické polohy a lze je tedy umístit do vzájemného vztahu. Právě využití nástrojů GIS pro předzpracování geografických dat pro další modelování v rámci výzkumných úkolů na TU se jeví jako výhodné řešení. Geografická data mají svoje specifické vlastnosti, je nutné pracovat s velkými objemy dat a kartografickými souřadnicovými systémy pro jejich zobrazování a zpracování geometrie celého modelu. Geografická data jsou polohově lokalizována, mají svou prostorovou (lokalizační) složku – udanou ve formě X,Y souřadnic (případně X,Y,Z souřadnic) příslušného souřadnicového systému a výškového systému. Kromě lokalizační složky mají geografická data svoji atributovou složku, která zachycuje charakteristiky objektů a jevů v souladu s účelem modelování. Většina zpracovávaných dat v tomto úkolu je geologických a hydrogeologických, dále pro stanovení hranic modelu a charakteristik modelovaného území je nutné zpracovat také data topografická - v modelovaném území zahrnuje např. říční síť, výškové poměry. V GIS jsou obě složky (lokalizační i atributová) propojeny a data je možné editovat, analyzovat i vizualizovat pomocí řady nástrojů, kterými právě GIS jako SW nástroj disponuje. GIS řešení v rámci daného úkolu proběhlo ve dvou fázích: 1. Návrh a realizace geoinformačního systému Melechov 2. Předzpracování dat z geoinformačního systému Melechov pro využití k tvorbě sítě 1. Návrh a realizace geoinformačního systému Melechov Tato fáze řešení měla následující kroky: 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.
Návrh geoinformačního systému Melechov Zhodnocení dostupných dat a jejich stavu. Naplnění GIS daty Stanovení hranice pro budoucí model Tvorba profilů Výběr vrstev GIS Melechov dále zpracovávaných pro tvorbu sítě
1.1. Návrh geoinformačního systému Melechov V tomto kroku byl vytvořen následující konceptuální model celého budoucího geoinformačního systému. V něm jsou definované jednotlivé prvky modelu a jejich požadované vlastnosti v závislosti na požadavcích na data, která vstupují pak do modelů vzdálených interakcí. Vymezení území, ve kterém se bude dále modelovat, zatím v tuto chvíli není řešeno, data zpracováváme v jejich maximálním rozsahu, jak byla získána pro dané území. Vrstvy podkladové Budou obsahovat topografické podklady - vodní toky, vodní plochy, vrstevnice. Dále vodovody. Vrstvy důležité pro model proudění Geologická mapa polygony Hydrogeologická mapa polygony Geologické linie – tektonické linie, geologické hranice Hydrogeologické linie – rozvodnice, hydrogeologicky předpokládané)
významné
tektonické
linie
(ověřené,
Svodná vrstva dokumentačních bodů bude obsahovat: číslo bodu, souřadnice bodu, typ bodu (studna, vrt, pramen, pramenní jímka, plošná drenáž, mokřiny, porosty hygrofilních rostlin ), příslušnost k dalším vrstvám (studny, prameny, archivní body) Studny: číslo bodu, souřadnice bodu, typ bodu (studna, vrt, pramenní jímka), hloubka (studny, hladiny), pažení (druh, průměr), datum měření, vzorek pro chemickou analýzu (typ analýzy), poznámka Prameny: číslo bodu, souřadnice bodu, typ bodu (pramen, pramenní jímka), typ vývěru, typ měření (jednorázové, opakované, monitoring), datum měření, teplota vody, pH, vodivost, vydatnost, vzorek pro chemickou analýzu (typ analýzy), poznámka Archivní body: číslo bodu, souřadnice bodu, typ bodu, původní označení, hloubka, rozsah otevřeného úseku, koeficient hydraulické vodivosti, vzorek pro chemickou analýzu (typ analýzy), poznámka Chemizmus podzemních vod Data z vrtů Chemie Vrstvy ostatní, které by se mohly hodit k interpretaci a lze je převzít – geofyzika, strukturní geologie 1.2. Zhodnocení dostupných dat a jejich stavu. Naplnění GIS daty. Základem pro vytvoření geoinformačního systému Melechov podle návrhu uvedeného výše byla data získaná z ČGS. Data byla ve formátu ArcGIS geodatabáze, případně shapefile, v souřadnicovém systému S-JTSK. V rámci zpracovávaného území bylo možné využít po úpravě většinu získaných dat. Data byla zpracována v systému ArcGIS 9.x, z původní geodatabáze byly vybrány jednotlivě potřebné datové vrstvy a převedeny do shp formátu a přejmenovány v souladu s návrhem geoinformačního modelu. K tomu byly doplněny samostatné shp soubory, které nebyly obsaženy v geodatabázi, dále byly vytvořeny GIS vrstvy na základě geometrických dat formátu MicroStation dgn (v podstatě pouze digitální podoba grafických prvků tištěné mapy) doplněných o atributová data získaná z xls tabulek. Některé vrstvy původní geodatabáze byly rozděleny do více samostatných vrstev podle požadavků v návrhu geoinformačního systému, jiné vrstvy byly doplněny o body zaznamenané v xls tabulkách – do GIS převedeny na základě uvedených X,Y souřadnic. Dále byly jednotlivé bodové vrstvy doplněny o chybějící objekty (tj. bylo dosaženo stavu, kdy vrstvy obsahují všechny objekty), dále byly zaktualizovány (do atributových tabulek byla uložena nejaktuálnější data), atributové tabulky byly doplněny o další položky, které v původních datech nebyly. Dále byly odstraněny chyby v geometrii i tematické složce dat. Tyto práce byly prováděny v úzké spolupráci s Mgr. Rukavičkovou z ČGS. Stav dostupných dat a jejich úpravy pro GIS: Podkladová data: Vrstevnice – k dispozici byly vrstevnice z DMÚ 25 po 5 metrech, po 25 metrech a vrstevnice ZABAGED 1:10 tis. Ty však pokrývaly jen část území pokrytou ostatními daty, proto nebyly využity. Vodní toky – vrstva z původní geodatabáze obsahovala špatný zákres vodních toků (někde dokonce tok přes hřbet kopce), tyto chyby byly odstraněny a poté ještě na základě dat z terénního průzkumu Mgr. Rukavičkové vodní toky aktualizovány a doplněny. Vrstvy důležité pro model proudění: Hydropolygony a geologické polygony – tyto dvě vrstvy jsou vytvářené na základě geologické mapy, hranice jednotek u obou těchto vrstev by měly přesně odpovídat, ale na více místech hranice mají rozdílný průběh, velmi se od sebe liší, bylo potřeba vrstvu hydropolygonů vyčistit, odstranit chyby, opravit průběh hranic na základě podrobnější geologické mapy – vrstvy geologických polygonů.
Linie hydrogeologické mapy – tato vrstva obsahovala mnoho čar, všechny hydrolinie dohromady, ale byly zároveň značně neúplné. Vrstva byla rozdělena na několik dílčích datových vrstev a ty potom doplněny. Byla nově vytvořená vrstva rozvodnic. Byly vytvořeny nově vrstvy hydrogeologicky významných tektonických předpokládaných na základě rozklasifikování atributů v původní vrstvě.
linií
ověřených
a
Původní geodatabáze obsahovala vrstvu studní, pramenů, dokumentačních bodů, archivních bodů a vrtů. Tyto vrstvy byly neúplné, v atributové tabulce nebyly vyplněny položky u všech výskytů, bylo nutné bodové vrstvy nově předělat. Ve vrstvě studní byly doplněny chybějící studny, zkontrolována poloha a označení všech studní a na základě zaktualizovaných tabulek (od Mgr. Rukavičkové) byly doplněny chybějící položky, zkontrolována aktuálnost údajů, které v geodatabázi již byly a neaktuální údaje byly opraveny. Ve vrstvě vrtů byla chyba v poloze jednoho vrtu zjištěna na základě studia map a hodnot souřadnic. Chyba byla opravena. Ve vrstvě pramenů byly doplněny chybějící prameny, zaktualizovány stávající atributy v tabulce, doplněny chybějící záznamy, dále byly nově vytvořené položky pro uložení dat o průměru teplot vody, vodivosti, pH, vydatnosti, druh měření a počet měření. Pro vrstvu archivních bodů byly dohledány původní názvy a označení bodů a doplněny chybějící body i chybějící atributy (podklady k doplnění dodala Mgr. Rukavičková). Na základě doplnění a aktualizace těchto bodových vrstev byla vytvořena svodná vrstva, která sjednocovala geometrii výše uvedených tří vrstev, byly vytvořeny vlastní atributy svodné vrstvy dle návrhu GIS uvedeného výše, do vrstvy byly dále zdigitalizovány místa mokřin a porostů hydrofilních rostlin podle obrazu mapy. Dále byla doplněna chybějící vrstva rozvodnic, kterou vytvořila Mgr. Rukavičková. Na jejím základě stanovila hranici, ve které bude vytvářen model proudění. 1.3. Stanovení hranice pro budoucí model Na základě rozvodnic byla tedy navržena nová hranice modelu, což mělo ten dopad, že bylo nutné do vrstev GIS doplnit data, aby bylo pokryto celé vymezené území. U některých vrstev nenastal problém, protože data přesahovala stanovenou hranici, ale právě geologická a hydrogeologická mapa musely být rozšířeny. K dispozici jsem měla data na http://www.geology.cz/extranet/geodata/mapserver, odkud jsem převzala obraz geologické mapy. Z tohoto serveru se data získají pouze jako rastrový obrázek, ale na základě souřadnic identických bodů byl tento rastrový obraz georeferencován do souřadnicového systému S-JTSK. Georeferencování na základě známých souřadnic identických bodů a následný export jako geotiff jsem provedla v SW QuantumGIS. Tento geotiff vytvořil podklad pro digitalizaci v ArcGIS, kde byla pak rozšířena vrstva hydropolygonů. Byly zdigitalizovány chybějící hydropolygony a jejich části, opraveny hranice polygonů (dříve oříznuté na hranici původního území). Vrstva hydropolygonů byla rozšířena tak, aby přesahovala nově stanovené hranice modelu. Protože do budoucího modelu proudění budou vstupovat hlavně data hydropolygonů, a také z důvodu velké pracnosti při získávání dat do GIS na základě obrázků z geologického mapserveru, nebyla zatím rozšiřována vrstva geologických polygonů. 1.4. Tvorba profilů Abychom získali informace, jak vypadá modelované území pod zemí, Mgr. Rukavičková zajistila vykreslení geologických profilů do hloubek cca 500 m do předem připravených profilů terénu. Tyto však bylo nutné vytvořit. Tvorba profilů probíhala v následujících krocích: - Vytvoření 3D modelu terénu. - Zvolení profilových linií - Vytvoření profilu terénu v předem stanovených liniích
Vytvoření 3D modelu. Protože v SW ArcGIS, ve kterém byla zpracována dosud většina úloh nemám k dispozici nadstavbový modul 3D Analyst, byly veškeré 3D úlohy zpracovány v SW GRASS GIS. 3D model terénu byl vygenerován na základě vrstevnic importovaných z formátu shp. Vektorový soubor vrstevnic byl zrastrován s krokem 50 metrů v daném souřadnicovém systému. Na rastrových vrstevnicích byl pak vygenerován model terénu. Volba profilových linií spočívala na Mgr. Rukavičkové. Bylo navrženo 5 linií tak, aby procházely přes důležité hydrogeologické celky Melechovského masivu, sledovaly linie hlavních tektonických poruch a směry na ně kolmé. Dále byly navrženy 3 linie vedoucí přibližně osou úhlu tvořeného největšími vodními toky ohraničujícími modelované území a ve směrech kolmých. Vytvoření profilů spočívalo v práci nad digitálním modelem terénu, kdy byly ve výsledku vytvořeny grafy znázorňující průběh terénu podle stanovené linie. Grafy byly upraveny tak, aby byly nepřevýšené, což byl požadavek. Jinak pro znázornění charakteristik terénu se v geografické praxi používají modely převýšené, díky nimž vyniknou lépe charakteristiky terénu. 1.5. Výběr vrstev GIS dále zpracovávaných pro tvorbu sítě Pro tvorbu geometrie sítě pro další modelování budou v této fázi využity pouze vybrané vrstvy, přesněji pouze jejich geometrie a základní atributy. Přehled požadavků na objekty a atributy zařazené do tvorby sítě následuje. Data jsou lokalizována v souřadnicovém systému S-JTSK, rozsah území v souřadnicích Křovákova zobrazení (S, J, V, Z ): -1093039, -1109914, -670831, - 694412 m. Studny: označení bodu, souřadnice X, souřadnice Y Prameny: označení bodu, souřadnice X, souřadnice Y Vrty: označení vrtu, souřadnice X, souřadnice Y Vodní toky – geometrie toku Vrstevnice – grid výšek vygenerovaný na základě vrstevnic Hydrologicky významné tektonické linie ověřené – geometrie linií Hydrologicky významné tektonické linie předpokládané – geometrie linií Rozvodnice – geometrie linií Profily – geometrie linií Tektonické linie – geometrie linií Geologie (litologie) – geometrie hranic hornin Vodní plochy – geometrie břehové čáry Hydropolygony – geometrie hranice hydrogeologické oblasti Geologie – polygony – geometrie hranice geologické oblasti 2. Předzpracování dat z geoinformačního systému Melechov pro využití k tvorbě sítě Tato činnost proběhla následovně: 2.1. Výběr dat pro zpracování sítě 2.2. Předzpracování bodových prvků, liniových prvků, plošných prvků a výškových poměrů. 2.1. Výběr dat pro zpracování sítě Pro vytvoření geometrie sítě pro další modelování bylo požadováno předzpracovat v této fázi následující objekty a jejich geometrii: Hranice modelovaného území Rozvodnice Vodní toky Hydrologicky významné tektonické linie ověřené i předpokládané Hydropolygony – hranice jednotlivých oblastí Studny – poloha, označení Prameny – poloha, označení Vrty – poloha, označení 2.2. Předzpracování bodových prvků, liniových prvků, plošných prvků a výškových poměrů. Na základě požadavků na vstup dat do programu pro vytvoření sítě GMSH pro následné modelování bylo vyzkoušeno několik variant a jako nejefektivnější z hlediska dalšího zpracování do sítě byla požadována data v následující podobě:
Vše (myšleno geografické, hydrogeologické a geologické objekty vstupující do geometrie modelu nebo ovlivňující geometrii modelu) bude převedeno na body s udanými souřadnicemi v S-JTSK. Každá mapová vrstva nebo její část bude uložena jako samostatný textový soubor, hodnoty budou oddělené středníkem. Z geoinformačního systému byly exportovány požadované objekty následovně: Bodové prvky. Studny, prameny, vrty – ve dvou variantách. V první variantě byl vytvořen soubor obsahující pouze X,Y souřadnice každého bodu. Každý jednotlivý bod byl představován jedním řádkem souboru. V druhé variantě byl vytvořen soubor obsahující X,Y souřadnice a označení bodu (pro další napojení dat a vlastností vztažených k bodu). Počet objektů: studny 191, prameny 134, vrty 7. Liniové prvky. Vodni toky, tektonické linie hydrologicky významné, rozvodnice, hranice území – každá linie byla nahrazena množinou bodů, jedná se o lomové body polylinie, která reprezentuje geometrii objektu v mapě. U bodů udány souřadnice X,Y. Bodů bylo ponecháno maximum, při tvorbě sítě v gmsh budou naředěny podle potřeby. V opačném případě je možné již v rámci předzpracování dat zajistit, že budou vyexportovány pouze vybrané body a zvolit určitou metodu generalizace. Plošné prvky. Zde se jednalo o hydropolygony, byly zpracovávány nejprve hranice hydropolygonů jako celek do jediného souboru, což se při dalším zpracování ukázalo jako neefektivní při práci v gmsh, proto bylo zvoleno řešení vytvořit soubor pro každý hydropolygon v rámci modelovaného území zvlášť i přesto, že zde vznikne redundance – hranice sousedních oblastí jsou uloženy dvakrát, ve dvou různých souborech. Výškové poměry. Specifická byla úprava dat o nadmořské výšce povrchu. Východiskem byly vrstevnice s hustotou po 5 m. Byly vytvořeny dvě varianty výstupu. První variantou bylo podobně jako u vodních toků nahrazení linií množinou bodů, vycházelo se z vrstevnic DMÚ25, body ležící na vrstevnici byly zaznamenány s rozestupy 50m. Druhá varianta byla poskytnout body s udanou nadmořskou výškou v pravidelném uspořádání, z konzultace s ing. Capekovou, která tvoří síť pro další modelování, vzešla postačující velikost gridu 100x100m a na základě vrstevnicové mapy z GIS pak v programu Surfer bylo území rozgridováno do pravidelné čtvercové sítě s krokem 100m. Veškeré hodnoty vycházely z požadavků na přesnost modelované sítě (která byla stanovena asi na 200 m) a na výsledný objem dat při tvorbě sítě. Výsledné soubory nesoucí informaci o nadmořských výškách obsahují pro každý bod souřadnice X, Y, Z, kde Z je nadmořská výška. Závěr: Nasazení GIS systému pro předzpracování dat pro tvorbu sítí, které jsou základem pro další modely proudění, je velmi efektivní z několika důvodů. Prvním je velké množství zpracovávaných dat, která jsou svojí povahou geografická. Geometrie i vlastnosti objektů vstupují do dalšího modelování. Druhým je spolupráce s institucemi a firmami, které potřebná data dodávají ve formátech, ve kterých je samy zpracovávají. Ať už se jedná o formáty GIS systémů, CAD systémů či tabulková data, tyto formáty lze buďto v GIS zpracovávat nebo alespoň do GIS naimportovat a dále upravit a v GIS použít. GIS jako nástroj pracující s geometrií i vlastnostmi objektů je výhodný pro předzpracování dat pro další úlohy, jsou zde nástroje, jak připravit geometrii dat a vlastnosti dat v souladu s požadavky dalších prací buďto přímo v GIS systému nebo pomocí dalších specializovaných nástrojů, se kterými je možné různými způsoby vyměňovat data pořízená v GIS. Z řešení konkrétního úkolu vyplývají další možnosti pro ověření nasazení GIS týkající se maximálního zefektivnění úlohy tvorby sítě.
