Nkteré možnosti topografického a hydrologického modelování v Idrisi Kilimanjaro

Transkript

1 Nkteré možnosti topografického a hydrologického modelování v Idrisi Kilimanjaro Vladimír Židek Klíová slova: topografické modelování, hydrologické modelování, DMT, GIS, malá povodí Anotace Píspvek pedstavuje nkteré možnosti topografického a hydrologického modelování, které systém Idrisi nabízí pro analýzu spojitých povrch, pedevším pro práci nad digitálním modelem terénu (DMT). Na píkladu Školního lesního podniku Ktiny se sousteuje pedevším na operace, které umožují detailn charakterizovat parametry odvodovací sít. Úvod topografické a hydrologické funkce nad DMT Povodí pedstavují jeden z reálných zpsob úplného lenní prostoru, a ada pírodních jev se k povodím vztahuje. Z topografického hlediska patí k hlavním komponentám povodí jeho topografický tvar a topologická struktura jeho odvodovací sít. (Podrobnjší informace o malých povodích uvádí nap. Krešl 1999.) Kvantifikace tchto komponent manuálním zpsobem je únavná a asov nároná. Automatizovaná nebo uživatelsky ízená determinace tchto komponent nad DMT je naproti tomu velmi efektivním zpsobem aplikace analytických nástroj GIS. Determinace odvodovací sít a s nimi spojeného hydrologického lenní poskytuje dležitý první krok pi tvorb hydrologického informaního systému konkrétního území. Topografické a hydrologické funkce v Idrisi Kilimanjaro Topografické a hydrologické funkce v Idrisi Kilimanjaro jsou souástí rozsáhlé palety nástroj pro analýzu povrchu. V nabídce GIS Analysis/Surface Analysis, která zahrnuje adu algoritm pro interpolaci, geostatistiku a pro výpoet topografických charakteristik, je k dispozici soubor modul Feature extraction. Jejich operace umožují stanovit nkteré charakteristiky povodí a identifikovat hlavní morfologické tvary reliéfu. Zájmové území Nejzajímavjší algoritmy operací vycházející z analýzy povrchu jsme použili v areálu Školního lesního podniku Masarykv les Ktiny (cca ha), který je úelovým zaízením MZLU v Brn. Pro základní orientaci v území je dležitá mapa využití krajiny (soubor Landuse), která vznikla na podklad hospodáské mapy, ortofotosnímk a SMO 1:5.000 pro cviení z pedmtu Základy GIS na LDF MZLU v Brn (Klimánek 2004). Základem se stala vektorizovaná hospodáská mapa ŠLP Ktiny pro období Informace o využití krajiny na ploše pozemk urených k plnní funkcí lesa byly získány z dat numerické ásti LHP a následn klasifikovány dle cílových hospodáských soubor do 6 1

2 kategorií (3 jehlinaté a 3 listnaté kategorie, viz tab.1). Ostatní plochy mimo les byly klasifikovány za využití ortofota a SMO 1:5.000 do dalších 7 kategorií. Pro vlastní topografické modelování slouží digitální model terénu (soubor DMT) pro jehož vytvoení byly využity vrstevnice Základní mapy 1: v intervalu 10 m. Prostorovou interpolací bylo vytvoeno bodové pole v siti 5 x 5 m (cca 7,5 mil.bod). Toto bodové pole bylo importováno do programu Idrisi - zde byla nejprve vytvoena nepravidelná trojúhelníkovitá sí a z ní byl potom interpolován výsledný DMT (Klimánek 2004). Protože asto je poteba pracovat ve velkém mítku, použili jsme pro vtšinu zde popsaných operací pouze ást zájmového území ŠLP Ktiny, a to jeho nejjižnjší oblast, do které patí pedevším lokalita Hády (viz obdélník na map LANDUSE). Tento výez je uložen v souborech HadyLanduse a HadyDMT. Výsledky aplikace topografických a hydrologických funkcí na ŠLP Ktiny Výpoet hranic a plochy povodí (modul WATERSHED) Velikost povodí má význam pedevším pro zjišování jeho ohrožení pívalovými dešti s velkou intenzitou a krátkou dobou trvání. Pro výpoet povodí existují v Idrisi dv metody: a) Automatizovaná Tato metoda identifikuje povodí o definované minimální velikosti v celém snímku. Minimální prahová hodnota pro výpoet je definována minimálním potem pixel. Chcemeli toto hodnotu definovat v metrických jednotkách, musíme znát velikost pixelu ve snímku. V našem pípad se jedná o hodnotu 5m. Pokud není tato velikost uvedena v metadatech, lze ji zjistit na základ rozdílu souadnic x nebo y, který podlíme potem ad nebo sloupc. 2

3 Na základ stanovené prahové hodnoty (v ha, km 2 ) modul WATERSHED rozlení zájmové území na dílí povodí o definované velikosti, se kterou je možno experimentovat. ŠLP Ktiny mapa lokálních povodí do 1 km 2 [modul WATERSHED] ŠLP Ktiny mapa lokálních povodí pro lokalitu Hády [modul WATERSHED] b) Interakní Pi ní uživatel vytvoí uzávru (seed image) na vybraném míst odvodovací sít, a systém vypote plochu povodí vztahující se k tomuto místu. Uzávra se pohodln vytvoí digitalizací linie na stanoveném míst, uložením tohoto objektu ve vektorovém tvaru, a transformací objektu do rastrového formátu. 3

4 Uzavírací objekt (seed image) se vytváí na tom míst (profilu) odvodovací sít, pro které chceme výpoet povodí realizovat. Prakticky lze snadno provést tak, že se digitalizací na obrazovce vytvoí linie, která se uloží jakožto nový vektorový soubor. Tento liniový soubor se pevede do rastrového tvaru modulem RasterVector. (K vytvoení nového rastrového soubor slouží modul INITIAL, do kterého se zadají parametry formátem odpovídajícího souboru. Modul WATERSHED spuštný se píslušným souborem digitálního modelu terénu souborem a s volbou Provide seed image, pak vypote hranice odpovídajícího povodí a vytvoí výstupní obrazový soubor. Pro Tsnohlídkovo údolí, které je významným rekreaním zázemím msta Brna, byla uvedeným zpsobem zjištna plocha povodí 297 ha. Obdobn lze popsanou operaci realizovat na kterémkoli profilu odvodovací sít. category hectares Plocha povodí Tsnohlíkova údolí Zjištní smru povrchového odtoku pro lokalitu Hády (modul FLOW ) Pi výpotu se zdává vstupní soubor DMT a definuje se název výstupního. Lze použít volbu odstraující dílí bezodtoké deprese (Perform pit removal) a definovat hodnoty pozadí, které se nemají zpracovávat. Modul FLOW vypote a zobrazí pro stanovené území píslušné smry povrchového odtoku. Pro lokalitu Hády pipadá nejvtší plocha (216.3 ha) pro smr 225, tj. JZ, viz následující obrázek. 4

5 category ha category ha Smry povrchového odtoku v lokalit Hády Výpoet povrchového odtoku (modul RUNOFF) U malých povodí je povrchový odtok ovlivován charakterem povodí, jeho geofyzikálními vlastnosti - pedevším retenní schopností pdy, a zpsobem obhospodaování. Povrchový odtok je veliinou, která rozhodující mrou podílí na vzniku vodních píval (Krešl 1999). V nejjednodušší variant lze povrchový odtok zjistit základní variantou modulu RUNOFF. V této variant se pedpokládá, že na každý pixel terénu dopadne jednotka srážek a poítá se akumulace srážkových jednotek (per pixel) na základ píslušného DMT. Modul RUNOFF nejprve zjišuje smry povrchového odtoku a potom poítá odpovídající kumulované úhrny srážkové vody. Tento výpoet povrchového odtoku mže být upesnn využitím pomocných soubor srážek a propustnosti pdy, které lze do algoritmu zalenit jako samostatné dílí soubory. Pixel souboru HadyDMT má rozlišení 5 m, jeho plocha je tedy 25m2. V základní variant modulu RUNOFF (se zanedbáním pdní retence) dopadne na každý pixel 25 l srážek. Nejvyšší zjištná hodnota m3 ve výstupním profilu pak znamená, že spadne-li na území 1 mm srážka, projeví se to ve výstupním profilu odtokem cca m3. Reklasifikací výsledného souboru Odtok (definováním prahové hodnoty, která se bude zobrazovat) lze získat strukturu odvodovací sít území o rzné úrovni podrobnosti. Po transformaci výsledného souboru do vektorového formátu a zobrazení výsledné vrstvy nad DTM obdržíme názorný grafický výstup 5

6 Odvodovací sí v lokalit Hády (práh zobrazení 5m 3 a 0.5m 3 ) Pi modifikaci souboru Odtok pirozeným logaritmem se minimálními hodnotami použité palety zobrazují rozvodnice. Výpoet eroze pdy proudící vodou (modul RUSLE) Modul RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) poítá erozi pdy na základ rovnice popsané v USDA Agricultural Handbook, Number 703. A = R. K. L. S. C. P [ t.ha-1.rok-1], kde A - prmrná roní ztráta pdy, R - faktor erozní úinnosti dešt, K - faktor erodovatelnosti pdy, L - faktor délky svahu, S - faktor sklonu svahu, C - faktor vegetaního krytu a osevního postupu, P - faktor protierozního opatení K výpotu je nutný DMT, obrazový soubor srážek R, obrazový soubor faktoru erodovatelnosti pdy K, obrazový soubor pdního krytu C a obrazový soubor faktoru protierozního managementu P. Dále je nutno stanovit prahové hodnoty pro sklon svahu, expozici svahu, délku svahu a nejmenší velikost plošek (patch). Prahové hodnoty sklon a expozice svahu slouží k rozdlení topografického povrchu do homogenních plošek. R - faktor erozní úinnosti srážek se vyjaduje v závislosti na etnosti jejich výskytu, kinetické energii, intenzit a úhrnu K - faktor erodovatelnosti pdy vyjaduje vliv kvality pdy na její odolnost vi dopadajícím dešovým kapkám a proudící vod a vliv velikosti infiltrace na množství povrchového odtoku LS - faktory svahu vyjadují vliv neperušené délky svahu a vliv sklonu svahu na velikost ztráty pdy 6

7 C - faktor vegetaního krytu a osevního postupu vyjaduje ochranný vliv vegetaního pokryvu, v závislosti na druhu a vývoji vegetace a použité agrotechnice Velikost faktoru C se stanoví jako pomr zjištného smyvu pdy na pozemku s pstovanými plodinami (vegetací) ke smyvu na pozemku s kypeným erným úhorem (kde C = 1) pi stejných ostatních podmínkách. Hodnoty v intervalu 0 1. P - faktor úinnosti protierozních opatení zahrnuje organizaní opatení, technická opatení, agrotechnická a vegetaní opatení,. Velikost faktoru P se stanoví jako pomr zjištného smyvu na pozemku s použitým protierozním opatení ke smyvu na standardním pozemku. Hodnoty v intervalu 0 1. Aplikace výpotu RUSLE pro zalesnná povodí je dosud ve stádiu experimentálního ovování (Suk 2005). Identifikace morfologických tvar reliéfu (modul TOPOSHAPE) Modul TOPOSHAPE klasifikuje obraz digitálního modelu terénu do jedenácti morfologických tvar reliéfu: peak, ridge, saddle, flat, ravine, pit, konvex hillside, saddle hillside, slope hillside, concave hillside, inflection hillside. esky: vrchol, heben, sedlo, plošina, strž, deprese, konvexní svah, svah v sedle, úboí, konkávní svah, inflexní ást svahu. Uživatel si tak mže uinit pedstavu o morfologii území díve, než ho osobn navštíví. Není ovšem vyloueno, že se skutenost bude od digitální klasifikace morfologických tvar v nkterých ohledech lišit. Algoritmus pro odvození tvar reliéfu je založen na údajích, které publikoval Pellegrini (1995). Další možnosti Nezmínili jsme zde klasické operace topograficko modelování nad DMT, jako jsou výpoty sklonitosti a expozice svah, výpoet vrstevnic nebo analytické stínování reliéfu, protože tyto možnosti dnes poskytuje vtšina komerních GIS. Za zmínku ovšem stojí ješt nkolik dalších zajímavých modul pro analýzu povrchu, které jsou v Idrisi Kilimanjaro implementovány: Modul PIT REMOVAL vytváí DMT bez bezodtokých depresí (pits), kterté by mohly komplikovat nap. práci s modulem povrchového odtoku.. Modul SLOPELENGTH zjišuje nejvyšší délku svahu ve stanoveném regionu. Hodnota této maximální déky svahu se pak piazuje každému pixelu uvedeného regionu. Modul CURVATURE poítá maximální zmnu polynomického povrchu v každém okn o velikosti 3x3 pixely. Modul FRACTAL, jakožto texturální operátor, vypoítává fraktální rozmr povrchu (na základ výpotu sklonitosti) pomocí vztahu (Eastman 2003): log(2) Fractional _ Dimension = 180 slope) log(2) + log(sin( )) 2. 7

8 Závr Operátory pro analýzu povrchu v systému Idrisi Kilimanjaro poskytují uživateli adu velmi užitených nástroj, umožujících zjišovat nejdležitjší prostorové charakteristiky sledovaného území. Ty lze velmi dobe uplatnit pi ekologických a hydrologických analýzách na rzné úrovni detailu. Krom uvedených modul je pro pokroilé uživatele k dispozici také grafické prostedí Spatial Dependence Modeler, které zprostedkovává pohodlný pístup k programu geostatistického modelování, predikce a simulace Gstat. Gstat je voln dostupný pod GNU General Public License na stránkách Modifikace zdrojového kódu Gstat pro Idrisi jsou umístny na Literatura Eastman J.R., 2003: IDRISI Kilimanjaro, Guide to GIS and Image Processing. Clark University, Worcester. Klimánek M., 2004: MapServer ve výuce GIS na LDF MZLU v Brn. Sborník konference Informaní systémy pro zemdlství, lesnictví a rozvoj venkova nov rozšíená EU. CD. eské centrum pro strategická studia, Praha. Krešl J., 1999: Vliv lesa na utváení odtoku pi pívalových a dlouhotrvajících deštích. Lesnická práce 78 (1999),. 11, Pellegrini G. J., 1995: Terrain Shape Classification of Digital Elevation Models using Eigenvectors and Fourier Transforms; UMI Dissertation Services. Suk P., 2005: Možnosti kvantifikace erozního ohrožení pdy v GIS Idrisi. Prezentace SVO, ÚGT MZLU Brno. Zidek V., Klimanek M., 2004: Geospatial Technologies in Czech Forestry and Landscape Management Students Education. Proceedings of the 4th European GIS Education Seminar, 2nd 5th September 2004, CD, paper 08. School of Geoinformation, Carinthia Tech Institute, Villach, Austria. Píspvek vznikl jako souást ešení výzkumného zámru Lesnické a devaské fakulty MZLU Brno. MSM Kontakt: Prof. Vladimír Židek Ústav geoinformaních technologií LDF MZLU v Brn zidek@mendelu.cz 8