ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE. Fakulta životního prostředí. Katedra vodního hospodářství a environmentálního modelování

Transkript

1 ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE Fakulta životního prostředí Katedra vodního hospodářství a environmentálního modelování MOŽNOSTI VYUŽITÍ PROGRAMU ARCGIS V HYDROLOGII Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jana Ředinová Konzultant: Ing. Vítězslav Moudrý Vypracovala: Alena Stibalová 2009

2 Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci zpracovala samostatně a použila pouze literární prameny, které jsou uvedeny v seznamu literatury. V Praze dne Stibalová Alena

3 Ráda bych poděkovala vedoucí práce Ing. Janě Ředinové a konzultantovi práce Ing. Vítězslavu Moudrému za cenné rady při zpracování této práce.

4 ABSTRAKT Tato práce se zabývala možnostmi využití programu ArcGIS v hydrologii. Součástí práce byla i stručná charakteristika geoinformačních systémů. Práce je koncipována jako návod pro vykreslení povodí a zjištění charakteristik vodního toku a výškových charakteristik povodí se stručnou definicí používaných funkcí. Byla provedena hydrologická analýza povodí pomocí dvou extenzí programu ArcGIS Spatial Analyst s nástroji Hydrology a extenzí pro hydrologické modelování ArcHydro na konkrétním povodí Smědé s uzávěrovým profilem Bílý Potok v Jizerských horách. Na závěr byly použité extenze porovnány podle získaných výsledků a podle srozumitelnosti aplikace pro uživatele. Výsledky jednotlivých analýz jsou srovnatelné pro obě dvě extenze, ale z hlediska srozumitelnosti a použitelnosti byla lépe hodnocena extenze ArcHydro. Klíčová slova: ArcHydro, Spatial Analyst Hydrology, vykreslení povodí ABSTRACT This work is about possibilities of use of ArcGIS software in hydrology. It contains short characterization of geographical information systems too. The work is written as instruction for watershed delineation and for determination of water flow, surface and elevation characteristics. It includes short descriptions of used tools and functions. Two extensions of software ArcGIS Spatial Analyst with tools Hydrology and extension ArcHydro for hydrological modeling were used for hydrological analyze of Smědá watershed with Bílý Potok outlet in Jizera mountains. The results of two used ArcGIS extensions were compared. Extension ArcHydro is more user friendly and has more hydrological funcions. Keywords: ArcHydro, Spatial Analyst Hydrology, watershed delineation

5 OBSAH 1. ÚVOD LITERÁRNÍ REŠERŠE GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY Využití geografických informačních systémů Prostorová data Možnosti zobrazení prostorových dat v GIS Vektorová data Rastrová data GIS SOFTWARE GRASS IDRISI DEMETERR ArcGIS GIS A HYDROLOGICKÉ MODELY Klasifikace modelů Propojení GIS a hydrologických modelů NADSTAVBY ARCGIS VYUŽITELNÉ PRO HYDROLOGII ArcGIS Spatial Analyst ArcGIS 3D Analyst ArcHydro ArcHydro Data Model ArcHydro Tools HYDROLOGICKÁ ANALÝZA POVODÍ S VYUŽITÍM ARCGIS - SPATIAL ANALYST Interpolační metody Interpolace z bodových dat Interpolace z liniových dat Vykreslení povodí Odstranění bezodtokých oblastí Určení směru odtoku Akumulace vody Identifikace uzávěrového profilu Konečné vykreslení povodí Stanovení charakteristik povodí Charakteristiky vodního toku Charakteristiky terénu Další charakteristiky HYDROLOGICKÁ ANALÝZA POVODÍ S VYUŽITÍM ARCGIS - ARCHYDRO Úprava DEM Prohloubení říčního koryta Vykreslení povodí Odstranění bezodtokých oblastí Určení směru odtoku Akumulace vody Identifikace vodního toku Segmentace rastru vodních toků Odvodňované oblasti povodí Vektorizace odvodňovaných oblastí povodí Vektorizace rastru vodních toků Propojení vektorových odvodňovaných oblastí Identifikace uzávěrového profilu Konečné vykreslení povodí Vykreslení subpovodí Stanovení charakteristik povodí Charakteristiky vodního toku Charakteristiky terénu Další charakteristiky KONKRÉTNÍ PŘÍPADY VYUŽITÍ ARCGIS V HYDROLOGII A PŘÍBUZNÝCH VĚDÁCH Využití ArcGIS pro interpolace Využití ArcGIS pro hydrologické modelování...32

6 3. METODIKA POPIS LOKALITY CHARAKTERISTIKY POVODÍ ArcGIS Spatial Analyst Vytvoření DEM Vykreslení povodí Charakteristiky vodního toku Charakteristiky terénu ArcGIS - ArcHydro Vykreslení povodí Charakteristiky vodního toku Charakteristiky terénu VÝSLEDKY DISKUZE ZÁVĚR...48 POUŽITÁ LITERATURA...49 PŘÍLOHY...51

7 Úvod 1. ÚVOD Geografické informační systémy jsou stále více využívaným nástrojem pro usnadnění lidské práce při zpracování geografických dat. S rozvojem počítačové techniky jsou tyto systémy stále vyvíjeny a zlepšovány. S velkým využitím je možné se setkat ve veřejné správě, v oblasti přírodních zdrojů, životního prostředí a zemědělství, při tvorbě inženýrských sítí, jako podpora vzdělání, při řešení dopravy nebo obrany, v oboru kartografie a zdravotnictví. Tato práce je zaměřena na využití geografického informačního systému ArcGIS v oboru hydrologie, který je možné zařadit do oblasti životního prostředí. Existuje mnoho druhů GIS softwarů, ale ne všechny se mohou využívat pro účely hydrologie. Softwary, které se tímto oborem zabývají nebo mají speciální extenze určené pro hydrologické analýzy jsou například ArcGIS s extenzí ArcHydro a extenzí Spatial Analyst s nástroji Hydrology, DEMETERR vytvořený speciálně pro hydrologické modelování, GRASS a Idrisi s nadstavbami pro hydrologické analýzy. Velmi často se tyto softwary využívají pro přípravu vstupních dat pro hydrologické modely a následnou interpretaci výstupních dat hydrologických modelů. Cílem této práce bylo řešení hydrologických analýz v prostředí ArcGIS v nadstavbách Spatial Analyst a ArcHydro pro konkrétní povodí a tyto dvě extenze porovnat z hlediska výstupů a srozumitelnosti aplikace pro uživatele. Práce je rozdělena na tři tématické části. První část práce je zaměřena na obecnou charakteristiku a fungování geoinformačních systémů, charakteristiku hydrologických modelů podle prostorové diskretizace a jejich propojení s GIS. Hlavní část práce je popisem a návodem k hydrologickým analýzám v nadstavbách Spatial Analyst s nástroji Hydrology a Surface a nadstavbou ArcHydro. Při hydrologických analýzách povodí byla řešena témata určování směru odtoku vody podle sklonitosti terénu, generalizace vodní sítě, vykreslování povodí jako základní hydrologické jednotky. Poslední část práce je zaměřena na konkrétní využití hydrologických analýz na povodí Smědé k uzávěrovému profilu Bílý Potok v Jizerských horách. 1

8 Literární rešerše 2. LITERÁRNÍ REŠERŠE 2.1. Geografické informační systémy Geografické informační systémy (GIS) lze dle Rapanta (2002) definovat jako funkční celek vytvořený integrací technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, obsluhy, uživatelů a organizačního kontextu, zaměřený na sběr, ukládání, správu, analýzu, syntézu a prezentaci prostorových dat pro potřeby popisu, analýzy, modelování a simulace okolního světa s cílem získat nové informace potřebné pro racionální správu a využívání tohoto světa. S jednoduchými prostorovými daty může pracovat i mnoho široce používaných počítačových programů, jako jsou databáze, tabulkové procesory, statistické programy, programy pro technické kreslení, ve kterých postačí prohledat záznamy v databázi nebo provést v záznamech jednoduchý výpočet. Výhodou geografických informačních systému je možnost odpovědí na mnohem složitější otázky, které bychom pouhým prohledáváním databáze nevyřešili. GIS může tedy pracovat s údaji o poloze objektů, o jejich vzájemných vztazích a typologii. Zpracované výsledky navíc zobrazuje pomocí přehledných map (ARCDATA 2007) Využití geografických informačních systémů Geografické informační systémy se využívají téměř ve všech oborech lidské činnosti. S velkým využití GIS se můžeme setkat ve veřejné správě (na krajských úřadech, magistrátech, statistických úřadech, ministerstvech, zeměměřičských a katastrálních úřadech, hasičských záchranných sborech atd.), kde slouží pro tvorbu územních plánů, tvorbu informačních systému s mapovými službami, zpracování katastrálních map, tvorbu krizových a povodňových plánů atd. Další oblast, kde je GIS velice hojně využíván je oblast přírodních zdrojů, životního prostředí a zemědělství. Příkladem může být tvorba klimatických map a analýzy sledování klimatu, tvorba geologických map, mapování biotopů, monitoring chráněných živočichů a rostlin, povodňová rizika, evidence vodních toků, modely terénu, modelování hydrologických a erozních procesů v krajině a další. Jinými obory využívající GIS jsou inženýrské sítě, vzdělání, doprava, obrana, kartografie, zdravotnictví a jiné Prostorová data GIS využívá data prostorová (angl. spatial data), která zaznamenávají informace o daném objektu a jeho poloze. Jako synonymum pro prostorová data se používá pojem geodata (z angl. georeferenced data), který je ale spíše synonymem pro geografická data, která jsou druhem dat prostorových a jsou vázána na povrch Země (Rapant 2002). Reálné objekty na zemském povrchu jsou vždy třírozměrné (3D). V prostředí GIS jsou však objekty zjednodušeny neboli generalizovány. 2

9 Literární rešerše Základní entitou vyjádřenou prostorovými daty je tzv. geoobjekt (Krása a kol. 2006) či geoprvek (Rapant 2002) angl. feature, který je charakterizován prostorovými (např. tvar, poloha) a neprostorovými (např. název, pórovitost, hustota) vlastnostmi tzv. atributy. Prostorové a neprostorové informace jsou zaznamenány v atributových tabulkách, které tvoří databáze. Geoobjekty jsou dále již nedělitelnými částmi a podle počtu dimenzí je lze dle Krásy a kol. (2006) a Rapanta (2002) členit na: 0D geoobjekty body, bezrozměrné objekty, definované pouze svou polohou. 1D geoobjekty linie, jednorozměrné objekty, reprezentuje objekty jako řeky, silnice, potrubí, vedení, tedy objekty tak úzké, že je není vhodné reprezentovat plochami nebo také objekty, které nemají definovanou šířku (např.vrstevnice). 2D geoobjekty plochy (polygony), dvojrozměrné objekty, plocha reprezentuje objekty, jejichž hranice uzavírá nějakou homogenní oblast (např. jezera, lesy, zastavěná plocha, atd.). 3D geoobjekty trojrozměrné objekty, objemové, v GIS se používají výjimečně, ve specifických případech. Třetí rozměr je v GIS nejčastěji modelován pomocí tzv. digitálního modelu terénu (DMT, DEM). Někdy se také uvádějí 2,5D geoobjekty bez dna, pouze povrch. Geoobjekty popisující stejné téma se sdružují a ukládají do mapových vrstev (Pechanec 2006). Příklady takových vrstev mohou být vrstvy zobrazující např. vodstvo, silnice, vrstevnice, atd. Každá vrstva je uložena do jednoho datového souboru, který lze používat v několika mapových dokumentech. Tyto vrstvy je možné libovolně nakládat nad sebe (Obr. 1). Ke každé vrstvě přísluší nebo je možné vytvořit metadata neboli popisná data o datech, která obsahují informace o tom kdo, kdy a kde prostorová data vytvořil, jaký mají souřadný systém, rozsah a kvalitu, čeho se týkají a k jakému slouží účelu atd. Obr. 1 Příklady digitálních prostorových vrstev v prostředí GIS (ARCDATA 2007). 3

10 Literární rešerše Možnosti zobrazení prostorových dat v GIS Prostorová data tvořící jednotlivé vrstvy mohou být zobrazena pomocí vektorových nebo rastrových dat Vektorová data Vektorová data umožňují vyjádřit prvky na zemském povrchu pomocí bodů, linií a polygonů. Používají se při vyjádření hranic parcel, trasy silnice či řeky nebo budovy. Typy souborů, které uchovávají vektorová data jsou shp (spolu se soubory shx a dbf), dxf, dgn a jiné (Rapant 2006) Rastrová data Rastrová data zobrazují obraz zemského povrchu pomocí informací obsažených v pravidelných buňkách = pixelech (picture elements nebo cells), které rastr tvoří. Příkladem rastrových dat jsou letecké fotografie, družicové snímky nebo naskenované mapy. Každá buňka rastru nese své informace, což umožňuje složitější operace s rastrem tzv. analýzy. Soubory, ve kterých jsou rastrová data uložena, mohou být různých typů jsou např. tiff, bmp, jpg, ras, cit a jiné (Rapant 2006). Rastrové buňky (cells) mohou mít různé tvary (Obr. 2), avšak nejpoužívanější je čtvercová. Obr. 2 Různé tvary rastrových buněk ( Rapant 2002). Obr. 3 Ukázka změny rozlišení DMT, postihnutelných detailů a objemové náročnosti (Krása a kol. 2006). Rast může být prezentován v různém rozlišení. Podle Krásy a kol. (2006) ale nemůže být daný jev prezentován v příliš velkém a detailním rozlišení, protože s větším rozlišením 4

11 Literární rešerše roste i objemová náročnost datového souboru. Na druhou stranu však při příliš malém rozlišení nedochází k žádoucímu modelování a prezentaci sledovaného jevu (viz Obr. 3) GIS software Existuje mnoho GIS softwarů a to jak komerčních tak i volně šířitelných. V této kapitole jsou uvedeny stručné charakteristiky vybraných softwarů, které umožňují provádění hydrologických analýz nebo hydrologické modelování. Detailněji je popsán software ArcGIS, protože má speciální extenzi ArcHydro pro hydrologické analýzy, která byla využívaná v rámci této práce GRASS GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) je software publikovaný pod licencí GNU General Public License (GNU GPL). Software je volně ke stažení na GRASS byl vyvíjen od roku 1982 U.S. Army Corps of Enginneer/CERL (Construction Engineering Research Lab) pro vojenské účely. Současná verze je ideální pro plánování krajiny a inženýrsko-technické použití. Umožňuje provádět prostorové analýzy - vytvářet modely srážek a povrchových odtoků, počítání drah povrchových odtoků, šetření stability svahů a mnoho dalších. GRASS obsahuje rovněž soubor modelů z oblasti hydrologických modelů a analýz. Jedná se mimo jiné o vymezení povodí, počítání SCS CN křivek, analýzy povodňových vln a využití různých modulů pro kompletní simulaci povrchového odtoku z daného území. Další moduly mohou vytvářet diagramy a statistiky k modelovaným a kalibrovaným datům (Neteler 2003) IDRISI IDRISI je rastrově orientovaný programový systém rozvíjený univerzitním týmem Clark University ve Worcestru v Massachusetts. Více informací lze nalézt na IDRISI byl zpočátku volně dostupný program, který sloužil pro výuku GIS na univerzitách, ale nyní je už komerčním GIS programem. Obchodní zastoupení pro Českou republiku zajišťuje firma Aquion s.r.o. Od ledna 2009 existuje nová verze nazývaná jako IDRISI Taiga. Verze IDRISI Andes nabízí topologické a hydrologické funkce, které jsou součástí palety nástrojů pro analýzu povrchu. Obsahuje mnoho funkcí pro interpolace, geostatistiku, pro výpočet topologických charakteristik. IDRISI také umožňuje provádět analýzy srážkoodtokových procesů, modelování potencionální eroze, vymezení povodí i modelování povodní a jejich předpovědi (Mašková 2008, Clark Labs 2008). 5

12 Literární rešerše DEMETERR DEMETERR je nový software pro hydrologické modelování, který vytvořil Vojtěch Barták v roce 2008 jako součást své diplomové práce na České zemědělské univerzitě (ČZU) v Praze. Program v současné době není volně ani komerčně dostupný, zatím by měl sloužit pro výuku na ČZU v Praze. Název programu DEMETERR je zkratkou z angl. Digital Elevation Models Elementary TERRain analysis. Program nevyžaduje instalaci, ale je vytvořen jako spustitelná *.exe aplikace, která pracuje pod operačním systémem Windows 2000 a novějšími verzemi Windows (včetně Windows Vista). Vstupní data musí být ve formátu textové matice čísel v ANSII kódování, neboli souboru s příponou.txt, který obsahuje číselné hodnoty elevací. Program umožňuje prohlížet a upravovat grafické výstupy z řešených úloh, ukládat obrázky a výstupní textové soubory. Pro řešení úloh je možné využívat většího množství algoritmů, což následně umožňuje porovnání výsledků. (Barták 2008). Toto je velký rozdíl např. oproti softwaru ArcGIS, kde není možné volit algoritmy výpočtů jednotlivých funkcí a uživatel je odkázán pouze na jeden výsledek analýzy. DEMETERR vyžaduje po načtení vstupních dat provést tzv. úvodní scan, který slouží k shromáždění informací o načteném digitálním elevačním modelu, nalezení a vytvoření seznamu plošin a depresí a vytvoření základní podkladové vrstvy OriginalDEM a až poté lze řešit jednotlivé úlohy. DEMETERR řeší ošetřování depresí a plošin, charakteristiky terénu (sklon, orientace svahu, vertikální zakřivení), simulaci povrchového odtoku a akumulaci odtoku, topografický index, ohraničení povodí, extrakci říční sítě. Výstupem z jednotlivých úloh jsou vrstvy, které lze zobrazovat a popřípadě použít jako vstupní data do dalších úloh. DEMETERR pracuje se čtyřmi základními typy vrstev - podkladová vrstva (Background Layer), vrstva směrů odtoku (Flow Directions Layer), vrstva hranic povodí (Catchment Boundaries Layer), vrstva říční sítě (Channel Network Layer) ArcGIS ArcGIS je geografický informační systém nabízený firmou ESRI (Environmental System Research Institute), která vznikla v roce 1969 v Kalifornii. Tato firma je předním producentem geografických informačních systému a mapového softwaru. Poskytuje řadu produktů, které jsou vhodné pro zobrazování, analyzování a správu geografických dat. Informace o této firmě a jejích produktech jsou dostupné na Výhradním distributorem GIS ESRI pro Českou republiku je společnost ARCDATA PRAHA, s.r.o., která má proto množství referencí ve veřejné správě (ministerstva, kraje, města, obce) a v celé řadě dalších soukromých i státních organizací. Více informací o této společnosti je dostupných na ArcGIS 9.x je nejnovější řadou softwaru ArcGIS a patří do kategorie ArcGIS Desktop. 6

13 Literární rešerše Do kategorie ArcGIS Desktop spadají produkty ArcView, ArcEditor, ArcInfo a volně dostupný prohlížeč publikovaných map ArcReader. Každý z těchto produktů splňuje různou úroveň funkcionality, a tak lze vybrat produkt, který bude uživateli nejvíce vyhovovat (ARCDATA 2007). ArcView je první ze tří úrovní řady ArcGIS Desktop, který je silným nástrojem pro tvorbu map a zpráv a získávání informací z map pomocí mapových analýz. ArcEditor je pracovním nástrojem pro automatizaci a shromažďování GIS dat určenou pro tvorbu a správu dat ve formátu geodatabáze, shapefile a dalších. ArcInfo je ze všech produktů nejobsáhlejší, který má nejvíce funkcí a nabízí všechny možnosti jako ArcView a ArcEditor. Navíc obsahuje kompletní sadu nástrojů v aplikaci ArcToolbox, která umožňuje pokročilé zpracování prostorových dat. Všechny produkty řady ArcGIS Desktop jsou tvořeny dvěma částmi ArcCatalog a ArcMap. ArcCatalog slouží k organizování a uspořádání dat v prostředí GIS. Navíc ještě umožňuje zobrazit náhled dat. ArcMap slouží k prohlížení a editaci geografických dat a umožňuje vytváření map, grafů, projektů a zpráv. ArcGIS pracuje s daty různých formátů. Pro mapové modely využívá vektorová data, rastrová data a TIN model (Triangulated Irregular Network) a pro zobrazení prvků vektorových dat používá coverage, shapefile a geodatabase GIS a hydrologické modely S častým využitím softwaru GIS se lze setkat při přípravě dat (tzv. preprocessing) pro hydrologické modely a při následném zpracování dat z modelů (tzv. postprocessing) např. ve formě přehledných map. Hydrologické a hydrodynamické modely se v dnešní době velmi rychle vyvíjejí společně se zlepšující se moderní výpočetní technikou. K tomu aby mohly modely pracovat a simulovat daný jev, je potřeba zpracovat velké množství prostorových dat. Právě k tomu jsou vhodné geografické informační systémy, které mohou provést i následnou vizualizaci vypočtených hodnot z modelů (Jeníček a Němečková 2007). Z toho důvodu je v následujících kapitolách uvedena základní klasifikace modelů, možné propojení GIS a hydrologických modelů a stručné charakteristiky vybraných modelů Klasifikace modelů Cílem matematického modelování hydrologických procesů je vyjádření časové a mnohdy i prostorové závislosti určitých veličin, charakterizujících hydrologický režim modelovaného objektu, tj. v našem případě povodí, nebo jeho části (Kovář 1990). Vodohospodáři vnímají modelování hydrologických procesů jako prostředek numerické simulace srážko-odtokového procesu (Daňhelka a kol. 2003). Matematické modely používané v hydrologii můžeme rozlišit různými způsoby. Daňhelka (2007) rozděluje modely podle prostorové diskretizace na: 7

14 Literární rešerše Lumped modely V těchto modelech, kterým se také říká modely celistvé, jsou parametry a vstupy pro celou simulovanou oblast vyjádřeny jednou reprezentativní hodnotou. Modely jsou velice zjednodušené a tím nerespektují plošnou variabilitu dané oblasti. Tyto modely jsou nenáročné na vstupní data a jsou stabilnější ve výpočtech, proto se nestávají tak často velké chyby a nebo je snadnější je najít. Pro výpočty jsou využívány jednoduché diferenciální rovnice v rozměrech 0D. Nevýhodou je však, že jsou použitelné pro omezenou rozlohu povodí a bez vlivů člověka a dalších komplikujících faktorů. Tyto modely jsou snadněji aplikovatelné a jsou proto tedy nejčastěji používanými modely. Distribuované modely Distribuované modely člení povodí na určitý počet pravidelných elementů (částí), které tvoří čtvercovou nebo trojúhelníkovou síť. Čtvercové části nazýváme tzv. gridy. Výhodami těchto modelů jsou vystižení prostorové variability hydrologických a meteorologických vstupů, vystižení prostorové variability charakteristik povodí (např. reliéf, vegetační pokryv, charakteristika půd). Naopak nevýhodami je datová náročnost modelu a složitost, časová náročnost v případě komplikovaných modelů a velkých povodí. Výpočty jsou prováděny pomocí parciálních diferenciálních rovnicích v rozměrech 1D, 2D a zřídka 3D. Semidistribuované modely Tyto modely se snaží eliminovat nevýhody předešlých modelů, a to datovou náročnost u distribuovaných modelů a přílišnou schematizaci u celistvých modelů. Semidistribuované modely dělí zájmovou oblast (povodí) na dílčí celky, homogenní podoblasti (nejčastěji subpovodí nebo výškové zóny). Tyto modely by měly být dostatečně jednoduché a zároveň by měly dostatečně vystihovat realitu Propojení GIS a hydrologických modelů Podle Sui a Maggio (1999) existují v současné době čtyři hlavní možnosti propojení GIS a hydrologických modelů (viz Obr. 4). Zahrnutí GIS do hydrologického modelu Prvním případem je zahrnutí GIS přímo do hydrologického modelu, což umožňuje přímo v prostředí modelu zpracovávat prostorová data. Toto propojení přináší výhodu v tom, že uživatel není omezen odlišnými formáty jednotlivých systémů. Ale nevýhodou může být nekompatibilita s ostatním GIS softwary. Příkladem je programový systém WMS (Watershed Modeling System), který vznikl jako samostatně se vyvíjející větev modelu HEC-1 a který v sobě integruje nástroje pro prea postprocessing prostorových dat (Jeníček a Němečková 2007). WMS využívá vstupní data vytvořená z DEM zájmového území v podobě fyzicko-geografických charakteristik povodí. Tímto způsobem získává model charakteristické rysy GIS, jako podpory distribuovaného hydrologického modelu (Daňhelka a kol. 2003). WMS je systém pro nejrůznější hydrologické výpočty zaměřený na přípravu dat pro některé podporované srážko-odtokové 8

15 Literární rešerše modely, které jsou jako vnější procedury systémem spuštěny. Možnosti využití prostředků GIS v rámci systému WMS se stále rozšiřují, v nejnovější verzi je podporován ArcGIS pomocí rozhraní ArcObject. (Kulasová a kol. 2004). Systém je komerční, ale jeho omezenou verzi je možné stáhnout na internetové adrese: Obr.4 Čtyři druhy propojení GIS a hydrologických modelů - (a) zahrnutí GIS do hydrologického modelu, (b) zapojení hydrologického modelu do GIS, (c) volná vazba a (d) těsná vazba (Sui a Maggio 1999). Zapojení hydrologického modelu do GIS Druhý případ je přesně opačný a to tak, že hydrologický model je zapojen do GIS. Toto propojení, kdy celý výpočetní proces probíhá v rámci GIS není výhodné. Příkladem je model SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Model SWAT má několik verzí propojení se softwarem ArcGIS ArcSWAT 1.0 pro ArcGIS 9.1, nebo novější verze ArcSWAT pro ArcGIS 9.2, nejnovější verze ArcSWAT pro ArcGIS 9.3 bude k dispozici během roku Model je volně ke stažení na Volná vazba Dalším typem propojení, který je nejčastěji využíván je tzv. volná vazba mezi GIS a modelem. Tento typ vazby nevyžaduje žádné programové propojení mezi GIS a modelem. V GIS jsou data zpracována a přenesena do modelu ve formátu, který daný typ modelu vyžaduje. Nakonec jsou výsledná data z modelu opět přenesena do GIS a zpracována k prezentaci. Proto jsou vyvíjeny nástroje GIS pro zpracování prostorových dat a jejich export do modelů. Příklady jsou rozšíření pro produkty ESRI jako GeoHMS, GeoRAS nebo ArcHydro. V současné době je volně dostupný na internetu program HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) pro Windows, který zahrnuje model HEC-1, takže je tedy jeho novou 9

16 Literární rešerše verzí. Pro odvozování fyzicko-geografických charakteristik povodí je kompatibilní s jednoduchým systémem GIS, a to HEC-GeoHMS a HEC-GeoHMS ADD-In (Kulasová a kol. 2004). HEC-GeoRas tvoří komunikační rozhraní mezi modelovacím softwarem HEC a prostředím GIS. Pomocí HEC-GeoRas lze snadným způsobem získat geometrická data (proudnice, příčné profily a břehové hrany, aj.), parametry modelu (drsnostní součinitel, atp.) a další data, která jsou následně importována do programu HEC-RAS (Sovina a kol. 2008). Hlavní předností srážko-odtokového modelu HEC-1 je, že se jedná o typ modelu semidistribuovaný, takže umožňuje sestavit řešené povodí z několika celků. Těsná vazba Posledním typem propojení jsou těsné vazby mezi GIS a modelem. Existuje tak programové propojení mezi jednotlivými částmi (např. na bázi DDE-Dynamic Data Exchange nebo NET platformy) Nadstavby ArcGIS využitelné pro hydrologii ArcGIS má mnoho nadstaveb. Pro využití ArcGIS v hydrologii mohou být využívány funkce v nadstavbách Spatial Analyst, 3DAnalyst a ArcHydro ArcGIS Spatial Analyst 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. Jednotně s geografickým systémem poskytuje Spatial Analyst snadný přístup k četným funkcím grafických modelových nástrojů ModelBuilder (ESRI 2007). Součástí Spatial Analyst je sada nástrojů Hydrology, která obsahuje funkce umožňující provádět hydrologické analýzy povodí např. identifikace bezodtokých oblasti, určení směru odtoku z buňky, vykreslení povodí a také obsahuje sadu nástrojů pro interpolace např. IDW a Kriging ArcGIS 3D Analyst Nadstavba 3D Analyst poskytuje výkonné a pokročilé nástroje pro vizualizaci, analýzu geografických dat a nástroje pro modelování povrchu. Pomocí ArcGIS 3D Analyst se může prohlížet velké množství dat v trojrozměrném formátu z mnohonásobného hlediska a vytvoření reálného obrazu, který je tvořen rastrovými a vektorovými daty překrývajícími povrch terénu. Součástí 3D Analyst je sada nástrojů pro interpolace, která je totožná s interpolačními metodami v Spatial Analyst (ESRI 2007). 10

17 Literární rešerše ArcHydro ArcHydro je model prostorových a časových dat pro hydrologické analýzy, který vznikl ve spolupráci firmy ESRI a Center for Research of Water Ressource (CRWR) Texaské univerzity v Austinu ( Skládá se ze dvou hlavních komponent - ArcHydro Data Model a ArcHydro Tools. Tyto dva komponenty spolu s vlastním prostředím ArcGIS poskytují základní databázovou strukturu a sadu nástrojů pro běžné hydrologické analýzy (Jedlička a Štych 2007). ArcHydro je volně přístupný program, který je ke stažení na internetových stránkách v oddělení downloads - Data models v těchto verzích: ArcHydro Tools verze 1.1 Final pro ArcGIS 8.3, ArcHydro Tools verze 1.1 Final pro ArcGIS 9 (9.0 or 9.1) ArcHydro Tools verze 1.2 Final pro ArcGIS 9.2 ArcHydro Tools verze 1.2 Final pro ArcGIS 9.0/9.1 ArcHydro Tools verze 1.3 Final pro ArcGIS 9.2/9.3. Před instalací je potřeba nainstalovat Water Utilities Application Framework (ApFramework). ApFramework slouží jako programový základ pro řadu dalších nadstaveb jako je ArcHydro, GeoRas či GeoHMS. Softwarové požadavky: ArcGIS 9.2/9.3 či vyšší verze (ArcHydro je plně funkční ve verzi ArcInfo nebo ArcEditor, škála ArcView umožňuje pouze omezenou funkčnost) Spatial Analyst Extension XML překladač verze 3.0 or 4.0 (MSXML 3.0 or MSXML 4.0) ArcHydro Data Model Datový model ArcHydro je určen pro analýzy přírodních vodních systémů. Není vhodný pro analýzy umělých vodních systémů (např. vodovodní sítě). Pro práci s umělými vodními systémy vyvinula firma ESRI samostatný datový model ArcGIS Water Utility. ArcHydro model neumožňuje pracovat s daty o podpovrchových vodách. Pro analýzu podpovrchových vod byl vyvinut ArcHydro Groundwater data model (ESRI 2009). Využití ArcHydro umožňuje vznik Hydrologického Informačního Systému. Tento systém propojuje prostorová data s časovými daty získanými z monitorovacích stanic (srážky, průtok a jiné) a umožňuje tak podporu hydrologických analýz a modelování. Díky jednoduchému, ale systematickému propojení prostorových a časových dat v rámci jedné geodatabáze, umožňuje sledovat pohyb vody sítí vodních toků, vytvářet série map, popisujících změny dané veličiny v čase. Prostorová data popisují prostředí, skrz které voda proudí, a časová data popisují pohyb vody tímto prostředím (Jedlička a Štych 2007). Geodatabáze je propojena pomocí přiřazování různých druhů ID, tedy identifikačních čísel vyjadřující každý prvek v databázi např. HydroID, HydroCode, DrainID, JunctionID atd. ArcHydro Data Model se skládá z 5 základních částí: Network (geometrická síť), Drainage (povodí), Channel (říční kanál), Hydrography (hydrografické informace) a Time Series (časová data) viz Obr

18 Literární rešerše Obr. 5 Struktura ArcHydro Data Model (ArcHydro 2006). Network Popisuje propojení vodního toku pomocí geometrické sítě. Network zajišťuje propojení segmentů vodních toků (Edge) a bodů na vodních tocích (Junction) jako jsou například soutoky, ústí vodních toků do nádrží či jezer nebo monitorovací stanice (Jedlička a Štych 2007, Olivera a kol. 2002b). Drainage Určuje směr povrchového odtoku podle konfigurace terénu. Vymezuje oblast, která je odvodňována jedním tokem. Jakákoli odvodňovaná oblast je v prostředí ArcHydro nazývána Drainage Area a obsahuje několik podtříd Catchment, Watershed a Basin (Jedlička a Štych 2007, Olivera a kol. 2002a): Catchment slouží k vymezení elementárních odvodňovaných oblastí. Ty jsou vymezeny na základě konfigurace terénu, kdy ke každému toku nebo jeho části je vymezena odvodňovaná oblast. Watershed vymezuje oblast odvodňovanou ke zvolenému uzávěrovému profilu. Na rozdíl od podtřídy Catchment, která je generována automaticky, se musí pro vytvoření Watershade zadat jeden či více uzávěrových profilů, ke kterým je následně vymezena odvodňovaná oblast. Basin představuje administrativně určené povodí, nejčastěji pojmenované po hlavní řece. Většinou je tato podtřída tvořena z několika polygonů Watershade a mnoha polygonů Catchment. Závěrový bod polygonů Drainage Area představuje Drainage point. Může být vytvořen pro všechny výše zmíněné podtřídy Drainage Area. Hydrography Hydrography představují důležité hydrologické objekty (např. jezera, mosty, monitorovací stanice) a jejich souřadnice získané z map nebo jiných zdrojů (Davis a kol. 2002). 12

19 Literární rešerše Channel Představuje trojrozměrnou prezentaci tvaru říčních kanálů, která je využívána pro určování záplavových oblastí. Je tvořena dvěma typy objektů příčnými a podélnými profily. Profily jsou tvořeny liniemi, které jsou vyjádřeny rovinnými souřadnicemi a navíc nadmořskou výškou a vzdáleností od počátku. Data jsou nejčastěji získána terénním měřením, mohou být také odvozena z digitálních modelů terénu (Noman a Nelson 2002). Time Series Time Series slouží k propojení časových a prostorových dat. Obsahují data znázorňující časový průběh měřené veličiny v dané monitorovací stanici. Všechny typy dat (např. průtoky, výška hladiny, srážkové úhrny) jsou ukládány v jedné atributové tabulce. Propojení těchto dat s konkrétním místem, se děje pomocí uložení HydroID konkrétního objektu jako FeatureID v atributové tabulce Time Series. Existuje více časoprostorových datových typů, ale základní verze ArcHydro využívá pouze jeden typ Atribut Series využívající atributové tabulky (Maidment a kol 2002) ArcHydro Tools Nástroje ArcHydro Tools slouží k vytvoření požadovaných dat z DEM, které lze následně využít pro datový model. Lze tedy vytvořit geometrická síť a povodí. Dále jsou zde nástroje pro práci s atributovými tabulkami jednotlivých objektů. Dalšími zajímavými nástroji jsou nástroje pro vytvoření série map popisující změnu veličiny v čase. ArcHydroTools obsahuje několik sad nástrojů (Jedlička a Štych 2007): Terrain processing Sada nástrojů sloužící k charakterizaci reliéfu a určení odtokových vlastností v dané oblasti. Získaná nová data a informace o oblasti slouží následně k vymezení hranic povodí. Nástroje DEM Reconditin a Fill Sinks slouží k upravení vstupního digitálního modelu terénu. Pokud je DEM dostatečně kvalitní není potřeba jej upravovat. Terrain morphology Terrain morphology je sada nástrojů sloužící k zjišťování morfologických charakteristik. Lze počítat povrch či objem zkoumaného povodí a charakter jeho hranic. Charakteristiky jsou odvozeny z DEM, který může být ve formě rastru nebo TIN (Triangulated Irregulary Network). Watershad Processing Pro použití této sady jsou nezbytné informace o terénu a charakteru odtoku získané z Terrain Processing. Nástroje Watershad Processing následně vymezí povodí k zadanému bodu (uzávěrovému profilu). Network Tools Sada nástrojů pro vytvoření geometrické sítě vodních toků, která slouží k popisu pohybu vody v prostředí a která se skládá ze dvou složek geometrické sítě a logické sítě. Vlastní geometrická síť je tvořena dvěma prvky hranami (Edge feature) a spoji (Juniction feature). V ArcHydro jsou hrany představují liniovou vrstvou vodních toků a spoje 13

20 Literární rešerše představují prameny, soutoky a uzávěrové profily povodí. Logická síť je představována tabulkou, která popisuje jednotlivé prvky geometrické sítě a vztahy mezi nimi. Směr pohybu ve vodním toku je dán hodnotami spojů, které mohou být označeny jako source (zdroj, např. pramen) a sink (cíl, např. uzávěrový profil). Průběh toku pak směřuje od spoje source ke spoji sink (Jedlička a Štych 2007, Olivera a kol. 2002b) Hydrologická analýza povodí s využitím ArcGIS - Spatial Analyst Funkce pro hydrologické analýzy povodí využívají jako základní zdroj dat digitální model terénu, který je možné vytvořit pomocí různých interpolačních metod. Digitální model terénu může obsahovat chyby v podobě bezodtokých oblastí, které je nutné odstranit pro správné určení odtokových směrů, následnou generalizaci vodního toku, identifikace uzávěrového profilu, vykreslení povodí atd. Tyto úpravy a analýzy umožňují především funkce v sadě nástrojů Hydrology a Interpolation v nadstavbě Spatial Analyst, které jsou popsány v následujících kapitolách Interpolační metody Interpolační metody se velmi často využívají pro tvorbu DEM (digitálního modelu terénu) z bodových měření nebo na základě vrstevnic. DEM je nezbytným zdrojem dat pro hydrologické analýzy povodí. Interpolační metody se dále využívají např. pro interpolaci plošných srážek z bodových měření ve srážkoměrech, interpolace sněhové pokrývky a vodní hodnoty sněhu z bodových měření výšek a hustot sněhu. Nadstavby 3D Analyst a Spatial Analyst obsahují sady nástrojů pro interpolace. V nadstavbě 3D Analyst jde o sadu Raster interpolation a v nadstavbě Spatial Analyst se jedná o sadu Interpolation. Obě tyto sady obsahují stejné interpolační techniky a pracují na stejném principu. dat. Interpolační metody se mohou rozdělit na 2 typy podle použitých druhů vstupních Interpolace z bodových dat Extenze Spatial Analyst nabízí několik typů interpolačních metod, které zpracovávají bodová vektorová data. Vstupní data musí obsahovat hodnotu z (např. nadmořskou výšku), která bude interpolována. Jedná se např. o metody IDW a Kriging. IDW Metoda IDW (Inverse Distance Weight) je závislá pouze na vzdálenosti mezi místy měření a místem s predikovanou hodnotou. Čím vzdálenější je místo měření od predikované hodnoty, tím menší váha je mu přidělena. Výhodou této metody je, že zachovává hodnoty v místech měření, ale na druhé straně dává absolutní váhu měrným místům a dochází tak v interpolovaných hodnotách k vytváření ok ( bull-eyes ) (Šercl 2008). 14