Projekt Poohří. Výstavba modelových sítí a automatizace v rámci tvorby modelových sítí. Zpráva o stavu řešení problematiky

Transkript

1 Projekt Poohří. Výstavba modelových sítí a automatizace v rámci tvorby modelových sítí. Zpráva o stavu řešení problematiky RNDr. Blanka Malá, Ph.D., NTI, TUL Ing. Jan Pacina, Ph.D., UJEP Obsah: 1. Problematika výstavby modelových sítí současný stav řešení 1.1. Varianta 1: předzpracování dat v GIS, ruční editace souboru geometrie v GMSH 1.2.Varianta 2: zpracování povrchové sítě v GIS 2. Návaznost jednotlivých řešení na další fáze výstavby modelových sítí, problematika návaznosti 3. Východiska pro automatizaci řešení 4. Způsob předzpracování dat pro následné automatizované zpracování geometrie 4.1. Algoritmus zpracování geometrie nástin 1. Problematika výstavby modelových sítí současný stav řešení Modelová síť je modelem území v souladu se stanoveným účelem. Je výhodné zpracovávat takovéto modely právě v GIS nebo Gis využít jako bázi dat pro následnou tvorbu odvozených modelů modelových sítí. Model území je systémový model geograficky daného území, kde jsou prvky a vztahy systému definovány tak, aby bylo možné provádět dané analýzy a ýpočty nad bází dat. Je vždy vytvářen jako na implementaci nezávislý konceptuální model báze dat s definováním uživatelského pohledu na data, kde jsou definovány jednotlivé prvky reálného světa a jejich vztahy zásadní z hlediska účelu vytvářeného modelu a logický model již implementovaný v daném konkrétním software a jeho systému souborů a naplněný daty o konkrétním území. V rámci matematického modelování procesů proudění podzemních vod je výstavba modelových sítí a jejich naplnění daty z GIS podstatným úkolem. Existence modelové sítě požadovaných vlastností je podmínkou nutnou pro konkrétní výpočty v matematickém modelování procesů, které jsou v daném modelovém území zkoumány. V rámci tohoto dílčího úkolu bude řešena pouze problematika automatizované výstavby modelových sítí, případná řešení budou verifikována na modelových datech z různých oblastí. Problematika vytvoření geoinformačního systému jako báze dat pro výstavbu modelových sítí je zpracována dostatečně a bude pojednána pro konkrétní projekt Poohří zvlášť pro specifika, která jsou spojena s výstavbou GIS dané oblasti. Výstavba modelové sítě probíhá v několika krocích. Prvním krokem je vytvoření geoinformačního systému dané modelové lokality a jeho pravidelná aktualizace. Druhým krokem je stanovení požadavků na budovanou modelovou síť. Jedná se o požadavky na geometrii (velikost sítě v horizontálním a vertikálním směru, hustota sítě nebo výsledný počet elementů sítě, výběr geografických, geologických, hydrogeologických prvků a jevů, které ovlivňují geometrii sítě a budou zahrnuty do tvorby geometrie), třetím krokem je preprocesing dat z geoinformačního systému do požadovaných formátů daných modelovacími nástroji

2 používanými v dalším procesu. Toto předzpracování dat zahrnuje také stanovení metod a vývoj potřebných aplikací. Čtvrtým krokem je vlastní výstavba geometrie modelové sítě. Geometrie může být vytvářena v různých variantách rozsahu sítě (horizontální i vertikální rozsah), množství charakteristik modelovaného území zahrnutých do geometrie a hustoty modelové sítě. Pátým krokem je vlastní vytvoření souborů modelové sítě, kde síť je dána konečným počtem dvojrozměrných a trojrozměrných elementů v prostoru pokrývajících území podle stanovených kritérií a v daném prostorovém rozlišení. Každý element území definovaný polohou v prostoru nese dále informaci o poloze v topologickém smyslu a další atributy. Šestým krokem bylo ke každé variantě geometrie modelové sítě i vygenerované sítě samotné vytvoření souborů materiálových vlastností a počátečních podmínek simulací. V rámci řešení této části úkolu výstavby modelových sítí pro projekt Poohří byla hledána metodika, jak efektivně na základě dat uložených v GIS vytvořit soubor geometrie modelové sítě a následně soubor sítě. Předchozí zkušenosti a výsledky při tvorbě modelových sítí ukázaly, že stávající metody neumožňují rychlou a operativní tvorbu souboru geometrie modelových sítí, případně soubor geometrie neumožňuje operativní změny v geometrii, zásahy do geometrie jsou možné pouze ručně a opravy sítě trvají neúměrně dlouho. Pokud výsledná síť nevyhovuje, pak tvorba nové sítě opět trvá příliš dlouho. Vznikl požadavek vytvořit modelovou síť efektivním způsobem, generování geometrie aby bylo rychlé, aby výsledná geometrie byla invariantní vůči tvorbě výsledného msh souboru. Po zkoumání různých metod v rámci stávající tvorby modelovách sítí jsme došli k závěru, že nejefektivnější fází tvorby geometrie sítě je předzpracování dat v GIS. Probíhá po částech automatizovaně, za využití běžných funkcí systému a teprve následný převod předzpracovaných dat z Gis do geometrie GMSH je náročný hlavně časově a limitujícím faktorem je znalost problematiky u tvůrce případně člověka, který síť bude upravovat a editovat. K souboru geometrie musela být přiložena rozsáhlá dokumentace vysvětlující číslování jednotlivých částí souboru geometrie proto, aby byla možná ruční editace požadované části souboru. Nyní k výchozímu stavu řešení modelových sítí, tak jak bylo řešeno doposud. S odvoláním na DZZ_4_5 (záv. Zpráva řešenho úkolu vzdálených interakcí), kde bylo popsáno stanovení požadavků na tvorbu geometrie modelové sítě, se tímto již nebudeme zabývat. Navíc nastíněné řešení bude nezávislé na vstupních požadavcích, protože ty jsou řešeny v rámci předzpracování dat v GIS. Pokud bude v některé fázi postup předzpracovánínebo výsledek předzpracování odlišný od postupu uvedeného ve zmíněné zprávě, bude zde specifikován Varianta 1: předzpracování dat v GIS, ruční editace souboru geometrie v GMSH Veškeré prvky (myšleno geografické, hydrogeologické a geologické objekty vstupující do geometrie modelu nebo ovlivňující geometrii modelu) budou převedeny na bodové množiny, jednotlivé body budou mít udány souřadnice v S-JTSK. Jednotlivé objekty reálného světa (resp. originálního modelu geoinformačního systému), které vstupují do geometrie modelové sítě jsou tedy reprezentovány bodovými množinami. Zde pak nastupuje generalizační výběr. Bodová množina je vždy redukována tak, že body, které zůstanou, reprezentují vhodně tvar i velikost objektu v originálním modelu. Zjednodušení pomocí redukce bodové množiny, jež reprezentuje objekt v GIS, je nutné z hlediska množství

3 zpracovávaných dat a také z hlediska účelu a rozlišení modelové sítě. V modelové síti není důležitý přesný tvar (např. linie, které mohou být velmi komplikované svým průběhem), ale zachování předevsím topologických vztahů sousednosti a obsahování, zachování vzájemné vzdálenosti jednotlivých prvků. Pro další zpracování může být systém S-JTSK transformován na lokální souřadnicový systém pomocí transpozice v osách x a y o dané konstantní vzdálenosti udané v metrech, které jsou součástí dokumentace ke každé síti. Tato tranformace souřadnic však není nutná, protože následné automatizované zpracování není číselnou hodnotou souřadnic ovlivněno. V dosud používaném způsobu v této fázi byly body vyespotovány z GIS do formátu csv, který byl pak přetvořen na formát geo pro GMSH, který obsahoval pouze body a jejich souřadnice. Další zpracování bylo již ručně v GMSH. Aby bylo zajištěno, že orientace v *.geo souboru a případné opravy budou jednoduše proveditelné, je zásadní zvolit číslování bodů, linií, ploch a objemů podle určitého řádu. Pak vyhledání daného prvku dle jeho příslušnosti k vyhledávanému objemu, ploše bylo možné. Geometrie se skládá z množiny bodů, linií, ploch a objemů. Nejprve jsou vždy definovány body, na základě bodů linie, na základě linií plochy a plochami jsou ohraničeny a definovány objemy. Tvorba geo souboru začíná definováním bodů (zde se využívají data předzpracovaná v GIS). Linie se pak v GMSh vytvářejí ručně, stejně jako plochy a objemy. Linie v souboru *.geo jsou očíslovány podle předem stanoveného schématu, soubor *.geo je okomentován, aby pozice linie v rámci sítě i původního modelu byla zřejmá. Dále jsou očíslovány plochy modelu geometrie, každá vnější stěna modelovaného bloku, každá tektonická linie vertikální i horizontální (je 2D plochou), rozhraní hornin mají svoje číslování, podle čísla plochy lze velmi rychle zjistit, kde se plocha nachází a naopak Varianta 2: zpracování povrchové sítě v GIS Předzpracování dat pro tvorbu geometrie sítě v GIS znamenalo vytvoření bodových množin reprezentujících prvky tvořící základ geometrie. Pro tento účel byly liniové prvky nahrazeny množinou bodů, kde body byly od sebe vzájemně vzdáleny v souladu s požadavkem na rozlišení modelu. Oblasti v hranicích modelu ohraničené těmito liniemi byly vyplněny pravidelnou bodovou sítí. Dále byly odstraněny body této bodové vrstvy tak, aby žádný z bodů nebyl blíže než definovaná vzdálenost k bodu ležícímu na původních liniích. Základem geometrie je bodová vrstva, která je tvořena bodovým polem definovaným např. následovně: Body leží na tektonických liniích, rozestup bodů 150 m, body leží na rozhraní hornin, mají rozestup 150 m, body leží na hranici modelu a mají také stejný rozestup daný požadavkem na rozlišení modelu. Body mimo linie jsou uspořádány pravidelně v rozestupech 200 m. Vzdálenost každých dvou bodů je minimálně 150 metrů. Každý bod má souřadnice x, y. Dále byl vytvořen na základě vrstevnic digitální model reliéfu a na jeho základě byla každému bodu z vytvořené bodové vrstvy přiřazena nadmořská výška jako souřadnice Z. Bodová vrstva má svoji atributovou tabulku, kde jsou zaznamenány kromě souřadnic X,Y,Z další charakteristiky příslušnost bodu k typu linie (tektonika, rozhraní hornin, hranice), body uvnitř oblastí nesou informaci o oblasti, do které patří (tím o fyzikálních vlastnostech). Atributová data bodové vrstvy budou potřeba při tvorbě sítě a souboru materiálových vlastností. Modelová síť území je dána konečným počtem dvojrozměrných (trojúhelníků) a trojrozměrných elementů (čtyřstěnů) v prostoru pokrývajících území podle stanovených kritérií a v daném prostorovém rozlišení. Každý element území definovaný polohou v prostoru nese dále informaci o poloze v topologickém smyslu a další atributy. Modelová síť

4 je generována na základě souboru geometrie pomocí generátoru sítí GMSH nebo v druhém zmíněném případě na základě vytvořené bodové vrstvy v GIS jako povrchová trojúhelníhová síť. Došli jsme k závěru, že je nutné zautomatizovat tvorbu celé geometrie sítě tak, aby na vstupu byla efektivně předzpracovaná data z Gis a na výstupu soubor geometrie ve formátu geo pro GMSH. Tímto automatizovaným zpracováním bude dosaženo: Rychlého vytvoření geometrie modelové sítě Možnosti velmi rychle vidět celkovou konfiguraci sítě a zhodnotit její kvalitu z hlediska požadavků modelování Možnosti rychlého vytvoření nové (opravené) sítě podle požadavků modelování. Při požadavku na opravu geometrie sítě je výhodné opravu zavést do vstupních dat, která budou následně předzpracována v GIS a zpracována dále automatizovaně. Možnosti mnohonásobného vytváření sítí na základě různých variant vstupních dat. Nejen v projektu Poohří, kde bude řešena problematika modelování rozsáhlé oblasti v různé podrobnosti, dále budou požadovány dílčí sítě větší podrobnosti a menšího rozsahu, bude generováno velké množství sítí a bez automatizovaného řešení není možné požadavky na modelové sítě splnit. Problematika je natolik aktuální, že je řešena ve spolupráci dvou pracovišť NTI TUL a UJEP, také v rámci diplomových prací i studentských projektů. Jako výstupy jsou očekávány různé varianty řešení automatizované výstavby modelových sítí, verifikované na modelových datech z různých oblastí. 2. Návaznost jednotlivých řešení na další fáze výstavby modelových sítí, problematika návaznosti Varianta 1 tvorba geometrie ručně v GMSH na základě bodů vyexportovaných z GIS: Limitujícím faktorem je pomalá ruční editace, nutnost precizního číslování, složité opravy nebo zavádění změn v souboru geometrie. Varianta 2 vytvoření povrchové sítě v GIS: Povrchová síť nelze jednoduše rozšířit na geometrii prostorové sítě. Ale na základě řešení povrchové sítě v GIS vzniklo možné řešení automatizace tvorby geometrie sítě. Povrchová síť je tvořena trojúhelníkovými elementy, které vzniknou na základě delaunay triangulace v předem definované bodové množině. Pokud bychom toto vzali jako základ geometrie sítě, pak automaticky můžeme nadefinovat geometrii libovolného povrchu v síti a bude nutné řešit pouze propojení geometrie povrchů do objemové sítě. 3. Východiska pro automatizaci řešení Předzpracování dat v GIS bude provedeno ve variantě vytvoření bodové množiny (dle požadavků modelování) a provedení delaunay triangulace v bodové množině. Trojúhelníky budou tvořit základ geometrie. Z GIS budou vyexportovány variantně jako: Body číslo, souřadnice x,y,z Linie číslo, bod1, bod2 (krajní body linie) Trojúhelníky číslo, linie1, linie2, linie3 (ohraničující linie) Nebo Body číslo, souřadnice x,y,z Trojúhelníky bod1, bod2, bod3 (vrcholy)

5 Další zpracování bude pomocí aplikace, kdy z formátu dbf bude vytvořen textový soubor geo, obsahující body, linie, plochy a následně bude vyřešena tvorba objemových prvků prostřednictvím definování struktur geometrie v podobě trojbokých hranolů. 4. Způsob předzpracování dat pro následné automatizované zpracování geometrie: Řešení obecné, které lze automaticky postavit na základních funkcích GIS a vhodné úpravě dat. Bodová vrstva je prvním krokem řešeného procesu. Pro vytvoření bodové vrstvy byly liniové prvky nahrazeny množinou bodů, kde body byly od sebe vzájemně vzdáleny v souladu s požadavkem na rozlišení modelu. Oblasti v hranicích modelu ohraničené těmito liniemi byly vyplněny pravidelnou bodovou sítí. Dále byly odstraněny body této bodové vrstvy tak, aby žádný z bodů nebyl blíže než definovaná vzdálenost k bodu ležícímu na původních liniích. Základem geometrie je bodová vrstva, která je tvořena bodovým polem definovaným např. následovně: Body leží na tektonických liniích, rozestup bodů 150 m, body leží na rozhraní hornin, mají rozestup 150 m, body leží na hranici modelu a mají také stejný rozestup daný požadavkem na rozlišení modelu. Body mimo linie jsou uspořádány pravidelně v rozestupech 200 m. Vzdálenost každých dvou bodů je minimálně 150 metrů. Každý bod má souřadnice x, y. Následuje vytvoření delaunay triangulace v bodové vrstvě, kde trojúhelníky jsou uloženy jako linie i jako plochy. Na tomto základě dojde ke zpracování vztahů elementů vytvoříme, potřebný výstup jako vstup do aplikace Varianta 2: Vytvoření povrchových sítí v GIS pro jeden nebo více povrchů, které je potřeba spojit do objemové sítě. Bodové vrstvy shodné pro všechny povrchy (v souřadnicích x,y) Algoritmus zpracování geometrie nástin: Vytvoření bodové vrstvy v GIS Obr. 1. Hranice oblasti nahrazena bodovou množinou (daný rozestup bodů)

6 Obr. 2. Vyplnění oblasti pravidelnou sítí bodů Obr. 3. Sloučení vrstev bodů (hranice a vyplnění plochy)

7 Obr. 4. Postup eliminace bodů Obr. 5. Výsledná bodová vrstva Výsledná bodová vrstva maximální dosažená pravidelnost bodů při zachování průběhu modelovaných struktur. Následuje fáze vytváření triangulace na základě bodové vrstvy. Obr. 6. Vytvoření triangulace.

8 Triangulace vytvořená v GRASS GIS je uložena jako linie i jako plochy, aby bylo možno dále s elementy pracovat. Obr. 7. Body a elementy povrchové sítě vytvořené v GIS, podklad - DEM Další fáze zpracování geometrie v GIS: Vytvoření tabulky bodů vrcholů trojúhelníků a jejich souřadnic Vytvoření tabulky linií stran trojúhelníků a jejich krajních bodů Vytvoření tabulky trojúhelníků daných ohraničujícími liniemi Pokud máme triangulaci vytvořenou a uloženou jako plochy a jako ohraničující linie, bodovou vrstvu obsahující x,y,z souřadnice bodů, pak lze pomocí funkce průniku a následné sumarizace ihned získat tabulku linií a jejich krajních bodů a tabulku ploch a jejich ohraničujících linií. Struktura dat je následující: Bod_id, x,y,z Linie_id, bod1, bod2 Plocha_id, linie1, linie2, linie3. Nebo: Vytvoření tabulky bodů vrcholů trojúhelníků a jejich souřadnic Vytvoření tabulky trojúhelníků daných svými vrcholy (čísla bodů) Postup je stejný, akorát ve výsledku máme pouze 2 tabulky místo tří. Tabulka bodů a jejich souřadnic x,y,z a pak tabulka ploch (trojúhelníků) s jejich vrcholy. Struktura dat je následující: Bod_id, x,y,z Plocha_id, bod1, bod2, bod3. 5. Nástin automatizovaného řešení Další fáze řešení je automatizovaná pomocí aplikace.

9 Aplikace je založena na algoritmu, který dbf tabulky převede na formát geo Vyřešení objemů jako trojboké hranoly vyřešení svislých propojení v každém bodě (vrcholu trojúhelníku) mezi odpovídajícími si elementy dvou geometrií povrchu Výsledkem je formát geometrie sítě, invariantní vůči hustotě meshování a výsledné síti. Algoritmus 2 Povrchová síť vytvořená v GIS převedena do GEO souboru. Body, linie, plochy. Vyřešit zbývá spojení svisle mezi odpovídajícími si body (shodné x,y) podnínkou je stejná výchozí bodová vrstva v souřadnicích x,y pro tvorbu povrchové trojúhelníkové sítě libovolného povrchu. Obr. 8. Povrch převedený do GMSH Obr. 9. Více horizontálních povrchů reprezentace horizontálně uložených vrstev (GMSH)

10 Struktura vytvořená v GIS (body, linie, plochy) je převedená do geo formátu GMSH. Povrchová síť, která tak vznikne je základem pro následné automatizované řešení vytvoření bojemových struktur. Nebo povrchová síť může být i požadovaným výsledkem. Struktura více povrchových sítí reprezentujících vodorovně uložené sedimenty vytvořených v GIS a převedených do geo formátu GMSH. Vrstvy zatím nejsou propojeny svisle do objemových struktur. Tento problém bude řešen pomocí aplikace. Konkrétní body řešení automatizovaného zpracování modelovýh sítí jsou popsány v další zprávě ing. Pacinou. 6. Závěr Ve vývoji je několik různých řešení tohoto problému, k dispozici jsou první výsledky. Následující fází bude testování na různých vstupních datech, testování na různě vytvořených bodových vrstvách, které budou popisovat velké oblasti i malé oblasti, oblasti s vertikálními puklinami, oblasti s horizontálním členěním horizontální pukliny nebo vodorovně uložené vrstvy, více horizontálních vrstev nad sebou atd. Toto testování předpokládáme v následujícím čtvrtletí. Výsledkem by měla být ověřená metodika a funkční aplikace, které povedou k tvorbě modelových sítí v mnohem kratším čase než doposud. V okamžiku, kdy bude vytvořena bodová vrstva z dat GIS, pak tvorba geometrie sítě bude v reálném čase. Vytvoření bodové vrstvy v GIS nejde zautomatizovat, je nutné vytvořit vždy novou bodovou vrstvu v souladu s účelem vytvářeného modelu geometrie, rozsahu modelované oblasti i struktur, které pro daný účel mají do geometrie sítě vstupovat. To jsou požadavky vždy dané týmem modelářů, kteří se sítí budou dále pracovat. Vyvíjená metodika umožní vytvoření bodové vrstvy během několika hodin v případě, že bude požadavek na zpracování vstupních dat přesně specifikován.