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 7 1.1 Úvod.................................... 7 1.2 Cíl práce.................................. 8 2 Modelování terénu 9 2.1 Tvorba DMT............................... 9 2.1.1 Datové reprezentace DMT.................... 10 2.1.2 Interpolační techniky....................... 12 2.1.3 Přehled dostupných dat a jejich využitelnost.......... 13 2.2 Ověřování přesnosti DMT........................ 15 3 Analýzy DMT 16 3.1 Hydrologické analýzy........................... 16 3.1.1 Směr odtoku............................ 16 3.1.2 Akumulovaný odtok....................... 17 3.1.3 Čištění/Vyhlazování DMT.................... 18 3.1.4 Povodí............................... 19 3.2 Morfostrukturní a morfohydrogeometrické analýzy........... 21 3.2.1 Tvorba z topografických map.................. 21 3.2.2 Tvorba s využitím materiálů DPZ................ 22 4 Metodika modelování 23 4.1 Metodika tvorby privilegovaných cest.................. 23 4.2 Popis zkoumané oblasti.......................... 23 4.3 Použité GIS nastroje a data....................... 24 4.3.1 GIS Software........................... 24 4.3.2 DATA............................... 26 4.4 Tvorba DMT............................... 27 4.4.1 Rastrový model terénu...................... 27 4.4.2 Plátový model terénu....................... 28 4.5 Modelovani v ArcGIS........................... 29 4.5.1 Modelování privilegovaných cest................. 29 4.5.2 Tvorba modelu.......................... 30 5 Vlastní práce 32 5.1 Příprava vstupních dat.......................... 32 5.1.1 Tvorba vlastního DMT z dostupných dat............ 33 5.1.2 Hotový DMT........................... 36 5.2 Tvorba modelu v MB........................... 36 5.3 Porovnání modelů............................. 42 5.3.1 Rozdíly mezi modelem a realitou v obecné rovině....... 43 5.3.2 Detailní pohled na rozdíly mezi jednotlivými modely..... 44 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 Úvod a cíl práce 1.1 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 počítačů 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? 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 čištění, 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 očí 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 ZA- BAGED 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 produkt. 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 Reflektance Zakřivení Tvary terénu Odtok Povodí Viditelnost Obecná geomorfometrie Specifická geomorfometrie 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 vrcholky 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) zvýrazněný 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 reliéf bez vegetace, usnadňující realizaci rozčlenění terénu na dva základní tvary duté (deprese) a vypuklé (elevace). Jedinou nevýhodou je skutečnost, že radarové snímky nejsou tzv. měřické 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 vidění, 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 Metodika modelování 4.1 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 obalové 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 East- North. 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