Přednáška 4 1GIS2 Pokročilé aplikace digitálních modelů terénu, rastrová algebra, rastrové modelování FŽP UJEP
Rastrové analýzy Analýzy spojitosti (konektivity) zajímají nás funkční vztahy na rozhraních elementárních ploch( pixelů), prostorové šíření jevů na zájmovém území př.: proudové analýzy, ýyanalýzy ýyviditelnosti, analýzy ýyčasové dostupnosti, cenové povrchy... Analýzy kontextu (kontiguity) zajímají nás funkční vztahy, podobnost sousedících ploch vytváření spojitých oblastí obsahujících funkčně příbuzné plochy př.: řízená, neřízená klasifikace, reklasifikace dat Rastrová algebra spojování výsledků dílčích analýz do jednoho funkčního celku př.: erozní modely, předpovědi výskytu nerostných surovin, výběr vhodných lokalit pro výstavbu, zemědělské využití...
Analýzy spojitosti přímá viditelnost výpočet přímé viditelnosti (Line of Sight) princip spočívá ve výpočtu postupného šíření paprsku z místa pozorovatele postupně na všechny body v rastru. obvykle se uchovávají v dočasně vytvářených rastrech data o výšce paprsku nad terénem a výškovém úhlu stanoveném první překážkouř další definované parametry: výška v místě pozorovatele, cíle (např. výška antény,...) úhlová výseč z místa pozorovatele (např. směrovost antény) minimální, maximální výškový úhel (např. parametry mincovního dalekohledu ) min. a max. rádius (např. výkon vysílače, vysílací stín...)
Analýzy spojitosti přímá viditelnost vstupní data DTM (rastr nebo TIN) + umístění pozorovatele (bod, linie, polygon) výstupní data podle komplexnosti modulu rastr s hloubkou 1 bit (je vidět není vidět) nebo vyšší (výškový úhel pod kterým je cíl vidět, minimální i výška nad překážkou...) ř aplikace: umístění vysílačů, rozhleden, návrh tur. tras., urbanistické studie, návrhy dopravních komunikací... odvozené aplikace šíření hluku... nutné doplnit další faktory, např. závislost na vzdálenosti (inverzně kvadraticky)
Analýzy spojitosti sluneční záření roční suma přijaté energie optimální výškový úhel pro příjem maximálního množství energie v závislosti na zem. poloze poměr energie vegetačního období poměr energie vegetačního období k celému roku, etc...
Analýzy spojitosti sluneční záření modely: Sl SolarFlux (ArcINFO), Sli(IDRISI) Solei (IDRISI), SRAD, r.sun (GRASS) parametry modelů se obecně liší, obecně jsou používány mimo jiné tyto: výška, expozice, sklon (z DMT) datum, časový interval -> odvozením zenitový úhel a azimut slunce astronomické výp. parametry atmosféry ztráty, rozptyl, refrakce... aplikace: zemědělství optimální výběr lokality v závislosti na náročnosti plodiny energetika výběr optimální lokality pro fotovoltaické elektrárny...
Analýzy spojitosti hydrologické modelování určování povodí (odtokových pánví, oblastí) určování rozvodí směr proudění, akumulace srážek, délka proudu analýza vsakovacích oblastí kapacity odtoku... Základním nástrojem pro většinu dalších analýz je směr ě proudění (flow direction) praktický příklad z ArcGIS: směr ě proudění
Hydrologické modelování Směr proudění směr proudění DMT maximální změna výšky ve směru proudění
Hydrologické modelování odtokové oblasti (dílčí povodí) - Basins rozvodí - Watershed na základě směru proudění vygenerování linií rozvodí a rozdělení území do jednotlivých odtokových oblastí chyby v DMT zdánlivě bezodtoké oblasti, nesmyslné odtokové oblasti digitální ortofoto, stínovaný reliéf, odtokové oblasti
Hydrologické modelování Akumulace lze vytvořit schéma hydrologické sítě včetně modelovaných průtoků
Hydrologické modelování Délka toku vzdálenost konkrétního místa k ústí (resp.odtoku ze zájmové oblasti) měřený podél vodního toku
Modelování morfologické struktury reliéfu Pracujeme s pojmy: Sklon svahu Orientace svahu (expozice) Gradient (směr největšího spádu) Normálová křivost křivost normálového řezu bodě A(x,y) jako průsečnici plochy s rovinou obsahující normálu N k topografické ploše a tečny n ke spádnici, tak že rovina řezu je kolmá na tečnou rovinu k topografické ploše v daném bodě A(x,y). Horizontální křivost Poloměr horizontální křivost R_k je svislým průmětem poloměru normálové křivosti do roviny horizontálního řezu. Právě s pomocí hodnoty normálové křivosti můžeme charakterizovat jednotlivé morfometrické formy georeliéfu. Tyto formy jsou od sebe odděleny inflexními body. Pokud je normální křivost > 0, pak forma je konvexní (vypouklá) a pokud normální křivost < 0, tak je forma konkávní (dutá).
Modelování morfologické struktury reliéfu využití - automatizované členění zájmové oblasti na jednotlivé morfologické tvary atd...
Modelování morfologické struktury reliéfu příklad implementace v ArcGIS Spatial Analyst: A = [(Z1 + Z3 + Z7 + Z9) / 4 - (Z2 + Z4 + Z6 + Z8) / 2 + Z5] / L 4 B = [(Z1 + Z3 - Z7 - Z9) /4 - (Z2 - Z8) /2] / L 3 C = [(-Z1 + Z3 - Z7 + Z9) /4 + (Z4 - Z6)] /2] / L 3 D = [(Z4 + Z6) /2 - Z5] / L 2 E = [(Z2 + Z8) /2 - Z5] / L 2 F = (-Z1 + Z3 + Z7 - Z9) / 4L 2 G = (-Z4 + Z6) / 2L H = (Z2 - Z8) / 2L I = Z5 Z = Ax ²y ²+B Bx ²y + Cxy ²+D Dx ²+E Ey ²+ Fxy +G Gx +H Hy +I hodnota pixelu je rovna druhé derivaci povrchu DMT aplikace: určování morfologických tvarů, analýza kvality DMT
Modelování morfologické struktury reliéfu digitální model terénu byl s největší pravděpodobností vygenerován z vrstevnic a vzhledem ke skokovým změnám morfologie lze usuzovat na nepříliš kvalitní výběr metody td a jejích jjíh parametrů...
Modelování plošné kvantity jevu Zájmové území se rozdělí na pravidelný grid o zadaném rozlišení, pro každou buňku gridu se zvolenou metodou vypočte průměrná ů ě áhodnota jevu připadající í na tuto buňku. Příklad: plošně vyjádřená hustota obyvatel v ČR na základě bodové vrstvy obcí s počtem obyvatel. (pro přehlednost doplněno proporčním symbolem)
Vzdálenostní analýzy nejjednodušší případ: modelování přímé vzdálenosti k centrům pro většinu úkolů nepříliš praktické výsledkem rastr udávající v definovaných jednotkách vzdálenost k nejbližšímu centru ( v případě bodů) nebo nejbližšímu bodu na útvaru (v případě linií nebo ploch) vedlejším výsledkem směr k nejbližšímu centru, alokace (=Thiessenova teselace) příklad: vzdálenost, směr a alokační oblasti letišť v ČR
Analýzy spojitosti vzdálenostní analýzy, aplikace cenových povrchů jkáj jaká je nejkratší vzdušná dšávzdálenost mezi idě dvěma místy jaká je dojezdová vzdálenost k nejbližší nemocnici které oblasti jsou nejhůře pokryté záchrannou službou modelování vhodnosti lokality, predikce výskytu kde je nejvhodnější lokalita pro novou školu, nákupní centrum, skládku... kde mám za daných podmínek největší pravděpodobnost výskytu konkrétního rostlinného druhu modelování šíření látek v ovzduší, vodě... obsah znečištění NO x, O 3,... geostatistika pokročilé interpolace dat generalizace zonální analýzy
Vzdálenostní analýzy Za jak dlouho dojedu do Do kterého centra mám Jakým směrem to je do nejbližšího centra? nejblíž? nejbližšího centra?...srovnej s Voronoi diagramy...
Vzdálenostní analýzy princip výpočtu princip výpočtu vzdálenosti do konkrétního bodu: vzdálenost přes hranu 1 vzdálenost úhlopříčně 2 kterým směrem je nejbližší centrum (1-360 ; 0 je rezervovaná hodnota) do kterého centra to mám nejblíž
Aplikace cenových povrchů (cost surface) cenový povrch = vyjádření ceny za kterou lze projít přes ř plochu dané buňky oblasti bez dat (NULL <> 0) slouží jako neprostupná bariéra vzdálenostní analýzy, časová dostupnost jako hodnoty pixelů se volí čas (t= s/v); po silnici lze jet rychlostí 90 km/h, 10 metrů projedu za... směr pro cestu zpět do centra
Modelování vhodnosti lokality, predikce výskytu kombinace několika faktorů bodové ohodnocení každého faktoru rastrovou algebrou vypočtený rastr s vhodně zadanými váhami jednotlivých parametrů výběr místa pro výstavbu RD: využití půdy nadmořská výška blízkost školy blízkost nákupních center... v konečném kroku potřeba využít rastrovou algebru
Rastrová algebra výpočty se provádění po jednotlivých buňkách rastrů základní algebraické operace + + logické operátory (AND, OR, NOT...) + relační operátory (<, >, =, <>,...) + základní mat. funkce (goniometrické, logaritmy, zaokrouhlení,...) pokud mají rastry různé rozlišení, interně se během výpočtu převzorkují Které oblasti v rastru mají nadmořskou výšku mezi 50 a 1000 m?
Generalizace obvykle finální krok po provedené klasifikaci začištění výsledu analýzy vhodné před statistickým vyhodnocením, interpretací, prezentací dat opatrně, můžete znehodnotit výsledek
Další dodatečné úpravy rastrů rozdělení na spojité oblasti s unikátním ID vytažení izočar ze rastru obsahujícího vytažení izočar ze rastru obsahujícího spojitá data
Další dodatečné úpravy rastrů vytvoření obalové zóny v rastrové reprezentaci skeletizace vytažení kostry, nezbytné před automatickou vektorizací
Další dodatečné úpravy rastrů vyhlazení průběhu hranic (smooth) na ukázkovém obrázku se zjednoduší jd dšíprůběh ůběhhranic a vyplní oblasti bez dat nahrazení hodnotou, která se nejčastěji vyskytuje v okolí pixelu (shrink) na příkladu se nahradí pixely s hodnotou 5 hodnota expanduje do nejbližšího okolí (expand) na příkladu se pixely s hodnotou 5 rozšíří do svého okolí...atd...