WYKORZYSTANIE MAP TOPOGRAFICZNYCH DO ANALIZY ZMIAN PRZEBIEGU KORYTA RZEKI KRZYWORZEKA

Transkrypt

1 Tomasz NOSZCZYK, Maria NAWIEŚNIAK Józef HERNIK, Mateusz STRUTYŃSKI Jarosław TASZAKOWSKI EPISTEME 26/2015, t. II s ISSN WYKORZYSTANIE MAP TOPOGRAFICZNYCH DO ANALIZY ZMIAN PRZEBIEGU KORYTA RZEKI KRZYWORZEKA THE USE OF TOPOGRAPHIC MAPS TO ANALYZE OF CHANGES IN THE BED OF KRZYWORZEKA RIVER Streszczenie. Rzeki i potoki górskie to dynamiczne układy fluwialne, które ulegają ciągłym zmianom. Głównymi czynnikami, mającymi wpływ na ich natężenie w korycie cieku, są czynniki naturalne oraz czynniki antropogeniczne. Wykorzystując materiały kartograficzne można określić zmiany w układzie poziomym koryta cieku. Analizy zostały przeprowadzone na historycznych mapach topograficznych. Praca przedstawia analizę wykorzystania historycznych materiałów kartograficznych pod względem ich ewentualnej przydatności do zmian przebiegu koryta. Badania zostały zrealizowane na odcinku Krzyworzeki, na terenie gminy Wiśniowa, w powiecie myślenickim. Słowa kluczowe: mapy topograficzne, kalibracja, koryto rzeczne, rzeka Krzyworzeka Abstract. Rivers and mountain streams are dynamic fluvial systems that are constantly changing. There are two main factors that affect the intensity of changes in the river bed: natural and anthropogenic factors. Using cartographic materials, we can determine the changes in the horizontal layout of the river. Analyses were carried out on the historical topographic maps. The paper presents an analysis of use of the historical cartographic materials in terms of their potential usefulness to analyze of changes in the river bed. The study was carried out on the Krzyworzeka River, in Wiśniowa Community, in Myślenice District. Key words: topographic maps, calibration, river bed, Krzyworzeka River 109

2 WSTĘP 110 T. Noszczyk, M. Nawieśniak, J. Hernik, M. Strutyński, J. Taszakowski Cieki górskie poprzez dynamikę swojego przepływu, jak również przez zwiększoną działalność antropogeniczną, ulegają ciągłym zmianom w obrębie swojego koryta. Jak twierdzą Korpak i in. [2008] wprowadzenie zmian w jednym odcinku koryta cieku może pociągnąć za sobą przeobrażenia w innych jego częściach. Zmiany te są czasami trudne do przewidzenia. Szczególne natężenie procesów fluwialnych występuje na rzekach górskich, gdzie wezbrania mają dynamiczny przebieg i wywołują duże zmiany zarówno w układzie pionowym, jak i poziomym koryta rzeki. Do przeprowadzenia analiz związanych ze zmianami w układzie poziomym koryta cieku na przestrzeni czasu niezbędne są archiwalne materiały kartograficzne. Na ich podstawie można stan obecny odnieść do przeszłości, co stwarza możliwość dokładniejszej analizy zmian zachodzących w środowisku [Jaskulski i in. 2013]. Podkłady mapowe stanowią także cenne źródło położenia geograficznego, bowiem zaznaczona na nich sieć rzeczna, obok dróg, kościołów i osad, była dawniej elementem orientacyjnym na historycznych mapach [Graf i in. 2008]. Celem artykułu jest ocena możliwości wykorzystania dostępnych map topograficznych z różnych okresów czasu do badania zmian położenia w układzie poziomym koryta Krzyworzeki, na terenie gminy Wiśniowa, w powiecie myślenickim. Analiza układu poziomego i dynamika jego zmian ma istotny wpływ na ocenę stabilności danego odcinka koryta rzecznego. 1. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Badany obszar obejmuje wieś Wiśniową, jak i całą gminę, położoną w powiecie myślenickim, w województwie małopolskim. Przez tę miejscowość przepływa Krzyworzeka, będąca prawobrzeżnym dopływem Raby. Powierzchnia zlewni tej rzeki przy ujściu do Raby wynosi 80,2 km 2, a całkowita jej długość osiąga 18 km. Odcinek Krzyworzeki, który był przedmiotem analiz wynosi ok. 9 km [Nawieśniak i in. 2014]. Analizy przeprowadzono w oparciu o archiwalne materiały kartograficzne, które stanowiły (w formie rastrowej): - austriacka mapa topograficzna w skali 1: (Zone 6, kol. XXII) Spezialkarte der österreichisch-ungarischen Monarchie z 1907 r., opracowana przez Militärgeographisches Institut. Mapa jest czarno-biała, lecz brakuje na niej siatki topograficznej; - mapa topograficzna w skali 1: , opracowana przez Woj-

3 Wykorzystanie map topograficznych do analizy zmian... skowy Instytut Geograficzny w 1934 r. na podstawie mapy 1: z roku Mapa barwna z siatką topograficzną; - mapa topograficzna w skali 1: (godło ), opracowana przez Okręgowe Przedsiębiorstwo Geodezyjno-Kartograficzne w Rzeszowie w 1982 r. na podstawie mapy 1: z roku Mapa barwna zawierająca siatkę topograficzną. Chcąc przeprowadzić jakiekolwiek analizy na dostępnych podkładach mapowych na początku dokonano ich kalibracji w programie Microstation PowerDraftV8i. Proces kalibracji polegał na wyeliminowaniu zniekształceń geometrycznych, które występują na rastrze oraz na zdefiniowaniu układu geodezyjnego. Dokładność wykonania tego procesu jest ważna, gdyż eliminuje ona błędy obrazów rastrowych. Zależy ona jednak od wybranego modelu transformacji [Chang 2006, Osada i Sergieieva 2011, Wolski 2012, Jaskulski i in. 2013]. Ryc. 1. Szkic zawierający położenie wybranych do analizy punktów dostosowania Na podstawie mapy z 1934 r. wrysowano siatkę topograficzną do programu Microstation i w nawiązaniu do niej zgodnie z zasadami topologii wyznaczono 23 punkty dostosowania, w miejscach przecinania się linii siatki (Ryc. 1). Cały obszar transformowany znajdował 111

4 T. Noszczyk, M. Nawieśniak, J. Hernik, M. Strutyński, J. Taszakowski się więc wewnątrz wieloboku złożonego z punktów dostosowania. Zapewniło to równomierne rozłożenie tych punktów na rastrze. Wykorzystując narzędzia programu dokonano kalibracji mapy przy zastosowaniu przekształcenia afinicznego, które jest transformacją liniową pierwszego stopnia (Ryc. 2A). Podobnie skalibrowano pozostałe dwa podkłady kartograficzne (z 1907 r. i 1982 r.), z tym że 17 wybranymi punktami dostosowania były charakterystyczne punkty sytuacyjne (m.in. szczyty gór i kościoły) występujące na wszystkich trzech rastrach poddanych kalibracji (Ryc. 1). 2. WYNIKI I DYSKUSJA Zastosowany proces kalibracji mający na celu zdefiniowanie układu geodezyjnego i usunięcie zniekształceń jest kilkuetapowy. Po jego wykonaniu użytkownik uzyskuje efekt przestrzennie wpasowaną mapę. Niestety, bardzo trudne o ile w ogóle możliwe jest bezbłędne wykonanie kalibracji podkładu mapowego. Na jej wynik mają bowiem wpływ różne czynniki: parametry i jakość zeskanowanej mapy, wybór punktów odniesienia oraz rodzaj transformacji. Kalibracja map historycznych jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdyż nie wszystkie z nich posiadają informację o zastosowanym systemie odniesień przestrzennych [Chang 2006, Wolski 2012, Jaskulski i in. 2013]. Według Jaskulskiego i in. [2013] w transformacji afinicznej, dopasowanie punktów układu pierwotnego do odpowiadających im punktów układu wtórnego, odbywa się przez przesunięcie, obrót i zmianę skali układu pierwotnego względem wtórnego w kierunkach osi x i y. Ryc. 2. A: Skalibrowana mapa z 1934 r. z przykładowymi punktami dostosowania na siatce topograficznej dla badanego obszaru wsi Wiśniowa B: Kompilacja skalibrowanych map z 1907 i 1934 r. dla wybranego odcinka Krzyworzeki. 112

5 Wykorzystanie map topograficznych do analizy zmian... Po wykonaniu kalibracji, kolejnym etapem była ekranowa wektoryzacja przebiegu koryta Krzyworzeki na podstawie map. Proces ten polegał na przerysowaniu z mapy koryta rzeki, dzięki czemu powstała jej postać wektorowa (Ryc. 3A). O ile kompilacja historycznych map z 1907 i 1934 r. dała dobre efekty (Ryc. 2B), o tyle porównanie wektorowych przebiegów koryta rzeki ukazało błędy sięgające na niektórych odcinkach nawet 41 m (Ryc. 3B). Ryc. 3. A: Postać wektorowa rzeki Krzyworzeka w poszczególnych latach B: Koryto Krzyworzeki na wybranym odcinku w poszczególnych latach. Analiza całościowego przebiegu Krzyworzeki na przestrzeni lat pozwala stwierdzić, że zmiany zachodzące w układzie poziomym koryta obserwować można na poszczególnych odcinkach cieku (Ryc. 3B), a nie w układzie całościowym (Ryc. 3A). W przypadku analizowania zmian przebiegu danego zjawiska w określonym czasie, co niewątpliwie dotyczy zmian przebiegu koryta Krzyworzeki, sytuacja dodatkowo się komplikuje, bowiem trzeba dokonać oceny jakości map. Skalibrowane mapy z 1934 i 1982 r. nie wpasowały się już niestety tak dobrze (Ryc. 4). Wynika to przede wszystkim z różnych skal opracowań 1: (mapa z 1934 r.) i 1: (mapa z 1982 r.). Na mapę z 1982 r. drogi zostały naniesione o szerokości zdecydowanie mniejszej niż na pozostałe podkłady mapowe. Nie jest zatem możliwe 113

6 T. Noszczyk, M. Nawieśniak, J. Hernik, M. Strutyński, J. Taszakowski ich dokładne skalibrowanie, bowiem użytkownik nie jest w stanie określić, w którym miejscu powinny one przebiegać. Jeśli na jednym odcinku wpasują się prawidłowo, na innym całkowicie do siebie nie pasują. Powyższa sytuacja zaznaczona jest kolorem czerwonym na rycinie 4B. Ryc. 4. A: Kompilacja skalibrowanych map z 1934 i 1982 r. dla wybranego odcinka rzeki Krzyworzeka. B: Niedokładności w dopasowaniu skalibrowanych map z 1934 i 1982 r. dla wybranego odcinka Krzyworzeki. W celu osiągnięcia jak najdokładniejszego efektu wpasowania, mapy powinny być w jednakowych skalach. Na tej podstawie prawidłową wydaje się być opinia Wolskiego [2012], który twierdzi, iż niewątpliwie fundamentalnym jest warunek porównywalności skal, zwłaszcza w badaniach historycznych zmian krajobrazu. Niestety w wielu opracowaniach porównuje się ze sobą mapy w skalach np. 1: i 1: i formułuje na tej podstawie bardzo szczegółowe wnioski ( ). 3. WNIOSKI Analizy wykonywane na historycznych materiałach kartograficznych obarczone są zawsze określonym błędem. Wynika to z kilku czynników. Po pierwsze, nie wszystkie archiwalne mapy posiadają informację o zastosowanym na nich systemie odniesień przestrzennych. Ponadto podczas ich tworzenia z pewnością uległy generalizacji (ilościowej i jakościowej). Nie bez znaczenia jest również skala mapy, która wpływa na jej szczegółowość. Skale map topograficznych, jakimi dysponowali autorzy artykułu były zbyt duże do przeprowadzania szczegółowych analiz w zakresie zmian przebiegu koryta rzeki w skali mikro. 114

7 Wykorzystanie map topograficznych do analizy zmian... Na ich podstawie można dokonywać analiz w skali globalnej (makro), dotyczącej całościowego przebiegu Krzyworzeki. Warto również wskazać podstawowy warunek poprawnego wykorzystywania map do celów analizy relacji zachodzących w przestrzeni w różnych przedziałach czasowych. Graf i in. [2008] podają, że warunkiem tym jest uporządkowanie map według określonych kategorii, np. zakresu i sposobu prezentacji treści informacyjnej, chronologii wydań, skali map i pokrycia mapami obszaru badań. Wydaje się zasadne wskazać, że porównywanie map o różnej skali prowadzi do powstawania błędów. W istocie bowiem zmiana koryta rzeki w układzie poziomym o 41 metrów na przestrzeni kilkunastu lat świadczy o dużej niestabilności przekroju i tworzeniu w perspektywie czasu koryta roztokowego. W przypadku badań nad zmianami przebiegu koryta rzek, zasadne jest wykorzystywanie do tego typu analiz map historycznych o jednakowych skalach, które zapewnią większą dokładność. Mogą to być mapy geomorfologiczne lub archiwalne przekroje poprzeczne, które znajdują się w archiwach jednostek administrujących wodami. Dzięki temu analizy te, w sposób nie budzący wątpliwości wykazałyby ewentualne zmiany w układzie poziomym rzeki. Wyniki badań zrealizowane w ramach tematu nr DS 3371/ KGPiAK/2015 zostały sfinansowane z dotacji na naukę przyznanej przez MNiSW. BIBLIOGRAFIA Chang K-T Introduction to Geographic Information Systems. McGRAW-HILL Higher Education, Boston. Graf R., Kaniecki A., Medyńska-Gulij B Dawne mapy jako źródło informacji o wodach śródlądowych i stopniu ich antropogenicznych przeobrażeń. Badania Fizjograficzne nad Polską Zachodnią, Seria A Geografia Fizyczna, t. 59, s Jaskulski M., Łukasiewicz G., Nalej M Porównanie metod transformacji map historycznych. Roczniki Geomatyki, t. XI, z. 4(61), s Korpak J., Krzemień K., Radecki-Pawlik A Wpływ czynników antropogenicznych na zmiany koryt cieków karpackich. Monografia 4. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, Kraków. 115

8 T. Noszczyk, M. Nawieśniak, J. Hernik, M. Strutyński, J. Taszakowski Nawieśniak M., Strutyński M., Hernik J Charakterystyka zmian przebiegu koryta Krzyworzeki oraz potoku Niedźwiadek na terenie gminy Wiśniowa w ujęciu historycznym. Czasopismo naukowo-kulturalne EPISTEME, Nr 22, t.2, s Osada E., Sergieieva K O badaniu zniekształceń modeli transformacji map na podstawie elipsy Tissota. Magazyn Geoinformacyjny Geodeta 9(176), s Wolski J Błędy i niepewność w procesie tworzenia map numerycznych. Źródła kartograficzne w badaniach krajobrazu kulturowego. Prace Komisji Krajobrazu Kulturowego nr 16: 15 32, Komisja Krajobrazu Kulturowego PTG, Sosnowiec. Adres do korespondencji: mgr inż. Tomasz Noszczyk, mgr inż. Maria Nawieśniak dr hab. inż. Józef Hernik Katedra Gospodarki Przestrzennej i Architektury Krajobrazu Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie t.noszczyk@ur.krakow.pl, m.nawiesniak@ur.krakow.pl, rmhernik@cyf-kr.edu.pl dr inż. Mateusz Strutyński Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie mstrutynski@ar.krakow.pl dr inż. Jarosław Taszakowski Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie j.taszakowski@ur.krakow.pl 116