Grzegorz Wałek Zakład Hydrologii i Geoinformacji Instytut Geografii UJK

Transkrypt

1 Budowa hydrologicznie poprawnego cyfrowego modelu wysokościowego - studium przypadku na przykładzie zlewni Grajcarka (pogranicze Pienin i Beskidu Sądeckiego) Grzegorz Wałek Zakład Hydrologii i Geoinformacji Instytut Geografii UJK

2 Plan prezentacji I. Cel pracy II. Terminologia, oprogramowanie i materiały źródłowe III. Procedura postępowania w budowie CMW na przykładzie zlewni Grajcarka IV. Wyniki V. Podsumowanie

3 I. Cel pracy Cel główny: Budowa hydrologicznie poprawnego, charakteryzującego się wysoką rozdzielczością przestrzenną cyfrowego modelu wysokościowego (CMW) dla zlewni Grajcarka, w oparciu o mapy topograficzne w skali 1: oraz Open-Source GIS. Cel poboczny: Ukazanie metodyki postępowania w procesie budowy CMW na konkretnym przykładzie, w tym: a) ukazanie możliwości zastosowania oprogramowania Open-Source GIS w procesie tworzenie CMW, b) strworzenie zrozumiałej procedury tworzenia CMW w celach naukowych i dydaktycznych.

4 II. Terminologia, oprogramowanie i materiały źródłowe CMW cyfrowy model wysokościowy (ang. DEM) NMT numeryczny model terenu pochodna obliczana na podstawie CMW (np. mapa spadków, ekspozycji) Open-source GIS oprogramowanie GIS o otwartym dostępie do kodu źródłowego, oparte najczęściej na wolnej licencji GNU, GPL, w większości przypadków darmowej do zastosowań prywatnych i komercyjnych Quantum GIS program GIS umożliwiający zaawansowaną analizę modeli wektorowych SAGA GIS program GIS umożliwiający zaawansowaną analizę modeli rastrowych Mapy topograficzne - 1:10 000, PUWG 1965; 1:50000, układ 1942 (mapa Sztabu Generalnego WP)

5 III. Procedura postępowania w budowie CMW 1. Przygotowanie materiałów źródłowych QGIS 2. Wektoryzacja granic zlewni (ewentualne wyznaczenie siatki kilometrowej) 3. Ekranowa wektoryzacja treści mapy topograficznej 4. Scalenie zwektoryzowanych obiektów QGIS QGIS QGIS 5. Stworzenie roboczego CMW o określonej rozdzielczości oraz NMT cieniowania QGIS 6. Kontrola topologiczna i atrybutowa zwektoryzowanych obiektów QGIS Wynik zadowalający Wynik niezadowalający 7. Wybór ostatecznej metody interpolacji 8. Przeprowadzenie interpolacji SAGA SAGA 9. Postprocesing uzyskanego modelu SAGA 10. Eksport uzyskanego CMW do wybranego formatu zapisu SAGA

6 1. Przygotowanie materiału źródłowego mapy topograficznej Godła mapy 1: PUWG 1965: Godła mapy 1: Układ 1942: M D M C Układ współrzędnych projektu w środowisku GIS: WGS84

7 2. Wektoryzacja granic zlewni i wyznaczenie siatki kilometrowej Ręczna wektoryzacja działu wodnego na podstawie rysunku poziomicowego. Obliczona powierzchnia zlewni wynosi 85,24 km². Stworzenie siatki kilometrowej obejmującej swoim zasięgiem obszar zlewni*. *Siatkę kilometrową stworzono mając na myśli fakt wektoryzacji poziomic przez studentów. Każdy student miał za zadanie zwektoryzować jeden km² zlewni.

8 3. Ekranowa wektoryzacja poziomic, sieci rzecznej, wcięć drogowych i innych wcięć erozyjnych oraz punktów wysokościowych (kot, pikiet). Problemy wektoryzacji: Duże zagęszczenie poziomic Bardzo urozmaicona rzeźba terenu (wcięcia erozyjne, tarasy rolne, urwiska skalne) Miejscami błędne opisanie poziomic lub punktów wysokościowych Mała ilość poziomic w osi doliny Grajcarka Brak treści kartograficznej poza granicami Polski na mapie w skali 1: Przesunięcia rysunku cieków wodnych względem rysunku poziomicowego Czasochłonność pracy Wektoryzacja 1 km² zlewni zajmowała średnio 3.5 h.

9 Podstawowe statystyki zwektoryzowanych obiektów Poziomice Cieki wodne Punkty wysokościowe Atrybut: długość [m] Atrybut: długość [m] Atrybut: wysokość [m] Średnia: Średnia: Średnia: Odchyl. stand.: Odchyl. stand.: Odchyl. stand.: Suma: Suma: Min:445.4 Min:2.095 Min: Max: Max: Max: Liczebność:408.0 Liczebność: Liczebność:399.0 Liczba unikalnych wartości:395 Liczba unikaln. wartości:20170 Liczba unikalnych wartości:399 Mediana: Mediana: Mediana: Wcięcia drogowe Inne wcięcia erozyjne Atrybut: długość [m] Atrybut: długość [m] Średnia: Średnia: Odchyl. stand.: Odchyl. stand.: Suma: Suma: Min: Min: Max: Max: Liczebność:138.0 Liczebność:142.0 Liczba unikalnych wartości:138 Liczba unikalnych wartości:142 Mediana: Mediana:

10 4. Scalenie warstw zwektoryzowanych poziomic Scalenie ma na celu połączenie warstw poziomic zwektoryzownaych w polach siatki kilometrowej, aby otrzymać jedną warstwę wektorową z rysunkiem poziomicowym całej zlewni. Problemy operacji scalania: Związane z osobami, które przeprowadzały wektoryzację - różne układy współrzędnych nadane warstwom poziomic w polach siatki kilometrowej. Kolorem żółtym zaznaczono poziomice zwektoryzowane w zasięgu Pola siatki nr 103. Tworzą one oddzielną warstwę w projekcie (oddzielny plik *shp).

11 5. Przeprowadzenie wstępnej interpolacji w celu uzyskania roboczego CMW, stworzenie barwnej mapy hipsometrycznej oraz mapy cieniowania. Roboczy CMW stworzono w programie QGIS metodą triangulacyjną (TIN), w takiej samej rozdzielczości terenowej jak docelowy CMW, czyli 5x5 m. Na rycinie widoczne są także artefakty interpolacji.

12 6. Kontrola topologiczna i atrybutowa zwektoryzowanych obiektów. Roboczy CMW wraz z mapą cieniowania posłużył do lokalizacji błędów wektoryzacji. Brak dociągnięcia do węzłów i niedokładna wektoryzacja.

13 7a. Wybór ostatecznej metody interpolacji analiza porównawcza punktów wysokościowych z CMW wykonanymi przy pomocy różnych metod interpolacji: a) Ordinary Kriging b) Ordinary Kriging z funkcją block kriging c) Thin Plate Spline (local) d) Thin Plate Spline (TIN) e) Multilevel B-Spline Interpolation Analizę wykonano na podstawie 408 punktów wysokościowych zwektoryzowanych z mapy topograficznej w skali 1:10 000, tej samej z której wektoryzowano poziomice. Punkty te miały zróżnicowane położenie morfologiczne: - na wierzchołkach wzniesień - na stokach - w dnach dolin

14 Wysokości punktów na mapie topograficznej Punkty najbardziej odbiegające od linii trendu są wynikiem ich błędnego opisania na mapie topograficznej Wysokości punktów na modelu Najlepszą zgodność CMW z punktami wysokościowymi uzyskano dzięki interpolacji Thin Plate Spline (TIN), chociaż różnice między każdą z pięciu wykorzystanych metod interpolacji są minimalne.

15 7b. Wizualna analiza porównawcza zgodności sieci rzecznej zwektoryzowanej z mapy topograficznej z siecią drenażu obliczoną przez program na podstawie CMW wykonanych różnymi metodami interpolacji*. 9. Każdy analizowany CMW został najpierw poddany preprocesingowi: a) Wypalono sieć rzeczną, wcięcia drogowe i inne wcięcia erozyjne (-1m), b) Wypełniono zagłębienia bezodpływowe, zapewniając jednocześnie zadany minimalny spadek terenu potrzebny do uruchomienia spływu powierzchniowego. Wypełnione zagłębienie bezodpływowe Wypalona sieć rzeczna * wszystkie procedury interpolacji przeprowadzono w programie SAGA v , nie zmieniając parametrów interpolacji dostępnych w programie (pozostawiono je jako domyślne), w każdym przypadku ustalano jedynie docelowy rozmiar piksela na 5x5 m

16 Dosyć dobre dopasowanie sieci drenażu, miejscami jej zbytnie zagęszczenie. a) Ordinary Kriging Znaczne artefakty interpolacji w dnach dolin. *Strzałkami zaznaczono obszary, na które należy zwrócić szczególną uwagę

17 Powierzchnia terenu posiada wiele artefaktów interpolacji, jest zbyt szorstka, powoduje to duże przekłamania m.in. znaczne zagęszczenie sieci drenażu. b) Ordinary Krigging + block kriging

18 Dosyć dobre dopasowanie sieci drenażu, w dnach dolin występują jednak znaczące artefakty interpolacji, głównie ostre krawędzie i załamania terenu. c) Thin Plate Spline (local)

19 Bardzo dobre dopasowanie sieci drenażu, w dnie doliny widoczne miejscami są artefakty interpolacji w postaci krawędzi trójkątów siatki triangulacyjnej. d) Thin Plate Spline (TIN)

20 Bardzo dobre dopasowanie sieci drenażu, wszystkie formy terenu zaokrąglone, mogą występować artefakty, jednak nie rzucają się one w oczy. Przeprowadzenie tej interpolacji jest także najmniej czasochłonne. e) Multilevel B-Spline Interpolation KTÓRĄ METODĘ INTERPOLACJI WYBRAĆ???

21 Należy zaznaczyć, iż w płaskodennej dolinie potoku Grajcarek, w każdym z analizowanych modeli występowały znaczne różnice pomiędzy rzeczywistym przebiegiem koryta Grajcarka a obliczonym. Ich przyczyną jest ubogi i często niejasny rysunek poziomicowy w dnie doliny Grajcarka na mapie topograficznej w skali 1: Procedury postprocesingu CMW dostępne w programie SAGA (v ) nie umożliwiają dobrego dopasowania CMW do rzeczywistej sieci drenażu, pozwalają jednak na zapewnienie jej ciągłości. e) Multilevel B-Spline Interpolation Rzeczywisty przebieg koryta Obliczony przebieg koryta

22 10. Eksport uzyskanego CMW do wybranego formatu zapisu. Program SAGA GIS domyślnie zapisuje rastry w formacie *sgrd (saga grid), umożliwia także eksport edytowanych CMW do większości używanych formatów zapisu rastrów. Wybór zależy od decyzji użytkownika. Wizualizacje 3d zlewni Grajcarka wykonane przy użyciu programu SAGA GIS.

23 IV. Wyniki W wyniku przeprowadzonej pracy uzyskano hydrologicznie poprawny cyfrowy model wysokościowy zlewni Grajcarka o rozdzielczości terenowej piksela 5x5 m. Stworzony CMW będzie podstawą do cyfrowego modelowania zjawisk przyrodniczych zachodzących w skali zlewni.

24 V. Podsumowanie 1. Open-Source GIS dobrze radzi sobie w tworzeniu CMW na podstawie rysunku poziomicowego, należy jednak w tym celu wykorzystać możliwości, jakie daje różne oprogramowanie (pozwalające na zaawansowaną obsługę modeli wektorowych i rastrowych). 2. Wyniki przeprowadzonych metod interpolacji w programie SAGA GIS są do siebie zbliżone, najlepsze jednak okazują się CMW wykonane zaawansowanymi technikami Spline'ów (TPS), co znajduje także potwierdzenie w literaturze przedmiotu. 3. Zaproponowana metodyka budowy CMW jest czasochłonna, ale pozwala na stworzenie CMW poprawnego hydrologicznie, o wystarczającej dokładności do przeprowadzania modelowania procesów przyrodniczych w małych zlewniach (do 100 km²) lub innych niewielkich jednostkach przestrzennych. 4. W wykorzystanym oprogramowaniu zaznaczył się brak bardziej zaawansowanej metody wypalania sieci rzecznej, dzięki której można było by uzyskać znacznie lepsze rezultaty dopasowania rzeczywistej sieci drenażu z obliczoną. 5. Zaproponowana metodyka jest często jedyną racjonalną możliwością uzyskania szczegółowego CMW o wysokiej rozdzielczości dla obszarów położonych w peryferyjnych regionach Polski. 6. Tworzenie CMW nie jest takie trudne jak się wydaje :).

25 Dziękuję za uwagę mgr Grzegorz Wałek