Opracowanie scenariuszy POLSKIE erozji TOWARZYSTWO brzegu i jej skutków INFORMACJI w okolicach Trzêsacza PRZESTRZENNEJ w latach 2005 2105...105 ROCZNIKI GEOMATYKI 2007 TOM V ZESZYT 1 OPRACOWANIE SCENARIUSZY EROZJI BRZEGU I JEJ SKUTKÓW W OKOLICACH TRZÊSACZA W LATACH 2005 2105 PRZY U YCIU NARZÊDZI GEOINFORMACYJNYCH DEVELOPING COASTAL EROSION EFFECTS SCENARIOS NEAR TRZÊSACZ VILLAGE IN NEXT 100 YEARS WITH THE USE OF GEOINFORMATICS Igor Szakowski, Rafa³ Benedyczak Zak³ad Teledetekcji i Kartografii Morskiej, Instytut Nauk o Morzu, Wydzia³ Nauk Przyrodniczych Uniwersytet Szczeciñski S³owa kluczowe: GIS, erozja brzegu, scenariusze zian Keywords: GIS, coastal erosion, change scenarios Wstêp Dotychczasowe doœwiadczenia w zarz¹dzaniu stref¹ brzegow¹ w Europie pokazuj¹, e geoinforacja odgrywa ogron¹ rolê w ty procesie. Jedny z celów projektu MESSINA Managing European Shoreline and Sharing Inforation on Near-Shore Areas realizowanego pod agend¹ INTERREG III C by³o praktyczne wdro enie rekoendacji powsta³ych w raach ogólnoeuropejskiego projektu EUROSION. Szczególny nacisk zosta³ po³o ony na o liwoœæ przewidywania i kartograficznej prezentacji zagro enia infrastruktury brzegu orskiego procese erozji. Za odpowiednie narzêdzie do wykonania takich analiz uznano oprograowanie GIS. Na polski odcinek testowy wybrano fragent giny Rewal w iejscowoœci Trzêsacz. Odcinek ten zosta³ wybrany ze wzglêdu na reprezentatywnoœæ procesów erozji oraz jako interesuj¹cy przyk³ad niszcz¹cej dzia³alnoœci erozji orskiej i koniecznoœæ ochrony resztek koœcio³a gotyckiego z XIII wieku.. Materia³y i etody W celu sporz¹dzenia systeu geoinforacyjnego wspieraj¹cego zarz¹dzanie erozj¹ przeprowadzono konsultacje z w³adzai lokalnyi giny Rewal. Decydenci lokalni uznali, e dla celów wspierania podejowania przez nich decyzji narzêdzie takie powinno ilustrowaæ za-
106 Igor Szakowski, Rafa³ Benedyczak gro enie erozj¹ dla dzia³ek i budynków po³o onych w bezpoœredni s¹siedztwie pasa nadorskiego. Jednoczeœnie wskazali, e prognoza rozwoju erozji powinna byæ wykonana w powi¹zaniu z plane zagospodarowania na lata 2005 2015. Dodatkowo postanowiono, e narzêdzie GIS powinno integrowaæ wszystkie rodzaje danych: kartograficzne, teledetekcyjne i atrybutowe dla tego fragentu wybrze a. Jako podstawê do wykonania systeu geoinforacyjnego wybrano oprograowanie ArcView GIS 3.3 oraz ArcGIS 9.1. wraz z rozszerzeniai. Do stworzenia systeu geoinforacyjnego u yto nastêpuj¹cych danych: apa zasadnicza w skali 1:500 z roku 7 apa pasa technicznego w skali 1:200 z roku 1986 apa topograficzna w skali 1:10 000 z roku 1987 apa zagospodarowania przestrzennego w skali 1:10 000 cyfrowa apa podzia³u przestrzennego wraz z budynkai w skali 1:500 historyczna apa topograficzna z roku 1930 w skali 1: 25 000 historyczna fotoapa z roku 1938 zdjêcia lotnicze z roku 6 w skali 1: 10 000 ortofotoapa z roku 2004 opracowana na podstawie zdjêcia satelitarnego IKONOS dane opisowe pochodz¹ce z zasobów Giny Rewal dane opisowe z Regionalnego Banku Danych dane z badañ naukowych erozji orskiej w ty obszarze dane ze Strategii Rozwoju Giny z roku 2005 Pierwszy problee podczas integracji tych danych w jeden syste by³a ró norodnoœæ uk³adów odwzorowañ kartograficznych, w których zosta³y wykonane apy. Podjête próby przeliczania uk³adów kartograficznych dla poszczególnych warstw danych nie da³y satysfakcjonuj¹cych rezultatów. Rozbie noœci w po³o eniu poszczególnych obiektów na ró nych warstwach by³y zbyt du e. Zdecydowano siê na alternatywne rozwi¹zanie. Dowi¹zano przestrzennie wszystkie dane do jednej z warstw. Jako warstwê Ÿród³ow¹ odwzorowania wybrano, pochodz¹c¹ ze zbiorów Referatu Nieruchooœci Giny Rewal, apê zasadnicz¹ w skali 1: 500 w uk³adzie wspó³rzêdnych 1965. Dowi¹zywanie przestrzenne wykonano za pooc¹ dodatkowych aplikacji oprograowania ArcView GIS 3.3: IageWarp 2.2, ShapeWarp 2.0 oraz Iage Analysis. W wyniku takiego przetworzenia danych uzyskano spójny i jednorodny pod wzglêde odwzorowania syste geoinforacyjny. Nie uda³o siê jednak wyeliinowaæ wszystkich b³êdów po³o enia obiektów te zosta³y skorygowane rêcznie. Jednoczeœnie okaza³o siê, e w ateriale kartograficzny wystêpuj¹ luki. Mapy zasadnicze w skali 1:500 nie pokrywa³y w ca³oœci obszaru badañ. Niewielkie fragenty, g³ównie strefy brzegowej, trzeba by³o uzupe³niaæ apai pasa technicznego Urzêdu Morskiego. Kolejny problee by³ forat danych wektorowych. Dane te otrzyano z Referatu Nieruchooœci w forie.dxf, w który obiekty by³y reprezentowane tylko przez linie bez inforacji atrybutowych. Niezbêdne by³o przekszta³cenie tej warstwy na warstwy punktów, linii i poligonów. Dodatkowo rêcznie uzupe³niano bazê danych atrybutowych do ka dej z warstw. W efekcie wszystkich wyieniony wy ej dzia³añ powsta³ syste geoinforacyjny integruj¹cy dane kartograficzne, teledetekcyjne i opisowe dotycz¹ce trzêsackiego odcinka brzegu (rys. 1). Syste geoinforacyjny w swojej podstawowej postaci, bez uwzglêdnienia aspektu erozji, znalaz³ zastosowanie dla giny Rewal w nastêpuj¹cych analizach (rys. 2): I. Inwentaryzacja obecnych dzia³ek i budynków II. U ytkowanie obecnego podzia³u dzia³ek i budynków w œwietle planu zagospodarowania przestrzennego
Opracowanie scenariuszy erozji brzegu i jej skutków w okolicach Trzêsacza w latach 2005 2105...107 III. Mo liwoœæ detekcji nielegalnej zabudowy IV. Analiza historycznych zian zagospodarowania V. Obrazowa baza danych budynków Przewidywanie erozji brzegu z u ycie systeu GIS Aby syste geoinforacyjny w rzeczywisty sposób wspiera³ proces zarz¹dzania gin¹ w aspekcie erozji nale a³o wprowadziæ w odpowiedni sposób inforacje dotycz¹ce tego zjawiska. Badaniai wspó³czynników erozji brzegu na ty odcinku wybrze a zajowali siê J. Dudziñska-Nowak i K. Furañczyk (2005, 2006). Wed³ug ich wyliczeñ œredni wspó³czynnik erozji na ty odcinku wynosi 0,2 /rok. Od roku 1984 fragent brzegu (d³ugoœci oko³o 115 ) w okolicach ruin koœcio³a w Trzêsaczu jest chroniony. W chwili obecnej ochrona tego fragentu realizowana jest za pooc¹ systeu zabezpieczeñ dok³adnie opisany przez J. Dudziñsk¹-Nowak i K. Furañczyk (2006). Dla celów analizy przewidywanego wp³ywu erozji na infrastrukturê brzegu przyjêto dwa scenariusze: 1. Przy istniej¹cy systeie ochrony 2. Bez ochrony, czyli naturalnych zian brzegu (w przypadku rezygnacji z ochrony) W ty celu brzeg podzielony zosta³ na sektory o ró ny stopniu wspó³czynnika erozji w zale noœci od przyjêtego scenariusza (tab. 1 i 2) Scenariusz 1 przy istniej¹cy systeie ochrony Tabela 1. Prêdkoœæ i wielkoœæ erozji przy scenariuszu 1. Optyistyczne i pesyistyczne wielkoœci okreœlone dla okresów 20, 50 i 100 lat 300 Sektor 3 100 Sektor 2 115 Opaska 405 Wersja optyistyczna Optyistyczna po 20 latach Optyistyczna po 50 latach Optyistyczna po 100 latach Wersja pesyistyczna Pesyistyczna po 20 latach Pesyistyczna po 50 latach Pesyistyczna po 100 latach Scheat podzia³u badanego odcinka na sektory w opcji pierwszej Sektor Sektor 3 Sektor 2 Opaska 0,25 / r 0,2 / r 0 0,3 / r 5 4 0 6 12,5 10 0 15 25 20 0 30 0,40 / r 0,3 / r 0 0,6 / r 8 6 0 12 20 15 0 30 40 30 0 60
108 Igor Szakowski, Rafa³ Benedyczak Scenariusz 2 bez ochrony Tabela 2. Prêdkoœæ i wielkoœæ erozji przy scenariuszu 2. Optyistyczne i pesyistyczne wielkoœci okreœlone dla okresów 20, 50 i 100 lat 300 Sektor 3 340 Sektor 2 280 Wersja optyalna Optyalna po 20 latach Optyalna po 50 latach. Optyalna po 100 latach Wersja pesyistyczna Pesyistyczna po 20 latach Pesyistyczna po 50 latach Pesyistyczna po 100 latach Scheat podzia³u badanego odcinka na sektory w opcji drugiej Sektor Sektor 3 Sektor 2 0,15 / r 0,10 / r 0,2 / r 3 2 4 7,5 5 10 15 10 20 0,20 / r 0,2 / r 0,35 / r 4 4 7 10 10 17,5 20 20 35 Sektory dla dwóch scenariuszy wprowadzono do systeu geoinforacyjnego w forie warstw liniowych i poligonowych. Jednoczeœnie dla ka dego z sektorów wprowadzono inforacjê atrybutow¹ odnosz¹c¹ siê do wielkoœci wspó³czynnika erozji. W celu uzyskania inforacji jakie obszary zostan¹ dotkniête erozj¹ w przeci¹gu kolejnych 20, 50 i 100 lat od warstwy liniowych zosta³y wyznaczone bufory zgodne z przyjêtyi wspó³czynnikai erozji. Poniewa czynnoœæ wyznaczania buforów dla ka dego sektora przy ró nych scenariuszach by³a czynnoœci¹ powtarzaln¹ zdecydowano siê na u ycie w ty celu odu³u Model Builder dla ArcGIS 9.1. Modu³ ten pozwala na wprowadzenie zapisów o poszczególnych etapach procesu, autoatyzacjê tworzenia buforów przy jednoczesnej kontroli z jakich wspó³czynników erozji odu³ a korzystaæ. Wynikie tego procesu jest surowa apa zasiêgów erozji w poszczególnych latach (rys. 3A i 3B). W celu uzyskania inforacji o zagro eniu dla poszczególnych dzia³ek i oceny iloœciowej tego zagro enia warstwê obejuj¹c¹ podzia³ tego fragentu giny Rewal na dzia³ki przeciêto warstwai z utworzonyi buforai erozji (rys. 3C i 3D). Otrzyane wyniki na³o ono na warstwê z inforacjai o dzia³kach i budynkach. Nastêpnie operacjai na danych atrybutowych i przestrzennych wydobyto inforacjê o przewidywanej powierzchni dzia³ek, która uleg³aby erozji, procentowy udziale tej powierzchni w areale ca³ej dzia³ki oraz wartoœci utraconej powierzchni. Wyselekcjonowano te budynki zagro one w zale noœci od przyjêtego scenariusza rozwoju brzegu. (rys. 3E i 3F).
Opracowanie scenariuszy erozji brzegu i jej skutków w okolicach Trzêsacza w latach 2005 2105...109 Wyniki W rezultacie wprowadzenia do systeu geoinforacyjnego inforacji dotycz¹cych wspó³czynników erozji i wyznaczenia obszarów zagro onych erozj¹ otrzyano dwa rodzaje inforacji. S¹ to: 1) inforacja opisowa w postaci tabel atrybutowych (tab. 3) z rezultatai iloœciowyi 2) powi¹zana z ni¹ inforacja graficzna w postaci ap zagro enia erozj¹ (rys. 4). Inforacje iloœciowe zawieraj¹: wspó³czynnik erozji, powierzchniê dzia³ek utracon¹ w wyniku dzia³ania erozji, procentowy udzia³ powierzchni zagro onej w stosunku do niezagro onej, wartoœæ wyra on¹ w z³otych polskich powierzchni dzia³ek utraconej w wyniku dzia- ³ania erozji odniesion¹ do roku 2005 (bez analizy wzrostu lub spadku wartoœci dzia³ek wraz z czase). Opracowanie graficzne zawiera zestaw ap w podziale na scenariusze 1 i 2. Dla ka dego rozpatrywanego okresu 20, 50 oraz 100 lat przygotowano apê z wersj¹ optyistyczn¹ i pesyistyczn¹ zale n¹ od wielkoœci wspó³czynnika erozji. Skala kolorowa oznacza procentowy udzia³ powierzchni dzia³ki utraconej w wyniku erozji w stosunku do powierzchni ca³ej dzia³ki. Na apie zaznaczono tak e budynki. Przyk³adowe zestawienie ap wygenerowanych przez syste geoinforacyjny przedstawiono na rysunku 4. wariant pesy. 20 lat Nr dzia³ki Tabela 3. Przyk³ad Wartoœæ otrzyanych wyników w postaci tabeli atrybutowe j Scenariusz 1 Ochrona brzegu Cena za 1 2 Powierzchnia % utracopow. nej Utracona wartoœæ ID_ Wspó³ - czynnik erozji Las D 16 440,661 3 271 692 4 617,230 122 829 1 12,0000 Pola up. E 11 708,487 2 329 989 26 3048,320 606 616 4 12,0000 ¹ki F 894,494 178 004 93 835,076 166 180 3 12,0000 aki G 1 764,689 351 173 24 431,009 85 771 3 12,0000 Las H 1 989,004 500 000 1 19,310 3 843 1 12,0000 Sua 32 797,335 6 630 858 4950,945 985 238 wariant opty. 20 lat Nr dzia³ki Wartoœæ Cena za 1 2 Utracona powierzchnia Powierzchnia % utracopow. nej Utracona powierzchnia Utracona wartoœæ ID_ Wspó³ - czynnik erozji Las D 16 440,661 3 271 692 2 301,401 59 979 1 6,0000 Pola up. E 11 708,487 2 329 989 12 1439,386 286 438 4 6,0000 ¹ki F 894,494 178 004 58 518,278 103 137 3 6,0000 ¹ki G 1 764,689 351 173 12 216,109 43 006 3 6,0000 Sua 30 808,331 6 130 858 2475,174 492 560
110 Igor Szakowski, Rafa³ Benedyczak Podsuowanie Celowoœæ wykorzystania geoinforacji w zarz¹dzaniu obszarai nadorski jest bezsporna. Uzyskuje siê nie tylko o liwoœæ integracji wszystkich danych w jedny systeie, ale co wiêcej w jedny odwzorowaniu kartograficzny. Dysponuje siê szeroki wachlarze funkcji analitycznych pozwalaj¹cych na wspoaganie procesu podejowania decyzji o przysz³oœci tego obszaru. Otwartoœæ systeów geoinforacyjnych na o liwoœæ wprowadzenia danych z innych Ÿróde³ œwiadczy o ich uniwersalnoœci. Ogrony atute narzêdzi GIS jest o liwoœæ tworzenia scenariuszy zian œrodowiska pod wp³ywe ró nych czynników. Przyk³ad u ycia systeu geoinforacyjnego do kartograficznego zilustrowania oraz iloœciowej oceny zian strefy brzegowej w aspekcie erozji jest dobitny przyk³ade potrzeby szerokiego wdra ania tego typu rozwi¹zañ w proces Zintegrowanego Zarz¹dzania Obszarai Przybrze nyi. Syste geoinforacyjny potrafi wygenerowaæ scenariusze przewidywanej erozji brzegu. Scenariusze te o na nanosiæ wielokrotnie i bezstratnie na dane dotycz¹ce infrastruktury. Wykorzystuj¹c zapytania atrybutowe i funkcje analiz przestrzennych o na wydobyæ inforacje o zagro onych dzia³kach, powierzchniach jakie zostan¹ zerodowane i sposobie ich u ytkowania. Daje to w³adzo o liwoœæ podjêcia dzisiaj decyzji, gdzie inwestycja jest niezagro ona, a gdzie nale y liczyæ siê z zagro enie erozj¹ w przysz³oœci. Istnieje tak e o liwoœæ korekty ju podjêtych decyzji. W ty wypadku wystarczy porównaæ apê obszarów przewidywanej erozji z plane zagospodarowania przestrzennego giny. Do dobrej praktyki powinno nale eæ inforowanie o potencjalny, przysz³y zagro eniu erozj¹ inwestorów zainteresowanych ty obszare. Syste geoinforacyjny, a w zasadzie wyniki badañ otrzyane za jego poœrednictwe, s¹ tak e efektywny i efektowny arguente w dyskusjach nad przysz³oœci¹ tego terenu ze spo³ecznoœci¹ lokaln¹. Wyœwietlenie apy z przewidywan¹ erozj¹ z budynkai ieszkañców w tle zast¹pi nie jeden arguent s³owny. Tworzenie i utrzyanie systeu geoinforacyjnego jest procese ciag³y. W przyk³adzie opisany w ty artykule generalny zadanie systeu ia³o byæ apowanie przewidywanej erozji. W efekcie koñcowy okaza³o siê, e syste nie tylko jest w stanie daæ odpowiedÿ, które tereny s¹ zagro one erozj¹ i w jaki stopniu, ale tak e o e byæ stosowania jako narzêdzie wspoagaj¹ce zarz¹dzanie fragente giny. U ytecznoœæ i ró norodnoœæ zastosowañ systeu geoinforacyjnego w zarzadzaniu stref¹ brzegow¹ sprawiaj¹, e powinien on stanowiæ nieodzowne narzêdzie wszelkich projektów realizowanych na obszarze nadorski. Literatura Bartlett D., Sith J., 2005: GIS for Coastal Zone Manageent, CRC. Dekeyne C., 2004: Guide for ipleenting Geographical Inforation Systes(GIS) dedicated to shoreline anageeent, Materia³y projektu MESSINA, IGN, Francja. Dudziñska-Nowak J., Furañczyk K., 2005: Wykorzystanie historycznych zdjêæ lotniczych do analizy zian brzegu na przyk³adzie fragentu wybrze a Zatoki Poorskiej. Roczniki Geoatyki to III, zeszyt 4. ss. 53-61. Dudziñska-Nowak J. Furañczyk K. êcka A., 2005: Ochrona brzegu na odcinku Miêdzyzdroje Niechorze. ZZOP w Polsce stan obecny i perspektywy. Probley erozji brzegu. [red.] Furañczyk K. Oficyna In Plus. Szczecin.
Opracowanie scenariuszy erozji brzegu i jej skutków w okolicach Trzêsacza w latach 2005 2105...111 Dudzinska-Nowak J., 2006: Ziennoœæ orfologii strefy brzegowej jako wskaÿnik tendencji rozwojowych brzegu. Instytut Nauk o Morzu US. Szczecin. Rozprawa doktorska. Furañczyk K., Dudziñska-Nowak J., 2006: Przewidywanie wielkoœci erozji brzegu w rejonie iejscowoœci Trzêsacz, ZZOP Brzeg orski zrównowa ony, In Plus Oficyna. King S.D., 2003: The coastal zone Environent: A Place to Work, Rest, Play and to Manage, Coastal and Marine Geo-Inforation Systes, Coastal sysytes and Continental Margins Vol. 4, Kluwer Acadeic Publishers. Salan A., Lobardo S., Doody P., 2004: Eurosion Final Report, Living with coastal erosion in Europe: Sedient and Space for Sustainability, RIKZ, EUCC, IGN, UAB, BRGM, IFEN, EADS. Suary Evaluation of erosion threats was the ain ai of the European Coission project called EURO- SION. To fulfill this task any European progras and plans for coastal anageent were reviewed. Geographic Inforation Systes were present in all of the as one of the ost iportant tools. Based on that experience soe recoendations for designing a dedicated syste were prepared. Another project MESSINA - Managing European Shoreline and Sharing Inforation on Near-Shore Areas was aied at ipleentation of those recoendations and their verification. The Laboratory of Reote Sensing and Marine Cartography localized at the University of Szczecin was responsible for collecting data and ipleenting it into coprehensive GIS syste for the Rewal counity within the MESSINA Project. The ain ephasis was placed on erosion probles and hazards of a long ter near-shore investent connected with this issue. Many sets of data both graphic and attribute ones were collected for the pilot area of the Rewal counity. The data reaching back even to year 1933 consisted of archival and present raster and vector aps, pictures, high resolution space iages, coefficients of erosion rate and future investent plans up to 2015. All data was organized in one coordinate syste with the use of ArcGIS software and presented in a way to enable display and analysis of plots and their developent over any other available data. Calculation of shoreline changes was based on coefficients of erosion rate and prepared with the use of buffering tool leading to results of predicted changes that are supposed to occur in 20, 50 and 100 years. All analyses were conducted in two different scenarios. One assuing that the cliff where ruins of Trzêsacz church are standing will be protected and the second one assuing no huan interference. To autoate this tie-consuing analyzis a Model Builder odule was used. Both scenarios representing different changes of the coastline included two different forecasts. Depending on the erosion rate we can call the optiistic and the second one is a pessiistic forecast. Beside the value of erosion range and inforation about parcels spatial distribution both scenarios include estiated losses for each plot. Also parts that are not under any threats within the period of 20, 50 or 100 years are available for display. All results can by copared with the investent plans and for better perception they ay be strengthened with the reote sensing data displayed below the basic inforation. This effective tool created within the MESSINA Project to predict shoreline behavior can be used in the decision aking process by the counity council. Additionally, the created syste was used to explain coplicated shoreline issues and its results in social consultations. gr Igor Szakowski szakow@univ.szczecin.pl gr Rafa³ Benedyczak benes@univ.szczecin.pl tel. (091) 444 15 97
Rys. 1. Syste geoinforacyjny dla fragentu giny Rewal iejscowoœæ Trzêsacz 112 Igor Szakowski, Rafa³ Benedyczak
Opracowanie scenariuszy erozji brzegu i jej skutków w okolicach Trzêsacza w latach 2005 2105...113 Rys. 2. Podstawowe zastosowania systeu geoinforacyjnego
114 Igor Szakowski, Rafa³ Benedyczak Rys. 3. Proces analizy wskaÿników erozji
Opracowanie scenariuszy erozji brzegu i jej skutków w okolicach Trzêsacza w latach 2005 2105...115 Rys. 4. Graficzna reprezentacja analizy scenariuszy rozwoju erozji; skróty: opt wersja optyistyczna, pes wersja pesyistyczna