Možnosti využití programu ARCGIS v hydrologii

Transkript

ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE
Fakulta životního prostředí
Katedra vodního hospodářství a environmentálního modelování
MOŽNOSTI VYUŽITÍ PROGRAMU ARCGIS V HYDROLOGII
Bakalářská práce
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jana Ředinová
Konzultant: Ing. Vítězslav Moudrý
Vypracovala: Alena Stibalová
2009
Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci zpracovala samostatně a použila pouze
literární prameny, které jsou uvedeny v seznamu literatury.
V Praze dne 29.4. 2009
Stibalová Alena
Ráda bych poděkovala vedoucí práce Ing. Janě Ředinové a konzultantovi práce Ing.
Vítězslavu Moudrému za cenné rady při zpracování této práce.
ABSTRAKT
Tato práce se zabývala možnostmi využití programu ArcGIS v hydrologii. Součástí
práce byla i stručná charakteristika geoinformačních systémů. Práce je koncipována
jako návod pro vykreslení povodí a zjištění charakteristik vodního toku a výškových
charakteristik povodí se stručnou definicí používaných funkcí. Byla provedena
hydrologická analýza povodí pomocí dvou extenzí programu ArcGIS – Spatial Analyst
s nástroji Hydrology a extenzí pro hydrologické modelování ArcHydro na konkrétním
povodí Smědé s uzávěrovým profilem Bílý Potok v Jizerských horách. Na závěr byly
použité extenze porovnány podle získaných výsledků a podle srozumitelnosti aplikace
pro uživatele. Výsledky jednotlivých analýz jsou srovnatelné pro obě dvě extenze, ale
z hlediska srozumitelnosti a použitelnosti byla lépe hodnocena extenze ArcHydro.
Klíčová slova: ArcHydro, Spatial Analyst – Hydrology, vykreslení povodí
ABSTRACT
This work is about possibilities of use of ArcGIS software in hydrology. It contains
short characterization of geographical information systems too. The work is written as
instruction for watershed delineation and for determination of water flow, surface and
elevation characteristics. It includes short descriptions of used tools and functions. Two
extensions of software ArcGIS – Spatial Analyst with tools Hydrology and extension
ArcHydro for hydrological modeling were used for hydrological analyze of Smědá
watershed with Bílý Potok outlet in Jizera mountains. The results of two used ArcGIS
extensions were compared. Extension ArcHydro is more user friendly and has more
hydrological funcions.
Keywords: ArcHydro, Spatial Analyst – Hydrology, watershed delineation
OBSAH
1.
ÚVOD ...................................................................................................................... 1
2.
LITERÁRNÍ REŠERŠE........................................................................................ 2
2.1.
GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY ....................................................................................... 2
2.1.1. Využití geografických informačních systémů........................................................................ 2
2.1.2. Prostorová data.................................................................................................................... 2
2.1.3. Možnosti zobrazení prostorových dat v GIS......................................................................... 4
2.1.3.1.
2.1.3.2.
Vektorová data...........................................................................................................................4
Rastrová data .............................................................................................................................4
2.2.
GIS SOFTWARE .......................................................................................................................... 5
2.2.1. GRASS .................................................................................................................................. 5
2.2.2. IDRISI .................................................................................................................................. 5
2.2.3. DEMETERR ......................................................................................................................... 6
2.2.4. ArcGIS.................................................................................................................................. 6
2.3.
GIS A HYDROLOGICKÉ MODELY................................................................................................. 7
2.3.1. Klasifikace modelů ............................................................................................................... 7
2.3.2. Propojení GIS a hydrologických modelů.............................................................................. 8
2.4.
NADSTAVBY ARCGIS VYUŽITELNÉ PRO HYDROLOGII.............................................................. 10
2.4.1. ArcGIS Spatial Analyst....................................................................................................... 10
2.4.2. ArcGIS 3D Analyst ............................................................................................................. 10
2.4.3. ArcHydro............................................................................................................................ 11
2.4.3.1.
2.4.3.2.
ArcHydro Data Model .............................................................................................................11
ArcHydro Tools .......................................................................................................................13
2.5.
HYDROLOGICKÁ ANALÝZA POVODÍ S VYUŽITÍM ARCGIS - SPATIAL ANALYST ....................... 14
2.5.1. Interpolační metody............................................................................................................ 14
2.5.1.1.
2.5.1.2.
2.5.2.
Vykreslení povodí ............................................................................................................... 15
2.5.2.1.
2.5.2.2.
2.5.2.3.
2.5.2.4.
2.5.2.5.
2.5.3.
Interpolace z bodových dat ......................................................................................................14
Interpolace z liniových dat.......................................................................................................15
Odstranění bezodtokých oblastí...............................................................................................16
Určení směru odtoku................................................................................................................17
Akumulace vody......................................................................................................................18
Identifikace uzávěrového profilu .............................................................................................19
Konečné vykreslení povodí......................................................................................................19
Stanovení charakteristik povodí ......................................................................................... 20
2.5.3.1.
2.5.3.2.
2.5.3.3.
Charakteristiky vodního toku...................................................................................................20
Charakteristiky terénu..............................................................................................................22
Další charakteristiky ................................................................................................................24
2.6.
HYDROLOGICKÁ ANALÝZA POVODÍ S VYUŽITÍM ARCGIS - ARCHYDRO .................................. 24
2.6.1. Úprava DEM ...................................................................................................................... 24
2.6.1.1.
2.6.2.
2.6.2.1.
2.6.2.2.
2.6.2.3.
2.6.2.4.
2.6.2.5.
2.6.2.6.
2.6.2.7.
2.6.2.8.
2.6.2.9.
2.6.2.10.
2.6.2.11.
2.6.2.12.
2.6.3.
Prohloubení říčního koryta ......................................................................................................24
Vykreslení povodí ............................................................................................................... 24
Odstranění bezodtokých oblastí...............................................................................................25
Určení směru odtoku................................................................................................................25
Akumulace vody......................................................................................................................25
Identifikace vodního toku ........................................................................................................25
Segmentace rastru vodních toků ..............................................................................................26
Odvodňované oblasti povodí ...................................................................................................26
Vektorizace odvodňovaných oblastí povodí ............................................................................26
Vektorizace rastru vodních toků ..............................................................................................26
Propojení vektorových odvodňovaných oblastí .......................................................................26
Identifikace uzávěrového profilu .............................................................................................26
Konečné vykreslení povodí......................................................................................................27
Vykreslení subpovodí ..............................................................................................................27
Stanovení charakteristik povodí ......................................................................................... 27
2.6.3.1.
2.6.3.2.
2.6.3.3.
Další charakteristiky ................................................................................................................29
2.7.
KONKRÉTNÍ PŘÍPADY VYUŽITÍ ARCGIS V HYDROLOGII A PŘÍBUZNÝCH VĚDÁCH ..................... 30
2.7.1. Využití ArcGIS pro interpolace .......................................................................................... 30
2.7.2. Využití ArcGIS pro hydrologické modelování .................................................................... 32
3.
METODIKA ......................................................................................................... 34
3.1.
POPIS LOKALITY....................................................................................................................... 34
3.2.
CHARAKTERISTIKY POVODÍ ..................................................................................................... 35
3.2.1. ArcGIS – Spatial Analyst.................................................................................................... 35
3.2.1.1.
3.2.1.2.
3.2.1.3.
3.2.1.4.
3.2.2.
Vytvoření DEM .......................................................................................................................35
Vykreslení povodí....................................................................................................................36
ArcGIS - ArcHydro............................................................................................................. 37
3.2.2.1.
3.2.2.2.
3.2.2.3.
Vykreslení povodí....................................................................................................................37
4.
VÝSLEDKY ......................................................................................................... 39
5.
DISKUZE.............................................................................................................. 46
6.
ZÁVĚR.................................................................................................................. 48
POUŽITÁ LITERATURA.......................................................................................... 49
PŘÍLOHY ..................................................................................................................... 51
Úvod
1. ÚVOD
Geografické informační systémy jsou stále více využívaným nástrojem pro usnadnění
lidské práce při zpracování geografických dat. S rozvojem počítačové techniky jsou tyto
systémy stále vyvíjeny a zlepšovány. S velkým využitím je možné se setkat ve veřejné
správě, v oblasti přírodních zdrojů, životního prostředí a zemědělství, při tvorbě
inženýrských sítí, jako podpora vzdělání, při řešení dopravy nebo obrany, v oboru
kartografie a zdravotnictví.
Tato práce je zaměřena na využití geografického informačního systému ArcGIS
v oboru hydrologie, který je možné zařadit do oblasti životního prostředí. Existuje mnoho
druhů GIS softwarů, ale ne všechny se mohou využívat pro účely hydrologie. Softwary,
které se tímto oborem zabývají nebo mají speciální extenze určené pro hydrologické
analýzy jsou například ArcGIS s extenzí ArcHydro a extenzí Spatial Analyst s nástroji
Hydrology, DEMETERR vytvořený speciálně pro hydrologické modelování, GRASS a
Idrisi s nadstavbami pro hydrologické analýzy. Velmi často se tyto softwary využívají pro
přípravu vstupních dat pro hydrologické modely a následnou interpretaci výstupních dat
hydrologických modelů.
Cílem této práce bylo řešení hydrologických analýz v prostředí ArcGIS
v nadstavbách Spatial Analyst a ArcHydro pro konkrétní povodí a tyto dvě extenze
porovnat z hlediska výstupů a srozumitelnosti aplikace pro uživatele.
Práce je rozdělena na tři tématické části. První část práce je zaměřena na obecnou
charakteristiku a fungování geoinformačních systémů, charakteristiku hydrologických
modelů podle prostorové diskretizace a jejich propojení s GIS. Hlavní část práce je popisem
a návodem k hydrologickým analýzám v nadstavbách Spatial Analyst s nástroji Hydrology
a Surface a nadstavbou ArcHydro. Při hydrologických analýzách povodí byla řešena témata
určování směru odtoku vody podle sklonitosti terénu, generalizace vodní sítě, vykreslování
povodí jako základní hydrologické jednotky. Poslední část práce je zaměřena na konkrétní
využití hydrologických analýz na povodí Smědé k uzávěrovému profilu Bílý Potok
v Jizerských horách.
1
Literární rešerše
2. LITERÁRNÍ REŠERŠE
2.1. Geografické informační systémy
Geografické informační systémy (GIS) lze dle Rapanta (2002) definovat jako funkční
celek vytvořený integrací technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů,
obsluhy, uživatelů a organizačního kontextu, zaměřený na sběr, ukládání, správu, analýzu,
syntézu a prezentaci prostorových dat pro potřeby popisu, analýzy, modelování a simulace
okolního světa s cílem získat nové informace potřebné pro racionální správu a využívání
tohoto světa.
S jednoduchými prostorovými daty může pracovat i mnoho široce používaných
počítačových programů, jako jsou databáze, tabulkové procesory, statistické programy,
programy pro technické kreslení, ve kterých postačí prohledat záznamy v databázi nebo
provést v záznamech jednoduchý výpočet.
Výhodou geografických informačních systému je možnost odpovědí na mnohem
složitější otázky, které bychom pouhým prohledáváním databáze nevyřešili. GIS může tedy
pracovat s údaji o poloze objektů, o jejich vzájemných vztazích a typologii. Zpracované
výsledky navíc zobrazuje pomocí přehledných map (ARCDATA 2007).
2.1.1. Využití geografických informačních systémů
Geografické informační systémy se využívají téměř ve všech oborech lidské činnosti.
S velkým využití GIS se můžeme setkat ve veřejné správě (na krajských úřadech,
magistrátech, statistických úřadech, ministerstvech, zeměměřičských a katastrálních
úřadech, hasičských záchranných sborech atd.), kde slouží pro tvorbu územních plánů,
tvorbu informačních systému s mapovými službami, zpracování katastrálních map, tvorbu
krizových a povodňových plánů atd.
Další oblast, kde je GIS velice hojně využíván je oblast přírodních zdrojů, životního
prostředí a zemědělství. Příkladem může být tvorba klimatických map a analýzy sledování
klimatu, tvorba geologických map, mapování biotopů, monitoring chráněných živočichů a
rostlin, povodňová rizika, evidence vodních toků, modely terénu, modelování
hydrologických a erozních procesů v krajině a další. Jinými obory využívající GIS jsou
inženýrské sítě, vzdělání, doprava, obrana, kartografie, zdravotnictví a jiné.
2.1.2. Prostorová data
GIS využívá data prostorová (angl. spatial data), která zaznamenávají informace o
daném objektu a jeho poloze. Jako synonymum pro prostorová data se používá pojem
geodata (z angl. georeferenced data), který je ale spíše synonymem pro geografická data,
která jsou druhem dat prostorových a jsou vázána na povrch Země (Rapant 2002). Reálné
objekty na zemském povrchu jsou vždy třírozměrné (3D). V prostředí GIS jsou však
objekty zjednodušeny neboli generalizovány.
2
Základní entitou vyjádřenou prostorovými daty je tzv. geoobjekt (Krása a kol. 2006)
či geoprvek (Rapant 2002) – angl. feature, který je charakterizován prostorovými (např.
tvar, poloha) a neprostorovými (např. název, pórovitost, hustota) vlastnostmi tzv. atributy.
Prostorové a neprostorové informace jsou zaznamenány v atributových tabulkách, které
tvoří databáze.
Geoobjekty jsou dále již nedělitelnými částmi a podle počtu dimenzí je lze dle Krásy
a kol. (2006) a Rapanta (2002) členit na:
·
0D geoobjekty – body, bezrozměrné objekty, definované pouze svou polohou.
·
1D geoobjekty – linie, jednorozměrné objekty, reprezentuje objekty jako řeky,
silnice, potrubí, vedení, tedy objekty tak úzké, že je není vhodné reprezentovat
plochami nebo také objekty, které nemají definovanou šířku (např.vrstevnice).
·
2D geoobjekty – plochy (polygony), dvojrozměrné objekty, plocha reprezentuje
objekty, jejichž hranice uzavírá nějakou homogenní oblast (např. jezera, lesy,
zastavěná plocha, atd.).
·
3D geoobjekty – trojrozměrné objekty, objemové, v GIS se používají výjimečně, ve
specifických případech. Třetí rozměr je v GIS nejčastěji modelován pomocí tzv.
digitálního modelu terénu (DMT, DEM).
·
Někdy se také uvádějí 2,5D geoobjekty – bez dna, pouze povrch.
Geoobjekty popisující stejné téma se sdružují a ukládají do mapových vrstev
(Pechanec 2006). Příklady takových vrstev mohou být vrstvy zobrazující např. vodstvo,
silnice, vrstevnice, atd. Každá vrstva je uložena do jednoho datového souboru, který lze
používat v několika mapových dokumentech. Tyto vrstvy je možné libovolně nakládat nad
sebe (Obr. 1). Ke každé vrstvě přísluší nebo je možné vytvořit metadata neboli popisná data
o datech, která obsahují informace o tom kdo, kdy a kde prostorová data vytvořil, jaký mají
souřadný systém, rozsah a kvalitu, čeho se týkají a k jakému slouží účelu atd.
Obr. 1 Příklady digitálních prostorových vrstev v prostředí GIS (ARCDATA 2007).
3
2.1.3. Možnosti zobrazení prostorových dat v GIS
Prostorová data tvořící jednotlivé vrstvy mohou být zobrazena pomocí vektorových
nebo rastrových dat.
2.1.3.1.Vektorová data
Vektorová data umožňují vyjádřit prvky na zemském povrchu pomocí bodů, linií a
polygonů. Používají se při vyjádření hranic parcel, trasy silnice či řeky nebo budovy. Typy
souborů, které uchovávají vektorová data jsou shp (spolu se soubory shx a dbf), dxf, dgn a
jiné (Rapant 2006).
2.1.3.2. Rastrová data
Rastrová data zobrazují obraz zemského povrchu pomocí informací obsažených
v pravidelných buňkách = pixelech (picture elements nebo cells), které rastr tvoří.
Příkladem rastrových dat jsou letecké fotografie, družicové snímky nebo naskenované
mapy. Každá buňka rastru nese své informace, což umožňuje složitější operace s rastrem
tzv. analýzy. Soubory, ve kterých jsou rastrová data uložena, mohou být různých typů jsou
např. tiff, bmp, jpg, ras, cit a jiné (Rapant 2006).
Rastrové buňky (cells) mohou mít různé tvary (Obr. 2), avšak nejpoužívanější je
čtvercová.
Obr. 2 Různé tvary rastrových buněk ( Rapant 2002).
Obr. 3 Ukázka změny rozlišení DMT, postihnutelných detailů a objemové náročnosti (Krása a kol.
2006).
Rast může být prezentován v různém rozlišení. Podle Krásy a kol. (2006) ale nemůže
být daný jev prezentován v příliš velkém a detailním rozlišení, protože s větším rozlišením
4
roste i objemová náročnost datového souboru. Na druhou stranu však při příliš malém
rozlišení nedochází k žádoucímu modelování a prezentaci sledovaného jevu (viz Obr. 3).
2.2. GIS software
Existuje mnoho GIS softwarů a to jak komerčních tak i volně šířitelných. V této
kapitole jsou uvedeny stručné charakteristiky vybraných softwarů, které umožňují
provádění hydrologických analýz nebo hydrologické modelování. Detailněji je popsán
software ArcGIS, protože má speciální extenzi ArcHydro pro hydrologické analýzy, která
byla využívaná v rámci této práce.
2.2.1. GRASS
GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) je software publikovaný
pod licencí GNU General Public License (GNU GPL). Software je volně ke stažení na
http://grass.itc.it.
GRASS byl vyvíjen od roku 1982 U.S. Army Corps of Enginneer/CERL
(Construction Engineering Research Lab) pro vojenské účely. Současná verze je ideální pro
plánování krajiny a inženýrsko-technické použití. Umožňuje provádět prostorové analýzy vytvářet modely srážek a povrchových odtoků, počítání drah povrchových odtoků, šetření
stability svahů a mnoho dalších. GRASS obsahuje rovněž soubor modelů z oblasti
hydrologických modelů a analýz. Jedná se mimo jiné o vymezení povodí, počítání SCS CN
křivek, analýzy povodňových vln a využití různých modulů pro kompletní simulaci
povrchového odtoku z daného území. Další moduly mohou vytvářet diagramy a statistiky k
modelovaným a kalibrovaným datům (Neteler 2003).
2.2.2. IDRISI
IDRISI je rastrově orientovaný programový systém rozvíjený univerzitním týmem
Clark University ve Worcestru v Massachusetts. Více informací lze nalézt na
www.clarklabs.org. IDRISI byl zpočátku volně dostupný program, který sloužil pro výuku
GIS na univerzitách, ale nyní je už komerčním GIS programem. Obchodní zastoupení pro
Českou republiku zajišťuje firma Aquion s.r.o. Od ledna 2009 existuje nová verze nazývaná
jako IDRISI Taiga.
Verze IDRISI Andes nabízí topologické a hydrologické funkce, které jsou součástí
palety nástrojů pro analýzu povrchu. Obsahuje mnoho funkcí pro interpolace, geostatistiku,
pro výpočet topologických charakteristik. IDRISI také umožňuje provádět analýzy srážkoodtokových procesů, modelování potencionální eroze, vymezení povodí i modelování
povodní a jejich předpovědi (Mašková 2008, Clark Labs 2008).
5
2.2.3. DEMETERR
DEMETERR je nový software pro hydrologické modelování, který vytvořil Vojtěch
Barták v roce 2008 jako součást své diplomové práce na České zemědělské univerzitě
(ČZU) v Praze. Program v současné době není volně ani komerčně dostupný, zatím by měl
sloužit pro výuku na ČZU v Praze. Název programu DEMETERR je zkratkou z angl.
Digital Elevation Models – Elementary TERRain analysis.
Program nevyžaduje instalaci, ale je vytvořen jako spustitelná *.exe aplikace, která
pracuje pod operačním systémem Windows 2000 a novějšími verzemi Windows (včetně
Windows Vista). Vstupní data musí být ve formátu textové matice čísel v ANSII kódování,
neboli souboru s příponou .txt, který obsahuje číselné hodnoty elevací. Program umožňuje
prohlížet a upravovat grafické výstupy z řešených úloh, ukládat obrázky a výstupní textové
soubory. Pro řešení úloh je možné využívat většího množství algoritmů, což následně
umožňuje porovnání výsledků. (Barták 2008). Toto je velký rozdíl např. oproti softwaru
ArcGIS, kde není možné volit algoritmy výpočtů jednotlivých funkcí a uživatel je odkázán
pouze na jeden výsledek analýzy.
DEMETERR vyžaduje po načtení vstupních dat provést tzv. úvodní scan, který slouží
k shromáždění informací o načteném digitálním elevačním modelu, nalezení a vytvoření
seznamu plošin a depresí a vytvoření základní podkladové vrstvy OriginalDEM a až poté
lze řešit jednotlivé úlohy. DEMETERR řeší ošetřování depresí a plošin, charakteristiky
terénu (sklon, orientace svahu, vertikální zakřivení), simulaci povrchového odtoku a
akumulaci odtoku, topografický index, ohraničení povodí, extrakci říční sítě.
Výstupem z jednotlivých úloh jsou vrstvy, které lze zobrazovat a popřípadě použít
jako vstupní data do dalších úloh. DEMETERR pracuje se čtyřmi základními typy vrstev podkladová vrstva (Background Layer), vrstva směrů odtoku (Flow Directions Layer),
vrstva hranic povodí (Catchment Boundaries Layer), vrstva říční sítě (Channel Network
Layer).
2.2.4. ArcGIS
ArcGIS je geografický informační systém nabízený firmou ESRI (Environmental
System Research Institute), která vznikla v roce 1969 v Kalifornii. Tato firma je předním
producentem geografických informačních systému a mapového softwaru. Poskytuje řadu
produktů, které jsou vhodné pro zobrazování, analyzování a správu geografických dat.
Informace o této firmě a jejích produktech jsou dostupné na www.esri.com. Výhradním
distributorem GIS ESRI pro Českou republiku je společnost ARCDATA PRAHA, s.r.o. ,
která má proto množství referencí ve veřejné správě (ministerstva, kraje, města, obce) a v
celé řadě dalších soukromých i státních organizací. Více informací o této společnosti je
dostupných na www.arcdata.cz.
ArcGIS 9.x je nejnovější řadou softwaru ArcGIS a patří do kategorie ArcGIS
Desktop.
6
Do kategorie ArcGIS Desktop spadají produkty ArcView, ArcEditor, ArcInfo a
volně dostupný prohlížeč publikovaných map ArcReader. Každý z těchto produktů splňuje
různou úroveň funkcionality, a tak lze vybrat produkt, který bude uživateli nejvíce
vyhovovat (ARCDATA 2007).
ArcView je první ze tří úrovní řady ArcGIS Desktop, který je silným nástrojem pro
tvorbu map a zpráv a získávání informací z map pomocí mapových analýz .
ArcEditor je pracovním nástrojem pro automatizaci a shromažďování GIS dat
určenou pro tvorbu a správu dat ve formátu geodatabáze, shapefile a dalších .
ArcInfo je ze všech produktů nejobsáhlejší, který má nejvíce funkcí a nabízí všechny
možnosti jako ArcView a ArcEditor. Navíc obsahuje kompletní sadu nástrojů v aplikaci
ArcToolbox, která umožňuje pokročilé zpracování prostorových dat.
Všechny produkty řady ArcGIS Desktop jsou tvořeny dvěma částmi – ArcCatalog a
ArcMap. ArcCatalog slouží k organizování a uspořádání dat v prostředí GIS. Navíc ještě
umožňuje zobrazit náhled dat. ArcMap slouží k prohlížení a editaci geografických dat a
umožňuje vytváření map, grafů, projektů a zpráv.
ArcGIS pracuje s daty různých formátů. Pro mapové modely využívá vektorová data,
rastrová data a TIN model (Triangulated Irregular Network) a pro zobrazení prvků
vektorových dat používá coverage, shapefile a geodatabase.
2.3. GIS a hydrologické modely
S častým využitím softwaru GIS se lze setkat při přípravě dat (tzv. preprocessing)
pro hydrologické modely a při následném zpracování dat z modelů (tzv. postprocessing)
např. ve formě přehledných map.
Hydrologické a hydrodynamické modely se v dnešní době velmi rychle vyvíjejí
společně se zlepšující se moderní výpočetní technikou. K tomu aby mohly modely pracovat
a simulovat daný jev, je potřeba zpracovat velké množství prostorových dat. Právě k tomu
jsou vhodné geografické informační systémy, které mohou provést i následnou vizualizaci
vypočtených hodnot z modelů (Jeníček a Němečková 2007).
Z toho důvodu je v následujících kapitolách uvedena základní klasifikace modelů,
možné propojení GIS a hydrologických modelů a stručné charakteristiky vybraných
modelů.
2.3.1. Klasifikace modelů
Cílem matematického modelování hydrologických procesů je vyjádření časové a
mnohdy i prostorové závislosti určitých veličin, charakterizujících hydrologický režim
modelovaného objektu, tj. v našem případě povodí, nebo jeho části (Kovář 1990).
Vodohospodáři vnímají modelování hydrologických procesů jako prostředek
numerické simulace srážko-odtokového procesu (Daňhelka a kol. 2003).
Matematické modely používané v hydrologii můžeme rozlišit různými způsoby.
Daňhelka (2007) rozděluje modely podle prostorové diskretizace na:
7
·
Lumped modely
V těchto modelech, kterým se také říká modely celistvé, jsou parametry a vstupy pro
celou simulovanou oblast vyjádřeny jednou reprezentativní hodnotou. Modely jsou velice
zjednodušené a tím nerespektují plošnou variabilitu dané oblasti. Tyto modely jsou
nenáročné na vstupní data a jsou stabilnější ve výpočtech, proto se nestávají tak často velké
chyby a nebo je snadnější je najít. Pro výpočty jsou využívány jednoduché diferenciální
rovnice v rozměrech 0D. Nevýhodou je však, že jsou použitelné pro omezenou rozlohu
povodí a bez vlivů člověka a dalších komplikujících faktorů. Tyto modely jsou snadněji
aplikovatelné a jsou proto tedy nejčastěji používanými modely.
·
Distribuované modely
Distribuované modely člení povodí na určitý počet pravidelných elementů (částí),
které tvoří čtvercovou nebo trojúhelníkovou síť. Čtvercové části nazýváme tzv. gridy.
Výhodami těchto modelů jsou vystižení prostorové variability hydrologických a
meteorologických vstupů, vystižení prostorové variability charakteristik povodí (např.
reliéf, vegetační pokryv, charakteristika půd). Naopak nevýhodami je datová náročnost
modelu a složitost, časová náročnost v případě komplikovaných modelů a velkých povodí.
Výpočty jsou prováděny pomocí parciálních diferenciálních rovnicích v rozměrech 1D, 2D
a zřídka 3D.
·
Semidistribuované modely
Tyto modely se snaží eliminovat nevýhody předešlých modelů, a to datovou
náročnost u distribuovaných modelů a přílišnou schematizaci u celistvých modelů.
Semidistribuované modely dělí zájmovou oblast (povodí) na dílčí celky, homogenní
podoblasti (nejčastěji subpovodí nebo výškové zóny). Tyto modely by měly být dostatečně
jednoduché a zároveň by měly dostatečně vystihovat realitu.
2.3.2. Propojení GIS a hydrologických modelů
Podle Sui a Maggio (1999) existují v současné době čtyři hlavní možnosti propojení
GIS a hydrologických modelů (viz Obr. 4).
·
Zahrnutí GIS do hydrologického modelu
Prvním případem je zahrnutí GIS přímo do hydrologického modelu, což umožňuje
přímo v prostředí modelu zpracovávat prostorová data. Toto propojení přináší výhodu
v tom, že uživatel není omezen odlišnými formáty jednotlivých systémů. Ale nevýhodou
může být nekompatibilita s ostatním GIS softwary.
Příkladem je programový systém WMS (Watershed Modeling System), který vznikl
jako samostatně se vyvíjející větev modelu HEC-1 a který v sobě integruje nástroje pro prea postprocessing prostorových dat (Jeníček a Němečková 2007). WMS využívá vstupní data
vytvořená z DEM zájmového území v podobě fyzicko-geografických charakteristik povodí.
Tímto způsobem získává model charakteristické rysy GIS, jako podpory distribuovaného
hydrologického modelu (Daňhelka a kol. 2003). WMS je systém pro nejrůznější
hydrologické výpočty zaměřený na přípravu dat pro některé podporované srážko-odtokové
8
modely, které jsou jako vnější procedury systémem spuštěny. Možnosti využití prostředků
GIS v rámci systému WMS se stále rozšiřují , v nejnovější verzi je podporován ArcGIS
pomocí rozhraní ArcObject. (Kulasová a kol. 2004). Systém je komerční, ale jeho
omezenou verzi je možné stáhnout na internetové adrese: http://www.emsi.com/WMS/wms.html.
Obr.4 Čtyři druhy propojení GIS a hydrologických modelů - (a) zahrnutí GIS do hydrologického
modelu, (b) zapojení hydrologického modelu do GIS, (c) volná vazba a (d) těsná vazba
(Sui a Maggio 1999).
·
Zapojení hydrologického modelu do GIS
Druhý případ je přesně opačný a to tak, že hydrologický model je zapojen do GIS.
Toto propojení , kdy celý výpočetní proces probíhá v rámci GIS není výhodné.
Příkladem je model SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Model SWAT má
několik verzí propojení se softwarem ArcGIS – ArcSWAT 1.0 pro ArcGIS 9.1, nebo
novější verze ArcSWAT 2.1.4 pro ArcGIS 9.2, nejnovější verze ArcSWAT pro ArcGIS 9.3
bude k dispozici během roku 2009. Model je volně ke stažení na
http://www.brc.tamus.edu/swat/arcswat.html.
·
Volná vazba
Dalším typem propojení, který je nejčastěji využíván je tzv. volná vazba mezi GIS a
modelem. Tento typ vazby nevyžaduje žádné programové propojení mezi GIS a modelem.
V GIS jsou data zpracována a přenesena do modelu ve formátu, který daný typ modelu
vyžaduje. Nakonec jsou výsledná data z modelu opět přenesena do GIS a zpracována
k prezentaci.
Proto jsou vyvíjeny nástroje GIS pro zpracování prostorových dat a jejich export do
modelů. Příklady jsou rozšíření pro produkty ESRI jako GeoHMS, GeoRAS nebo
ArcHydro.
V současné době je volně dostupný na internetu program HEC-HMS (Hydrologic
Modeling System) pro Windows, který zahrnuje model HEC-1, takže je tedy jeho novou
9
verzí. Pro odvozování fyzicko-geografických charakteristik povodí je kompatibilní
s jednoduchým systémem GIS, a to HEC-GeoHMS a HEC-GeoHMS ADD-In (Kulasová a
kol. 2004).
HEC-GeoRas tvoří komunikační rozhraní mezi modelovacím softwarem HEC a
prostředím GIS. Pomocí HEC-GeoRas lze snadným způsobem získat geometrická data
(proudnice, příčné profily a břehové hrany, aj.), parametry modelu (drsnostní součinitel,
atp.) a další data, která jsou následně importována do programu HEC-RAS (Sovina a kol.
2008). Hlavní předností srážko-odtokového modelu HEC-1 je, že se jedná o typ modelu
semidistribuovaný, takže umožňuje sestavit řešené povodí z několika celků.
·
Těsná vazba
Posledním typem propojení jsou těsné vazby mezi GIS a modelem. Existuje tak
programové propojení mezi jednotlivými částmi (např. na bázi DDE-Dynamic Data
Exchange nebo NET platformy).
2.4. Nadstavby ArcGIS využitelné pro hydrologii
ArcGIS má mnoho nadstaveb. Pro využití ArcGIS v hydrologii mohou být využívány
funkce v nadstavbách Spatial Analyst, 3DAnalyst a ArcHydro.
2.4.1. ArcGIS Spatial Analyst
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. Jednotně s geografickým
systémem poskytuje Spatial Analyst snadný přístup k četným funkcím grafických
modelových nástrojů ModelBuilder (ESRI 2007).
Součástí Spatial Analyst je sada nástrojů Hydrology, která obsahuje funkce
umožňující provádět hydrologické analýzy povodí – např. identifikace bezodtokých oblasti,
určení směru odtoku z buňky, vykreslení povodí a také obsahuje sadu nástrojů pro
interpolace – např. IDW a Kriging.
2.4.2. ArcGIS 3D Analyst
Nadstavba 3D Analyst poskytuje výkonné a pokročilé nástroje pro vizualizaci,
analýzu geografických dat a nástroje pro modelování povrchu. Pomocí ArcGIS 3D Analyst
se může prohlížet velké množství dat v trojrozměrném formátu z mnohonásobného hlediska
a vytvoření reálného obrazu, který je tvořen rastrovými a vektorovými daty překrývajícími
povrch terénu. Součástí 3D Analyst je sada nástrojů pro interpolace, která je totožná
s interpolačními metodami v Spatial Analyst (ESRI 2007).
10
2.4.3. ArcHydro
ArcHydro je model prostorových a časových dat pro hydrologické analýzy, který
vznikl ve spolupráci firmy ESRI a Center for Research of Water Ressource (CRWR)
Texaské univerzity v Austinu (www.crwr.utexas.edu/giswr). Skládá se ze dvou hlavních
komponent - ArcHydro Data Model a ArcHydro Tools. Tyto dva komponenty spolu s
vlastním prostředím ArcGIS poskytují základní databázovou strukturu a sadu nástrojů pro
běžné hydrologické analýzy (Jedlička a Štych 2007).
ArcHydro je volně přístupný program, který je ke stažení na internetových stránkách
http://support.esri.com/ v oddělení downloads - Data models v těchto verzích:
ArcHydro Tools verze 1.1 Final pro ArcGIS 8.3,
ArcHydro Tools verze 1.1 Final pro ArcGIS 9 (9.0 or 9.1)
ArcHydro Tools verze 1.2 Final pro ArcGIS 9.2
ArcHydro Tools verze 1.2 Final pro ArcGIS 9.0/9.1
ArcHydro Tools verze 1.3 Final pro ArcGIS 9.2/9.3.
Před instalací je potřeba nainstalovat Water Utilities Application Framework
(ApFramework). ApFramework slouží jako programový základ pro řadu dalších nadstaveb
jako je ArcHydro, GeoRas či GeoHMS.
Softwarové požadavky:
·
ArcGIS 9.2/9.3 či vyšší verze (ArcHydro je plně funkční ve verzi ArcInfo nebo
ArcEditor, škála ArcView umožňuje pouze omezenou funkčnost)
·
Spatial Analyst Extension
·
XML překladač verze 3.0 or 4.0 (MSXML 3.0 or MSXML 4.0)
2.4.3.1.ArcHydro Data Model
Datový model ArcHydro je určen pro analýzy přírodních vodních systémů. Není
vhodný pro analýzy umělých vodních systémů (např. vodovodní sítě). Pro práci s umělými
vodními systémy vyvinula firma ESRI samostatný datový model ArcGIS Water Utility.
ArcHydro model neumožňuje pracovat s daty o podpovrchových vodách. Pro analýzu
podpovrchových vod byl vyvinut ArcHydro Groundwater data model (ESRI 2009).
Využití ArcHydro umožňuje vznik Hydrologického Informačního Systému. Tento
systém propojuje prostorová data s časovými daty získanými z monitorovacích stanic
(srážky, průtok a jiné) a umožňuje tak podporu hydrologických analýz a modelování. Díky
jednoduchému, ale systematickému propojení prostorových a časových dat v rámci jedné
geodatabáze, umožňuje sledovat pohyb vody sítí vodních toků, vytvářet série map,
popisujících změny dané veličiny v čase. Prostorová data popisují prostředí, skrz které voda
proudí, a časová data popisují pohyb vody tímto prostředím (Jedlička a Štych 2007).
Geodatabáze je propojena pomocí přiřazování různých druhů ID, tedy identifikačních čísel
vyjadřující každý prvek v databázi – např. HydroID, HydroCode, DrainID, JunctionID atd.
ArcHydro Data Model se skládá z 5 základních částí: Network (geometrická síť),
Drainage (povodí), Channel (říční kanál), Hydrography (hydrografické informace) a
Time Series (časová data) viz Obr. 5.
11
Obr. 5 Struktura ArcHydro Data Model (ArcHydro 2006).
·
Network
Popisuje propojení vodního toku pomocí geometrické sítě. Network zajišťuje
propojení segmentů vodních toků (Edge) a bodů na vodních tocích (Junction) jako jsou
například soutoky, ústí vodních toků do nádrží či jezer nebo monitorovací stanice (Jedlička
a Štych 2007, Olivera a kol. 2002b).
·
Drainage
Určuje směr povrchového odtoku podle konfigurace terénu. Vymezuje oblast, která je
odvodňována jedním tokem. Jakákoli odvodňovaná oblast je v prostředí ArcHydro
nazývána Drainage Area a obsahuje několik podtříd – Catchment, Watershed a Basin
(Jedlička a Štych 2007, Olivera a kol. 2002a):
Catchment slouží k vymezení elementárních odvodňovaných oblastí. Ty jsou
vymezeny na základě konfigurace terénu, kdy ke každému toku nebo jeho části je
vymezena odvodňovaná oblast.
Watershed vymezuje oblast odvodňovanou ke zvolenému uzávěrovému profilu. Na
rozdíl od podtřídy Catchment, která je generována automaticky, se musí pro vytvoření
Watershade zadat jeden či více uzávěrových profilů, ke kterým je následně vymezena
odvodňovaná oblast.
Basin představuje administrativně určené povodí, nejčastěji pojmenované po hlavní
řece. Většinou je tato podtřída tvořena z několika polygonů Watershade a mnoha polygonů
Catchment.
Závěrový bod polygonů Drainage Area představuje Drainage point. Může být
vytvořen pro všechny výše zmíněné podtřídy Drainage Area.
·
Hydrography
Hydrography představují důležité hydrologické objekty (např. jezera, mosty,
monitorovací stanice) a jejich souřadnice získané z map nebo jiných zdrojů (Davis a kol.
2002). ¨
12
·
Channel
Představuje trojrozměrnou prezentaci tvaru říčních kanálů, která je využívána pro
určování záplavových oblastí. Je tvořena dvěma typy objektů – příčnými a podélnými
profily. Profily jsou tvořeny liniemi, které jsou vyjádřeny rovinnými souřadnicemi a navíc
nadmořskou výškou a vzdáleností od počátku. Data jsou nejčastěji získána terénním
měřením, mohou být také odvozena z digitálních modelů terénu (Noman a Nelson 2002).
·
Time Series
Time Series slouží k propojení časových a prostorových dat. Obsahují data
znázorňující časový průběh měřené veličiny v dané monitorovací stanici. Všechny typy dat
(např. průtoky, výška hladiny, srážkové úhrny) jsou ukládány v jedné atributové tabulce.
Propojení těchto dat s konkrétním místem, se děje pomocí uložení HydroID konkrétního
objektu jako FeatureID v atributové tabulce Time Series. Existuje více časoprostorových
datových typů, ale základní verze ArcHydro využívá pouze jeden typ Atribut Series
využívající atributové tabulky (Maidment a kol 2002).
2.4.3.2.ArcHydro Tools
Nástroje ArcHydro Tools slouží k vytvoření požadovaných dat z DEM, které lze
následně využít pro datový model. Lze tedy vytvořit geometrická síť a povodí. Dále jsou
zde nástroje pro práci s atributovými tabulkami jednotlivých objektů. Dalšími zajímavými
nástroji jsou nástroje pro vytvoření série map popisující změnu veličiny v čase.
ArcHydroTools obsahuje několik sad nástrojů (Jedlička a Štych 2007):
·
Terrain processing
Sada nástrojů sloužící k charakterizaci reliéfu a určení odtokových vlastností v dané
oblasti. Získaná nová data a informace o oblasti slouží následně k vymezení hranic povodí.
Nástroje DEM Reconditin a Fill Sinks slouží k upravení vstupního digitálního modelu
terénu. Pokud je DEM dostatečně kvalitní není potřeba jej upravovat.
·
Terrain morphology
Terrain morphology je sada nástrojů sloužící k zjišťování morfologických
charakteristik. Lze počítat povrch či objem zkoumaného povodí a charakter jeho hranic.
Charakteristiky jsou odvozeny z DEM, který může být ve formě rastru nebo TIN
(Triangulated Irregulary Network).
·
Watershad Processing
Pro použití této sady jsou nezbytné informace o terénu a charakteru odtoku získané
z Terrain Processing. Nástroje Watershad Processing následně vymezí povodí k zadanému
bodu (uzávěrovému profilu).
·
Network Tools
Sada nástrojů pro vytvoření geometrické sítě vodních toků, která slouží k popisu
pohybu vody v prostředí a která se skládá ze dvou složek – geometrické sítě a logické sítě.
Vlastní geometrická síť je tvořena dvěma prvky – hranami (Edge feature) a spoji (Juniction
feature). V ArcHydro jsou hrany představují liniovou vrstvou vodních toků a spoje
13
představují prameny, soutoky a uzávěrové profily povodí. Logická síť je představována
tabulkou, která popisuje jednotlivé prvky geometrické sítě a vztahy mezi nimi. Směr
pohybu ve vodním toku je dán hodnotami spojů, které mohou být označeny jako source
(zdroj, např. pramen) a sink (cíl, např. uzávěrový profil). Průběh toku pak směřuje od spoje
source ke spoji sink (Jedlička a Štych 2007, Olivera a kol. 2002b).
2.5. Hydrologická analýza povodí s využitím ArcGIS
- Spatial Analyst
Funkce pro hydrologické analýzy povodí využívají jako základní zdroj dat digitální
model terénu, který je možné vytvořit pomocí různých interpolačních metod. Digitální
model terénu může obsahovat chyby v podobě bezodtokých oblastí, které je nutné odstranit
pro správné určení odtokových směrů, následnou generalizaci vodního toku, identifikace
uzávěrového profilu, vykreslení povodí atd. Tyto úpravy a analýzy umožňují především
funkce v sadě nástrojů Hydrology a Interpolation v nadstavbě Spatial Analyst, které jsou
popsány v následujících kapitolách.
2.5.1. Interpolační metody
Interpolační metody se velmi často využívají pro tvorbu DEM (digitálního modelu
terénu) z bodových měření nebo na základě vrstevnic. DEM je nezbytným zdrojem dat pro
hydrologické analýzy povodí. Interpolační metody se dále využívají např. pro interpolaci
plošných srážek z bodových měření ve srážkoměrech, interpolace sněhové pokrývky a
vodní hodnoty sněhu z bodových měření výšek a hustot sněhu.
Nadstavby 3D Analyst a Spatial Analyst obsahují sady nástrojů pro interpolace.
V nadstavbě 3D Analyst jde o sadu Raster interpolation a v nadstavbě Spatial Analyst se
jedná o sadu Interpolation. Obě tyto sady obsahují stejné interpolační techniky a pracují na
stejném principu.
Interpolační metody se mohou rozdělit na 2 typy podle použitých druhů vstupních
dat.
2.5.1.1. Interpolace z bodových dat
Extenze Spatial Analyst nabízí několik typů interpolačních metod, které zpracovávají
bodová vektorová data. Vstupní data musí obsahovat hodnotu z (např. nadmořskou výšku),
která bude interpolována. Jedná se např. o metody IDW a Kriging.
·
IDW
Metoda IDW (Inverse Distance Weight) je závislá pouze na vzdálenosti mezi místy
měření a místem s predikovanou hodnotou. Čím vzdálenější je místo měření od predikované
hodnoty, tím menší váha je mu přidělena. Výhodou této metody je, že zachovává hodnoty
v místech měření, ale na druhé straně dává absolutní váhu měrným místům a dochází tak
v interpolovaných hodnotách k vytváření „ok“ („bull-eyes“) (Šercl 2008).
14
·
Kriging
Metoda Kriging je závislá nejen na vzdálenosti, ale i na prostorových vazbách mezi
jednotlivými měřeními, a proto se nazývá metoda geostatistická. Její nevýhodou je, že
zpravidla nezachovává hodnoty v místě měření, zahlazuje je a vzniká tak určitý šum. Při
použití této metody pro odhad plošných srážek je nezbytné určit parametry (sill, nugget,
range) pomocí Geostatical Analyst, protože její vnitřní nastavení ve Spatial Analyst nedává
věrohodné výsledky (Šercl 2008).
2.5.1.2.Interpolace z liniových dat
Extenze Spatial Analyst obsahuje pouze jednu metodu pro interpolace, která využívá
liniová vektorová data.
·
Topo to Raster
Topo to Raster je speciální interpolační metoda pro vytvoření hydrologicky
korektního modelu terénu (DEM). Je založená na programu ANUDEM, který vyvinul
Michael Hutchinson.v letech 1988 až 1989 (ArcGIS 2006). Topo to Rastr vytvoří rastrový
DEM z vektorových dat – bodových, liniových i polygonových.
Při tvorbě DEM je nutné určit typ vstupních dat:
POINT ELEVATION – body reprezentující nadmořskou výšku.
CONTOUR – linie spojující body se stejnou nadmořskou výškou = izohypsy.
STREAM – linie vyjadřující vodní tok, všechny oblouky vodního toku musí být
propojeny a směřovat do hlavního toku povodí. Vodní tok musí být reprezentován pouze
jednou linií.
SINK – body vyjadřující známé topografické deprese. Topo to Raster je nebude při
analýze povrchu odstraňovat.
BOUNDARY – polygon vyjadřující vnější hranice výstupního rastru. Buňky ve
výstupním rastru mimo tyto hranice nebudou zobrazeny.
LAKE – polygon zobrazující jezera. Všechny buňky výstupního rastru na území
tohoto polygonu získají minimální nadmořskou výšku sousedních buněk (buněk na břehu
jezera).
Šercl (2008) využil Topo to Raster pro interpolaci bodově měřených srážek. Tvrdí, že
izolinie vzniklé touto metodou se nejvíce blíží izoliniím, které by odborník nakreslil ručně
do papírové mapy. Metoda Topo to Raster využívá pro interpolaci pouze čtyři sousední
body.
2.5.2. Vykreslení povodí
Povodí je základní hydrologickou jednotkou. Je to území po hydrologické stránce
uzavřené, nepřitéká do něj žádná voda po povrchu ani pod povrchem a je ohraničeno
rozvodnicí (Hrádek a Kuřík 2008).
Vykreslení povodí lze provést pomocí nástrojů GIS – ručně nebo automaticky.
Ručně lze vykreslit povodí tak, že se vytvoří linie charakterizující hranici povodí
(rozvodnici). Rozvodnice se vykresluje od uzávěrového profilu kolmo na vrstevnice přes
15
hřebeny, sedla a vrcholy vždy po svazích od spodu nahoru. Následnou vektorizací
rozvodnice lze vytvořit polygon určující plochu povodí.
Automatické vykreslení povodí pracuje s DEM, který lze vytvořit pomocí interpolací
(viz. kap. 2.5.1.). Pro vykreslení povodí je nezbytné provést několik operací – odstranění
bezodtokých oblastí z DEM, určení odtokových směrů, určení největší akumulace vody,
přesná identifikace uzávěrového profilu. V následujících podkapitolách je uveden postup
provedení nezbytných kroků vedoucích k automatickému vykreslení povodí a popis
využívaných funkcí.
2.5.2.1.Odstranění bezodtokých oblastí
Bezodtoká oblast (angl. sink), je taková oblast, 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 odtoku (viz Obr. 6 ).
Obr. 6 Bezodtoká oblast (ArcGIS 2006).
Jedná se většinou o velmi malé území, které vzniklo chybou při vytváření DEM, ale
může se jednat o přirozené terénní útvary (Jedlička a Štych 2007).
Pro vytvoření správného rastru směru odtoku a rastru akumulace vody je nezbytné
tyto bezodtoké oblasti odstranit.
Funkce Fill umožňuje vyplnění bezodtokých oblastí (viz Obr. 7). Vstupem je rastrová
vrstva povrchu (DEM) a výstupem je upravená rastrová vrstva povrchu bez bezodtokých
oblastí. Podél hranic vyplněných oblastí se mohou vytvořit nové bezodtoké oblasti, které
opět potřebují vyplnit, proto funkce Fill provádí vyplnění opakovaně, dokud nejsou všechny
odstraněny.
Obr. 7 Vyplnění bezodtokých oblastí a snížení převyšujících vrcholků (ArcGIS 2006).
Volitelným parametrem funkce Fill je z limit, což je hodnota maximální hloubky
bezodtoké oblasti, která bude funkcí Fill vyrovnána na úroveň okolního terénu. Tedy je-li
16
rozdíl výšky „sink“ buňky a nejnižší přiléhající buňky menší než hodnota z limit bude
výška této buňky vyrovnána. Není-li zadána hodnota z limit funkce Fill vyplní všechny
bezodtoké oblasti, které identifikuje.
Pro lepší odhad parametru z limit ve fukci Fill lze použít funkci Sink, pomocí které
lze určit hloubku bezodtoké oblasti a následně pak určit vhodnou hodnotu z limit. Pro
zjištění hodnoty z je nutné provést několik kroků pomocí funkcí - Flow Direction, Sink,
Watershad, Zonal Statistic, Zonal Fill a Minus. Přesný postup je uveden v ArcGIS
nápovědě u funkce Sink.
Jako vstupní vrstvu využívá funkce Sink rastrovou vrstvu směrů odtoků z buněk.
Pokud se tedy tato funkce použije, je nejprve nutné použít funkci Flow Direction pro
vytvoření rastru směru odtoku (viz následující kapitola 2.5.2.2). Výstupem funkce Sink je
rastrová vrstva znázorňující bezodtoké oblasti.
Funkce Fill může být také použita k umazání "vrcholků" povrchu (viz Obr. 7), tedy
buněk které nemají sousední buňku s vyšší hodnotou výšky.
2.5.2.2.Určení směru 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).
ArcGIS určuje pouze jednosměrný odtok pomocí algoritmu SFD8 (Single Flow 8Direction), též nazývaný D8.
Výpočet směru odtoku pomocí funkce Flow Direction se děje na principu posuvného
okna o velikosti 3 × 3 buňky. V rámci posuvného okna se určí buňka s nejnižší hodnotou
nadmořské výšky a vypočítá se sklon mezi vyšetřovanou prostřední buňkou a nejníže
položenou buňkou (viz Obr. 8). Tento proces se opakuje na všech buňkách rastru a následně
je buňkám přiřazen směr odtoku a příslušné hodnoty směru (viz Obr. 9 a 10). Vstupní
vrstvou pro určení směru odtoku je rastr DEM (ArcGIS 2006, Jedlička a Štych 2007),
nejlépe již s vyplněnými bezodtokými oblastmi.
Obr. 8 Výpočet sklonu mezi buňkami (Olivera a kol. 2002a).
17
Obr. 9 Hodnoty přiřazené k jednotlivým směrům odtoku (Olivera a kol. 2002a).
Obr. 10 Přiřazení hodnot směru odtoku (Olivera a kol. 2002a).
Současně s funkcí Flow Direction je vytvořen Drop raster zobrazující sklon ve
směru odtoku mezi jednotlivými buňkami vyjádřený v procentech.
Dále lze zadat zda buňky na hranici vstupního rastru budou odtékat dovnitř nebo
mimo zadaný rastr.
Rastr směru odtoku lze využít k analýze převládajícího směru odtoku například v
souvislosti s erozními procesy v povodí (Kopp 2005).
2.5.2.3.Akumulace vody
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
Obr. 11. Akumulace odtoku je vytvořena jako rastr pomocí funkce Flow Accumulation.
Vstupním rastrem je rastr směru odtoku vody z buněk, který je vytvořen funkcí Flow
Direction.
Dalším vstupním rastrem může být tzv. „weight raster“, který přiřazuje hodnotu
každé buňce. Příkladem „weight rastru“ může být rastr plošného rozdělení srážek. Pak
hodnoty výsledných buněk akumulace vyjadřují množství srážek a odtoku z daného území.
Pokud tento rastr není zadán, každá buňka má automaticky přidělenou hodnotu 1 a pak tedy
výsledná hodnota akumulace odtoku pro danou buňku se rovná součtu buněk, ze kterých
přitéká voda do vyšetřované buňky.
Dále se určuje typ výstupního rastru FLOAT – hodnota buňky je vyjádřena
racionálním číslem (primárně nastaveno) nebo INTEGER – hodnota buňky je vyjádřena
celým číslem (ArcGIS 2006).
18
Obr.11 Rastr směru odtoku z buňky (1) a z něj spočtený rastr akumulace vody (2) (Jedlička a
Mentlík 2002).
Analýza rastru akumulace vody vypovídá o koncentraci odtoku v povodí a může
sloužit jako podklad pro návrh opatření na podporu retence vody (Kopp 2005).
2.5.2.4.Identifikace uzávěrového profilu
Identifikace přesné polohy uzávěrového profilu je velmi důležitým krokem ke
správnému vykreslení povodí.
Funkce Snap Pour Point vyhledává buňku s nejvyšší akumulací vody v zadané
vzdálenosti od uzávěrového profilu povodí. Vstupními daty je rastr akumulovaného odtoku
a bodová nebo rastrová vrstva vyjadřující uzávěrový profil povodí tzv. „pour point“.
Výstupem je rastr vyjadřující buňku s nejvyšší akumulací odtoku, která je při vykreslování
povodí považována za uzávěrový profil povodí.
Pokud by nebyla využita tato funkce a uzávěrový profil by nebyl na místě buňky
s nejvyšší akumulací odtoku, nebo-li nebyl by na místě buňky do které přitéká voda
z celého povodí, vykreslí se pouze malá odvodňovaná část povodí a ne celé povodí.
2.5.2.5.Konečné vykreslení povodí
Povodí neboli Watershed je plocha, ze které odtéká voda do uzávěrového profilu na
vodním toku. Dalšími běžnými anglickými termíny pro povodí jsou Basin, Catchment a
Contributing area. Hranice povodí neboli rozvodnice se nazývají Watershad boundaries
či divides a hranice odvodňovaných částí Dranaige divides. Subbasin znázorňuje
mezipovodí a stream network představuje vodní tok (viz Obr. 12 ). Uzávěrový profil
(pour point či outlet) je nejníže položeným místem na rozvodnici a může jím být přehrada,
hráz, vodočet nebo místo před silničním propustkem, apod.
Pomocí funkce Watershad lze vytvořit rastr zobrazující plochu odvodňované oblasti
k uzávěrovému profilu. Vstupními daty jsou rastr směru odtoku (vytvořený pomocí Flow
Direction) a rastr nejvyšší akumulace odtoku (vytvořený pomocí Snap Pour Point).
19
Obr. 12 Schéma povodí (ArcGIS 2006).
2.5.3. Stanovení charakteristik povodí
Kromě již zmíněných funkcí nutných pro vykreslení povodí obsahuje nadstavba
Spatial Analyst a především sada nástrojů Hydrology další nástroje pro zjišťování
charakteristik povodí a pro hydrologické analýzy. V následujících podkapitolách jsou
některé popsány.
2.5.3.1.Charakteristiky vodního toku
·
Identifikace vodního toku
Funkce Con a funkce Set Null v sadě nástrojů Condition umožňují identifikovat vodní
tok. Vstupní vrstvou pro obě funkce je rastr akumulace odtoku, pro který se zadává prahová
hodnota tj. počet buněk nebo součet hodnot buněk z kterých poteče voda do šetřené buňky.
Překročí-li hodnota buňky ve vrstvě akumulace odtoku prahovou hodnotu, bude buňka
označena jako součást vodního toku. Výsledné buňky tvořící vodní tok získají hodnotu 1,
všechny ostatní buňky hodnotu 0 (ArcGIS 2006).
Při použití funkce Con buňky tvořící vodní tok splňují zadanou podmínku pro
prahovou hodnotu (např. pro prahovou hodnotu 50 se zadá podmínka “VALUE”>50).
Při použití funkce SetNull buňky tvořící vodní tok nesplňují zadanou podmínku pro
prahovou hodnotu (např. pro prahovou hodnotu 50 se zadá podmínka “VALUE”<50).
Generovaný rastr vodních toků částečně umožňuje posoudit antropogenní změny v
hydrografické síti, protože vymezuje přirozenou síť vodních toků (Kopp 2005).
Rastr vodních toků lze vytvořit převodem vektorové vrstvy vodních toků, které jsou
zadané (např. ZABAGED) na rastrovou vrstvu pomocí funkce Polyline to Raster
(Conversion Tools – To Raster). V tomto případě už se nevymezuje přirozená síť vodních
toků.
20
·
Vytvoření linie vodního toku z rastru vodního toku
Funkce Stream to Feature vytvoří linii vodního toku pomocí vektorizace rastru, který
představuje vodní tok. Tato funkce je vhodná pro jakékoli vektorizace rastrů představujících
liniové prvky. Pro hydrologické účely jsou vstupními daty rastr vodního toku a rastr směru
odtoku.
Převod linie na rastr umožňuje také funkce Raster to Polyline (Conversion Tools – To
Raster ).
·
Segmentace vodního toku
Funkce Stream Link přiřazuje unikátní hodnoty částem (úsekům) rastru, který
znázorňuje liniovou vrstvu vodních toků. Jednotlivé úseky (Links) vodního toku jsou
vymezeny průsečíky nebo křižovatkami (Junctions) na vodním toku (viz Obr. 9 ).
Vstupními daty jsou rastr vodního toku a rastr směru odtoku a výstupem je rastr
jednotlivých úseků (ArcGIS 2006).
Obr. 9 Rozdělení vodního toku na jednotlivé úseky (Links), které jsou vymezeny křižovatkami
(Junctions) na vodním toku (ArcGIS 2006).
·
Pořadí vodního toku
Funkce Stream order přiřazuje číselné pořadí jednotlivým větvím vodního toku.
Vstupními daty jsou rastr vodního toku a rastr směru odtoku. Pro přiřazení číselného pořadí
existují dvě metody – STRAHLER a SHREVE (ArcGIS 2006).
Metoda STRAHLER určuje pořadí tak, že vodní toky bez přítoku jsou označeny jako
vodní toky prvního řádu. Po spojení dvou vodních toků prvního řádu vznikne vodní tok
druhého řádu. Po spojení dvou toků druhého řádu vznikne vodní třetího řádu. Princip je
takový, že po spojení dvou toků stejného řádu vznikne tok o řád vyšší. Pokud se však spojí
dva toky odlišného řádu nevznikne tok o řád vyšší, ale získá řád toku s vyšším řádem (viz
Obr. 13 ). Toto je běžná metoda pro číslování úseků vodního toku.
Metoda SHREVE určuje pořadí tak, že vodní toky bez přítoku jsou prvního řádu.
Následující tok má řád (pořadí) daný součtem řádů předchozích toků (viz Obr. 13 ).
21
Obr. 13 Metody pro určení pořadí úseků vodního toku (ArcGIS 2006).
2.5.3.2.Charakteristiky terénu
Charakteristiky terénu jsou odvozeny z neupraveného DEM, kde nebyly vyplněny
bezodtoké oblasti, aby byl zachován přirozený charakter terénu.
Využití GIS a analýza DEM umožňují získávat, analyzovat a uchovávat velké
množství dat o reliéfu a staly se již nedílnou součástí geomorfologických výzkumů
(Voženílek 1996, 2001 in Jedlička a Mentlík 2002).
·
Sklon svahu
Sklon je určen jako podíl převýšení a vzdálenosti dvou bodů.
Obr.14 Posuvné okno 3x3 buňky (ArcGIS 2006).
V ArcGIS se sklon určuje pomocí posuvného okna 3x3 buňky (viz Obr. 14), kde se
zjišťuje maximální sklon mezi prostřední vyšetřovanou buňkou a buňkami ve směru osy x a
osy y podle vzorců:
dz (c + 2f + i ) - (a + 2d + g )
=
dx
(8 × x_cell_size)
(1)
dz (g + 2h + i ) - (a + 2b + c )
=
dy
(8 × y_cell_size)
(2)
Výsledný sklon je pak dán vztahem:
a) sklon v procentech
2
æ dz ö æ dz ö
rise_run = ç ÷ + çç ÷÷
è dx ø è dy ø
2
(3)
22
b) sklon ve stupních
2 ö
2
æ
ç æ dz ö æç dz ö÷ ÷ 180
slope_degrees = arctan ç ç ÷ + ç ÷ ÷ ×
ç è dx ø è dy ø ÷ p
ø
è
·
(4)
Průměrný sklon svahů a průměrná nadmořská výška povodí
Z výsledného rastu sklonů lze pomocí funkce Zonal Statistic as Table vytvořit
tabulku obsahující informace o průměrných hodnotách sklonů pro zadaná území. Pokud
jsou vstupní vrstvou určující dané území polygony pravého a levého svahu povodí, funkce
vypočítá průměrné sklony těchto svahů.
Stejným způsobem lze určit průměrnou nadmořskou výšku povodí. Rozdíl je v tom,
že vstupní vrstvou je DEM obsahující informace o nadmořských výškách a opět polygon
vymezující oblast (např. povodí), pro kterou se zjišťuje daná charakteristika.
·
Orientace svahu ke světovým stranám
Orientace svahu ke světovým stranám je určena podle směru největšího sklonu
sousedních buněk (viz Obr.15) Tuto charakteristiku vypočítá funkce Aspect v nástrojích
Surface.
Obr.15 Určování orientace ke světovým stranám (ArcGIS 2006).
·
Tvorba vrstevnic
Funkce Contour v nástrojích Surface umožňuje zpětnou tvorbu vrstevnic z digitálního
modelu terénu. Tímto způsobem lze porovnat nově vytvořené vrstevnice s vrstevnicemi
z nichž byl vytvořen DEM, a tím ověřit správnost DEM.
Funkce Contour List vytvoří pouze jednu vrstevnici podle zadané nadmořské výšky
(hodnoty z).
·
Identifikace zvýšených a snížených oblastí v DEM
Při úpravách DEM dochází k vyplňování bezodtokých oblastí a zároveň snižování
vrcholů. Funkce Cutt/Fill rozdělí povrch na buňky snížené, zvýšené a buňky, které nebyly
upraveny (viz Obr. 16).
Obr.16 Identifikace upravených oblastí povrchu terénu pomocí funkce Cutt/Fill (ArcGIS 2006).
23
2.5.3.3.Další charakteristiky
·
Vykreslení odvodňovaných oblastí
Pomocí funkce Basin je možné vykreslit odvodňované oblasti uvnitř analyzovaného
výseku povrchu. Vstupními daty je rastr směru odtoku vody z buněk (Flow Direction). Při
analýze rastru směru odtoku hledá funkce Basin skupiny propojených buněk, které přísluší
k určité odvodňované oblasti. Funkce Basin určuje odtokové oblasti automaticky k bodů na
okraji rastru, tedy tam kde vodní tok odtéká pryč z rastru. Tato funkce narozdíl od funkce
Watershed nepracuje s uzávěrovým profilem povodí (ArcGIS 2006).
·
Nejdelší dráha odtoku
Dráhu odtoku lze zjistit pomocí funkce Flow Length. Vstupními daty je rastr směru
odtoku. Toto měření se používá k vypočítání doby koncentrace vody na povodí. Pokud
zvolíme způsob UPSTREAM, vypočítá se nejdelší vzdálenost podél trasy toku proti proudu
z každé buňky až k nejvyššímu místu hranice odvodnění (rozvodnice). Způsob
DOWNSTREAM počítá naopak vzdálenost podél trasy toku po proudu, z každé buňky až
k „sink“ (místo odkud voda již nemůže nikam odtéct) nebo místu odtoku z rastru. Dalším
vstupním rastrem může být rastr udávající buňkám určitou hodnotu, pokud není zadán,
každá buňka má primárně nastavenou hodnotu 1 (ArcGIS 2006).
2.6. Hydrologická analýza povodí s využitím ArcGIS
- ArcHydro
2.6.1. Úprava DEM
DEM představuje základní data pro určení hydrologických charakteristik. Nadstavba
ArcHydro neumožňuje narozdíl od Spatial Analyst vytvořit DEM, ale obsahuje sadu
nástrojů Terrain processing s funkcemi pro úpravu DEM.
2.6.1.1.Prohloubení říčního koryta
Funkce DEM Reconditing slouží k úpravě kvality vstupního DEM, tak aby byl
zdůrazněn systém odvodňování oblasti řekami a byly odstraněny případné chyby vstupního
DEM. Vstupními vrstvami jsou DEM a vrstva vodních toků. Dále se musí zadat parametry
Stream Buffer, Smooth drop/raise a Sharp drop/raise. Smooth drop/raise určuje o kolik
metrů jsou sníženy břehy řečiště. Parametr Sharp drop/raise pak určuje o kolik metrů bude
sníženo vlastní koryto řeky. Stream buffer určuje vzdálenost, ve které se projeví vhloubení
koryta (Jedlička a Štych 2007).
2.6.2. Vykreslení povodí
Právě přesné vymezení hranice jednotlivých odvodňovaných oblastí je základem pro
efektivní hydrologické analýzy. Pro přesné vymezení hranic odvodňovaných oblastí slouží
nástroje ArcHydro Tools (Jedlička a Štych 2007).
24
Opět jako u Spatial Analyst je nutné provést několik kroků vedoucích k samotnému
vykreslení povodí. Postup pro vykreslení v ArcHydro je delší než ve Spatial Analyst, ale je
logický a všechny nástroje pro jednotlivé kroky jsou v sadách nástrojů seřazeny sousledně
za sebou.
2.6.2.1.Odstranění bezodtokých oblastí
Bezodtoké oblasti jsou již definovány v kapitole 2.4.2.1. Extenze ArcHydro obsahuje
funkci Fill sinks pro úpravu bezodtokých oblastí. Funkce Fill sinks upravuje tyto buňky tak,
že je zvýší do úrovně buněk sousedních (ArcHydro 2006, Jedlička a Štych 2007). Tato
funkce pracuje stejně jako funkce Fill v sadě nástrojů Hydrology v nadstavbě Spatial
Analyst. Určuje se zde také z limit, který vyjadřuje hloubku prohlubní nutnou pro vyplnění.
Pokud se nezadá, budou všechny prohlubně vyplněny. Odstranění bezodtokých oblastí patří
také do úprav DEM, ale zde je zařazena jako důležitá součást vykreslení povodí, protože
zajišťuje určení správných odtokových směrů a následné akumulaci vody.
2.6.2.2.Určení směru odtoku
Směry odtoků z buněk se určují pomocí funkce Flow Direction, která je obsažena
v sadě nástrojů Terrain Processing.
Funkce Flow Direction v ArcHydro pracuje stejně jako funkce Flow Direction v sadě
nástrojů Hydrology v nadstavbě Spatial Analyst (viz kap. 2.5.2.2).
2.6.2.3.Akumulace vody
Akumulace vody (odtoku) se odvozuje z rastru směru odtoku z buněk a vytváří se
pomocí funkce Flow Accumulation v sadě nástrojů Terrain Processing.
Tato funkce pracuje stejně jako funkce Flow Accumulation v sadě nástrojů Hydrology
v nadstavbě Spatial Analyst (viz kap. 2.5.2.3). Ale na rozdíl od Spatial Analyst neumožňuje
zadání tzv.“weight rastru“, který přiděluje buňkám určité hodnoty. Takže výsledný rastr
akumulace odtoku vytvořený pomocí funkce Flow Accumulation v ArcHydro vyjadřuje
součet buněk, ze kterých přitéká voda do vyšetřované buňky.
„Weight rastr“ pro akumulaci odtoku může být zadán při použití funkce Weighted
Flow Acumulation. „Weight rastr“ je zde označován jako „Weight Grid“. Jeho hodnotou je
přenásobena každá buňka vstupního rastru směru odtoku. Jako „Weight
Grid“ je vhodné použít rastr znázorňující akumulační schopnosti zemského povrchu
(Jedlička a Štych 2007).
2.6.2.4.Identifikace vodního toku
Extenze ArcHydro vyžaduje pro vykreslení povodí rastr vodních toků, který vytváří
funkce Stream Definition, kde je vstupní vrstvou rast akumulace vody. Velmi důležité je
určení prahové hodnoty, která určuje počet buněk z rastru akumulace vody (primárně je
nastaveno 1% max. počtu akumulovaných buněk) nebo plochu povodí v km2 (primárně je
nastaveno 1% odvodňované plochy). Výsledný rastr vodního toku je tvořen buňkami, které
překročily zadanou prahovou hodnotu a je jim přidělena hodnota 1. Ostatní buňky mají
25
nulovou hodnotu a tím pádem nejsou součástí toku (ArcHydro 2006). Funkce Stream
Definition funguje stejně jako funkce SetNull a Con ve Spatial Analyst.
Je důležité nastavit prahovou hodnotu tak, aby výsledný rastr co nejvíce odpovídal
skutečnému systému vodních toků. Čím menší je prahová hodnota, tím detailnější je
vzniklý rastr. Pokud je ale prahová hodnota příliš malá, výsledný rastr je příliš hustý a
nepodobá se vodním tokům. Tento krok je tedy nutné provést několikrát a zjistit ideální
hodnotu pro konkrétní případ.
2.6.2.5.Segmentace rastru vodních toků
Pomocí funkce Stream Segmentation se rastr vodních toků rozdělí na části
(segmenty). Vstupními daty jsou rastr směru odtoku a rastr vodního toku, ve kterém mají
všechny buňky hodnotu jedna. Nově vzniklý rastr přiděluje buňkám rozdílné hodnoty vždy
ale stejné v jednom segmentu vodního toku.
2.6.2.6.Odvodňované oblasti povodí
Funkce Catchment Grid Delineation vytváří rastr znázorňující odvodňované oblasti
pro jednotlivé segmenty vodního toku, které vytvořila funkce Stream segmentation. Buňky
v dané jedné odvodňované oblasti mají stejnou jedinečnou hodnotu. Vstupy představují
rastr směru odtoku a rastr segmentace vodního toku.
2.6.2.7.Vektorizace odvodňovaných oblastí povodí
Funkce Catchment Polygon Processing zvektorizuje rastr odvodňovaných oblastí
povodí. Všechny buňky rastru mající stejnou hodnotu vytvoří jeden polygon.
2.6.2.8.Vektorizace rastru vodních toků
Stejně jako funkce Catchment Polygon Processing funguje funkce Drainage Line
Processing, která vektorizuje rastr vodního toku na liniovou vrstvu. Vstupními daty pro tuto
funkci jsou dva rastry – rastr směru odtoku a rastr segmentace vodního toku.
2.6.2.9.Propojení vektorových odvodňovaných oblastí
Funkce Adjoint Catchment Polygon spojí dílčí polygony odvodňované jednotlivými
segmenty toku do souvislých polygonů, které jsou odvodňovány v rámci jedné navazující
říční sítě (Jedlička a Štych 2007).
2.6.2.10. Identifikace uzávěrového profilu
Pro správné vykreslení povodí je opět nutné jako ve Spatial Analyst identifikovat
uzávěrový profil povodí. ArcHydro vyžaduje vytvoření nové bodové vrstvy Batch point,
která znázorňuje uzávěrové profily. Bodů může být zadáno více, ale ne v rámci jednoho
povodí. Body vykresluje nástroj Batch Point Generation umístěný samostatně v hlavním
panelu ArcHydro Tools. Při tvorbě bodů se zadávají parametry – Batch Done určuje, zda
má být k bodu vykresleno povodí (0 – ano, 1 – ne), Snap on určuje, zda má být bod
přichycen na nejbližší vodní tok (0 – ne, 1 – ano).
26
2.6.2.11. Konečné vykreslení povodí
Funkce Batch Watershed Delineation vymezí povodí k závěrovému profilu (Batch
Point), který se vytvořil pomocí nástroje Batch Point Generation. Pro vykreslení povodí
jsou nutné jako vstupy tyto vrstvy – rastr směru odtoku, rastr vodního toku, polygony
dílčích odvodňovaných oblastí, polygon vytvořený spojením dílčích polygonů a uzávěrový
profil. Je nutné provést všechny operace zmíněné v předchozích kapitolách pomocí nástrojů
Flow Direction až Adjoint Catchment Processing v sadě nástrojů Terrain Processing. Až po
té lze použít nástroje Watershad Processing pro konečné vymezení povodí.
Po proběhnutí výpočtu je vytvořená nová polygonová vrstva povodí a vrstva
uzávěrových profilů těchto povodí.
Další možností vykreslení povodí je využití funkce Point Delineation, která
vykresluje povodí pouze pomocí jednoho uzávěrového profilu. Po vykreslení bodu
představující uzávěrový profil se otevře dialogové okno pro zadání vstupních vrstev – rastr
směru odtoku, rastr vodního toku, polygonová vrstva povodí a polygonová vrstva spojeného
povodí. Výstupními vrstvami jsou rastr povodí a vrstva uzávěrového profilu.
Výhodou uvedeného postupu je, že se jedná o vymezení, které není ovlivněno
antropogenními změnami v povodí, pokud nejsou zahrnuty do vstupních vrstevnicových dat
(Kopp 2005).
2.6.2.12. Vykreslení subpovodí
Obdobně jako funkce pro vykreslení povodí funguje funkce Batch Subwatershed
Delineation pro vykreslení dílčích subpovodí v rámci již vytvořeného povodí. Je opět
potřeba vykreslit uzávěrové profily subpovodí, ale nejprve se musí resetovat předcházející
vrstva uzávěrových profilů pro celé povodí (ArcHydro 2006, Jedlička a Štych 2007).
2.6.3. Stanovení charakteristik povodí
·
Vytvoření geometrické sítě vodních toků
Geometrickou síť vodních toků vytváří funkce Hydro Network Generation v sadě
nástrojů Network Tools. Geometrická síť je tvořena dvěma prvky – hranami (Edge feature)
a spoji (Juniction feature), které jsou výstupními vrstvami při použití této funkce (Olivera a
kol. 2002b). Vstupními daty jsou linie vodního toku (Drainage Line), polygony
jednotlivých odvodňovaných oblastí (Catchment) a uzávěrové profily povodí (Drainage
Point).
Pro další analýzy geometrické sítě povodí je možné využít nástrojovou lištu Utility
Network Analyst.
Některá možné analýzy pomocí nástrojů Utility Network Analyst (ArcHydro 2006,
Jedlička a Štych 2007):
27
·
Find Path – nalezne cestu mezi označenými body.
·
Find Connected – nalezne všechny složky sítě, které jsou spojeny s označeným
místem.
·
Find Disconnected – nalezne všechny prvky, které nejsou spojeny s označeným
místem.
·
Find Path Upstream – nalezne všechny složky sítě, které přitékají do daného
označeného místa.
·
Find Path Downstream – nalezne všechny prvky sítě, které jsou od zadaného místa
níže po proudu.
Pro provádění analýz je nutné nástroje pro určeni bodů (spojů), nebo linií (hran), ke
kterým se budou vytvářet požadované analýzy. Dále je možné určení bariéry na bodu či
linii. Bariéra způsobuje zneprůchodnění daného bodu, či linie (voda nemůže proudit skrze
označené místo).
Další nástroje pracující s geometrickou sítí vodních toků jsou Store Flow Direction a
Set Flow Direction, které umožňují určení směru toku v geometrické síti.
·
Sklonitost svahu
Funkce Slope vytvoří z DEM rastr znázorňující sklony svahů vyjádřené v procentech.
Vstupem je pouze DEM, který ale není nijak upraven, např. nejsou v něm odstraněny
bezodtoké oblasti. Jakákoli korekce DEM by narušila přesné určení sklonů. K výpočtu
rastru skonů se používá posuvné okno o velikosti 3×3 buňky. V tomto okolí se spočte
maximální velikost změny nadmořské výšky a z ní poté velikost sklonu svahu pro danou
buňku (ArcHydro 2006, Jedlička a Štych 2007). Princip této funkce je stejný jako u funkce
Slope ve Spatial Analyst.
Oproti Spatial Analyst jsou zde k dispozici ještě další dvě funkce - Slope greater than
30, která vytvoří rastr sklonů svahů větších něž 30% (sklony větší než 30% získají hodnotu
1, ostatní mají nulovou hodnotu) a Slope greater than 30 and facing North, která vytvoří
rastr sklonů svahů větších než 30% a zároveň svahů, které jsou orientovány na sever.
·
Výškové charakteristiky linie
Pomocí funkce Construct 3D line se vytvoří 3D vrstva ze vstupní 2D vrstvy.
Vstupními daty jsou vrstvy 2D – liniová, která může představovat vodní tok, a 3D vrstva –
představující DEM.
Další funkce Flow Path Parametrs for 2D nebo 3D line umožňují získat délkové a
výškové charakteristiky vstupní 2D nebo 3D linie.
Jako vstupní liniovou vrstvu pro tento nástroj lze použít Longest flow Path
(představuje nejdelší vzdálenost v povodí ve směru odtoku). V atributové tabulce vstupní
vrstvy jsou vytvořeny následující charakteristiky vstupní linie (ArcHydro 2006, Jedlička a
Štych 2007):
28
LengthMi: délka vstupní linie v mílích
SlpFM:sklon ve stopách na míli
Slp1085FM: sklon ve stopách na míli mezi body vzdálenými 10% a 85% od
závěrového profilu povodí
Slp: poměr sklonů v koncovém místě linie a v místě závěrového profilu
Slp1085: poměr sklonů v bodech vzdálených 10% a 85% od závěrového profilu
ElevUP: nadmořská výška nejvzdálenějšího bodu
ElevDS: nadmořská výška uzávěrového profilu
Elev10: nadmořská výška bodu vzdáleného 10% od závěrového profilu
Elev85: nadmořská výška bodu vzdáleného 85% od závěrového profilu
·
Výškové charakteristiky odvodňované oblasti
Součástí sady nástrojů Terrain morphology je nástroj Drainage Area
Charakterization, který umožňuje vypočítat celkovou plochu a objem pod zadanou výškou,
představující rovinu řezu. Vstupními daty jsou vrstva znázorňující plochu povodí a DEM.
Dále je možné zadat převýšení (extrusion), které je primárně nastaveno jako hodnota 0.
Dále se zadává parametr určující počet rovin, kterými bude terén řezán.
Po proběhnutí výpočtu jsou v atributové tabulce vstupní vrstvy vytvořeny nové
charakteristiky:
MinElev – minimální nadm. výška povodí
MaxElev – maximální nadm. výška povodí
IsPitted – určuje zda povodí představuje bezodtokou oblast (Null – nejde o
bezodtokou oblast, 1 – bezodtoká oblast).
Dále se vytvoří tabulka s výškovými charakteristikami rovin řezu.
·
Výškové charakteristiky hranice povodí
Další funkcí v nástrojích Terrain morphology je Drainage Boundary
Charakterization, která umožňuje vytvoření vrstvy 3D linií představující hranice povodí.
Linie je rozdělena na několik segmentů, podle toho s kolika povodími dané povodí sousedí.
Výsledná atributová tabulka této vrstvy obsahuje informace o max. a min. nadmořských
výškách podél hranic povodí.
2.6.3.3.Další charakteristiky
·
Uzávěrové profily dílčích odvodňovaných oblasí
Pomocí funkce Drainage Point Processing je vytvořena bodová vrstva znázorňující
odtokové uzávěrové profily z odvodňovaných oblasti jednotlivých segmentů vodního toku.
Vstupními daty jsou rastr akumulace vody a vektorová vrstva polygonů odvodňovaných
oblastí.
·
Těžiště ploch
Funkce Drainage Area Centroid vytváří bodovou vrstvu představující těžiště vstupní
polygonové vrstvy – tedy buď těžiště celého povodí nebo těžiště dílčích subpovodí.
29
·
Délka odtoku
Funkce Longest Flow Path for Catchmenst (Terrain processing) nalezne nejdelší
cestu odtoku vody v rámci dílčích odvodňovaných oblastí. Vytvoření této cesty usnadňuje
pozdější vytvoření nejdelší odtokové cesty v povodí.
Funkce Longest Flow Path for Adjoint Catchmenst (Terrain processing) slouží k
nalezení nejdelší cesty odtoku vody v odvodňované oblast jedné říční sítě. Vychází
z výsledků funkce Longest Flow Path Catchments.
Dalšími funkce zjišťující nejdelší délky odtoku jsou – Longest Flow Path, Longest
Flow Path for Watershade a longest Flow Path for Subwatershade, které zjišťují cesty
odtoku pro celé povodí, dílčí povodí nebo pouze vybrané dílčí povodí.
·
Pohyb vody
Další nástroj Flow Path Tracing umožňuje vytvořit linii znázorňující pohyb vody ze
zadaného místa až po závěrový profil povodí. Vychází pouze z jedné vstupní vrstvy rastru
směru odtoku. Princip používání tohoto nástroje je velmi jednoduchý, stačí pouze zadat pod
na mapě a nástroj následně vykreslí pohyb vody od tohoto bodu až do uzávěrového profilu.
Takto se může zadávat několik bodů za sebou a jednotlivá vykreslení se neruší. Flow Path
Tracing slouží pouze pro vizualizaci, výsledky se neukládají.
·
Změna veličiny v čase
V nástrojích Time Series Processing je nástroj Display Time Series, který umožňuje
vyjádřit změnu hodnot na konkrétním místě v čase. Příkladem mohou být denní srážkové
úhrny v povodí, kde je možné znázornit průběh denních srážkových úhrnů v jednotlivých
povodích během měsíce. Pro fungování této funkce je nutné vytvořit tabulku obsahující
informace o změně veličiny v čase (Jedlička a Štych 2007).
2.7. Konkrétní případy využití ArcGIS v hydrologii a
příbuzných vědách
Existuje mnoho možností využití softwaru ArcGIS v hydrologii a příbuzných vědách.
Nejčastěji se využívají extenze ArcGIS pro přípravu dat pro hydrologické modely a
následnou vizualizaci výstupních dat modelů. Dále se ArcGIS využívá k interpolacím,
hlavně pro vytvoření digitálního modelu terénu z bodových měření nebo liniových či
polygonových dat obsahujících hodnotu z (výšku) nebo např. pro interpolace srážek a
sněhové pokrývky.
2.7.1. Využití ArcGIS pro interpolace
·
Monitoring sněhové pokrývky
Jeníček a kol. (2008) využíval nástroje pro interpolace v ArcGIS pro odhad
celkového množství vody akumulovaného ve sněhové pokrývce. Byly použity 3
interpolační metody softwaru ArcGIS – Spline (tension, váha 0,1), Kriging (ordinary
spherical) a IDW (váha 0,5) při vstupní velikosti pixelu 10x10m. Vstupní data pro
30
interpolace byla vytvořena bodovým měřením výšky sněhové pokrývky a vodní hodnoty
sněhu. Měření byla prováděna pro účely interpolace v husté pravidelné síti bodů na celém
povodí. Vzniklé 3 mapy třech různých interpolačních metod se výrazně lišily charakterem
výsledného rozprostření interpolované veličiny, což je dáno podstatou jejich algoritmů.
Přesto však bylo použitím třech různých metod odhadnuto přibližně stejné množství vody
akumulované ve sněhu. Výsledné mapy ukázaly, že největším problémem interpolací je
nedostatečný počet a rozmístění měřených bodů. Nejvíce se to projevilo v metodě Spline,
která spočítala místy hodnoty výrazně vyšší nebo nižší než ukázala měření.
·
Odhad plošných srážek
Šercl (2008) se zabýval metodami získávání plošné srážky z bodových měření
srážkoměry a z měření meteorologického radaru. Cílem jeho práce bylo zhodnotit různé
metody interpolace bodových měření srážek. Téměř všechny výpočty byly prováděny
pomocí softwaru ArcGIS 9.2 a nadstaveb Spatial Analyst a Geostatistical Analyst. Pro
interpolace byly využity – metoda inverzně vážených vzdáleností (IDW), metoda Kriging,
metoda Topo To Rastr (TOPO) a nově vyvinuté metody tzv. „orografické“ interpolace
(ORO) a metoda korekce radarového pole srážek pomocí srážkoměrných pozorování
(RAD).
Metoda ORO byla vyvinuta přímo Šerclem (2008) a byla zpracována do formy
aplikace pro software ArcGIS. Je založena na odvození regresivní závislosti mezi srážkou a
nadmořskou výškou v pozorovaných místech v daném okruhu každé srážkoměrné stanice.
Nastává však problém velké prostorové proměnlivosti vztahu srážka – nadmořská výška.
Z toho důvodu se v metodě ORO používá shlazený model trénu v síti 1 x 1 km, který tak
zvyšuje nadmořskou výšku stanic v horských údolích oproti stejně položeným místům
v pahorkatinách.
Poslední metoda využívá radarového měření, které není založené na přímém měření
srážek ale na tzv. odrazivosti. Radarové odhady jsou zatížené poměrně velkými chybami a
proto se musí korigovat pomocí korekčního koeficientu. Šercl (2008) vyvinul aplikaci pro
ArcGIS, kde vstupem jsou radarové odhady srážek a odpovídající úhrny ve srážkoměrných
stanicích.
·
Atlas podnebí Česka
Velké dílo, které vzniklo v roce 2007 pomocí softwaru GIS je Atlas podnebí Česka.
Údaje byly připraveny pomocí databázové aplikace CLIDATA a zpracovány do formy
prostorových databází. Geoinformační zpracování proběhlo s využitím produktů ESRI ve
spolupráci s ARCDATA PRAHA, s.r.o. V atlasu jsou popsány základní klimatologické
prvky i rozšiřující klimatologické charakteristiky ČR – teplota vzduchu, srážky (viz Obr.
17), sníh, vlhkost vzduchu a výpar, sluneční záření, sluneční svit a oblačnost, tlak vzduchu a
vítr, nebezpečné atmosférické jevy, fenologické charakteristiky, teplota půdy, dynamika
klimatu a klimatické klasifikace. Klimatologická data byla získána z měření na
profesionálních a dobrovolných stanicích Českého hydrometeorologického ústavu. Tato
bodová měření musela být dále zpracována pomocí statistických a interpolačních metod,
31
aby vzniklo plošné rozložení daných veličin. Pro interpolace byla využita převážně metoda
IDW, Kriging a Spline (Tolasz a kol. 2007).
Některé mapy z Atlasu podnebí Česka jsou k nahlédnutí na internetu na stránkách
Českého hydrometeorologického ústavu – oddělení meteorologie , obor klimatologie, odkaz
Atlas podnebí Česka (http://www.chmi.cz/meteo/ok/atlas/uvod.html).
Obr. 17 Průměrný roční úhrn srážek na území ČR získaný interpolačními metodami v GIS (Atlas
podnebí Česka 2007).
2.7.2. Využití ArcGIS pro hydrologické modelování
·
Vyhodnocení jakosti vody
Software ArcGIS může být využit ve spojení s numerickým modelováním transportu
a disperze látek v síti vodních toků. Tento problém popisuje ve své práci Julínek (2004).
Numerické řešení problému bylo zpracováno numerickým modelem MIKE 11. Software
ArcGIS (ArcEditor) byl využit na zpracování vstupních dat a grafickou prezentaci výsledků
pomocí map. Vstupní data zpracovaná v ArcGIS obsahovala hydrologické parametry
povodí (např. plocha povodí, typy povrchů, parametry srážko-odtokových poměrů atd.),
informace o topologii říční sítě (např. místa soutoků, délky úseků toku atd.) a geometrii
koryta (tvar a umístění příčných profilů). Hlavním cílem studie bylo zhodnocení možností
využití kombinace GIS a numerického modelu pro řešení havarijních situací zhoršení
jakosti vody v toku. ArcGIS zajišťoval snadnou manipulaci a správu dat a možnost
vyhodnocení prostorových dat. Výsledkem práce byla simulace postupu látky v toku a
vyhledávání informací o řešení problému. Pro zobrazení kdy a v jakých koncentracích
dorazí látky do předem definovaného bodu byla použita nadstavba ArcMap Tracking
Analyst. Zároveň byly identifikovány zdroje znečištění a ohrožená místa.
·
2D matematické modelování proudění vody
Dalším příkladem využití ArcGIS může být dohromady s matematickým modelem
pro modelování proudění vody v záplavovém území, jak uvádí ve své práci Čejp a Dráb
(2004). Tito autoři se zabývali 1D a 2D modelováním proudění vody a následně jejich
porovnáním. Vstupní data pro matematické modely byla zpracována pomocí softwaru
ArcGIS (ArcGIS 9.0) s nadstavbami 3D Analyst, Spatial Analyst a Geostatistical Analyst.
32
Vstupními daty byly také mapové podklady lokality (ortofotomapy, rastrové mapy RZM10)
a digitální model terénu vytvořený ve formátu TIN na základě bodového pole, zlomových
linií a vrstevnic. DTM měl dvojí podobu jako hladký povrch bez budov a jako povrch
s budovami. Po vytvoření DTM byly přiřazeny údaje o kótách terénu jednotlivým buňkám
výpočtové sítě. Tato procedura byla realizována v prostředí ArcGIS. Toto přiřazení bylo
provedeno také pro součinitele drsnosti. Výpočty 1D matematického modelování byly
provedeny pomocí 1D výpočtového modelu HEC-RAS. Výpočty 2D matematického
modelování byly provedeny pomocí 2D výpočtového modelu MIKE21C.
·
Matematické modelování transportu sedimentů
Sovina a kol. (2008) se zabýval spojením matematických modelů a prostředí GIS pro
modelování transportu sedimentů v otevřených říčních korytech. Byly využívány
programové prostředky HEC-RAS 3.11, HEC-RAS 4.0, ArcInfo 9.1 a HEC-GeoRAS 4.1.
Pro simulaci pohybu splavenin bylo nutné doplnit údaje o zrnitostním složení dna ke
každému příčnému profilu a dále je pomocí HEC-RAS interpolovat vždy mezi dvěma
profily. Jednalo se o simulaci transportu sedimentů na malých vodních tocích modelem
HEC-RAS 4.0 s podporou systému GIS. Vstupními daty byl DTM ve formátu TIN
vytvořený z bodového pole, které vzniklo tachymetrickým zaměřením koryta toku
v digitální formě. Topologie koryta, proudnice, břehové hrany, součinitele drsnosti a další
geometrická data byla získána z GIS pomocí HEC-GeoRAS. Výsledky práce odkryly
slabiny programu pro simulaci transportu sedimentů. Na druhou stranu ale Sovina a kol.
(2008) hodnotí spojení GIS a matematického modelu jako velmi silný komplexní nástroj
s všestranným využitím jako jsou předpovědní služby, stanovení aktivních zón záplavových
území až různé analýzy ovlivňující životní prostředí.
·
Proudění podzemní vody
Software ArcGIS je v tomto případě opět využit pro pre- a postprocessing data pro
model MODFLOW. Vstupní data pro model MODFLOW musí být v textové podobě, proto
musí být ještě vytvořen konvertor mezi grafickými daty z GIS a textovými do modelu.
V první fázi se vymezily oblasti, kde bude probíhat výpočet, vytvořila se síť pro metodu
konečných diferencí, zadaly se hodnoty známých hladin podzemní a povrchové vody,
vytvořily se geologické vrstvy hornin a zadaly se materiálové vlastnosti těchto vrstev.
Uložila se namodelovaná oblast do geodatabáze a následně se data z geodatabáze převedla
na textová vstupní data modelu. Následný výpočet v modelu probíhal mimo prostředí
ArcGIS. Poslední fází byl postprocessing, tedy zobrazení výsledků. Výsledná data z modelu
MODFLOW jsou v textovém formátu, která se musí načíst a propojit s daty prostorovými.
Až poté mohly být vytvořeny mapy izolinií s legendami a popisky. Numerický model
MODFLOW je vhodným modelem pro proudění podzemní vody, avšak bez kvalitního prea postprocessingu prováděným v ArcGIS by model nemohl fungovat (Duchan 2006).
33
Metodika
3. METODIKA
Hydrologické analýzy povodí byly zpracovány na povodí Smědé s uzávěrovým
profilem Bílý Potok v Jizerských horách. Pro zpracování byl využit software ArcGIS 9.2
ArcInfo s extenzemi Spatial Analyst, 3D Analyst, ArcHydro. Vstupními daty pro řešené
analýzy byl ZABAGED získaný od Českého úřadu zeměměřičského a katastrálního –
výškopis, polohopis, ortofoto, RZM10. Výškopis byl reprezentován vektorovými daty
znázorňující vrstevnice ve formátu .shp – hlavními vrstevnice po 5m, zesílenými
vrstevnicemi po 25m a doplňkovými vrstevnicemi. Polohopis byl vyjádřen vektorovými
daty ve formátu .shp – vodními toky, vodními plochami. Všechna data byla zpracována
v souřadnicovém systému S-JTSK Křovák EastNorth.
3.1. Popis lokality
Horní část povodí Smědé se nachází v CHKO Jizerské hory v Libereckém kraji
v severních Čechách (viz Obr. 18). V severovýchodní části u hory Smrk hraničí povodí
s Polskem (viz Obr. 19), dokonce malá část povodí přesahuje hranice. Nejvyššími vrcholy
povodí jsou Smrk (1124 m n.m.), Jizera (1122 m n.m.) a Smědavská hora (1084 m n.m.).
V oblasti povodí Smědé se nachází národní přírodní rezervace Jizerskohorské bučiny. Jižně
od povodí se nachází vodní nádrž Souš a Josefův Důl (viz Obr. 19). Analyzované bylo
povodí Smědé k uzávěrovému profilu Bílý Potok (dále jen jako povodí Bílý Potok). V
povodí Bílý Potok byla analyzována dvě dílčí povodí Bílá Smědá a Černá Smědá, která
mají stejnojmenné uzávěrové profily. Uzávěrový profil Bílý Potok je hlásným profilem
kategorie A pro předpovědní povodňovou službu ČHMÚ. Provozovatelem stanice je
pobočka ČHMÚ Ústí nad Labem. Povodí Bílá a Černá Smědá jsou experimentálními
povodími ČHMÚ a patří pod správu pobočky ČHMÚ v Jablonci nad Nisou.
Obr.18 Poloha povodí v ČR.
34
Metodika
Obr.19 Povodí Bílý Potok znázorněné na vodohospodářské mapě – měřítko 1:50 000, vydal Český
úřad zeměměřičský a katastrální v roce 1984.
3.2.
Charakteristiky povodí
Před samotným vypracováním analýz v ArcGIS byla lokalita navštívena a pomocí
GPS byly přesně zaměřeny uzávěrové profily Bílý Potok, Bílá Smědá a Černá Smědá. Data
z GPS byla v souřadnicovém systému VGS84, byla proto převedena do systému S-JTSK
Křovák EastNorth shodného s mapovým podkladem převodem na internetových stránkách
http://www.xanadu.cz/apps/convertcoord/.
Postup je dělen na dvě kapitoly podle používané nadstavby a podkapitoly řešených
analýz a charakteristik.
3.2.1. ArcGIS – Spatial Analyst
3.2.1.1.Vytvoření DEM
Digitální model terénu byl vytvořen funkcí pro interpolace Topo to Raster
(Interpolation) z vrstevnic (Type – contour, Field – výška) pro oblast povodí řeky Smědé
v Jizerských horách. Byly použity 3 typy vrstevnic – hlavní vrstevnice po 5 m, zesílené po
25 m a doplňkové. Protože povodí zasahuje v okolí hory Smrk i do Polska, kde nebyly
vrstevnice k dispozici, byly vrstevnice prodlouženy podle podkladu - georeferencované
35
Metodika
rastrové mapy. Prodloužení vrstevnic bylo provedeno v editaci pomocí funkce Modify
Feature. Pro porovnání bylo vytvořeno více DEM v rozlišeních 5, 10, 20 a 40 m.
3.2.1.2.Vykreslení povodí
Vykreslení povodí Bílý Potok bylo provedeno ručně a automaticky. Ruční
vykreslením vyžadovalo vytvoření rozvodnice (linie) od uzávěrového profilu Bílý Potok
kolmo na vrstevnice přes hřebeny, sedla a vrcholy. V problémových místech se dávala
největší váha tomu, aby nebyl překřížen vodní tok, tím pádem bylo porušeno pravidlo
kolmosti na vrstevnice. Rozvodnice byla také ručně vykreslena pro dílčí povodí Bílé Smědé
a Černé Smědé.
Z výsledných liniových rozvodnic byly vytvořeny polygony pomocí nástroje
Consturct Feature v nástrojové liště Georeferencing. Pomocí standartních funkcí ArcGIS
(Calculate Geometry ) byly vypočítány plochy celého povodí Bílý Potok a dílčích povodí
Černé Smědé a Bílé Smědé. Plochy (polygony) jednotlivých povodí byly rozděleny na
pravý a levý svah podle údolnic, takže byly vypočítány i plochy jednotlivých svahů.
Druhým způsobem vykreslení bylo automatické vykreslení povodí pomocí nástrojů
Hydrology. Prvním krokem bylo vytvoření rastru směru odtoku funkcí Flow Direction
z DEM, a podle směru odtoku byly identifikovány bezodtoké oblasti funkcí Sink. Pro
správné vyplnění bezodtokých oblastí byl zjištěn z limit, neboli hloubka vyplnění. Z limit
byl zjištěn postupným použitím funkcí – Flow Direction, Sink, Watershad, Zonal Statistic,
Zonal Fill a Minus. Bezodtoké oblasti byly vyplněny pomocí funkce Fill se zadaným z limit
2m a vznikl tak nový DEM používaný pro následné analýzy.
Dále byl vytvořen rastr směru odtoku z nového DEM funkcí Flow Direction, z něj
rastr akumulace odtoku funkcí Flow Accumulation. Uzávěrový profil povodí byl
identifikován funkcí Snap Pour Point, kde vstupními vrstvami byl rastr akumulace odtoku,
vrstva znázorňující uzávěrový profil povodí a parametr určující vzdálenost pro hledání
buňky s nejvyšší akumulací odtoku, která bude považována za uzávěrový profil povodí.
Konečné vykreslení povodí bylo provedeno funkcí Watershed z rastru směru odtoku
(Flow Direction) a rastru uzávěrového profilu (Snap Pour Point). Funkce Watershed byla
použita i pro vykreslení dílčích povodí Bílé a Černé Smědé. Dílčí povodí byla vykreslena
k uzávěrovým profilům Bílá Smědá a Černá Smědá. Uzávěrové pfofily bylo opět potřeba
identifikovat pomocí funkce Snap Pour Point. Výsledné rastry povodí byly převedeny na
polygony pomocí funkce Raster to Polygon (Conversion Tools – From Raster).
Plochy povodí vzniklé z ručního a automatického vykreslení byly následně
porovnány.
Nejprve byly pomocí standartních funkcí ArcGIS (Calculate Geometry) zjištěny
délky hlavních vodních toků a údolnic, celkové délky vodních toků pro celé povodí Bílý
Potok a pro dílčí povodí Černé Smědé a Bílé Smědé.
Dále byl vodní tok identifikován, tedy byl vytvořen rastr vodního toku pomocí funkce
Con (Spatial Analyst – Condition). Vstupem byl rastr akumulace odtoku (Flow
36
Metodika
Accumulation), pro který byla zadána prahová hodnota 100 (pro rozlišení rastru 20x20 m).
Výsledný rastr vodního toku byl tvořen buňkami s hodnotou 1, které tvořily vodní síť a
buňkami s hodnotou 0, které netvořily vodní síť.
Rastr vodního toku byl také vytvořen druhým způsobem – převodem liniové vrstvy
vodního toku ze ZABAGED na rastr pomocí funkce Polyline to Raster (Conversion Tools).
Dále byl rastr vodního toku zvektorizován pomocí funkce Stream to Feature. Vektorizace
byla provedena i druhým způsobem pomocí funkce Raster to Polyline (Conversion Tools).
Dále byl rastr vodního toku využit funkcí Stream Link, která rozdělila vodní tok na
segmenty a funkcí Stream Order, která určila pořadí vodního toku. Pro zjištění pořadí byly
využity obě dvě metody – Strahler a Shreve.
Charakteristiky terénu byly určovány z neupraveného DEM s nevyplněnými
bezodtokými oblastmi. Byl zjištěn sklon, orientace ke světovým stranám, průměrná
nadmořská výška povodí, průměrný sklon svahů. Sklon byl vytvořen funkcí Slope z DEM
v procentech, z faktor =1. Orientace ke světovým stranám byla určena pomocí funkce
Aspect z DEM. Průměrná nadmořská výška byla zjištěna pomocí funkce Zonal Statistic as
Table. Vstupními vrstvami byly polygon vymezující plochu povodí a DEM, ze kterého byla
výška vypočítána. Stejnou funkcí byly zjištěny i průměrné sklony svahů, kde vstupními
vrstvami byly polygony vymezující pravý a levý svah povodí a rastr sklonů, ze kterého byly
výšky vypočítány.
3.2.2. ArcGIS - ArcHydro
3.2.2.1.Vykreslení povodí
Pro vykreslení povodí Bílý Potok byl jako základní zdroj dat využit DEM. ArcHydro
neumožňuje vytvoření DEM, takže byl využit DEM vytvořený interpolační metodou Topo
to Raster ve SpatialAnalyst. V DEM byly vyplněny bezodtoké oblastí pomocí funkce Fill
sinks (Terrain Processing – DEM Manipulation). Dále byly provedeny všechny kroky nutné
k vykreslení povodí od určení směru odtoku po konečné vykreslení povodí.
Nejprve byly provedeny kroky v nástrojích Terrain processing - směr odtoku (Flow
Direction) z upraveného DEM, akumulace odtoku (Flow Accumulation) ze směru odtoku,
identifikace vodního toku (Stream Definition) z akumulace odtoku zadáním prahové
hodnoty 100 (pro rastr 10x10m), segmentace vodního toku (Stream Segmentation) z rastru
vodního toku a směru odtoku, určení dílčích odvodňovaných oblastí (Catchment Grid
Delineation) ze směru odtoku a segmentace toku, vektorizace dílčích odvodňovaných
oblastí (Catchment Polygon Processing) z rastru dílčích odvodňovaných oblastí,
vektorizace vodního toku (Drainage Line Processing) ze směru odtoku a segmentace
vodního toku, spojení polygonů dílčích odvodňovaných oblastí (Adjoint Catchment
Processing) z linie vodního toku a polygonů dílčích odvodňovaných oblastí. Všechny
použité funkce jsou v nástrojích Terrain Processing seřazeny chronologicky za sebou.
37
Metodika
Poté byl identifikován uzávěrový profil povodí Bílý Potok (Batch Point) pomocí
funkce Batch Point Generation (parametry Batch Done = 0, Snap on = 1) a tím vznikla
nová bodová vrstva znázorňující uzávěrový profil. Poté bylo možné využít poslední funkci
Batch Watershed Delineation pro konečné vykreslení povodí, kde vstupními daty byly
vrstvy vytvořené nástroji Terrain Processing – rastr směru odtoku, rastr vodního toku,
polygony dílčích odvodňovaných oblastí, polygon spojující dílčí odvodňované oblasti a
bodová vrstva uzávěrového profilu povodí. Výsledkem byl polygon znázorňující povodí
Bílý Potok.
Na závěr byly vykresleny dílčí povodí Bílé a Černé Smědé pomocí funkce Batch
Subwatershed Delineation. Opět bylo nutné vytvořit bodovou vrstvu uzávěrových profilů
pomocí Batch Point Generation (parametry Batch Done = 0, Snap on = 1). Vstupní vrstvy
pro funkci Batch Subwatershed Delineation byly rastr směru odtoku (Flow Direction), rastr
vodního toku (Stream Definition) a uzávěrové profily (Batch Point Generation). Výsledná
dílčí povodí byla vykreslena ve formě polygonů.
Byla vytvořena geometrická síť povodí pomocí funkce Hydro Network Generation
(Network Tools), kde vstupními daty byly vektorová vrstva vodních toků (Drainage Line),
polygonová vrstva dílčích odvodňovaných oblastí (Catchment) a uzávěrový profily dílčích
odvodňovaných oblastí (Drainage Point), které byly vytvořeny funkcí Drainage Point
Processing (Terrain Processing).
Pomocí funkce Slope (Terrain Processing) byl Z DEM vytvořen rastr sklonů
vyjádřený v procentech. Protože se povodí nachází v horském terénu s prudkými svahy byl
vytvořen rastr sklonu svahů vyšších než 30% funkcí Slope Greater than 30 a rastr sklonu
svahů vyšších než 30% a orientovaných na sever funkcí Slope Greater than 30 and facing
North.
Dále byla využita funkce Flow Path Parametres for 2D Line (Watershed Processing)
pro určení délkových a výškových charakteristik 2D linie. Vstupními daty byla liniová
vrstva nejdelšího odtoku v povodí vytvořená funkcí Longest Flow Path (Terrain Processing)
a DEM.
Výškové charakteristiky jako maximální a minimální nadmořská výška
vyšetřovaného povodí Bílý Potok byly zjištěny funkcí Drainage Area Charakterization
(Terrain Morphology). Výškové charakteristiky (max. a min. nadm. výška) rozvodnice byly
zjištěny funkcí Drainage Boundary Charakterization (Terrain Morphology). Pro obě funkce
byly vstupními daty vrstva plochy povodí (Watershed) a DEM.
38
Výsledky
4. VÝSLEDKY
DEM vytvořený z vrstevnic ZABAGED a dokreslených vrstevnic v okolí hory Smrk
je v příloze č. 1.
Celková rozloha povodí Bílý Potok podle ručně vykreslené rozvodnice bez oblasti
v Polsku je 26,413 km2, s oblastí v Polsku je 26,523 km2. Zjištěné charakteristiky povodí
z ručně vykreslených rozvodnic jsou v Tab. 1 a Tab. 2. Mapa povodí Bílý Potok
s vyznačenými dílčími povodími je v příloze č.1.
Tab. 1 Délka hlavního toku, délka vodních toků a délka údolnice pro jednotlivá povodí.
Bílý Potok
délka hlavního toku
(km)
8,149
délka vodních toků
(km)
76,076
Bílá Smědá
3,236
10,398
3,282
Černá Smědá
2,458
15,928
2,680
název povodí
délka údolnice (km)
8,203
Tab. 2 Plocha levého svahu, plocha pravého svahu a plocha povodí pro jednotlivá povodí.
plocha levý svah
(km2)
plocha pravý svah
(km2)
plocha povodí
(km2)
Bílý Potok
10,029
16,494
26,523
Bílá Smědá
2,152
1,554
3,706
Černá Smědá
3,553
1,045
4,598
název povodí
Při vykreslování povodí byla nalezena problematická oblast (Obr. 20). Ručně
vykreslená rozvodnice není vykreslena kolmo na vrstevnice, aby nepřekřížila vodní tok. Na
Obr. 20 je také znázorněno odlišné vykreslení rozvodnice – zelená vykreslená podle
vrstevnic ZABAGED nepřesahuje hranice ČR, červená vykreslená podle doplněných
vrstevnic přesahuje hranice ČR.
39
Výsledky
Obr.20 Rozdílné ruční vykreslení povodí pomocí doplnění chybějících vrstevnic za hranicemi ČR
v okolí Smrku (zelená – ruční vykreslení v ZABAGED, červená – ruční vykreslení podle
dokreslených vrstevnic).
V problematické oblasti kolem Smrku bylo povodí automaticky vykresleno pomocí
funkce Watershed ve Spatial Analyst i pomocí funkce Batch Watershed Delineation
v ArcHydro kolmo na vrstevnice. Automatické vykreslení povodí pomocí Spatial Analyst
nepoužívá vodní tok (viz Obr.21). Automatické vykreslení v ArcHydro používá vodní tok,
ale přesto bylo povodí vykresleno stejně jako ve Spatial Analyst, protože rastr vodního toku
nebylo možné vygenerovat souhlasně se skutečným vodním tokem.
Obr. 21 Porovnání automatického (modré) a ručního (červené) vykreslení povodí v problémové
oblasti v okolí Smrku. Automatické vykreslení bylo provedeno ve Spatial Analyst v rastrovém
rozlišení 10m.
40
Výsledky
Automatické vykreslení povodí bylo provedeno ve Spatial Analyst pro různé rozlišení
vstupního rastru – 40, 20, 10 a 5m. Výsledná vykreslení se výrazně nelišila, nejvyšších
rozdílů bylo dosaženo v problematické oblasti v okolí Smrku viz Obr. 22. Porovnání
výsledných ploch povodí je uvedeno v Tab. 3.
Obr. 22 Porovnání automatického vykreslení povodí funkcí Watershed ve Spatial Analyst pro různá
rozlišení rastru – zelená (20m), modrá (40m), žlutá (10m), černá (5m), červená (ručně vykreslená
rozvodnice).
Tab. 3 Plocha povodí Bílý Potok vykreslena automaticky funkcí Watershed ve Spatial Analyst a
funkcí Batch Watershed Delineation v ArcHydro podle různého rozlišení vstupního rastru.
plocha – polygon
rozlišení (m)
plocha – rastr (km2)
(km2) – Spatial
– Spatial Analyst
Analyst
40x40
26,009
26,021
20x20
25,957
25,954
10x10
26,071
26,070
5x5
26,091
26,091
plocha – polygon
(km2) - ArcHydro
26,021
26,068
Při vykreslování povodí byly určeny směry odtoku viz příloha č.1 a byla zjištěna
akumulace odtoku viz příloha č.1. Tyto analýza byly vyřešeny stejně ve Spatial Analyst i
ArcHydro.
Při automatickém vykreslování ve Spatial Analyst nastal problém při vytvoření „Pour
Point“ – bod s nejvyšší akumulací vody reprezentující uzávěrový profil v určené
vzdálenosti od profilu, ke kterému má být vykresleno povodí. Určování vzdálenosti se
ukázalo jako nevhodné viz Obr. 23. Bílé buňky představují rastr akumulace odtoku, žlutá
buňka je nevhodně umístěný Pour Point ve vzdálenosti 20 m od uzávěrového profilu
(zelený bod), červená buňka je vhodně umístěný Pour Point, pro který nebyla zadána
vzdálenost (hodnota =0). Uzávěrový profil, podle kterého je červený Pour Point vytvořen,
41
Výsledky
byl přesunut přímo do akumulované buňky. Ke žlutému Pour Point se nevykreslilo povodí,
ale k červenému ano.
Obr. 23 Identifikace uzávěrového profilu pro správné vykreslení povodí ve Spatial Analyst.
ArcHydro identifikuje uzávěrový profil pomocí funkce Batch Point Generation a
zadává se, zda má být přichycen k nejbližšímu vodnímu toku a zda má být k němu
vykresleno povodí. S tímto krokem nenastaly v ArcHydro problémy.
Identifikace vodního toku v rastrovém formátu pomocí funkce SetNull nebo Con ve
Spatial Analyst bylo možné provést pouze z rastru akumulace vody v rozlišení 20 m a 40 m.
Při větším rozlišení nebylo možné vytvořit rastr akumulace odtoku ve formátu INTEGER.
Ve větším rozlišení byl rastr vodního toku vytvořen převodem linií na rastr (Conversion
Tools – Polyline to Raster). Porovnání vodního toku ze ZABAGED a vytvořeného rastru
vodního toku pomocí různých metod je znázorněno na obrázcích 24 Kde jsou znázorněny a)
linie vodních toků ze ZABAGED, b) rastr vodních toků vytvořený převodem linie, c) rastr
vodních toků vygenerovaný z akumulace odtoku při prahové hodnotě 100, c) rastr vodních
toků vygenerovaný z akumulace odtoku při prahové hodnotě 30. Obrázky byly vytvořeny
v rozlišení 20 m pomocí Spatial Analyst.
42
Výsledky
a
b
c
d
Obr. 24 Porovnání zadaného a vytvořeného vodního toku
V ArcHydro byl vytvořen rastr vodního toku bez problémů pomocí funkce Stream
Delineation pro jakékoli rozlišení vstupního rastru.
Dále byly zjištěny charakteristiky terénu (výškové a sklonové) pro povodí Bílý Potok,
Bílá Smědá a Černá Smědá viz Tab. 4 a Tab. 5 pomocí Spatial Analyst –Zonal Statistics as
Table.
43
Výsledky
Tab.4 Maximální, minimální a průměrná výška povodí zjištěné ve Spatial Analyst.
max. nadmořská
min. nadmořská
průměrná nadm.
výška (m n.m.)
výška (m n.m.)
výška (m n.m.)
Bílý Potok
1123,83
398,56
815,79
Bílá Smědá
1104,17
814,62
995,41
Černá Smědá
1084,40
818,90
902,43
název povodí
V ArcHydro byly výškové charakteristiky pro Bílý Potok zjištěny pomocí funkce
Drainage Area Charakterization : max. nadm.výška = 1123,9 m n.m., min. nadm. výška =
399,78 m n.m.
Tab.5 Maximální, minimální a průměrný sklon povodí zjištěné ve Spatial Analyst..
název povodí
max. sklon (%)
min. sklon(%)
průměrný sklon (%)
Bílý Potok/levý svah
109,71
0,01
22,57
Bílý Potok/pravý svah
118,96
0,03
23,33
Bílá Smědá/levý svah
83,45
0,06
11,19
Bílá Smědá/pravý svah
75,08
0,01
16,04
Černá Smědá/levý svah
59,76
0,07
11,49
Černá Smědá/pravý svah
47,02
0,03
8,69
Mapa sklonů povodí Bílý Potok je v příloze č.1.
V ArcHydro pomocí funkce Drainage Boundary Charakterization byly zjištěny
následující charakteristiky rozvodnice: délka = 31 km, min. nadm. výška = 400,00 m n.m.,
max, nadm. výška = 1123,89 m n.m. Tato funkce umožnila vytvoření linie – rozvodnice.
V ArcHydro pomocí funkce Flow Path Parametrs for 2D Line byly zjištěny pro linii
představující nejdelší odtok v povodí viz Obr. 25 následující délkové a výškové
charakteristiky: délka = 10,28 km, délka v mílích = 6,39, sklon ve stopách = 355,82, sklon
ve stopách na míli mezi body (viz Obr. 25) = 372,14, poměr sklonů mezi uzávěrovým
profilem a koncem linie = 0,067, poměr sklonů pro vyznačené body = 0,071, max výška
koncového bodu linie = 1092,86 m n.m., výška uzávěrového profilu = 399,86 m n.m.,
výška bodu ve vzdálenosti 10% od profilu = 427,14m n.m., výška bodu ve vzdálenosti 85%
od profilu = 970,73 m n.m.
44
Výsledky
Obr. 25 Nejdelší dráha odtoku a body vzdálené 10% a 85% od uzávěrového profilu povodí–
ArcHydro.
Výsledky o rozlohách a nadmořských výškách byly porovnány s údaji v evidenčním
listu hlásného profilu ČHMÚ Bílý Potok (viz příloha č. 2). Výsledky se shodovaly.
Na závěr byly pro oblast povodí zjištěny pedologické a geologické poměry (viz
příloha č. 3).
Při terénním průzkumu povodí byly pořízeny dokumentační fotografie povodí a
jednotlivých uzávěrových profilů (viz příloha č. 4).
45
Diskuze
5. DISKUZE
DEM byl vytvořen pomocí interpolační metody Topo To Raster ve Spatial Analyst,
která umožňuje vytvořit hydrologicky korektní model terénu, protože zahrnuje proces
odstraňování bezodtokých oblastí. Vzniklý DEM by neměl bezodtoké oblasti obsahovat.
Přesto byla použita funkce Sink ve Spatial Analyst pro nalezení bezodtokých oblastí, aby
ověřila správnost DEM. Byly nalezeny pouze dvě oblasti s malými bezodtokými oblastmi –
u uzávěrového profilu Bílý Potok a na horním toku Bílé Smědé. Bylo zjištěno, že pokud se
tyto oblasti nevyplní, nastávají problémy při vytváření rastru akumulace odtoku. Proto byly
bezodtoké oblasti vyplněny funkcí Fill ve Spatial Analyst a Funkcí Fill sinks v ArcHydro
při zadaném z limitu 2m.
Pro vytvoření DEM a provedení správných analýz byly dokresleny chybějící
vrstevnice u hory Smrk za hranicemi ČR. Nakonec se ukázalo, že při automatickém
vykreslování povodí není dokreslená část potřeba, protože Spatial Analyst i ArcHydro tuto
část nevyhodnotily jako součást povodí. Pro správné posouzení této problematické části by
bylo nejvhodnější danou oblast prozkoumat přímo v terénu, zda zde např. nabyly provedeny
meliorační úpravy. Nicméně bylo zjištěno, že na ostatní analýzy tato dokreslená část nemá
významný vliv.
Při použití Spatial Analyst byly zjištěny problémy při identifikaci uzávěrového
profilu pomocí funkce Snap Pour Point, která je důležitou vstupní vrstvou pro konečné
vykreslení povodí. Pro správné nalezení bodu s nejvyšší akumulací odtoku (Pour Point)
bylo potřeba přesunout uzávěrový profil nebo si vytvořit pomocný bod přímo v místě buňky
s nejvyšší akumulací odtoku. Až poté bylo možné použít funkci Snap Pour Point a zadat
nulovou vzdálenost pro hledání bodu s nejvyšší akumulací odtoku. Pour Point nebyl
vyhledán standartním postupem se zadáváním vzdálenosti, ale ukázalo se, že je to postup
přinášející nejlepší výsledky při vykreslení povodí ve Spatial Analyst. Při zadávání
vzdáleností od skutečného uzávěrového profilu bylo problematické určit vhodnou
vzdálenost, aby byl nalezen bod s nejvyšší akumulací odtoku. V ArcHydro se nehledá bod
s nejvyšší akumulací odtoku, ale vykresluje se uzávěrový profil na místo jeho skutečné
polohy. Pro uzávěrový profil se zadává zda bude přichycen na nejbližší vodní tok a zda
k němu bude vykresleno povodí. V ArcHydro nenastaly problémy při konečném
vykreslování povodí po zadání tohoto bodu.
Další problém nastal při vytváření rastru vodních toků ve Spatial Analyst, který byl
vygenerován na základě akumulace odtoku. Bylo zjištěno, že při rozlišení rastru větším než
20 m nebyl rastr akumulace odtoku v požadovaném formátu integer. Protože funkce Con a
SetNull pro generalizaci vodních toků vyžadoval tento formát, nebylo možné rastr vodních
toků vytvořit v rozlišeních 5 a 10 m. V ArcHydro nenastaly problémy při generalizaci rastru
vodního toku v jakémkoli rozlišení.
Více problémů přinášelo vykreslení povodí ve Spatial Analyst. Sada nástrojů
Hydrology obsahuje nástroje seřazené abecedně za sebou, takže uživatel musí nejprve
46
Diskuze
všechny nápovědy k nástrojům detailně prozkoumat, než začne pracovat. Oproti tomu
ArcHydro má nástroje seřazeny podle pořadí používání, takže uživatele navede ke
správnému postupu. Přesto konečné výsledky analýz pro vyšetřované povodí se výrazně
nelišily.
Výsledná rozloha povodí byla zjištěny přibližně jako 26,1 km2. Tato rozloha je
shodná s rozlohou uvedenou v evidenčním listu ČHMU hlásného profilu Bílý Potok. Povodí
dosahuje maximální nadmořské výšky 1124 m n.m., kterou představuje nejvyšší hora
Jizerských hor Smrk. Minimální nadmořská výška, tedy výška uzávěrového profilu Bílý
Potok je 399 m n.m.. Tato hodnota se opět shoduje s hodnotou uvedenou v evidenčním listu
ČHMÚ. Průměrná nadmořská výška povodí j 815m n.m.a průměrné sklony svahů povodí
přibližně 23%, což dokazuje, že se povodí nachází v horském terénu.
47
Závěr
6. ZÁVĚR
Hlavní problematikou, kterou se tato práce zabývala bylo vykreslení povodí a
stanovení charakteristik povodí pomocí nástrojů softwaru ArcGIS. Vykreslení povodí bylo
provedeno dvěma způsoby – ruční a automatické, s tím že automatické vykreslení je možné
provést také dvěma způsoby pomocí dvou extenzí – Spatial Analyst s nástroji Hydrology a
extenzí ArcHydro. Nejpracnější variantou se ukázalo ruční vykreslení rozvodnice, které ale
dobře sloužilo jako kontrola pro vykreslení automatické. Konečné výsledky rozlohy
vyšetřovaného povodí se výrazně nelišily při použití dvou různých extenzí Spatial Analyst a
ArcHydro. ArcHydro vyžadovalo provedení více kroků k vykreslení povodí než Spatial
Analyst. Přesto bylo ArcHydro uživatelsky příjemnější, protože jeho funkce jsou seřazeny
podle postupu jejich užívání a ne abecedně podle názvů jako ve Spatial Analyst.
V ArcHydro nenastaly problémy při generalizaci vodní sítě ani při identifikaci uzávěrového
profilu oproti Spatial Analyst.
ArcHydro je speciální extenzí pro hydrologické analýzy a hydrologické modelování,
proto obsahuje mnohem více hydrologicky orientovaných nástrojů oproti Spatial Analyst. Je
ale složitější extenzí pracující na základě geodatabáze propojené někalika druhy ID
(identifikačních čísel) – např. HydroID, HydroCode.
Analýzy byly provedeny na povodí Bílý Potok a jeho dvou dílčích povodí Bílá Smědá
a Černá Smědá v Jizerských horách v severních Čechách. Povodí Bílý Potok je povodím
řeky Smědé na jejím horním toku s uzávěrovým profilem v obci Bílý Potok. Výsledná
vypočítaná rozloha povodí Bílý potok a jeho hydrologické charakteristiky pomocí nástrojů
GIS jsou shodné s údaji uvedenými v evidenčním listu hlásného profilu ČHMÚ Bílý Potok.
Tato shoda dokazuje vhodnost využití použitých extenzí softwaru ArcGIS pro zjišťování
hydrologických charakteristik povodí.
48
Použitá literatura
POUŽITÁ LITERATURA
ARCDATA, 2007: Co je GIS. ARCDATA Praha, online: http://www.arcdata.cz/oborovareseni/co-je-gis/, citováno 2.3.2009.
ARCGIS, 2006: Nápověda v nástrojích Spatial Analyst programu ArcGIS. ESRI.
ARCHYDRO, 2006 : Nápověda v nástrojích ArcHydro programu ArcGIS.ESRI.
BARTÁK V., 2008: Algoritmy pro zpracování digitálních modelů terénu s aplikacemi
v hydrologickém modelování. Diplomová práce. FŽP, ČZU v Praze.
ČEJP J., DRÁB A., 2004: 2D matematické modelování proudění vody v záplavovém území
během zvláštní povodně. In Sborník příspěvků ze 4. vodohospodářské konference 2004
s mezinárodní účastí, Ústav vodních staveb FAST VUT, AN CERM, s.r.o., Brno, p. 7279, ISBN 80-7204-360-9.
DAŇHELKA J., 2007: Operativní hydrologie: Hydrologické modely a nejistota předpovědí.
ČHMÚ, p. 104, ISBN 978-80-86690-48-3.
DAŇHELKA J., KREJČÍ J., ŠÁLEK M., ŠERCL P., ZEZULÁK J., 2003: Posouzení
vhodnosti aplikace srážko-odtokových modelů s ohledem na simulaci povodňových
stavů pro lokality na území ČR. Česká zemědělská univerzita v Praze, Český
hydrometeorologický ústav, Praha, p. 220, ISBN 80-213-1003-0, ISBN 80-86690-03-2.
DAVIS K., FURNANS J., MAIDMENT D., SAMUELS V., SCHNEIDER K., 2002:
Hydrography. In Maidment D.R. [ed.] Arc Hydro: GIS for Water Resources. ESRI, p.
203, ISBN 1-58948-034-1.
DUCHAN D., 2006: Užití MODFLOW pro výpočty proudění podzemní vody v prostředí
ArcGIS. In Extrémní hydrologické jevy v povodích, sborník příspěvků z workshopu
Adolfa Patery 2006, ČVTVHS, ČVUT Praha, p. 219 – 228, ISBN 80-01-03603-0.
ESRI, 2007: ArcGIS Desktop. Tools for Authoring, Editing, and Analyzing Geographic
Information. ESRI, online:
http://www.esri.com/library/brochures/pdfs/arcgisextbro.pdf, citováno 11.3.2009.
ESRI, 2009: Groundwater Data Model. ESRI, online:
http://support.esri.com/index.cfm?fa=downloads.dataModels.filteredGateway&dmid=3
7, citováno 20.4.2009
HRÁDEK F., KUŘÍK P., 2008: Hydrologie. Skripta. ČZU Praha, p. 272, ISBN 978-80-2131744-4.
JEDLIČKA K., MENTLÍK, P., 2002: Hydrologická analýza a výpočet základních
morfometrických charakteristik povodí s využitím GIS. In Geoinformatika : sborník z
XX. sjezdu ČGS, Ústí nad Labem : UJEP, 2002, p.46-58.
JEDLIČKA J., ŠTYCH P., 2007: Hydrologické modelování v programu ArcGIS. CITT
Praha Akademie kosmických technologií oblast Galileo, GMES, p. 62.
JENÍČEK M., KOCUM J., JELÍNEK J., 2008 : Monitoring sněhové pokrývky na povodí
Rokytky v letech 2007 a 2008. In Extrémní hydrologické jevy v povodích, sborník
příspěvků z workshopu Adolfa Patery 2008, ČVTVHS, ČVUT Praha, p. 227-236, ISBN
978-80-02-02-113-1.
JENÍČEK M., NĚMEČKOVÁ S., 2007: Využití GIS v hydrologických a
hydrodynamických modelech. In Extrémní hydrologické jevy v povodích, sborník
příspěvků z workshopu Adolfa Patery 2007, ČVTVHS, ČVUT Praha, p. 89-98, ISBN
978-80-01-03960 -1.
JULÍNEK T., 2004: Využití nástrojů GIS pro vyhodnocení náhlého zhoršení jakosti vody v
toku. In Sborník příspěvků ze 4. vodohospodářské konference 2004 s mezinárodní
účastí, Ústav vodních staveb FAST VUT, AN CERM, s.r.o., Brno, p. 213-219, ISBN
80-7204-360-9.
KOVÁŘ P., 1990: Využití hydrologických modelů pro určování maximálních průtoků na
malých povodích. Vysoká škola zemědělská Praha, Praha, p. 140, ISBN 80-213-0088-4.
KOPP J., 2005: Hydrografická analýza povodí s využitím GIS. In Hydrologické dni 2005.
SHMÚ, Slovenský výbor pro hydrologii, Bratislava, p. 982, ISBN 80-88907-53-5.
49
Použitá literatura
KRÁSA J., DAVID V., a kol., 2006: Geografické informační systémy jako podklad
rozhodovacího procesu, zejména pro úkoly krajinného inženýrství. Fakulta stavební
ČVUT v Praze, Praha, p. 85, online:
http://storm.fsv.cvut.cz/on_line/gisz/Kurz_GIS_skriptum.pdf, citováno 11.3. 2009.
KULASOVÁ B., ŠERCL P., BOHÁČ M., 2004: Verifikace metod odvození
hydrologických podkladů pro posuzování bezpečnosti vodních děl za povodní.
Závěrečná práce. ČHMU, Praha, p.128.
MAIDMENT D. R., MERWADE V., WHITEAKER T., BLONGEWICZ M., ARCTUR D.,
2002: Time series. In Maidment D.R. [ed.] Arc Hydro: GIS for Water Resources. ESRI,
p. 203, ISBN 1-58948-034-1.
MAŠKOVÁ A., 2008: Možnosti hydrologického modelování v Idrisi na příkladu povodí
Rusavy. Bakalářská práce. FŽP, ČZU v Praze.
NETELER M., 2003: GRASS - Hanbuch. GIS GRASS. Praktická rukověť ke
geografickému informačnímu systému GRASS. Překlad Čepický J., Landová J., Landa
M., 2005, p. 269, online:
http://gama.fsv.cvut.cz/data/grasswikicz/grass_prirucka/grass_prirucka_0.4.pdf.
NOMAN N., NELSON J., 2002: River channels. In Maidment D.R. [ed.] Arc Hydro: GIS
for Water Resources. ESRI, p. 203, ISBN 1-58948-034-1.
OLIVERA F., FURNANS J., MAIDMENT D., DJOKIC D., YE Z., 2002a: Drainage
systems. In Maidment D.R. [ed.] Arc Hydro: GIS for Water Resources. ESRI, p. 203,
ISBN 1-58948-034-1.
OLIVERA F., MAIDMENT D., HONEYCUTT D. 2002b: Hydro networks. In Maidment
D.R. [ed.] Arc Hydro: GIS for Water Resources. ESRI, p. 203, ISBN 1-58948-034-1.
PECHANEC V., 2006: Nástroje podpory rozhodování v GIS. Univerzita Palackého
v Olomouci, Olomouc, p. 104, ISBN 80-244-1553-4.
RAPANT P., 2002: Úvod do geografických informačních systémů, Skripta PGS. Vysoká
škola báňská-Technická univerzita Ostrava, online: http://gis.vsb.cz/publikace/ugis,
citováno 11.3.2009.
RAPANT P., 2006: Geoinformatika a geoinformační technologie. Institut geoinformatiky,
Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava, p. 516.
SOVINA J., ŘIHOŠKOVÁ M., ŠULAN F., 2008: Matematické modelování transportu
sedimentů za podpory georafických informačních systémů. In Extrémní hydrologické
jevy v povodích, sborník příspěvků z workshopu Adolfa Patery 2008, ČVTVHS, ČVUT
Praha, p. 153 - 162, ISBN 978-80-02-02-113-1.
SUI, D.Z., MAGGIO, R.C., 1999 : Integrating GIS with hydrological modeling: practices,
problems, and prospects - Computers, Environment and Urban Systems 23: 33-51.
ŠERCL P., 2008: Hodnocení metod odhadu plošných srážek. – Meteorologické zprávy 2:
33-43.
TOLASZ R., VALERIÁNOVÁ A., MÍKOVÁ T., STŘÍŽ M., VOŽENÍLEK V., 2007: Atlas
podnebí Česka byl pokřtěn 21.3.2007. – ARCREVUE 2: 3-5.
50
Přílohy
PŘÍLOHY
Seznam příloh
Příloha č. 1 Mapové výstupy z ArcGIS
Příloha č. 2 Kopie evidenčního listu hlásného profilu Bílý Potok
Příloha č. 3 Pedologické a geologické poměry
Příloha č. 4 Fotodokumentace
51
Přílohy
Příloha č. 1 Mapové výstupy z ArcGIS
Obr. P1 Digitální model terénu na území povodí Bílý Potok vytvořený interpolační metodou Topo to
Raster (Spatial Analyst) z vrstevnic v ZABAGED a upravený funkcí Hillshade (Spatial Analyst).
52
Přílohy
Obr. P2 Názorné zobrazení povodí Bílý Potok a jeho dílčích povodí Bílá a Černá Smědá a jejich
údolnic.
53
Přílohy
Obr. P3 Směry odtoku na povodí Bílý Potok vytvořené pomocí funkce Flow Directon v extenzi
ArcHydro z digitálního modelu terénu.
54
Přílohy
Obr. P4 Akumulace odtoku na povodí Bílý Potok vytvořená pomocí funkce Flow Accumulation
v extenzi ArcHydro.
55
Přílohy
Obr. P5 Procentuální vyjádření sklonů na povodí Bílý potok pomocí funkce Slope v etenzi Spatial
Analyst z digitálního modelu terénu.
56
Přílohy
Příloha č. 2 Kopie evidenčního listu hlásného profilu Bílý Potok
57
Přílohy
Příloha č. 3 Pedologické a geologické poměry
Obr. P6 Pedologické poměry (zdroj : http://geoportal.cenia.cz).
58
Přílohy
Obr. P7 Geologické poměry (zdroj : http://www.geology.cz).
59
Přílohy
Příloha č. 4 Fotodokumentace
Obr. P8 Celkový pohled ze západu na povodí Bílý Potok od obce Hejnice.
Obr. P9 Uzávěrový profil Bílý Potok.
60
Přílohy
Obr. P10 Uzávěrový profil Černá Smědá.
Obr. P11 Uzávěrový profil Bílá Smědá.
61
Přílohy
Obr. P12 Přehrážka nad uzávěrovým profilem Bílá Smědá.
Obr. P13 Soutok Černé (vlevo) a Bílé Smědé (vpravo).
62

Možnosti využití programu ARCGIS v hydrologii

Transkript

Podobné dokumenty

Magisterská práce ke stažení

textu práce - Katedra geoinformatiky

Algoritmy pro zpracování digitálních modelů terénu s

Mapové projekce - Les-ejk

společnosti skupiny construct

Bioprospect_1.qxd:Layout 1 - Biotechnologická společnost

Přehled s-o modelů - Research group of Hydrology

Rigorózní práce

Webový systém pro správu mapových aplikací digitálních modelů

Český úřad zeměměřický a katastrální