1. Hydrologické analýzy

V následující kapitole se zaměříme na rastrové moduly, které zpracovávají hydrologické analýzy. Jedná se o vymezování povodí, odtoky z jednotlivých oblastí, akumulace vody, ukládání spláchnutých hornin a další.

1.1. Teoretický úvod do hydrologických analýz

Než mohou být jednotlivá povodí, nebo říční sítě analyzovány kvantitativně, musejí být pracně zkopírovány z leteckých snímků, nebo z tištěných topografických map. Vedle toho, že je tato práce velmi pracná, tak dochází k nevyhnutelnému nárůstu chyb v datech. V oblastech členitého reliéfu není vždy snadné na leteckém snímku rozhodnout okem kde jsou hranice povodí, a v oblastech s hustým zalesněním je někdy problém rozpoznat kudy řeka teče. Na detailních topografickým mapách je říční síť znázorněna jako kreslená modrá linie – to může v důsledku podcenit chování všech vodních toků.

Říční síť, vodní toky, povodí a rozvodnice jsou důležitými součástmi skutečného terénu, který přispívá k porozumění toku materiálu. Tyto součásti se mohou stát součástí TIN (= Triangulated Irregular Network – povrch vytvořený triangulací), nebo výškového rastru přímou digitalizací, nebo mohou být vygenerovány automaticky přímo z výškového rastru. Automatické generování říční sítě přineslo hydrologům nové nástroje k určení toku vody a sedimentů terénem a k linkování dynamických hydrologických procesů do GIS.

V kapitole 1.1.1 – „Určení směru odtoku“ a 1.1.2 – „Odstranění sníženin“ jsou popsány kroky nutné k automatickému generování říční sítě z výškového rastru.

1.1.1. Určení směru odtoku

Tok materiálu na rastrovém povrchu je určen směrem nejstrmějšího klesání. Pro určení tohoto směru existuje několik algoritmů, které se nazývají D-8, nebo osmi bodový algoritmus toku, algoritmus s váhou svahů a stream-tube algortimus.

  1. D8 algoritmus aproximuje směr toků směrem nejstrmějšího klesání v 3x3 okolí buňky. Toto automaticky vede k diskretizaci směru toků na násobky 45°, na což mnoho autorů nahlíží jako na velký nedostatek. D8 algoritmus vypočítá nový atribut směru toků, který může nabývat osmi směrových hodnot, které mohou být vyjádřeny ve stupních, nebo v pomocí číselných hodnot. Užitečná implementace je označit směry odtoků podle čísel na numerické klávesnici počítače, takže díra, nebo sníženina (sink or pit) bude označena číslem „5“. Ale v praxi se používá mnoho jiných konvencí pro označení směru odtoků z buňky (viz. kapitola 1.3).

    Výsledný nový rastr se nazývá „množina lokálních směrů odtoků“ (angl. zkratka ldd – Local Drain Directions). Každá buňka potom obsahuje celočíselnou hodnotu směru odtoku FD, kde FD je maximální hodnota z 3x3 okolí buňky.

    Vzhledem ke své jednoduchosti byl D8 algoritmus včleněný do mnoha GIS programů. Na povrchách s rovnoměrnými sklony generuje dlouhé, přímé linie toku a homogenní směru odtoků. Je poměrně běžné, že ve výsledku dostaneme rovnoběžné linie toku, které nekonvergují. D8 algoritmus neumí modelovat disperzi.

  2. Rho8 (random) algoritmus je statistická verze algoritmu D8, který lépe reprezentuje náhodné (stochastické) vlastnosti terénu. Nahrazuje hodnotu wf 1/?2 pro diagonálu hodnotou 1/(2-r), kde hodnota r je rovnoměrně zastoupena náhodná hodnota mezi 0 a 1. Moore konstatuje, že Rho8 simuluje realističtěji říční síť, i když stejně jako algoritmus D8 neumí modelovat disperzi.

  3. FD8 a Frho8 algoritmy – jsou modifikace původních algoritmů, které umožňují modelovat disperzi toku a disperzi povodí. Tok může být v případě povrchového toku rozšířen do i do buněk nejbližšího okolí, což je lepší než koncentrace toků v korytech – kde se používá algoritmus D8/Rho8. Výpočet rozptylu toku do buněk ležících po proudu je proveden je založen na vahách sklonů svahů.

1.1.2. Odstranění sníženin

Když je hladký spojitý terén aproximován čtvercovým rastrem, tak nevyhnutelně nastane situace, kdy je jedna buňka ohraničena buňkami s vyšší nadmořskou výškou. Tyto sníženiny mohou být pravé uzavřené terénní deprese, nebo také artefakty procesu rasterizace. Sníženiny, které jsou artefakty, jsou většinou vytvořeny v úzkých údolích, kde šířka dna údolí je menší než velikost buňky. Tato situace může nastat při všech úrovních rozlišení. Dále mohou sníženiny vzniknout v oblastech s mírným profilem terénu kvůli chybám při interpolaci.

Problém s uměle vzniklými sníženinami je ten, že naruší topologii říční sítě a proto je potřeba je odstranit, abychom dostali spojitou ldd síť. Mohou být odstraněny dvěma způsoby: ořezáváním a vyplněním. Blíže si vysvětlíme metodu vyplnění, protože se s ní setkáme v kapitole 2.3. Vyplňování sníženin znamená zvyšování nadmořské výšky centrální buňky, dokud není ekvivalentní výšce jedné, nebo více sousedních buněk a poté vyzkoušet jestli z této sousední buňky existuje odtok do další buňky. Pokud tomu tak není, zvýší se hodnota nadmořské výšky buňky.

1.1.3. Použití ldd sítě k prostorovým analýzám

Ldd síť je velmi užitečná při výpočtu dalších vlastností DMR, protože explicitně obsahuje informace o propojení různýchh buněk rastru.

Akumulativní tok materiálu sítí

Protože v topologicky správné síti je každá buňka prolinkovaná se sousedem ležícím po toku, je velmi jednoduché spočítat atributy jako je např. kumulativní množství materiálu, který projde skrze každou buňku. Akumulační operátor vypočítá novou hodnotu buňky jako sumu původní hodnoty buňky plus sumu všech elementů proti proudu, které vtékají do této buňky.

Pokud je hodnota materiálu pro každou buňku 1, výsledek nám dá upstream element map, jinak řečeno – kumulativní počet buněk proti proudu aktuální buňky, které touto buňkou odtečou.

Pokud je hodnota materiálu převzata z jiné vrstvy, např. efektivita srážek, tak akumulační operátor spočítá kumulativní tok přes ideální povrch. Např. je jednoduché vypočítat množstevní bilanci pro každou buňku na základě rovnice:

S = P – I – F – E

kde S je zbytek vody v buňce, P je množství srážek, I je výpar srážkové vody, F je vsak srážkové vody a E je výpar srážkové vody. Kumulativní tok sítí je poté získán akumulováním S přes prolinkované buňky.

Upstream element map se dále využít např. k vytvoření mapy indexu vlhkosti, indexu síly toku a mapy indexu transportu sedimentů.

Další produkty odvozené z local drain direction map

  • Segmenty toků mohou být definovány jako buňky s více než N přispívajících elementů proti proudu. Segmenty toků mohou být určeny použitím booleanského operátoru, jako je např.:

    Toky = if(elementy proti proudu ? 50 then 1 else 0)

    Toto vytvoří binární mapu, kde buňky s 50 a více elementy proti proudu budou náležet množině „Toky“ (viz. kapitola 2.2)

  • Hřbetnice – podle definice hřbetnice nemají žádné elementy proti proudu, takže výběrem všech buněk s hodnotou elementů proti proudu 1 získáme prvotní určení hřbetnic.

  • Povodí – všechny buňky, které protékají danou buňkou jsou součástí povodí této buňky. Počítáním proti proudu v ldd síti se automaticky spočítá rozloha, což definuje povodí dané buňky. (viz. kapitola 2.2)

  • Operátor délky svahů je podobný operátoru akumulace, s tím rozdílem, že počítá nový atribut buňky jako sumu původní hodnoty buňky a buněk proti proudu vynásobenou vzdáleností travelled přes síť, du.

    Urazená vzdálenost může být jednoduchá Euklidovská vzdálenost, která závisí na velikosti buňky (1*jednotka velikosti buňky pro S-J a V-Z; 1,414 pro diagonálu), nebo může obsahovat atribut tření k vyjádření odporu při cestování mezi buňkami.

1.2. Tvorba povodí – r.watershed

Hlavním výstupem modulu r.watershed je rastrová mapa jednotlivých povodí. Nejprve nadefinujeme, co je to povodí:

Definice povodí

Povodí je území, z něhož odtéká voda atmosférických srážek nebo akumulovaná voda v ledovcích a ve stálé sněhové pokrývce povrchovou i podzemní cestou do řeky. Povodí je prostorově vymezené rozvodnicí, či rozvodní čárou. [10]

1.2.1. Analýza RUSLE

Další termín, který je nutné vysvětlit je analýza RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation, což se dá přeložit jako Universální Revidovaná Rovnice pro Odnos Půdy). Analýza RUSLE je velmi složitá, a k jejímu plnému fungování je zapotřebí velké množství speciálních dat a hlavně hydrologických znalostí. Proto se jí nebudeme v tutoriálu zabývat. Ale protože jsou na výstupu analýzy r.watershed (a nejen jí) rastrové mapy určené pro RUSLE, zkráceně si vysvětlíme o co se jedná.

Počátky tohoto výpočtu sahají do roku 1940, kdy vědci počítali odnos půdy v kukuřičném pásu v USA.

RUSLE má následující předpis: A = R * K * LS * C * P, kde:

  • A – odhadovaný průměrný odnos půdy v tunách na akr (asi 4000m?) za rok

  • R – erozivní faktor dešťového splachu

  • K – faktor erodovatelnosti půdy

  • L – faktor délky svahů

  • S – faktor strmosti svahů

  • C – faktor lidské činnosti

  • P – faktor podpůrných činností

Více na http://www.iwr.msu.edu/rusle/

1.2.2. Ostatní výstupy r.watershed

Modul r.watershed má mnoho dalších výstupních rastrových map. Jejich popisu se budeme věnovat v následující části ???.

Poznámka

K dispozici máme dvě verze programu: ram a seg. Který program spustíme závisí na přepínači -m. Ram využívá virtuální paměť, kterou spravuje operační systém, k uložení veškeré datové struktury a je rychlejší než seg. Seg využívá GRASS segment library, která organizuje data v souborech na disku. Seg umožňuje jiným procesům využívat ten samý CPU, i když je daný region velký. Kvůli paměťovým nárokům obou programů může velmi často dojít k tomu, že systém bude mít nedostatek operační paměti. Pokud máme nedostatek paměti u ram a rozlišení zpracovávané oblasti nemůže být sníženo, musíme přidat do počítače fyzickou RAM, nebo přidělit více místa pro swap (virtuální paměť). Pokud má nedostatek paměti seg, stačí uvolnit více místa na disku.

Popis parametrů a postup práce

V našem případě je vhodnější modul r.watershed spustit v interaktivním režimu. Parametry jsou popsané v tom pořadí, ve kterém jsou zadávány v průběhu běhu programu. Vzhledem k tomu, aby byl celý postup přehlednější, je zkombinovaná část Popis parametrů a Postup práce.

  1. Úvod do analýzy, potvrdit Y.

  2. Dotaz, zda-li chceme spustit rychlou verzi algoritmu (ram) – Y, nebo pomalejší (seg) – N. Zvolíme možnost Y.

  3. Dotaz, zda při nedostatku operační paměti chceme přepnout do režimu seg potvrdíme Y.

  4. elevation – vstupní mapa: Výškový model, na kterém je založena celá analýza. Použijeme model interpolovaný pomocí modulu v.surf.rst. Zadáme CC_rst.

  5. depression – vstupní mapa: Rastrová mapa možných krajinných depresí (nebo také mapa drsnosti terénu), které jsou dost velké na to, aby se v nich zpomalil, nebo ukládal povrchový odtok při prudkých srážkách. Jakákoliv nenulová hodnota značí depresi. Jelikož takovouto rastrovou mapu nemáme k dispozici, necháme položku prázdnou (tj. stiskneme ENTER).

  6. unit of measure – jednotky, ve kterým budeme zadávat minimální velikost oblasti, ve které se budou vyhledávat povodí. Zvolíme volbu 2 – meters sq.

  7. Zadáme velikost oblasti – 3000000.

  8. watershed basin – výstupní mapa: Každé povodí je ohodnoceno unikátní hodnotou. 0 znamená, že buňka není součástí kompletního povodí v aktuálně nastaveném regionu. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_watershed.

  9. accumulation – výstupní mapa: Počet buněk, které odtékají skrze každou buňku. Absolutní hodnota každé buňky v této výstupní rastrové mapě je množství povrchového odtoku, který teče přes tuto danou buňku. Tato hodnota je počet buněk „nad“ plus jedna. Záporné hodnoty znamenají, že tyto buňky mají pravděpodobně povrchový splach z oblastí mimo určený region. Z toho plyne, že všechny buňky se zápornou hodnotou nemohou mít povrchový odtok a sedimentaci spočítanou správně. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_accumulation.

  10. Dále jsme dotázáni, jestli chceme nechat vygenerovat další rastrové mapy. Zvolíme Y.

  11. stream channel – výstupní mapa: segmenty vodních toků. Hodnoty odpovídají hodnotám odpovídajících povodí. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_streamchannel.

  12. half basin – výstupní mapa: každému polo-povodí je přiřazena unikátní hodnota. Povodí jsou rozděleny na levé a pravé přítoky. Buňkám pravých přítoků (z pohledu proti proudu) jsou dány hodnoty původních povodí. Buňkám levých přítoků povodí jsou dány hodnoty o jednu menší, než buňkám pravých přítoků (Rastr CC_watershed je vytvořen tak, že hodnoty buněk jednotlivých povodí jsou násobkem 2 (tzn. že se již dopředu počítá s rastrem half basin, který má hodnoty buněk levých přítoků o jednu menší, než hodnoty buněk pravých přítoků).). Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_halfbasin.

  13. overland aspect – výstupní mapa: směry odtoků. Určuje orientaci vůči světovým stranám pro každou buňku. Hodnota –1 znamená, že buňka je sníženina (deprese) (definována vstupní mapou depresí). Jakákoliv jiná záporná hodnota znamená, že půdní odtok opouští oblast aktuálně nastaveného regionu. Absolutní hodnota těchto záporných buněk určuje směr toku. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_overlandaspect.

  14. display – výstupní mapa: užitečná pro vizualizaci výsledků. Jedná se o akumulaci půdního odtoku s hodnotami upravenými pro jednoduché zobrazení. Všechna záporná akumulace je přeměněna na nulu. Žlutě jsou zobrazeny oblasti s nejnižší a modře oblasti s nejvyšší akumulací půdního odtoku. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_display.

  15. slope length – výstupní mapa: délka svahu a strmost (LS faktor). Použití pro analýzu RUSLE. Protože je LS faktor malé číslo, je ve výstupní mapě vynásoben hodnotou 100. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_LS.

  16. slope steepness – výstupní mapa: strmost svahů (S faktor). Použití pro analýzu RUSLE. Protože je S faktor malé číslo, je ve výstupní mapě vynásoben hodnotou 100. Jako jméno výstupní mapy zadáme CC_S.

  17. disturbed land – vstupní mapa: Rastrová mapa, které obsahuje oblasti s narušeným povrchem (úrodná půda, průmyslová oblast, atd.). Pokud není na vstupu žádná mapa (náš případ), znamená to, že v dané oblasti není žádná oblast s narušeným povrchem. Tato rastrová mapa se využívá k RUSLE výpočtu. Pouze potvrdíme ENTER.

  18. Pokud jsme nezadali rastrovou mapu s narušeným povrchem, jsme dotázáni na procentuelní zastoupení narušené půdy v dané oblasti. Jelikož hodnotu neznáme, zvolíme 0.

  19. max slope length – vstupní hodnota: maximální délka svahu povrchového odtoku v metrech (jedná se vlastně o vzdálenost jednotlivých buněk k nejbližší rovné oblasti, nebo singulárnímu bodu, který je „nad“ buňkami). Pokud povrchový tok teče déle než je maximální délka, algoritmus použije maximální délku. Tento parametr se používá pro analýzu RUSLE a je to velmi senzitivní parametr. Doporučená maximální délka svahu je 600 stop (183m) . Proto použijeme tuto hodnotu.

  20. blocking – vstupní mapa: útvar, který překáží povrchovému toku vody a restartuje výpočet délky sklonu pro RUSLE analýzu. Jakákoliv nenulová hodnota znamená blokující terén. Nepoužijeme žádnou rastrovou mapu blokujících útvarů.

  21. Jsme dotázáni na zadání rastrových map, které se používají pro celkový hydrologicko/půdní erozní model. Na vstupu nezadáme žádné mapy.

  22. Dotaz na uspořádání výstupních dat – zvolíme volbu 1 – Basin only.

Výstupní rastry analýzy r.watershed

V této sekci si ukážeme výstupní rastry analýzy r.watershed. Podobnější popis ke všem rastrům je v předchozí sekci ???.

  1. Rastr CC_watershed vyjadřuje tvary jednotlivých povodí v oblasti Černého a Čertova jezera. Hranice povodí můžeme porovnat s vektorovou mapou rozvodnic. Tu musíme nejprve importovat ze souboru shapefile. Proto soubor CC_rozvodnice.shp naimportujeme podle kapitoly 1.4.1 – „Import dat do GRASS 5.4 – v.in.shape“ a 1.4.2 – „Vybudování topologie nad daty – v.support“. Výsledný soubor nazveme opět CC_rozvodnice. Když si obě vrstvy položíme přes sebe (tzn. že nejprve zadáme příkaz d.rast CC_watershed a potom příkaz d.vect CC_rozvodnice), tak je vidět, že si hranice na většině míst odpovídá. Odlišnost v hranicích je dána nastavením minimální velikosti oblasti (v našem případě 3km?) ve kterých algoritmus vyhledával jednotlivá povodí.

    Obrázek 2.1. Rastr CC_watershed

    Rastr CC_watershed
  2. Rastr CC_halfbasin je identický s rastrem CC_watershed, jen je každé povodí rozděleno na buňky pravých a levých přítoků. Buňkám levých přítoků povodí jsou dány hodnoty o jednu menší, než buňkám pravých přítoků.

    Obrázek 2.2. Rastr CC_halfbasin

    Rastr CC_halfbasin
  3. Rastr akumulace vody CC_accumulation nám udává počet buněk, které odtékají skrze každou buňku. Abychom získali legendu, do příkazové řádky napíšeme d.legend CC_accumulation. Abychom z výsledného rastru odstranili oblasti s nízkou akumulací vody, napíšeme pro zobrazení rastru do příkazové řádky:

    d.rast CC_accumulation cat=10000-400000

    Tím změníme rozsah zobrazovaných hodnot na interval od 10 000 do 400 000.

    Obrázek 2.3. Rast CC_accumulation

    Rast CC_accumulation
  4. Rastr CC_overlandascpet je vlastně orientace svahů (expozice) vůči světovým stranám. Na rozdíl od rastru CC_aspect (viz. obrázek 1.32 – „Rastr expozic svahů; hodnoty v legendě jsou ve stupních“) kde je orientace svahů počítána od 0°do 360° je v tomto případě použito pouze osmi směrů. Oblastí s hodnotou -1 značí deprese a 8 rovné oblasti.

    Obrázek 2.4. Rastr CC_overlandaspect

    Rastr CC_overlandaspect
  5. Rastr CC_streamchannel obsahuje segmenty toků. Tento rastr budeme potřebovat pro analýzu r.basins.fill (viz. kapitola 1.5 – „Modul r.basins.fill“). Jelikož jsou hodnoty jednotlivým segmentům přiřazovány podle příslušnosti k povodím, podobně jako u rastru CC_accumulation odstraníme nevyhovující oblast. Rastr tedy zobrazíme příkazem:

    d.rast CC_streamchannel cat=1-100

    Obrázek 2.5. Rastr CC_streamchannel

    Rastr CC_streamchannel
  6. Rastr CC_display je rastr akumulace půdního odtoku. Abychom získali takovouto legendu, do příkazové řádky napíšeme d.legend CC_display thin=10 range=0,100 (thin=10 způsobí „krokování“ reklasifikace po deseti a range=0,100 nastaví minimum na 0 a maximum na 100). Pro lepší představu uvedeme ještě zobrazí rastru pomocí modulu nviz (nviz elevation=CC_rst color=CC_display).

    Obrázek 2.6. Rastr CC_display

    Rastr CC_display

    Obrázek 2.7. Rastr CC_display (nviz)

    Rastr CC_display (nviz)
  7. Poslední dva výstupní rastry jsou rastry CC_LS a CC_S.

    Obrázek 2.8. Rastr CC_LS

    Rastr CC_LS

    Obrázek 2.9. Rastr CC_S

    Rastr CC_S

1.3. Modul r.fill.dir

Modul r.fill.dir vytvoří výškový rastr bez lokálních depresí, které jsou způsobeny vlastní tvorbou DMR a dále rastr směrů odtoků z buňky.

r.fill.dir [-f] input=name elevation=name direction=name [areas=name] [type=name]

Popis přepínačů

  • -f – algoritmus pouze nalezne nevyřešené oblasti (nevygeneruje nový vyplněný DMR).

Popis parametrů

  • input – vstupní výškový rastr,

  • elevation – výstupní výškový rastr bez depresí,

  • direction – rastr směru odtoku z buňky,

  • type – typ rastru směru odtoku z buňky,

  • areas – výstupní rastr problémových oblastí.

    Obrázek 2.10. DMR a z něj spočtený rastr směrů odtoků z buňky

    DMR a z něj spočtený rastr směrů odtoků z buňky

Type je typ formátu, ve kterém si uživatel přeje vytvořit rast směrů odtoků z buňky. Formát agnps obsahuje hodnoty 1-8, kde 1 je orientováno na sever a hodnota narůstá proti směru hodinových ručiček. Formát answers obsahuje hodnoty od 0 do 360 stupňů, kde 0° (360°) je orientovaná na východ a hodnoty narůstají proti směru hodinových ručiček ve 45° krocích. Formát grass má ty samé hodnoty jako rastr orientace svahů (viz. brázek 1.32 – „Rastr expozic svahů; hodnoty v legendě jsou ve stupních“).

Jako vstupní data je použit výškový rastr a algoritmus vyplní při jednom průchodu tímto rastrem všechny deprese. Následně algoritmus odtoků z buňky hledá hlavní směr pro každou buňku. Pokud algoritmus narazí na oblast s prohlubněmi, ohraničí ji od ostatních oblastí a ještě jednou je nad touto oblastí provedeno vyplnění depresí. Na výstupu bude výškový rastr bez depresí a rastr směru odtoků z buňky.

Tento odtokový algoritmus (D8 – viz. kapitola 1.1.1 – „Určení směru odtoku“) funguje následovně: v každé rastrové buňce algoritmus určí sklon ke každé z osmi přilehlých buněk a přiřadí směr odtoku k buňce s největším sklonem. Pokud je osmi-okolí více buněk se stejnou nenulovou hodnotou, algoritmus vybere jeden z těchto směrů podle preferencí, které jsou pevně zapsané ve zdrojovém kódu. Pokud je oblastí rovina, algoritmus se snaží určit směr odtoku z okolních buněk rastru. Tento proces se provádí iterativně a rastr směru odtoků z buňky je počítán z oblastí kde je směr odtoku znám k oblastem, kde se rastr odtoků nedá spočítat jiným způsobem.

Postup práce

Do příkazové řádky zadáme následující:

r.fill.dir input=CC_rst elevation=CC_rst_depless CC_flowdirection type=answers areas=CC_probareas

Výstupní rastry

Rastr CC_direction je rastr směrů odtoků z buněk. Pro určitou buňku DMR je ohodnoceno její 3x3 „šachovnicové“ okolí a je určeno, která z buněk tohoto okolí má nejnižší nadmořskou výšku, tedy do které buňky to je nejvíce „z kopce“. Postup se následně opakuje pro všechny buňky DMR. [6]

Pro zobrazení legendy do příkazové řádky napíšeme d.legend CC_flowdirection thin=45 range=0,360.

Obrázek 2.11. Rastr CC_flowdirection

Rastr CC_flowdirection

Vzhledem k tomu, že rastr CC_rst_deples je pouze rastr CC_rst s vyplněnými depresemi, nebudeme si uvádět obrázek. Rastr CC_rst_deples využijeme při analýze r.flow (kapitola 1.6 – „Algoritmus r.flow“).

1.4. Modul r.water.outlet

Modul r.water.outlet generuje oblast, která vtéká do jedné konkrétní buňky z mapy orientace svahů (generovaná modulem r.watershed, viz. kapitola 1.2 – „Tvorba povodí – r.watershed“) a dvojice souřadnic, které reprezentují bod odtoku z počítané oblasti (povodí).

r.water.outlet drainage=name basin=name easting=value northing=value

Popis parametrů

  • drainage – vstupní mapa: Určuje orientaci vůči světovým stranám pro každou buňku. Hodnota –1 znamená, že buňka je sníženina (deprese) (definována vstupní mapou depresí). Jakákoliv jiná záporná hodnota znamená, že půdní odtok opouští oblast aktuálně nastaveného regionu. Absolutní hodnota těchto záporných buněk určuje směr toku. Tato mapa je generována modulem r.watershed,

  • basin – výstupní mapa: Oblast, která vtéká do jedné konkrétní buňky. Hodnota 1 znamená, že daná oblast náleží do povodí, hodnota 0 znamená, že daná oblast do povodí nenáleží,

  • easting – hodnota souřadnice X bodu odtoku,

  • northing – hodnota souřadnice Y bodu odtoku.

Postup práce

Zobrazíme rastrovou mapu CC_XX. Pomocí funkce d.what.rast vybereme bod, který bude odtokovým bodem pro hledanou oblast. Poznamenáme si souřadnice (E: -844332.04; N: -1128608.12). Do příkazové řádky napíšeme:

r.water.outlet drainage= CC_overlandaspect basin=CC_wateroutlet easting=-844332.04 northing = -1128608.12

Výstupní rastr

Červeně je vyznačená oblast (hodnota 1), ze které odteče voda námi zadaným bodem (v obrázku vyznačen trojúhelníkem). Pro větší názornost je rastr vizualizován i v modulu nviz.

Obrázek 2.12. Raster CC_wateroutlet

Raster CC_wateroutlet

Obrázek 2.13. Raster CC_wateroutlet (nviz)

Raster CC_wateroutlet (nviz)

1.5. Modul r.basins.fill

Modul r.basins.fill vytvoří rastrovou mapu dílčích částí povodí (subbasins) založenou na vstupní rastrové mapě segmentů toků (kde je každý segment ohodnocen unikátní hodnotou) a rastrové mapě hřbetnic v dané oblasti. Rastrová mapa hřbetnic by měla obsahovat ty hřbetnice, které určují rozměr celého povodí (watershed). Rastrová mapa segmentů toků může být vytvořena pomocí modulu r.watershed (viz. kapitola 1.2 – „Tvorba povodí – r.watershed“). Ale rastrová mapa hřbetnic musí být vytvořena ruční digitalizací z vrstevnic (např. pomocí modulu v.digit). V našem případě ale použijeme již hotovou vektorovou mapu CC_rozvodnice, kterou jsem importovali v kapitole 1.2 – „Tvorba povodí – r.watershed“, podkapitola Výstupní rastry analýzy r.watershed, bod 1.

Výsledná rastrová mapa ohodnotí dílčí části povodí hodnotami, které odpovídají hodnotám segmentů toků procházející touto dílčí částí povodí. Uživatel zadá počet cyklů, ve kterých algoritmus vyplňuje dílčí části povodí. Pokud se jeví, že výsledné mapě jsou „díry“ (oblasti nezařazené do povodí), modul by měl být spuštěn znovu s větším počtem cyklů.

r.basins.fill number=value c_map=name t_map=name result=name

Popis parametrů

  • number – počet cyklů, ve kterých algoritmus vyplňuje dílčí části povodí,

  • c_map – vstupní mapa: rastrová mapa ohodnocených segmentů toků,

  • t_map – vstupní mapa: rastrová mapa hřbetnic,

  • result – výsledná rastrová mapa rozděleného povodí.

Postup práce

Nejprve musíme převést vektorový soubor CC_rozvodnice na rastr podle kapitoly 2.1.1 – „Převod vrstevnic na rastr – v.to.rast“. Soubor převedený na rastr nazveme CC_rozvodnice_r. Jako rastrovou mapu segmentu toků použijeme rastrovou mapu CC_streamchannel, kterou jsme vytvořili modulem r.watershed (viz. kapitola 1.2 – „Tvorba povodí – r.watershed“). Dále do příkazové řádky napíšeme:

r.basins.fill number=10 c_map=CC_streamchannel t_map=CC_rozvodnice_r result=CC_basinsfill

1.6. Algoritmus r.flow

Modul r.flow generuje linie toku (flowlines) za použití kombinace rastrové a vektorové aproximace ze vstupního výškového rastru elevin a nepovinného rastru expozice (orientace vůči světovým stranám) buněk a/nebo rastrové mapy drsnosti povrchu barin. Na výstupu jsou tři mapy, které mohou být vytvářeny v libovolných kombinacích: vektorová mapa flout linií toku, rastrová mapa lgout flowpath délka a rastrová mapa dsout hustoty linií toku.

Rastrová mapa expozice musí být vytvořena podle stejných pravidel jako expozice počítána jinými GRASS moduly (viz. kapitola 1.3 – „Modul r.fill.dir“).

Výstupní mapa linií toku flout je ve vektorovém formátu (linie toku jsou vytvořené po svahu). Segmenty linií mají koncové body na hranách rastru, který se vytvoří kreslením imaginárních linií přes středy buněk výškového rastru. Linie toku jsou implicitně vytvářeny po svahu – při použití přepínačiky –u jsou vytvářeny proti svahu. Linie toku se zastaví pokud by její další segment obrátil směr toku, zkřížil nějakou překážku, nebo by procházel buňkou s nedefinovanou výškou, nebo orientací. Další parametr skip=n znamená, že pouze každá n-tá buňka bude použita při tvorbě flout. Implicitně je skip nastaven na hodnotu max(1,<řádky elevin>/50, <sloupce elevin>/50). Vysoká hodnota skip obvykle urychlí výpočetní dobu a většinou zlepší čitelnost rastru flout.

Délka flowpath je dána v rastrové mapě lgout. Hodnota v každé buňce rastru je suma vodorovných délek všech segmentů linie toku vytvořené z této buňky. Pokud je použita přepínač -3, je do výpočtu délek zahrnuta i výška (tzn., že se počítá se šikmými délkami).

Hustota linií toku po svahu (nebo proti svahu) je dána v rastrové mapě dsout. Hodnota každé buňky rastru je počet linií toku, které procházejí touto buňkou. To znamená počet všech linií toku z celé mapy, které mají koncový bod v této buňce.

Tento modul je určen k modelování eroze na svazích a má velmi přísné podmínky pro ukončování linií toků. Není proto velmi vhodný pro extrakci říční sítě, nebo stanovování rozměrů povodí, pokud není ovšem použit DMR bez depresí a rovných ploch (viz. kapitola 1.3 – „Modul r.fill.dir“)

Popis algoritmu

  1. Tvorba linií toku: r.flow používá vektor-rastrový algoritmus, který používá neomezený počet směrů v intervalu 0.0000… a 360.0000… a hledá směr toku jako linii (vektor) ve směru gradientu (spíše než z buňky do buňky v jednom z osmi směrů = D-infinity algoritmus). Směr je vyhledáván v jakémkoliv směru za použití expozice (takže zde není limit osmi směrů, kde D8 algoritmus produkuje linie cik-cak). Při použití tohoto postupu není rozptýlený tok přesně popsán, ale stále lépe, než pomocí D8 algoritmu.

  2. Výpočet přispívajících oblastí: r.flow používá single-flow algoritmus (algoritmus jednoduchého toku). To znamená, že veškerý odtok odteče do jediné buňky po svahu.

r.flow [-u3h] elevin =name [aspin=name] [barin=name] [skip=value] [bound=value] [flout=name] [lgout=name] [dsout =name]

Popis přepínačů

  • -u – generuje linie toků proti svahu (implicitně po svahu),

  • -3 - počítá se šikmými délkami (implicitně s vodorovnými délkami),

  • -h – zobrazí referenční informace.

Popis parametrů

  • elevin – vstupní výškový rastr,

  • aspin – vstupní rastr expozice svahů,

  • barin – vstupní rastr překážek. Nenulové hodnoty znamenají překážku,

  • skip – počet buněk mezi liniemi toku,

  • bound – nastavení maximálního počtu segmentů pro každou linii toku (implicitně je nastaven maximální počet),

  • flout – výstupní vektorová mapa linií toku,

  • lgout – výstupní rastrová mapa délek flowpath,

  • dsout – výstupní rastrová mapa hustoty linií toku.

Postup práce

Pro dosažení co nejlepších výsledků je dobré používat co nejpodrobnější DMR, vyhneme se tím problému předčasného ukončení linií toku v rovných oblastech.

Aby byly výsledky tvorby linií toků věrohodné, jako vstupní výškový rastr použijeme rastr z analýzy r.fill.dir (viz. kapitola 1.3 – „Modul r.fill.dir“) – CC_rst_deples (rastr s odstraněnými depresemi). Do příkazové řádky následně zadáme: r.flow elevin=CC_rst_deples aspin=CC_aspect flout=CC_flowlines lgout=CC_flowL dsout=CC_flowDS

Výstupní rastry

Vektorová mapa CC_flowlines reprezentuje linie toku generované po svahu. Počítání linií toku po svahu simuluje reálný tok (tzv. metoda dešťových kapek). Tyto linie toku mají tendenci se spojovat v údolích. Mohou být také využity k určení oblastí s akumulací odtoku a hloubení koryt (extraction of channels). Určitá pravidelnost linií je způsobena parametrem skip, což je počet buněk rastru mezi jednotlivými liniemi toku. Pro větší názornost linií toku zobrazíme CC_flowlines i pomocí modulu nviz (nviz elevation=CC_rst vector=CC_flowlines).

Obrázek 2.14. Vektorová mapa CC_flowlines

Vektorová mapa CC_flowlines

Obrázek 2.15. Vekto rová mapa CC_flowlines, jako podklad je použit rastr CC_rst (nviz)

Vekto rová mapa CC_flowlines, jako podklad je použit rastr CC_rst (nviz)

Hodnota v každé buňce rastru CC_flowL je suma vodorovných délek všech segmentů linie toku vytvořené z této buňky Při použití přepínače –u odpovídají délky flowpath vzdálenosti každé buňky k nejbližší rovné oblasti (nebo singulárnímu bodu) proti svahu. Potom tato rastrová mapa odpovídá mapě slope length (CC_LS viz. kapitola 1.2 – „Tvorba povodí – r.watershed“) a lze ji použít při analýzu RUSLE.

Obrázek 2.16. Rastr CC_flowL

Rastr CC_flowL

Obrázek 2.17. Rastr CC_flowL (nviz)

Rastr CC_flowL (nviz)

Rastr CC_flowDS zobrazuje hustotu linií toku po svahu. Hodnota každé buňky rastru je určena podle toho, kolik linií toku touto buňkou prochází (tzn. počet linií toku z celé mapy, které mají koncový bod v této buňce). I přesto, že jsme použili vstupní rastr bez depresí (CC_rst_deples), tak jsou linie toku v určitých částech rastru potrhané (viz. obrázek 2.20 – „Oblast 2 rastru CC_flowDS“). Je to způsobeno chybou ve vstupních datech, kdy jsou údolí občas špatně pokryty vrstevnicemi. Pokud je pokrytí oblasti vrstevnicemi dostatečné, chyby v datech se již nevykytují (viz. Obrázek 2.19 – „Oblast 1 rastru CC_flowDS“).

Obrázek 2.18. Rastr CC_flowDS

Rastr CC_flowDS

Obrázek 2.19. Oblast 1 rastru CC_flowDS

Oblast 1 rastru CC_flowDS

Obrázek 2.20. Oblast 2 rastru CC_flowDS

Oblast 2 rastru CC_flowDS

1.6.1. Porovnání rastrů půdního odtoku CC_display a CC_flowDS

Rastr CC_flowDS (2.18 – „Rastr CC_flowDS“) a CC_display (2.6 – „Rastr CC_display“) vyjadřují tu samou veličinu – akumulaci půdního odtoku. Rastr CC_display je počítán modulem r.watershed a k výpočtu je použito algoritmu D8 (viz. 1.1.1 – „Určení směru odtoku“). Druhý rastr CC_flowDS je počítán modulem r.flow a k výpočtu je použit algoritmus D-infinity (není omezen na 8 směrů). Proto je na první pohled vidět, že rastr CC_flowDS realističtěji a detailně popisuje půdní odtok v námi vybrané oblasti. Ještě si můžeme pro dokreslení situace přes oba rastry zobrazit vektorovou mapu CC_flowlines.

Obrázek 2.21. Detail rastru CC_flowDS

Detail rastru CC_flowDS

Obrázek 2.22. Detail rastru CC_display

Detail rastru CC_display