 |
|
|
|
GISáček |
|
|
|
Nástroje pro prostorovou analýzu srážek v GISMartin Stříž AbstractThe subject of this thesis was to use methods, that will generate maps of aggregation of precipitations for needs of the Czech institute of hydrometeorology. The next objective of the thesis was an implementation of the selected method to ArcView environment. AbstraktTato diplomová práce měla za cíl využít metody, které budou generovat mapy úhrnů srážek pro potřeby Českého hydrometeorologického ústavu. Dalším cílem diplomové práce bylo implementace zvolené metody do aplikace v prostředí ArcView. ÚVODV databázích mnoha podniků a státních institucí se stále více objevují data vázaná na geografickou polohu popisovaných objektů. Popisují například různé komunikace, přenosové a potrubní sítě, dále jsou to pozemkové knihy a katastrální mapy a řada dalších. Pro správu těchto dat a pro účelnou prácí s nimi jsou určeny geografické informační systémy, zkráceně GIS. Český hydrometeorologický ústav se vybral správnou cestou, že si pro svou organizaci zvolil GIS, poněvadž spravuje velkou databázi dat z jednotlivých meteorologických stanic a potřebuje z těchto dat generovat mapové výstupy a provádět různé analýzy. V Českém hydrometeorologickém ústavě využívají geografický informační systém nejen pro správu geodat, ale vidí v něm taky pomocníka, který usnadní a zároveň zkvalitní práci. Jako příklad mohu uvést využití GIS pro generování synoptické mapy. Při vývoji nové klimatologické databáze Clidata, byl kladen důraz na využití geografického informačního systému, který by umožnil vytvářet synoptické mapy, plošně kontrolovat naměřené data a generovat mapy rozložení úhrnů srážek. Využití GIS jako nástroje pro prostorovou analýzu srážek se zabývá tato diplomová práce, jenž na základě vícerozměrné závislosti srážek na geografických souřadnicích umožní generovat mapy rozložení srážek. ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVUV minulosti ČHMÚ využíval informační sytém CLICOM, vytvořený v USA pro operační systém MS DOS. S vývojem informačních technologií a operačních systémů vznikla potřeba nové klimatologické databázové aplikace. Mezi základní požadavky při budování systému CLIDATA bylo využití geografických informačních systémů. Byly stanoveny základní požadavky na programové prostředky GIS:
Po prozkoumání všech výhod a nevýhod jednotlivých systémů GIS byl vybrán systém ArcView 3.1. Od roku 1999 jsem začal externě spolupracovat s ATACO s.r.o a ČHMÚ při vývoji systému CLIDATA, a to zejména při vývoji a implementaci GIS aplikací v prostředí ArcView.
Mezi tyto aplikace patří:
Konstrukce staničního modeluCílem této aplikace je graficky zobrazit na mapě výsledky měření z dané oblasti z jednoho měřícího termínu. Na mapě se zobrazí okolo klimatologické stanice symboly, které reprezentují naměřené prvky. Příklad zobrazení staničního modelu pro danou klimatologickou stanice je zobrazen na obrázek 1. Z obrázku meteorolog výčte například směr větru, rychlost větru, teplotu, tlak, viditelnost atd.  Obrázek 1 Po spuštění aplikace se zobrazí vstupní formulář (obrázek 2), ve kterém uživatel zadá vstupní údaje. Poté se vygeneruje synoptická mapa (obrázek 3) .  Obrázek 2  Obrázek 3 Aplikace pro vizualizaci plošných kontrol databáze CLIDATAAplikace slouží pro vizuální kontrolu vypočtených intervalů, do kterých daný prvek patří. Intervaly naměřených hodnot jsou klasifikovány do 17 tříd (0 až 16). Jestliže naměřená hodnota prvku leží v krajním intervalu (tj. 0 nebo 16), tak se na mapě nezobrazí symbol reprezentující daný interval, ale naměřená hodnota prvku v dané meteorologické stanici. Uživatel zkontroluje vytvořenou mapu (obrázek 4). Zjistí-li například, že dvě sousední stanice naměřily prvek s velkým rozdílem intervalů, tak pomocí dotazu na meteorologickou stanici zjistí naměřené hodnoty a podle svých znalostí může najít chybu v naměřených hodnotách. Chyby mohou vzniknout například při vkládání dat do databáze. Tímto postupem si uživatel může zkontrolovat všechny prvky.  Obrázek 4 Plošné zobrazení naměřených datAplikace pracuje jako aplikační server, jehož účelem je zpracovat data získané měřicími stanicemi. Vlastní zpracování je řízené množinou vstupních parametrů. Tyto parametry stejně jako vlastní zpracovávaná data jsou získávány dotazem z databáze spravované pomocí RDMS ORACLE. Zpracování je plně autonomní a je zahájeno v okamžiku spuštění aplikace. Po vykonání všech činnosti specifikovaných tabulkou parametrů je činnost aplikace ukončena. Ke spuštění aplikace dochází z prostředí aplikace ORACLE. Výsledek činnosti jsou mapy zobrazující rozložení měřeného prvku a isolinie měřeného prvku. Výsledná mapa je poté exportována do formátu JPEG . Vyexportovaný souboru je uložen na pevný disk a na ústavní web server. Na obrázku 5 lze vidět vygenerovaný soubor v prostředí internetu.  Obrázek 5 Aplikace generuje z bodové vrstvy naměřených prvků rastrovou vrstvu , která vznikne využitím odhadu pomocí interpolační metody inverzních vzdáleností. Tato aplikace nevyužívá poznatků, že naměřené hodnoty některých prvků jsou závislé na nadmořské výšce. Výsledky aplikace nejsou přesné, protože bez respektování vlivu nadmořské výšky dochází často k podhodnocení odhadů (např. u úhrnů srážek). Z těchto důvodů vznikla potřeba vytvořit aplikaci, která bude mít v sobě implementované poznatky o změně velikosti srážek s nadmořskou výškou získaných z bodových pozorování o známých souřadnicích a nadmořské výšce a lépe tak odhadnout velikosti srážkových úhrnů na území s menší hustotou těchto pozorování (zejména v horských oblastech). Vytvoření této aplikace bylo jedním s cílů mé diplomové práce. DATAV této části se zabývám popisem datového modelu, použitými programovými prostředky a použitých datových zdrojů Použité programové prostředkyPro realizaci této práce byly požadovány tyto programové prostředky:
Použité datové zdrojeNejduležitejší součást GIS jsou data. Byla použita tato data:
POPIS METODY PRO ODHAD SRÁŽEK S VYUŽITÍM NADMOŘSKÉ VÝŠKYS ohledem na charakter analyzovaného prvku a výpočetní možnosti ArcView byl Květoňem navržen originální, dále popsaný postup. Tento postup zavádí pojem fiktivního terénu, jehož cílem není zhlazení terénu v obvyklém slova smyslu geografického software, ale zavedení myšlenkové konstrukce, která by umožnila řešit problém vícerozměrné závislosti srážek na geografických souřadnicích, a to pomocí standardních prostředků GIS. Ve své diplomové práci se zabývám implementaci této metody do systému ArcView, pomocí programovacího jazyka Avenue. Výpočet celkové vrstvy úhrnů srážek se vypočíta na podle vztahu U=Uo + obl2* ( (A+B*( Zs-Zo))-delta) Výsledná mapa rozložení srážek je zobrazená na obrázku 6 a obrázku 7  Obrázek 6  Obrázek 7 POPIS VLASTNÍCH APLIKACÍV této části práce se zabývám popisem aplikací, které byly vytvořeny pomocí objektově orientovaného programovacího jazyka Avenue v prostředí ArcView. Celkem jsem naprogramoval dvě aplikace:
Instalační programZákladním důvodem pro vytvoření tohoto programu bylo co nejjednodušší správa a nastavení GIS aplikací. Protože jsem pro ČHMÚ již vytvořil celkem 4 aplikace, tak vznikla potřeba centrálně spravovat datové zdroje a ostatní parametry potřebné pro aplikace na jediném místě. Z těchto důvodů jsem se rozhodl vytvořit samostatnou aplikaci v jazyku Avenue, ve které uživatel bude mít možnost nastavit tyto parametry:
Po spuštění aplikace se objeví vstupní dialog (obrázek 8), pomocí něhož si uživatel bude moci nastavit jednotlivé parametry.  Obrázek 8 Nastavení datových zdrojůHlavním úkolem této části instalačního programu je nastavení topografických vrstev, které budou v aplikacích sloužit jako podkladové mapy . Na obrázku 9 je znázorněno dialogové okno, ve kterém lze nastavit 6 topografických vrstev:  Obrázek 9 Nastavení parametrů ODBCTato část instalačního programu slouží k nastavení parametrů rozhraní ODBC, pomocí kterého aplikace přistupují k datům uloženým v systému Oracle (obrázek 10)  Obrázek 10 Nastavení parametrů FTPPoslední část instalačního programu slouží k nastavení parametrů pro přenos souboru přes FTP protokol. Uživatel má možnost nastavit celkem 4 parametry (obrázek 11):  Obrázek 11 Popis aplikace pro výpočet úhrnů srážekJedním s cílů diplomové práce bylo vytvořit aplikaci v prostředí ArcView, která bude využívat zvoleného algoritmu pro odhad úhrnů srážek. Po spuštění aplikace se objeví dialogové okno (obrázek 12), ve kterém uživatel zadá velikost a rozlišení rastrových vrstev. Následuje dialogové okno (obrázek 13), sloužící pro zadávání parametrů.  Obrázek 12  Obrázek 13 Po zadání všech potřebných údajů se začnou generovat jednotlivé rastrové vrstvy a jako poslední se vygeneruje celková rastrová vrstva úhrnů srážek, která je znázorněná na obrázku 14.  Obrázek 14 ZÁVĚRCílem diplomové práce bylo nalezení takových metod, které využívají nadmořskou výšku pro odhad úhrnů srážek. Vyhledal jsem několik metod, které řeší tento problém, např. rovnice pana Böhma, ale i složitější metody, které byly základem této práce. Mezi tyto metody patří metoda vytvořená Ing. Petrem Šerclem a Ing.Petrem Lettem (v diplomové práci označována jako metoda č.1) a metoda vytvořená RNDr. Vítem Květoňem, kterou jsem částečně upravil do metod označovaných jako IDW, IDW_2, Kriging, Kriging_2. Z výsledků jednotlivých metod vyplývá, že přesností těchto metod jsou přibližně stejné. Tento fakt je způsoben tím, že obě tyto metody ve svém algoritmu využívají podobným způsobem lineární závislost mezi úhrnem srážek a nadmořskou výškou. Určitým nedostatkem při hodnocení obou metod by mohla být skutečnost, že jsem nemohl porovnat přesnost rozložení srážek s přesnějšími daty. Původně jsem si myslel, že existuje nějaký model, ze kterého bych mohl získat celkové srážky na povodích, které bych potom porovnával s odhadnutými srážkami, protože mi ČHMÚ poskytl průměrné a celkové úhrny srážek na jednotlivých povodích na severní moravě. Posléze se ukázalo, že tato data jsou výsledkem metody č.1. Z těchto důvodů nemělo smysl testovat přesnost mých výsledků s těmito daty, protože jsem nevěděl jak přesně metoda č.1 pracuje. V aplikaci, která generuje úhrny srážek v závislosti na nadmořské výšce jsem implementoval metody IDW a Kriging tak, aby uživatel měl možnost výběru mezi těmito metodami a částečně měl možnost ovlivnit parametry těchto interpolaci (změnit velikost okolí, počet stanic vstupující do výpočtů). Tato aplikace bude součásti systému CLIDATA, který od roku 2001 budou využívat tyto organizace:
LITERATURA[1] ArcČR500, internetová stránka firmy ArcData s.r.o., http://arcdata.cz [2] Bedrlík, J.: GIS(y)-včera, dnes a kdysi, CHIP č.9, 1999 [3] Campbell, J.: Map use and analysis second edition, Wm. C. Brown Publishers, 1993 [4] ČHMÚ, ATACO, s.r.o.: Klimatologická databáze CLIDATA, 2000, http://clidata.cz [5] ESRI: Avenue, Customization and Application Develepment for ArcView GIS, 1997 [6] ESRI: Informace z internetových stránek firmy ESRI, http://esri.com [7] ESRI: Using the ArcView SPATIAL ANALYST, 1996 [8] Fišák, J.: Návod pro pozorovatele meteorologických stanic. Metodický předpis ČHMÚ č.11, Praha, ČHMÚ 1994 [9] Hersan, M.: Replikační procesy ČHMÚ, Diplomová práce, Ostrava 1998 [10] Houlding, S.: 3D geoscience modeling, Springer 1994 [11] Květoň, V.: Algoritmus analýzy hodinových až denních úhrnů srážek, ČHMU 1999 [12] Kuchařík,M.: Povětrnostní příprava, část II., UJEP Brno, Brno 1986 [13] Lynch,S.,Schulze, R.:Techniques for estimating areal daily rainfall, http://www.ccwr.ac.za/~lynch2/p241.html [14] Ministerstvo životního prostředí ČR: Meteorologický slovník výkladový a terminologický,Praha 1993 [15] Nosek, M.: Metody v klimatologii, Acadamia, Praha 1972 [16] Rozhodnutí ministerské rady Československé republiky č.j. 26314 [17] Stříž,M.: Využití GIS v hydrometeorologickém ústavě, VŠB-TU Ostrava 1999 [18] Šercl, P., Lett, P.: Výpočet rastru srážek v prostředí GIS, ČHMU 1999 [19] Vládní nařízení Československé republiky č. 96/1953 Sb. |
|
Copyright (C) VŠB - TU Ostrava,
Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. |