GISáček


Hydrogeologický geoinformační systém

Renata Janglová
Katedra kartografie a geoinformatiky
Přírodovědecká fakulta - Karlova Univerzita
Albertov 6
128 43 Praha 2
E – mail:janglova@vumop.cz

Abstract

A wide variety of digital technologies are applied in different branches of the human activities during last years. New methods are also applied in cartography and geoinformatics, especially for expediting of the map or geoinformatics products creation.
The main purpose of completed diploma thesis is the application of geoinformatics modelling methods for creation of the universal model of Hydrogeological geoinformation system (HGIS). Presented HGIS contains only basic required information. The principal stress was laid on input data and its structuration in the computer.
Subsequently, the Český kras area was chosen for concrete application of created HGIS. This area was chosen after consultation with hydrogeologists from the Institute of Hydrogeology, Engineering Geology and Applied Geophysics (Faculty of Sciences, Charles University, Prague), who are working here, and will apply this model (HGIS) for their field data. Presented model (HGIS) was processed using software ARC/INFO 8.0.2. in the Windows NT operating system.

Abstrakt

V posledních letech se stále více využívají digitální technologie a to v nejrůznějších odvětvích lidské činnosti. Nové přístupy se uplatňují také v kartografii a geoinformatice, kde značně zkracují dobu výroby mapového případně jiného geoinformatického produktu.
Cílem diplomové práce je využít postupů geoinformatického modelování k vytvoření obecného modelu HGIS. Proces digitální tvorby map je možné rozdělit do několika etap - od navržení konceptu díla, přes pořízení dat, jejich strukturalizaci v počítači, manipulaci a analýzy s nimi až k možnostem jejich aplikačního využití, které úzce souvisí s konkrétními výstupy. Tento proces je chápán jako modelování reality. Současné modely často mají podobu digitálních bází dat, které bývají v měřítku 1:1 k realitě a jsou invariantní vůči vizualizacím, což umožňuje vícenásobné použití zpracovaných dat. V diplomové práci je navržen „základní“ hydrogeologický model reality, který obsahuje pouze nejnutnější informace. Největší důraz je kladen na vstup údajů a na jejich strukturalizaci v počítači.
Konkrétní aplikací navrhovaného geoinformatického modelu, je řešení HGIS pro oblast Českého krasu. Toto území bylo vybráno po konzultaci s hydrogeology PřF UK, kteří zde mají své zájmové území a později budou moci HGIS Českého krasu využít. Navíc jsou z hydrogeologického hlediska krasové oblasti nejsložitější, a ukázkový model tak bude v závěru univerzálnější. Ukázka je zpracována v systému ARC/INFO 8.0.2. pod operačním systémem Windows NT.

Současný stav řešení hydrogeologické problematiky

Mnohá hydrogeologická data nejsou doposud obsažena v žádných mapách, případně jsou zaznamenána v dosti nepřehledné formě. Obzvláště problematické je společné znázornění více hydrogeologických charakteristik, které však může být velmi užitečné pro terénní výzkumy, především pro studium proudění podzemní vody a pro konkrétní řešení ochrany podzemních vod. Tato kapitola obsahuje popis existujících kartografických produktů s hydrogeologickou, případně hydrologickou tematikou ať už v analogové nebo v digitální formě.

Základní analogovou mapou, která zaznamenává studovanou problematiku pro území ČR, je “Hydrogeologická mapa ČSR”, která je součástí Souboru geologických a účelových map 1:50 000. Mezi prvky tematické náplně patří:

  • typ kolektoru (hydrogeologický kolektor = geologické těleso, které ve srovnání s bezprostředně přilehlým horninovým prostředím propouští daleko více podzemní vody (Svoboda, 1983))
  • kvantitativní charakteristika zvodněného kolektoru
  • kvalita podzemní vody z hlediska využitelnosti pro zásobování pitnou vodou
  • hranice zvodněných kolektorů a zvodněných systémů
  • pramenné vývěry
  • umělé hydrogeologicky významné objekty
  • strukturně tektonické prvky
  • znázornění superpozice zvodněných kolektorů.
V souvislosti s povodněmi na Moravě v roce 1997 se stále více hovoří o hydrologických, případně hydro-ekologických  informačních systémech. Tato problematika souvisí s hydrogeologií pouze částečně, přesto je zde uvedena krátká charakteristika “HEIS VÚV” (Hydro-ekologického informačního systému Výzkumného ústavu vodohospodářského). Databáze HEIS VÚV obsahuje geografické, grafické, tabulkové i textové informace, rozdělené do tematických okruhů:
  • vodní toky
  • objekty povrchových vod
  • odběry a vypouštění vody
  • objekty užívaní vody
  • podzemní vody.
Hydrogeologická problematika je zahrnuta v tematickém okruhu podzemní vody, který obsahuje data o hydrogeologických rajonech, jímacích územích, horninovém prostředí vodonosné vrstvy a objektech podzemní vody.

Sorensen et al. (1996) popisují využití GIS při hydrologickém a hydraulickém modelování, kde uvádějí příklad DLIS (Danubian Lowland Information System). V tomto systému jsou následující tematické okruhy objektů:

  • základní data
  • data o povrchové vodě
  • půdní data
  • geohydrologická data
  • data o podzemní vodě.
Řešení problematiky infiltrace vody je jednou z možností využití hydrologických, hydrogeologických a jim příbuzných informačních systémů. V nizozemském Institutu vodního hospodářství RIZA je uvedená problematika řešena již několik let. Podle Vermulsta et al. (1996) se v Nizozemí používají dva základní hydrologické modely. Prvním je NAGROM (National Groundwater Model) určený pro saturovanou zónu a druhým je MOZART, který pracuje s daty z nesaturované zóny. V uvedeném institutu vytvořili rozhraní těchto dvou modelů MONA (Mozart-Nagrom interface, které má usnadnit zjištění celkové infiltrace území.

Také oddělení hydrogeologie státní geologické služby Bádensko-Wuerttemberska (State geologic survey of Baden-Wuerttemberg) se zabývá aplikacemi GIS technologie pro hydrogeologickou problematiku. Vyvinuli softwarový nástroj ZEUS pro zpracování bodových hydrochemických dat z vrtů. Podle Sokola (1996) používá systém ZEUS např. metody grafického znázornění hydrochemických diagramů, analýz časových řad, geostatistických analýz, na podmínkách založených analýz nebo geohydraulických výzkumů.

Australská geologická společnost (Australian Geological Survey Organisation, Canberra) vytvořila informační systém hydrogeologie údolí řeky Murray. Podle Brodieho (1999) databáze obsahuje zejména informace o salinitě a vydatnosti pramenů a informace o zvodněné zóně. Uvedená metodika vychází z map měřítka 1:250 000. Pro měřítka větší je nepoužitelná.

Velká pozornost se v poslední době věnuje  3D znázorňování hydrologických a hydrogeologických charakteristik. Příklad softwarového nástroje  pro vizualizaci 3D hydrogeologických modelů uvádí Williams et al. (1996). Jedná se o nástroj s názvem GeoFEST (Geologic Finite Element Synthesis Tool), který udržuje popisná data (geologická) oddělená od modelových (hydraulické možnosti, hraniční podmínky, …). Oddělení dat má sloužit k minimalizaci vlivu změn modelu a dále k použití popisných dat v různých měřítcích.

V literatuře týkající se využití GIS technologií pro hydrologické a hydrogeologické aplikace se objevuje i problematika fuzzy množin a s tím související teorií neuronových sítí. Podle Gupty et al. (1996) byl na základě neuronových sítí vytvořen nástroj s názvem ANN-GIS, který je určený k identifikaci podpovrchového uložení geologických a půdních vrstev. Trénování neuronové sítě bylo provedeno pomocí zjištěné litologie sledovaných vrtů. Zmíněná problematika fuzzy množin je podrobněji popsána v kapitole 9.3.1. Velmi zjednodušeně se jedná o metody odstraňování neurčitostí. Miller a Morrice (1996) popisují metodu na ohodnocení neurčitosti vymezených rozvodnic. Metoda vychází z porovnání průběhu rozvodnic v různých zdrojích.

Freissinet et al. (1998) používají modelování založené na fuzzy logice pro odstranění nepřesností v údajích o kontaminaci půd a o množství vody v půdě.
 

Koncept řešení HGIS Českého krasu

V této kapitole není informační hodnota jen v ukázce návrhu geoinformačního systému. Ačkoliv jsou zde popsány cíle, obsah, podklady aj. HGIS Českého krasu, je možné tyto údaje zobecnit a použít při tvorbě jakéhokoliv jiného Hydrogeologického informačního systému.
 
  • Název: Hydrogeologický informační systém Českého krasu

  •  
  • Základní cíle:

  • Hlavním cílem DP je vytvořit soustavu hydrogeologických tematických vrstev geografického informačního systému. Řešit se bude zejména vlastní naplňování systému  a organizace dat. Dále bude část práce věnována vizualizaci těchto dat.
     
  • Účel:

  • Hydrogeologická tématika je obzvláště problematická v krasových oblastech, kde je hladina podzemní vody hluboce zaklesnutá. Mnohá data jako např. konduktivita (vodivost vody, podrobněji viz. 8.2.3.) nejsou doposud obsažena v žádných mapách, případně jsou zaznamenána v dosti nepřehledné formě. Rozhodně ale nejsou nikde znázorněna souhrnně. Jejich společné znázornění však může být velmi užitečné pro terénní výzkumy, především pro studium proudění podzemní vody a pro konkrétní řešení ochrany podzemních vod.
     
  • Zájmové území:

  • Vzhledem k tomu, že hydrogeologové, se kterými spolupracuji, už několik let provádí měření v Českém krasu, bude se daná problematika řešit na příkladě tohoto území. V následujících několika odstavcích je uvedena stručná geografická charakteristika území.
    Český kras je území mezi Berounem a Prahou, kde se velkoplošně uplatňuje vápencové podloží se všemi svými význačnými vlastnostmi včetně krasových forem. Jedná se o souvislý výskyt silurských a devonských vápenců s polohami dalších hornin, zejména břidlic a diabasů. Území Českého krasu se rozkládá od jihozápadu k severovýchodu na ploše cca 130 km2 (od Zdic až na jihozápadní a jižní okraj Prahy).
    Český kras je součástí geologicky významné Barrandienské pánve. Vápencové vrstvy vystupují  ve středu pánve, na okrajích jsou potom ohraničeny nekrasovými horninami. Nejmocnější a nejčistší vrstvy vápenců jsou devonského stáří. Devonské i silurské vrstvy jsou bohaté na fosílie mořských živočichů.
    Nejvýznamnější řekou oblasti je Berounka, která svou erozní činností vytvořila hluboké kaňonovité údolí. Podobná údolí si vytvořily i její přítoky Litavka, Kačák (Loděnice), Karlický potok, Švarcara, Radotínský potok, Bubovický potok a další.
    Klimaticky se Český kras vyznačuje v rámci středočeských pahorkatin velmi suchým a relativně teplým podnebím. Srážky se pohybují okolo 500 mm / rok, roční průměrná teplota kolísá mezi 8 a 9 °C. Tomuto klimatu odpovídá i na některých místech zachovaná původní teplomilná vegetace. Lesní porosty si mnohde zachovaly přirozený ráz. Významné jsou velké plochy původních šípákových a habrových doubrav. Fauna je obdobná jako v ostatních částech středních Čech. Krasové dutiny jsou významnými zimovišti netopýrů.
    Jihovýchodní část Českého krasu leží na území Prahy, proto je hustě osídlená. Český kras je také proslulý svou rekreační funkcí. S osídlením úzce souvisí dopravní infrastruktura. Hlavní silniční tahy obcházejí chráněnou krajinnou oblast a tak dopravní obsluhu zajišťuje železniční trať Praha-Beroun.
    Jedny z největších problémů představují rozsáhlá těžba surovin a celkově velká industrializace území. V roce 1972 byl Český kras vyhlášen chráněnou krajinnou oblastí.
     
  • Obsah:

  • Na základě konzultací s hydrogeology byl zvolen následující obsah modelu:
    Topografický základ:
    Topografický základ systému bude zahrnovat vodní toky, vodní plochy, hranice CHKO Český kras, národní přírodní rezervace, přírodní rezervace, lesní porosty, sady, komunikace, obrysy obcí a měst, povrchové lomy a kaliště, hranice zájmového území, kilometrové souřadnice, celky územního členění a vrstevnice. Kromě hranice zájmového území a kilometrových souřadnic budou vrstvy vygenerované z DMÚ-25 (Digitálního modelu území).
    Tematická náplň:
    Rozsah kolektorů a izolátorů (hydrogeologický izolátor = geologické těleso, které ve srovnání s bezprostředně přilehlým horninovým prostředím propouští daleko méně podzemní vody; kolektor je naopak pro vodu dobře propustný ( Svoboda, 1983).
    Předpokládané směry proudění podzemní vody – získané z analogové mapy, kterou vytvořili hydrogeologové PřF UK (Bruthans, 1999; Zeman, 1999). Jedná se o černobílou soukopii Odkrytých geologických map v níž jsou zakresleny předpokládaná směry proudění podzemní vody.
    Bodová data z terénního měření konduktivity vody – získaná od hydrogeologů (Bruthans, 1999; Zeman, 1999) v podobě tabulek (termín  konduktivita je vysvětlen v kapitole 8.2.3.)
    Tabulkové údaje z bodových šetření Geofondu ČR
     
  • Zobrazení: JTSK

  •  
  • Vstupní data:

  • Pro topografický základ bude použito  DMÚ 25 odpovídající listům TM25 (M-33-65-D-c, M-33-77-A-a, M-33-77-A-b, M-33-77-A-c,  M-33-77-A-d, M-33-77-B-a) ve formátu vrstev ARC/INFO.
    Pro tematickou náplň bude použito několika informačních zdrojů:
    • Základní Geologická mapa ČSSR 1:25 000 (listy: 12–411 Beroun, 12–421 Praha-Jih, 12–412 Rudná, 12–413 Králův dvůr, 12–414 Černošice). Ukázka tohoto díla  je na obrázku 8.
    • Geologická mapa odkrytá 1:25 000  (listy: 12–411 Beroun, 12–421 Praha-Jih, 12–412 Rudná, 12–413 Králův dvůr, 12–414 Černošice). Ukázka tohoto díla je na obrázku 9.
    • Výstup hydrogeologů PřF UK, který byl popsán v odstavci Tematická náplň – směry proudění podzemní vody (Bruthans, 1999; Zeman, 1999).
    • Tabulková data z šetření prováděna hydrogeology z PřF UK (Bruthans, 1999; Zeman, 1999).
    • Tabulková data s informacemi o vybraných vrtech z geodatabází Geofondu ČR.

    Zpracování HGIS Českého krasu

    Zde je popsán konkrétní postup zpracování vstupních dat, které jsou uvedeny právě v konceptu. I v této části platí to, co již bylo napsáno v konceptu modelu, že jednotlivé kroky je možné zobecnit pro tvorbu jakéhokoli HGIS.
    Zpracování je možné rozdělit do tří etap, jimiž jsou:
    • vytvoření topografických vrstev z DMÚ 25
    • vytvoření základních  tematických vrstev
    • zpracování tabulkových dat geofondu.
    Jelikož se sledované území rozprostírá na šesti listech Topografické mapy, jsou jednotlivé vrstvy DMÚ 25 uloženy v šesti pracovních prostorech systému ARC/INFO. Všechny výsledné vrstvy jsou uloženy ve formátech systému ARC/INFO v jediném pracovním prostoru. Názvy vrstev jsou tvořeny ze dvou částí. První část vyjadřuje zkratkou obsah vrstvy. Ve druhé části je zachycen geometricko-topologický typ objektu (např. *_p je polygonová vrstva, *_l je liniová a *_b je bodová). Přehled vytvořených vrstev HGIS je uveden v tabulce 1.
     
    Název vrstvy Datový zdroj Obsah vrstvy
    blk_b DMÚ 25 bloky budov
    cl_b Geofond obsah Cl ve vodě
    hco_b Geofond obsah HCO3 ve vodě
    hdo_b Geofond koncové hloubky vrtného intervalu
    hmx_b Geofond maximální hloubky hladiny podzemní vody
    hpr_b Geofond hladiny podzemní vody před zkouškami vydatnosti
    hpv_p Hydrogeologové PřF UK horninové prostředí
    hrn_p Textový soubor hranice zájmového území
    hx_b Geofond průměrné hloubky hladiny podzemní vody
    kal_p DMÚ 25 kaliště
    kf1_b Geofond koeficienty filtrace
    kms_l Textový soubor kilometrová síť
    knd_b Hydrogeologové PřF UK konduktivity
    kom_l DMÚ 25 komunikace
    les_p DMÚ 25 lesní porosty
    lom_p DMÚ 25 povrchové lomy
    min_b Geofond mineralizace vody
    no3_b Geofond obsah NO3 ve vodě
    qv1_b Geofond minimální využitelnosti vydatnosti
    rez_p DMÚ 25 chráněná území
    smr_l Hydrogeologové PřF UK směry proudění podzemní vody
    so4_b Geofond obsah SO4 ve vodě
    spr_p DMÚ 25 celky územního členění
    t1_b Geofond minimální oeficienty transmisivity
    vpl_p DMÚ 25 vodní plochy
    vrs_l DMÚ 25 vrstevnice
    vrt_b Geofond body kde bylo geofondem provedeno měření
    vtk_l  DMÚ 25 liniové vodní toky
    vtk_ p DMÚ 25 plošné vodní toky

    Tabulka č.1 Přehled vrstev vytvořeného HGIS

    Vrstvy hrn_p a kms_l byly vytvořeny pomocí textového editoru a příkazu ArcInfa GENERATE. Zdrojem vrstvy kilometrových souřadnic byl textový soubor, sestavený podle požadavků systému ARC/INFO. Po vybudování liniové topologie vrstvy byla do tabulky kms_l.aat přidána položka KM. Do ní byla doplněna informace, jestli se jedná o kilometrovou, pětikilometrovou nebo desetikilometrovou souřadnici. Dále byly do tabulky přidány položky X a Y, kde je zapsána hodnota kilometrové linie

    Vytvoření topografických vrstev z DMÚ 25

    Topografické vrstvy byly vytvořeny pouhou editací a výběrem stávajících prvků z DMÚ 25. K tomuto účelu byl sestaven jednoduchý skript jazyka AML. Při tvorbě každé z topografických vrstev bylo nejprve spojeno všech šest  vstupních vrstev DMÚ 25 obsahující požadovaný geografický prvek. Následovalo znovusestavení topologie a oříznutí vzniklé vrstvy polygonem z vrstvy hrn_p. Další operace byly individuální pro jednotlivé vytvářené vrstvy.
     

    Vrstva blk_p

    K vytvoření vrstvy blk_p bylo využito vrstev DMÚ 25 s názvem ZAS1. Jistě by bylo pro účely topografického podkladu lepší využít vrstvy OBRS, která obsahuje obrysy sídel, avšak ta nebyla k dispozici. K vrstvě OBRS by bylo možné připojit jednoduchým způsobem názvy obcí. Pro bloky budov musel být ještě vytvořen region OBCE, kde jsou jednotlivé bloky budov seskupeny podle příslušnosti k dané obci. Do atributové tabulky regionu OBCE byly doplněny názvy obcí manuálním vstupem přes klávesnici.
     

    Vrstvy kal_p a lom_p

    Obdobně jako vrstvy blk_p byly vytvořeny i další dvě vrstvy kal_p a lom_p. Jejich zdrojovou vrstvou byla ZAS1 z DMÚ 25.
     

    Vrstva les_p

    Na základě vrstvy DMÚ 25 LESY byla  vytvořena vrstva les_p, přičemž do ní byly vybrány tyto objekty DMÚ: les, lesní školka a sad.Ve vrstvě les_p byly dále vytvořeny regiony les (les a lesní školka) a sad (sad).
     

    Vrstva rez_p

    Vrstva REZ z DMÚ 25 uchovává všechny typy chráněných území (národní park, chráněná krajinná oblast, národní přírodní rezervace, národní přírodní památka, přírodní rezervace a přírodní památka). Nová vrstva rez_p obsahuje všechny prvky z původní vrstvy. Navíc tu jsou vytvořeny regiony chko (chráněná krajinná oblast), npr (národní přírodní rezervace), pr (přírodní rezervace) a pro snadnější vizualizaci také region vse, který obsahuje sloučení jednotlivých polygonů do jednoho (chráněná území). Informace o typu chráněného území jsou uloženy ve formě kódu v INFO tabulce rez.chu, proto muselo být šest jednotlivých tabulek spojeno do jedné. Tato tabulka byla následně propojena s atributovou tabulkou vrstvy rez_p, kde dostala název CHU. Stejným způsobem byla v atributové tabulce vytvořena položka s názvem NAM obsahující jméno daného chráněného území.
     

    Vrstva spr_p

    Vrstva spr_p obsahuje správní celky z původní vrstvy DMÚ 25 SPRV.K atributové tabulce byla dále přidána položka NA8 s názvy okresů, která vznikla obdobným způsobem jako položky CHU a NAM u vrstvy rez_p, tj. spojením šesti dílčích vstupních INFO tabulek s názvem sprv.na8.
     

    Vrstva vpl_p

    Vrstva vpl_p obsahuje vodní nádrže, které byly vygenerovány z vrstvy DMÚ 25 VOD1. K atributové tabulce byly připojeny dvě INFO tabulky, které byly vytvořeny spojením dílčích tabulek z jednotlivých šesti pracovních prostorů. Přidanými tabulkami byly vod1.nam se jmény vodních objektů a dále tabulky vod1.von s kódovou informací o druhu vodní nádrže.
     

    Vrstvy vtk_p a vtk_l

    Vodní toky byly zpracovány ve dvou vrstvách a sice vtk_p a vtk_l. Vrstva vtk_l byla vytvořena z původní vrstvy DMÚ 25 SIT, kde byly vybrány objety vyjadřující střed toku.
     

    Vrstva vrs_l

    Vrstva vrs_l uchovává informace o vrstevnicích. Prostorová informace je převzata z původní vrstvy DMÚ 25 VRST. Výškové hodnoty izolinií jsou uvedeny v INFO tabulkách vrst.zv1.
     

    Vrstva kom_l

    Komunikace byly vytvořeny z původní vrstvy DMÚ 25 KOM. K atributové tabulce byla dále připojena INFO tabulka, která obsahuje informace o dopravním využití komunikace. Nová položka v atributové tabulce pod názvem TUC vznikla spojením tabulek kom.tuc z šesti jednotlivých pracovních prostorů.
     

    Vytvoření základních tematických vrstev HGIS

    Po konzultaci s hydrogeology PřF UK byly vytvořeny tři základní tematické vrstvy. Jednou z nich je vrstva hpv_p, což je polygonová vrstva s informací o horninovém prostředí. Zjednodušeně jsou zde vymezeny kolektory a izolátory do pěti různých typů horninového prostředí. Další důležitou vrstvou jsou směry proudění podzemní vody smr_l v hlavním kolektoru. Poslední vytvořenou vrstvou je bodové vyjádření měřících bodů, kde byla zjišťována konduktivita vody. Tato vrstva je v pracovním prostředí systému ARC/INFO uložena pod názvem knd_b.
     

    Horninové prostředí vrstev

    Pro odvození hydrogeologické funkce hornin (tedy vymezení kolektorů a izolátorů) použili hydrogeologové PřF UK tři základní kritéria:
    • průměrné a maximální hodnoty průměrných ročních vydatností pramenů z jednotlivých souvrství
    • maximální zaklesnutí hladiny podzemní vody pod terénem v jednotlivých souvrstvích
    • míra zkrasovění.
    Na základě tohoto přístupu byla vymezena hydrogeologická tělesa:
    • podložní izolátor, který je tvořen horninami siluru a jeho podloží
    • hlavní kolektor tvoří horniny pražského a lochkovského souvrství
    • nadložní izolátor tvořený třebotovskými a chotečskými vápenci a dalejskými břidlicemi
    • izolátor srbského souvrství

    • tělesa zlíchovského souvrství, která tvoří komplexy s proměnou funkcí. Na některých místech jsou součástí hlavního kolektoru a vyvěrají z nich mohutné prameny, jinde působí jako izolátor a jsou podobné spíše horninám siluru.
    Pro konkrétní zpracování vrstvy hpv_p (horninové prostředí stratigrafické vrstvy) bylo použito Základních geologických map ČSSR 1:25 000 a Geologických map odkrytých 1:25 000. Tyto mapy byly digitalizovány na skeneru CONTEX FSC 3040 CHROMA s rozlišením 200 dpi.
    Další operací bylo přiřadit rastrovým obrazům skutečné souřadnice. To bylo provedeno v modulech systému ARC/INFO REGISTER a RECTIFY. Pomocí modulu REGISTER se registrovaly souřadnice rohových bodů obrazů. Modul RECTIFY přepočítal jednotlivé pixely původních obrazů do pixelů obrazů nových. Jako interpolační metoda byla zvolena metoda nejbližšího souseda. Pro účely vymezení hydrogeologických těles není potřeba vysoké přesnosti prostorových dat, neboť hranice mezi hydrogeologickými objekty nejsou podle hydrogeologů PřF UK jednoznačné.
    Do atributové tabulky byly přidány dvě položky: KOD a SOUVRST. Položka KOD obsahuje číselný kód hydrogeologického tělesa a položka SOUVRST uchovává písmennou zkratku souvrstvích jednotlivých horninových prostředí.  Přičemž zkratky mají následující význam:
    • Sk a dal  = silur kopaninský a jeho podloží = spodní izolátor
    • Ddp-Sp  = devon dvorecko-prokopský až silur přídolský = hlavní kolektor
    • Ds   = devon srbský = izolátor srbského souvrství
    • Dch-Dd  = devon chotečský až devon dalejský = nadložní izolátor
    • Dz   = devon zlíchovský = zlíchovské souvrství

    Směry proudění podzemní vody

    Ke vzniku vrstvy posloužila analogová mapa, kterou vytvořili hydrogeologové  PřF UK (Bruthans, 1999; Zeman, 1999) na podkladě Odkrytých geologických map 1:25 000. Mapa byla konstruována z komplexního hodnocení všech dat, která měli hydrogeologové k dispozici (zmapované prameny a skryté přírony na všech tocích, vydatnosti pramenů, hladiny podzemní vody ve vrtech a hydrogeologická funkce jednotlivých souvrství).  Analogová mapa byla opět zdigitalizována skenerem CONTEX FSC 3040 CHROMA s rozlišením 200 dpi. Následovala stejně jako u vrstvy hpv_p registrace a rektifikace rastrového obrazu do souřadnicového systému JTSK. Poté byla provedena vektorizace příslušných linií. Jelikož linie představují směry předpokládaného proudění podzemní vody, bylo nezbytné vektorizovat linie od začátku proudění po jeho konec. Po vybudování liniové topologie objektů, byly do tabulky smr_l.aat přidány atributy. Jednou položkou, která byla přidána do tabulky je položka TYP. Ta uchovává informaci o typu proudění podzemní vody. Číslo jedna přísluší přírodnímu proudění a číslo dvě vyjadřuje proudění ovlivněné či vyvolané čerpáním nebo antropogenními přítoky. Druhou přidanou položkou je C_PROUD neboli číslo proudění, které odpovídá číslu v podkladové mapě.
     

    Konduktivita

    Konduktivita je charakteristika vody, která vyjadřuje její vodivost respektive odpor. Jedná se o charakteristiku komplexní a snadno změřitelnou. Proto často nahrazuje celkové chemické rozbory vody s mineralizací, které jsou zdlouhavé a nákladné.  Právě konduktivitu měřili na mnohých místech Českého krasu hydrogeologové PřF UK (Bruthans, 1999, Zeman, 1999). Lokalizace míst měření konduktivity byla zaměřena pomocí přijímače GPS. Tabulka, kterou dodali hydrogeologové byla zpracována a byly z ní vygenerovány dva soubory. Jeden byl textový s pořadovým číslem zájmového bodu a souřadnicemi x a y v systému JTSK. Druhým souborem byla tabulka ve formátu dbf., která obsahovala pořadové číslo bodu, popis objektu (OBJEKT), konduktivitu (KND) a nezaměnitelné číslo měřícího bodu (NCB). Textový soubor byl příkazem GENERATE převeden do bodové vrstvy systému ARC/INFO: knd_b. Popisné informace objektů byly přidány do atributové tabulky příkazem JOINITEM přes propojovací položku pořadového čísla bodu.
     

    Zpracování tabulkových dat Geofondu ČR

    Pro tvorbu HGIS je možné využít pouze zlomek geofondem poskytovaných informací. Ty jsou uloženy zejména v Databázi hydrogeologických objektů. V rámci diplomové práce byly údaje z této databáze poskytnuty zdarma. Jedná se o soustavu 18-ti *.dbf tabulek, které jsou vypsány v tabulce 35.
     
    Název tabulky Náplň tabulky
    zuo  základní údaje o objektech
    zuo_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce zuo
    cerp údaje z čerpacích zkoušek
    cerp_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce cerp
    hlad  informace o hladinách podzemní vody
    hlad_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce hlad
    tepl měřené teploty vody
    tepl_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce tepl
    vydat  měření vydatnosti vrtů
    vydat_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce vydat
    chem údaje z chemických zkoušek
    chem_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce chem
    tech_parametry údaje o technických parametrech objektů
    tech_parametry_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce tech_parametry
    posudky čísla posudků, které se týkají zpracovávaného území
    posudky_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce posudky
    dife ostatní údaje zjišťované u daných objektů
    dife_E vysvětlení jednotlivých položek v tabulce dife

    Tabulka č. 2 Přehled tabulek poskytnutých Geofondem ČR

    Objem získaných dat je velké. Po konzultaci s hydrogeology PřF UK byly vybrány pouze nejdůležitější hydrogeologické charakteristiky objektů. Jsou jimi:

    • hladina podzemní vody před čerpací zkouškou
    • koncová hloubka čerpacího intervalu
    • průměrná hloubka hladiny podzemní vody
    • maximální hloubka hladiny podzemní vody
    • minimální koeficient filtrace
    • minimální koeficient transmisivity
    • minimální využitelná vydatnost
    • mineralizace podzemní vody
    • obsah Cl v podzemní vodě
    • obsah NO3 v podzemní vodě
    • obsah HCO3 v podzemní vodě
    • obsah SO4 v podzemní vodě.

    Jednotlivé vstupní tabulky byly v prostředí Microsoft Excel zpracovány do 14-ti dílčích tabulek formátu dbf. Jedna tabulka obsahovala nově vytvořené identifikační číslo a JTSK souřadnice objektů. Druhá tabulka uchovávala identifikační číslo objektu odpovídající číslu v první tabulce a dále číslo hydrogeologického objektu (c_hgo), které je součástí databází Geofondu ČR. Zbylé tabulky obsahují vždy dvě položky. Jednou je číslo hydrogeologického objektu a druhou je jedna z výše uvedených charakteristik objektů.

    Tabulka ze souřadnicemi byla převedena do ASCII souboru, který byl použit v příkazu GENERATE. Tento příkaz vytvořil bodovou vrstvu vrt_b. Do INFO databáze byly příkazem DBASEINFO převedeny tabulky s charakteristikami objektů (*.vat). Do vytvořené tabulky vrt_b.pat byla připojena pomocí příkazu JOINITEM tabulka s číslem hydrogeologického objektu. Vrstva vrt_b byla zkopírována do vrstev cl_b, hco_b, hdo_b, hmx_b, hpr_b, hx_b, kf1_b, min b, no3_b, qv1_b, so4_b a t1_b. K těmto novým vrstvám byly příkazem JOINITEM připojeny odpovídající atributové informace. Objekty, ke kterým v dané vrstvě nebyl přiřazen atribut, byly smazány.

    Do tabulky vrt_b.pat byly přidány položky HLPRED, HLBDO, HLDX, HLDMAX, KF1_C, T1_C, QV1_C, MINERAL, CL, NO3, HCO3 a SO4. Tyto položky mohou nabývat hodnot 0 a 1, přičemž hodnota 1 znamená že k danému objektu existuje příslušná charakteristika.

    Vizualizace dat

    Citlivost lidského vnímání na vizuální vjemy je důležitou součástí poznávání reality. Vizualizace je převedení digitálních kartografických dat do viditelného obrazu ať již na monitoru nebo  na papír či fólii. Tvorba výstupů zjednodušeně představuje přiřazování grafických symbolů objektům geodatabáze podle jejich vlastností. Vizualizace se však neomezuje pouze na mapy, ale týká se také tabelárních výstupů. Další nedílnou součástí vizualizace dat je sestavení kompozice mapy a znázornění doplňkových prvků (např. legenda).
    Podle Mitášové (1995) není zobrazování dat vytváření statického obrazu, ale interaktivní proces, kdy se propojují údaje z databáze s grafickým zobrazením na monitoru. Pro takto chápanou vizualizaci je zapotřebí rychlých a výkonných algoritmů pro změnu způsobu zobrazení jako změnu barvy, měřítka, apod.
    Výsledek vizualizace je závislý na mnoha faktorech jako např. na charakteru a kvalitě dat nebo na typu a kvalitě výstupných zařízení, která jsou k dispozici.
    Současné grafické softwary  umožňují vytvářet výstupy rastrových i vektorových dat poměrně jednoduchým způsobem. V oblasti GIS existují tzv. “prohlížečky dat”, které umožňují uživateli nekartografovi vytvářet vlastní grafické výstupy ze systému údajů. Firma ESRI nabízí celou řadu takových prohlížeček s různými možnostmi.
    Výsledná mapová kompozice určená k tisku se obvykle musí převést do formátu příslušného periferního zařízení. GIS běžně nabízejí převody do formátů: DWG, HPGL, PostScript atd.
    Systém ARC/INFO má k účelům vizualizace zobrazovací modul ARC/PLOT, který byl použit při vytváření výstupů aplikační části této diplomové práce. Respektive bylo využito skriptovacího jazyka AML, ve kterém byly vytvořeny programy obsahující příkazy modulu ARC/PLOT.
    Při vytváření konkrétních výstupů byly vytvořeny soubory HGIS.shd a HGIS.lin. Jedná se o binární soubory, které obsahují informace o symbolech. Soubory *.shd uchovávají plošné symboly a soubory *.lin obsahují liniové symboly. Systém ARC/INFO pracuje ještě se soubory *.mrk, které uchovávají symboly pro bodové objekty. Pro tvorbu výstupů HGIS Českého krasu byly použity stávající soubory *.mrk.
     

    Závěr

    V této diplomové práci byly využity postupy geoinformatického modelování k vytvoření hydrogeologického informačního systému (HGIS). Na základě analýzy dat s hydrogeologickou a jí podobnou tématikou byl vytvořen základní model HGIS, který  obsahuje topografická i tematická data.

    Základními tematickými údaji jsou charakter horninového prostředí, směry proudění podzemní vody a konduktivita (vodivost vody). Konduktivita je jednou z nejsnáze měřitelných charakteristik vody a na navíc se jedná o ukazatel, na jehož základě je možné stanovit celou řadu dalších údajů. Kromě uvedených tří základních charakteristik je pro HGIS možné využít dalších informací z rozsáhlého systému databází Geofondu ČR. Z tohoto systému je nejpoužitelnější Databáze hydrogeologických objektů.

    Tvorbu tematických vrstev je možné zobecnit jen do určité míry. Pro každý HGIS by měla být vytvořena vrstva s charakterem horninového prostředí. Propustnost horninového prostředí se však bude pro různé oblasti vymezovat podle jiných kritérií. Jak už bylo uvedeno je měření konduktivity snadným úkonem, proto není problém pro zpracovávané území danou charakteristiku vody zjistit. Určení směrů proudění podzemní vody je složitý proces, do kterého vstupuje celá řada faktorů. Proto je nutné, aby byly tyto faktory ohodnoceny hydrogeology.

    Součástí diplomové práce je zpracování HGIS Českého krasu. Toto území bylo vybráno po konzultaci s hydrogeology PřF UK, kteří zde mají své zájmové území a později budou moci HGIS Českého krasu využívat. Hydrogeologická problematika je v krasových oblastech velmi složitá. Nabízí se tu celá řada speciálních okruhů informací. Jednou z možných vrstev HGIS krasové oblasti by byl zákres průběhu podzemních prostor.

    HGIS Českého krasu byl vytvořen v systému ARC/INFO 8.0.2. pod operačním systémem Windows NT. Pro topografickou část mapy byla použita Digitální mapa území 1:25 000 (DMÚ 25). Jednotlivé vrstvy DMÚ 25 byly zpracovány programem skriptovacího jazyka AML. Vrstvy s informacemi o horninovém prostředí a směrech proudění podzemní vody byly vytvořeny vektorizací naskenovaných pokladů. Jako podklady pro vrstvu horninového prostředí byly použity zejména Odkryté geologické mapy 1:25 000. Jako podklad pro směry proudění vody sloužila mapa vytvořená hydrogeology PřF UK. Všechny bodové vrstvy byly vytvořeny z informací uložených v geodatabázích. Vrstva konduktivity byla vytvořena z tabulky, kde byly zaznamenány hodnoty měřené hydrogeology PřF UK. Ostatní bodové vrstvy byly vygenerovány z databází Geofondu ČR.

    Největší důraz je v této práci kladen naplňování systému. Bez informací není informačního systému a veškeré další operace nemají smysl. Oproti tomu malá část je věnována vizualizaci dat, neboť se stále více prosazuje invariance systémů vůči vizualizacím.

    Další možnosti rozšiřování systému spočívají ve zpracování bodových údajů. Je možné z nich vytvořit trojúhelníkové modely daných informací případně thiessenovy polygony. Zajímavé by bylo také řešení interpolace izolinií s ohledem na fuzzy charakter zpracovávaných informací.

    Literatura

    1. Brodie, R. 1999. GIS Database of Murray Basin Hydrogeology. http://www.brs.gov.an/land&water/mgbdhydo/mgbgis.html#tag77
    2. Bruthans, J:1999. Hydrogeologické poměry Českého krasu severně od řeky Berounky (diplomová práce). Praha: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy. 100 str.
    3. Freissinet, C., Erlich, M., Vauclin, M: 1998. A fuzzy logic-based approach to assess imprecisions of soil water contamination modelling. Soil and Tillage Research: 47. str. 11-17.
    4. Gupta, A., D., Gangopadhyay, S., Gautam T. R., Onta P. R: 1996. Aquifer characterization using an integrated GIS – neural network approach. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proceedings of HydroGIS’96 conference in Vienna): 513-519.
    5. Miller D. R., Morrice J. G: 1996. An assessment of the uncertainty of delimited catchment boundaries. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proceedings of HydroGIS’96 conference in Vienna): 445-451.
    6. Mitášová, H: 1995. Nová generácia GIS na modelovanie dynamiky subsystémov krajiny. Geoinfo: 2 (1).
    7. Moravec, D: (1). 2001. Kartografické a geoinformatické modelování. Karolinum. Praha: 243 str.
    8. Sokol, G: 1996. Development of GIS-based user shell for hydrogeological applications. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proceedings of HydroGIS’96 conference in Vienna): 567-574.
    9. Sorensen H. R., Kjelds T. J., Deckers F.,Waardenburg F: 1996. Application of GIS in hydrological and hydraulic modelling: DLIS and MIKE11-GIS. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proceedings of HydroGIS’96 conference in Vienna): 149-156.
    10. Svoboda, J. a kol: 1983. Encyklopedický slovník geologických věd - 1. svazek A – M. Praha: Academia, 917 str.
    11. Vermulst, J., A.,P., H., Hoogeveen, J., Lange, W., J., Bos, H., B., Pakes, U: 1996. MONA: an interface for GIS-based coupled saturated and unsaturated groundwater modelling in The Netherlands. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proceedings of HydroGIS’96 conference in Vienna): 593-601.
    12. Williams, M., D., Cole, CH.,R., Foley, M., G., Wurstner, S., K: 1996. GeoFest: an integrated GIS and visualization environment for development of 3D hydrogeological models. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proceedings of HydroGIS’96 conference in Vienna): 593-601.
    13. Zeman, O:1999. Hydrogeologické poměry Českého krasu jižně od řeky Berounky (diplomová práce). Praha: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy. 100 str.

    Copyright (C) VŠB - TU Ostrava, Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. 
    V případě, dotazů, komentářů, připomínek kontaktujte www-gis.hgf@vsb.cz
    Tato stránka byla naposledy aktualizována: 29.03.2006 16:16
    Stránky jsou optimalizovány pro Microsoft Internet Explorer v. 5.0 a vyšší.
    Jsou vytvářeny v programovém prostředí FrontPage 2003.

    NAVRCHOLU.cz