Vizualizace prostorových dat v prostředí GRASS GIS

Radek Hojgr
Institut Geoinformatiky
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E – mail: radek@thcomputers.cz
ICQ#: 338273206

Abstract

This thesis inquires into spatial data visualization in GRASS GIS. One of the main objectives is to elaborate the overview of implemented visualization tools with description of their input and output data. Further there are for these tools explored possibilities of the scripting mechanisms and in continuity with project TRANSCAT were created scripts for visualization of input data from hydrogeological model, which was created by MODFLOW program and hydrological model created by CASC2D tool.

Keywords: GRASS, visualization, Perl, scripting, TRANSCAT, MODFLOW, CASC2D

Abstrakt

Tato diplomová práce se zabývá vizualizací prostorových dat v prostředí GRASS GIS. Jedním z hlavních úkolů je vypracování přehledu implementovaných vizualizačních nástrojů, s popisem jejich využití, možných parametrů a vstupních a výstupních dat. Dále jsou pro tyto nástroje prozkoumány možnosti skriptovacích mechanismů a v návaznosti na projekt TRANSCAT vytvořeny skripty pro vizualizaci výstupních dat z hydrogeologického modelu programu MODFLOW a hydrologického modelu nástroje CASC2D.

Klíčová slova: GRASS, vizualizace, Perl, skriptování, TRANSCAT, MODFLOW, CASC2D

Úkoly projektu

• Seznamte se s prostředím GRASS GIS a jeho vizualizačními nástroji. Vytvořte jejich přehled s popisem jejich použití, parametrů a možných vstupních a výstupních dat.
• Jednotlivé vizualizační nástroje vyzkoušejte na vhodných geodatech. Pokuste se o vytvoření vlastních dat pro daný nástroj. Ověřte možnost skriptování.
• Zhodnoťte vhodnost použití vybraných vizualizačních nástrojů pro zobrazování výsledků z programů MODFLOW, MT3D a CASC2D v rámci projektu TRANSCAT. Realizujte import dat z prostředí MODFLOW a CASC2D do prostředí GRASS GIS. Data vizualizujte.

Úvod

V dnešní moderní společnosti existuje velké množství dat v digitální podobě, zahrnující téměř všechny oblasti lidské činnosti. Všechna tato data mají určitou vypovídací úroveň, která je dána především možnostmi, schopnostmi a formami vizualizace.

Pojem vizualizace je odvozen z latinského „visus“, neboli vidět. Je tedy zřejmé, že vizualizací dat se rozumí transformace dat do podoby, kterou je možno vnímat zrakem. Takto je člověk schopen vnímat okolo 70 % informací ze všech smyslů.

Existuje mnoho forem, které mohou být za vizualizaci považovány - čísla, text, tabulky, grafy, diagramy, obrázky, animované sekvence, mapy, atp. Téměř každou datovou sadu je možno určitým způsobem vizualizovat, pouze zůstává otázkou, v jakém programovém produktu a jakým nejvhodnějším způsobem. Klíčovou roli zde, z pohledu geoinformatika, sehrává informace, zda jsou data vztažena určitým způsobem k prostoru, či nikoli. V kladném případě jde o data prostorová a lze je vizualizovat pomocí nástrojů pro GIS. Existuje jich značné množství a liší se především svými schopnostmi (editačními, analytickými, vizualizačními, atp.), podporovanými formáty, kvalitou a v neposlední řadě také cenou. Ta se může pohybovat i v řádech statisíců korun. Právě z toho důvodu se v posledních několika málo letech začíná, nejenom na akademické půdě, projevovat trend orientace na Open Source produkty a produkty distribuované pod licencí GNU GPL. Podstatnou roli (vyjma ceny) zde hraje i fakt, že existuje možnost daný produkt modifikovat, nebo i doplňovat o vlastní, specifické funkce.

Do této kategorie produktů patří i systém GRASS, který je určen jako základní nástroj pro zpracování úkolů této diplomové práce. Jelikož se dostává do oblasti zájmu odborné veřejnosti v České Republice až v posledních několika málo letech, není prozatím zcela zřejmé, co od něj lze očekávat, jaké nabízí funkce a jak s nimi komunikovat. Jedním z cílů této diplomové práce je tedy vytvořit přehled vizualizačních nástrojů systému GRASS, jejich možností a schopností.

Získané informace budou následně použity v druhé části diplomové práce, která se zabývá vizualizací prostorových dat získaných z hydrogeologického modelu produktu MODFLOW a hydrologického modelu nástroje CASC2D používaných v rámci projektu TRANSCAT.

Systém GRASS

Produkt GRASS (Geographical Resources Analysis Support System) je systém s více než 400 moduly pro správu geografických dat, zpracování obrazových záznamů (družicové a letecké snímky), produkci vysoce kvalitní grafiky, prostorové modelování a vizualizaci rastrových a vektorových dat. Je založen na Open Source a publikován pod licencí GNU GPL.

Vizualizační nástroje systému GRASS

• d.mon - neboli GRASS monitor, je základní vizualizační nástroj produktu GRASS.
• d.3d - umožňuje vytvářet perspektivní pohledy na modely krajiny, jak v „drátěné“, tak plně vykreslené podobě.
• r3.showdspf - pro vizualizaci dat ve formátu Grid3D. Aby bylo možno tato data vizualizovat, je třeba nejdříve provést preprocessing. Ten se realizuje pomocí nástroje r3.mkdspf.
• NVIZ - nástroj, který směřuje, s každou novou verzí produktu GRASS, k naplnění všech uživatelských požadavků na možnosti vizualizace.
• d.nviz - primárně určený pro tvorbu skriptu spustitelného v nástroji NVIZ, ve kterém by měl provést průlet nad terénem.
• Vis5D+ - externí produkt pro interaktivní vizualizaci multidimenzionálních dat (až 5D) rozsáhlých oblastí vycházejících primárně z numerických modelů předpovědi počasí
• p.vrml - umožňuje vytvářet modely ve formátu VRML verze 1.0 (Virtual Reality Modelling Language).

Skriptování v systému GRASS

Při práci se systémem GRASS dochází k častému opakování zadávání příkazů jen s malými změnami v hodnotách parametrů. V těchto případech je tedy vhodné začít uvažovat o jiném způsobu práce s příkazy, resp. s posloupnostmi příkazů. Při práci s GRASS GIS se nabízejí možnosti – BASH a PERL.

BASH

Jednou z nejsilnějších Unixových zbraní je shell. Je to velmi univerzální nástroj, pomocí něhož může uživatel nejen jednoduše komunikovat se systémem a ovládat jej, ale především ho může využít také jako programovací jazyk, tedy ke psaní nejrůznějších skriptů. Nejpoužívanějším je shell BASH.

PERL

Perl je interpretovaný programovací jazyk, který přejímá některé rysy z ostatních programovacích jazyků (C, shell,...). Jeho tvůrcem je Larry Wall, jenž jej začal vytvářet původně pro svou osobní potřebu, když mu nepostačovali dostupné nástroje pro práci s texty.

Pro následující práci v rámci projektu byl zvolen jazyk PERL.

Vizualizace v rámci projektu TRANSCAT

Získané poznatky z předchozích dílčích úkolů diplomové práce měly být, dle zadání, uplatněny ve prospěch projektu TRANSCAT.

Projekt TRANSCAT

Projekt TRANSCAT je projektem Evropské Unie, jeho hlavním cílem je vytvoření operativního a integrovaného komplexního Systému podpory při rozhodování (angl. Decision Support System, DSS) v zájmu optimálního managementu vodního hospodářství v příhraničních povodích - v kontextu zavádění Rámcové směrnice EU pro vodní politiku.

Projekt se orientuje především na příhraniční oblasti, neboť hranice jednotlivých států málokdy respektují hydrogeologické hranice přírodních povodí. Základní filozofií tedy je schopnost odhadovat pozitivní i negativní vlivy na kvantitu i kvalitu podzemních i povrchových vod v rámci přeshraničních regionů.

Systém je plánován a budován na bázi internetových technologií a pro potřeby dotčených orgánů. Principem je hydrologické a hydrogeologické modelování na základě srážkoměrných dat z ČHMÚ a následná vizualizace výsledků. Jednotlivé produkty a moduly jsou v této době testovány, prozatímní výsledky jsou získávány z hydrologického modelu programu HEC-HMS. Ten ovšem nemá implementovány vizualizační algoritmy a nabízí pouze tabulkové výstupy, popř. výstupy v podobě grafů. V rámci testování alternativních modelů byl vybrán produkt MODFLOW pro hydrogeologické modelování a modul CASC2D produktu GRASS pro hydrologické modelování.

Vizualizace dat z hydrogeologického modelu produktu MODFLOW

Program MODFLOW je založen na konceptu zvodní s napjatou hladinou a zvodní s hladinou volnou. Hydraulickými parametry prostředí vstupujícími do modelu jsou horizontální hydraulická vodivost, storativita nebo pórovitost.

Výstupní data hydrogeologického modelu MODFLOW použitelná pro vizualizaci v produktu GRASS jsou ve formátu ASCII. Tento formát má příponu „.lst“ a je poměrně specifický, zejména svou členitostí a hojným množstvím informací.

Exktrakcí matice dat popisující hladinu podzemních vod a následným zpracováním pomocí skriptů jazyka PERL vzniknou následující grafický výstupy. Byly použity vizualizační nástroje d.mon a d.3d.

Obr č. 1 - vizualizace dat z modulu MODFLOW pomocí nástroje d.mon

Obr č. 2 - vizualizace dat z modulu MODFLOW pomocí nástroje d.3d

Vizualizace dat z hydrologického modulu CASC2D

Jedná se o parametrický, rastrový, dvourozměrný hydrologický model zaměřený na simulování povrchového odtoku, průtoku, transportu sedimentů a infiltračních procesů.

Výstupem z tohoto modelu jsou tedy soubory ve formátu ASCII formátu ESRI ARC/INFO s hodnotami průtoku pro určité místo, série časových map hloubky vody, infiltračního poměru, rozmístění srážek, půdní vlhkosti a kumulativní infiltrační hloubky.

Typ výstupu závisí na zadaných vstupních datech, základním povinným vstupem je pouze digitální model terénu, souřadnice výstupní buňky pro kterou se počítají hodnoty průtoku, koeficient drsnosti povrchu nebo příslušná mapa koeficientu, konstantní intenzita srážek nebo soubor s naměřenými srážkami a časové údaje týkající se celkové doby trvání srážek, časové kroky pro zápis výstupních údajů a celková doba simulace.

Data z modulu CASC2D je možno vizualizovat formou animace, a to ve formátech GIF a MPEG. K provedení samotné vizualizace se využívá skriptu napsaného v jazyce PERL.

Byly využity vizualizační nástroje d.mon a d.3d.

Obr č. 3 - vizualizace dat z modulu CASC2D pomocí nástroje d.mon

Obr č. 4 - vizualizace dat z modulu CASC2D pomocí nástroje d.3d

Závěr

Hlavním cílem diplomové práce bylo vytvoření přehledu vizualizačních nástrojů systému GRASS a následně tyto poznatky uplatnit v rámci projektu TRANSCAT.

V průběhu práce nastaly drobné potíže při samotném zprovoznění modulů, zejména pak externího produktu Vis5D+. Ten vyžaduje pro svou funkčnost specifickou knihovnu Mesa pro prostorové renderování a její zprovoznění nebylo zcela bez obtíží. Druhým kolizním bodem byla struktura formátu výstupních dat z hydrogeologického modelu produktu MODFLOW, jejíž složitost je poměrně značná.

Výsledkem diplomové práce je podrobný manuál k jednotlivým vizualizačním nástrojům, který může být použit jako podklad pro výuku vizualizace v systému GRASS, k porovnání s vizualizačními možnostmi proprietárních produktů pro GIS, nebo i pro pouhé doplnění poznatků. Dále je to popis možných skriptovacích jazyků, které je možno využít pro komunikaci se systémem GRASS a v neposlední řadě jsou to konkrétní skripty psané v programovacím jazyce Perl. Jejich spuštěním se na základě výstupních dat z hydrologického modulu CASC2D a hydrogeologického modelu produktu MODFLOW generují 2D a 2,5D grafické výstupy. Těmito výstupy jsou v případě CASC2D animované sekvence ve formátu MPEG nebo GIF a v případě MODFLOW zobrazení hladiny podzemních vod ve formátu TIFF.

Vytvořené skripty a návrhy jejich použití mohou najít široké uplatnění při potřebě vizualizace výstupních dat nejen z hydrologických a hydrogeologických modelů, ale i kupříkladu pro vizualizaci šíření rozptylu znečišťujících látek, atp. Konkrétním uplatněním je rozšíření vizualizačních možností v rámci projektu TRANSCAT.

Literatura

[1] GRASS [online]. Dostupné na WWW:
http://grass.itc.it
[2] GNU GPL [online]. Dostupné na WWW:
http://www.gnu.cz
[3] RAPANT, P.: Úvod do geografických informačních systémů [online]. Skripta PGS. Program celoživotního vzdělávání "Geoinformatika a geoinformační technologie". VŠB - TU, Ostrava, 2002, 110 stran.. Dostupné na WWW:
http://gis.vsb.cz/GIS2003/Publikace/Skripta_sylaby/U_GIS/UGIS.pdf
[4] ŽARA, J., BENEŠ, B., FELKEL, P.: Moderní počítačová grafika. Computer Press, Praha, 1998, 448 stran
[5] GDAL knihovna [online]. Dostupné na WWW:
http://www.remotesensing.org/gdal
[6] OGR knihovna [online]. Dostupné na WWW:
http://www.remotesensing.org/gdal/ogr
[7] Vis5D+ [online]. Dostupné na WWW:
http://vis5d.sourceforge.net
[8] OpenGL [online]. Dostupné na WWW:
http://artax.karlin.mff.cuni.cz/~zajio1am/texts/opengl/opengl.html
[9] TRANSCAT [online]. Dostupné na WWW:
http://transcat.vsb.cz/new/php/overview/index.php?lang=cz
[10] TEUFEL, S.: Linux a KDE. GRADA Publishing, s.r.o., Praha, 2000, 259 stran
[11] HEC-HMS [online]. Dostupné na WWW:
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/hechms-hechms.html
[12] MODFLOW [online]. Dostupné na WWW:
http://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/modflow2000/modflow2000.html
[13] CASC2D-SED [online]. Dostupné na WWW:
http://www.engr.colostate.edu/~pierre/ce_old/Projects/CASC2D-Rosalia/Index.htm
[14] Gifsicle [online]. Dostupné na WWW:
http://www.lcdf.org/~eddietwo/gifsicle [15] Netpbm [online]. Dostupné na WWW:
http://netpbm.sourceforge.net
[16] Hydraulické modelování [online]. Dostupné na WWW:
http://www.chmu.cz/hydro/opzv/publikace/hydraulicke_modelovani.htm