Kartografické modelování
Kartografické modelování
IV - analýzy terénu
jaro 2018
Petr Kubíček
kubicek@geogr.muni.cz
Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC)
Institute of Geography
Masaryk University
Czech Republic
Kartografické modelování
Opakování - matka moudrosti
OutRas = Lookup(InRas1, "Category")
OutRas=ZonalGeometry(InRas1,"VALUE","PE
RIMETER")
OutRas = CellStatistics(["InRas1",
"InRas2", "InRas3"], "Mean")
OutRas = Rank(ConstRas, [InRas1,
InRas2, InRas3])
OutRas = BlockStatistics(InRas1,
NbrRectangle(3,3,Cell), "MAXIMUM")
Kartografické modelování
Topografické funkce a DMT
Zdroje DMT
• DPZ (radar, fotogrametrie, LiDAR)
• Pozemní měření (geodetická, vrstevnice z
map) -> nutná interpolace
• Neexistuje jediný nejlepší interpolátor pro
DMT
Cíl:
– dobrá reprezentace významných prvků
(hřbety a toky)
– Hydrologicky korektní model (eliminace
bezodtokých oblastí)
Kartografické modelování
Sklon svahu
• Vychází z definice první parciální derivace
povrchu (vektorů)
• Technicky řešeno pohybem okna 3x3 nebo 5x5
pixelů
• Mnoho metod, ale všechny na stejném principu
1. derivace
Realizace výpočtu
pomocí fokální
funkce.
Kartografické modelování
Výpočet
[dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g) / (8 * x_cellsize)
[dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / (8 * y_cellsize)
Radiány a stupně – oblouková a stupňová
míra
Výseč kruhu s délkou stejnou jako poloměr toho
kruhu má úhel rovný 1 radiánu. Plný kruh
odpovídá úhlu 2π radiánů
Kartografické modelování
[dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g) / (8 * x_cellsize)
= ((50 + 60 + 10) - (50 + 60 + 8)) / (8 * 5)
= (120 - 118) / 40
= 0.05
[dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / (8 * y_cellsize)
= ((8 + 20 + 10) - (50 + 90 + 50)) / (8 * 5)
= (38 - 190 ) / 40
= -3.8
rise_run = √ ([dz/dx]2 + [dz/dy]2)
= √ ((0.05)2 + (-3.8)2)
= √ (0.0025 + 14.44)
= 3.80032
slope_degrees = ATAN (rise_run) *
57.29578
= ATAN (3.80032) * 57.29578
= 1.31349 * 57.29578
= 75.25762
a b c
Kartografické modelování
Příklad
Kartografické modelování
Expozice (aspect)
• Opět založeno na první derivaci ve dvou směrech x a y.
• Měřeno od severu (0°) ve stupních po směru hodinových ručiček
• Nejen pro určení orientace svahu, ale také základní algoritmus pro určení
směru proudění v buňce – základ hydrologických analýz
Kartografické modelování
Výpočet expozice
[dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g)) / 8
[dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / 8
aspect = 57.29578 * atan2 ([dz/dy], -[dz/dx])
if aspect < 0
cell = 90.0 - aspect
else if aspect > 90.0
cell = 360.0 - aspect + 90.0
else
cell = 90.0 - aspect
Kartografické modelování
Příklad
[dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g)) / 8
= ((85 + 170 + 84)) - (101 + 202 + 101)) / 8
= -8.125
[dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / 8
= ((101 + 182 + 84) - (101 + 184 + 85)) / 8
= -0.375
aspect = 57.29578 * atan2 ([dz/dy], -[dz/dx])
= 57.29578 * atan2 (-0.375, 8.125)
= -2.64
cell = 90.0 - aspect
= 90 - (-2.64)
= 90 + 2.64
= 92.64
if aspect < 0
cell = 90.0 -
aspect
Kartografické modelování
Zakřivení (Curvature)
• Založeno na druhé derivaci
změn povrchu.
• Lze si představit např. jako
křivku vzniklou průsečíkem roviny
kolmé k povrchu a tohoto
povrchu – záleží na směru roviny
vzhledem k povrchu!!!
• Čtyři přirozené směry zakřivení:
– a) Profil (vertikální zakřivení)
aa’
– b) Tangenciální
(horizontální) bb’
– c) Maximální cc’
– d) Minimální dd’
• Na jejich základě definované další
typy zakřivení
Kartografické modelování
Výpočet
Polynomická rovnice pro 3x3 buňky:
Z = Ax²y² + Bx²y + Cxy² + Dx² + Ey² + Fxy + Gx + Hy + I
A = [(Z1 + Z3 + Z7 + Z9) / 4 - (Z2 + Z4 +
Z6 + Z8) / 2 + Z5] /L4
B = [(Z1 + Z3 - Z7 - Z9) /4 - (Z2 - Z8) /2]
/ L3
C = [(-Z1 + Z3 - Z7 + Z9) /4 + (Z4 - Z6)]
/2] / L3
D = [(Z4 + Z6) /2 - Z5] / L2
E = [(Z2 + Z8) /2 - Z5] / L2
F = (-Z1 + Z3 + Z7 - Z9) / 4L2
G = (-Z4 + Z6) / 2L
H = (Z2 - Z8) / 2L
I = Z5
Curvature = -2(D + E) * 100
Kartografické modelování
Příklady a užití –
vertikální (profile)
Paralelní se směrem maximálního sklonu. Negativní hodnota=
svah je směrem nahoru konvexní; pozitivní hodnota= svah je
směrem nahoru konkávní; 0=svah je lineární (rovný).
Ovlivňuje zpomalení či zrychlení povrchového odtoku. Terasy!
Kartografické modelování
Příklady a užití –
horizontální (plan)
Kolmá na směr maximálního sklonu. Negativní hodnota= svah je
směrem do boků konkávní; pozitivní hodnota= svah je směrem
do boků konvexní; 0=svah je lineární (rovný).
Ovlivňuje konvergenci či divergenci povrchového odtoku. Údolnice
a hřbetnice!
Kartografické modelování
Příklady a užití -
kombinace
• Zásadní pro hydrologické
analýzy:
– Akumulace vody ale i
substrátu – eroze
– Přímá souvislost s vlhkostí
stanoviště (vertikální
zakřivení)
• Zjištění konkávních
(chráněných) a konvexních
(exponovaných povrchů) může
být využito i v mnoha jiných
oborech (např. predikce
výskytu druhů, akumulace
apod.)
Kartografické modelování
Zakřivení (ukázka)
Kartografické modelování
Osvětlení (hillshading)
Cílem je vytvořit dojem plastického (3D) modelu terénu
pomocí jeho nasvícení (hillshading = shaded relief map)
Parametry světelného zdroje:
• Azimut (typická hodnota 315°)
• Výška nad horizontem, jako úhel - elevace (typická
hodnota 45°)
Různé postupy výpočtu
• ArcGIS
• Hillshade = 255.0 * ((cos(Zenith_rad) * cos(Slope_rad)) +
(sin(Zenith_rad) * sin(Slope_rad) * cos(Azimuth_rad -
Aspect_rad)))
• Může být použito ale i pro jednoduchou analýzu zastínění
terénu, při dané poloze slunce – předstupeň pro
plnohodnotnou analýzu potenciální přímé sluneční radiace
(PDSI)
Kartografické modelování
Výpočet
Úhel osvícení
(2) Zenith_deg = 90 - Altitude
Convert to radians:
(3) Zenith_rad = Zenith * pi / 180.0
Směr osvícení
(4) Azimuth_math = 360.0 - Azimuth + 90
Note that if Azimuth_math >= 360.0, then:
(5) Azimuth_math = Azimuth_math - 360.0
Convert to radians:
(6) Azimuth_rad = Azimuth_math * pi / 180.0
Sklon svahu
Orientace svahu
315o
45o
Kartografické modelování
45o 60o
Kartografické modelování
Potenciální solární radiace
• Predikce potenciálního množství radiace
dopadající na konkrétní plochu (pixel).
• Založeno na:
– 1. Modelu zastínění plochy okolním terénem
(hemispherical viewshed, skyview factor)
– 2. Modelování trajektorie slunce pro danou
zeměpisnou šířku
– 3. Výpočet globálního záření na jednotku
plochy jako součet přímé a difusní radiace
Kartografické modelování
Model zastínění
horizontální úhly ->
interpolace pro všechny
směry -> převod úhlů na
hemisférické souř. ->
viewshed
Kartografické modelování
Potenciální solární
radiace
+ =
Kombinace:
– projektované
dráhy slunce (30
min, 12 měsíců) a
– hemisférického
zastínění.
– Využití?
Kartografické modelování
Typy reliéfu – kvantitativní přístup
(Morgan 2005)
• Edward H. Hammond (1954, 1964) klasifikace
typů reliéfu založenou na kvantifikaci –
opakovatelnost kdekoliv na světě. Později
upraveno – Dikau (1989).
• Kombinace tří charakteristik terénu – sklon
svahu (slope), členitost terénu (relief), křivost
(profile).
• Hammond: Landform (terrain type) = Slope +
Relief + Profile
Kartografické modelování
Typy reliéfu – kvantitativní přístup
Širší kategorie typů reliéfu (co berou v úvahu??):
• nearly flat plains,
• rolling and irregular plains,
• plains with widely-spaced hills or mountains,
• partially dissected tablelands,
• hills,
• low mountains,
• high mountains.
Kartografické modelování
Typy reliéfu – kvantitativní přístup –
výpočet sklonu svahu
Sklon svahu:
• Determine the number of cells within the 20 pixel radius circular window
surrounding each pixel (Map3) - different for border pixels.
• Create slope map (Map4).
• Reclassify slope (Map4) :
– 0 Areas of greater than 8% slope
– 1 Areas of less than 8% slope
• This is the slope categories map (Map5).
• Run the sum (focal statistics) of the slope categories map (Map5) within a
1.5 kilometer circular window (Map6).
• Calculate the percent of near level land by dividing Map6 by Map3 (Map7).
• Reclassify the percent of near level land (Map7) to the following categories:
– 400 0.00 - 0.2%
– 300 0.20 - 0.50%
– 200 0.50 - 0.80%
– 100 0.80 - 1.0%
• Hammond’s slope parameter map (Map8).
Kartografické modelování
Typy reliéfu – kvantitativní přístup –
výpočet vertikální členitosti
Sub model vertikální členitosti:
• Determine the maximum NED value within a 20 pixel circular window
• (Map9).
• Determine the minimum NED value within a 20 pixel circular window
• (Map10).
• Calculate the relief by subtracting the minimum NED value (Map10) from
the maximum NED value (Map9) to create a relief map (Map11).
• Reclassify the relief map (Map11) into the following categories:
– 10 0 - 30 meters
– 20 30 – 90 meters
– 30 90 – 150 meters
– 40 150 – 300 meters
– 50 300 – 900 meters
– 60 900 – 99999 meters
• Hammond’s relief parameter map (Map12).
Kartografické modelování
Typy reliéfu – kvantitativní přístup
Kartografické modelování
Tvary reliéfu – kvantitativní přístup