LUKÁŠ HERMAN JARO 2020 Z8818 Aplikovaná geoinformatika – cvičení č. 5 Opakování Co to je OVERLAY ALGEBRA? Základní vlastnost rastrových dat? (z pohledu geometrie) Co to je soubor WORD FILE a k čemu slouží? Jak určím relativní výškovou členitost v jednotlivých geomorfologických celcích? (mám digitální model terénu) Digitální výškové modely • Souvislé datové modely zachycující nejčastěji nadmořskou výšku • Speciální případy – modelování jiných proměnných • Různé zdroje výškových dat: DPZ (radar, stereofotogrammetrie, LIDAR…), pozemní měření • Terminologie: • ČR - DMR, DMT, DMP • Svět - DEM, DTM, DSM • Různé datové struktury: • Rastr • TIN (+ lomové linie) • Vrstevnice • Body TIN vs Rastr TIN-Triangulated irregular network ◦ Síť propojených nepravidelně rozmístěných bodů tvořící jednotlivé plošky modelu ◦ Nejčastěji využívá Delauneyho triangulace – snaha o co nejvíce rovnostranné trojúhelníky ◦ Základ pro tvorbu Thiessenových polygonů ◦ Lze zjistit výšku v jakémkoliv bodě povrchu Rastr ◦ Nejčastěji využívaná struktura ◦ Pravidelná matice buněk o zvoleném prostorovém rozlišení ◦ Mnoho dalších způsobů využití v současných GIS nástrojích ◦ Webové služby ◦ Kvalita závislá na způsobu výpočtu (interpolační algoritmy) TIN v ArcGIS • 3D Analyst Tools • Příklady nástrojů: • Create TIN – podpora všech 3D geometrií/2D s atributem Z → SF Types • Edit TIN – přímo modifikuje vstupní TIN = potřeba zálohy (Copy TIN) • Delineate TIN Area – odstraňuje trojúhelníky s větší než povolenou délkou hrany • … • TIN „on-the-fly“ = Terrain dataset • Podpora pyramidování – pro daná měřítka se zobrazuje pouze určitá úroveň podrobnosti dat Rastrový model - Interpolační algoritmy • Dělení: • Globální x lokální • Exaktní x aproximující • Deterministické x stochastické • Spojité x zlomové • Podmínky použití interpolačních algoritmů: • Reprezentativní vzorek • Rozmístění v prostoru • Znalost fungování zvolených metod interpolace • Teoretická znalost „fungování“ studovaného jevu • … • Různé požadavky na vstupní geometrie – body, linie, plochy • ArcGIS: 3D Analyst, Statistical Analyst, Geostatistical Analyst Tools Interpolace v ArcGIS • IDW (Inverse Distance Weighted) • Na vstupu bodová vrstva, váha vzdálenosti, tvar okolí • Aproximující – nevypočítává vyšší a nižší hodnoty než jsou body v okolí buňky • Natural Neighbour • Vychází z Thiessenových polygonů • Bod je dán jako vážená vzdálenost plochou • Trend • Metoda nejmenších čtverců • Prokládání polynomickou funkcí Interpolace v ArcGIS • Spline • Exaktní (výjimka při hustém bodovém poli!), metoda dvoudimenzionální minimální křivosti • Vypočítává i vyšší a nižší hodnoty ze svého okolí • Kriging • Stochastická metoda, lokální interpolátor • Výpočet na základě vzdálenosti bodů a další studované veličiny • Strukturní analýza, vyhodnocení semivariogramu, konstrukce teoretického modelu Interpolace v ArcGIS • Topo To Raster • Určeno pro tvorbu hydrologicky korektního DEM (ANUDEM) • Iterativní proces • Možnost zapojení i dalších typů objektů a geometrií než bodových jevů • Široká škála nastavení • Další souvesijící (a užitečné) nástroje: • Feature Vertices To Points – převod vertexů na bodovou vrstvu • Extract Values To Points – slouží pro přenesení hodnot interpolovaného povrchu na bodovou vrstvu • Average Nearest Neighbour – výpočet průměrné vzdálenosti bodů IDW použití: rychlý zpracování dat ; meteo jevy – srážky, teploty vlastnosti: nevypočítá hodnoty vyšší (nižší) než jsou vstupní výsledek neprochází vstupními hodnotami (aproximující) omezení: generování DEM pouze z bodové vrstvy SPLINE použití: málo členitý terén; klimatické jevy vlastnosti: vypočítá vyšší (nižší) hodnoty než vstup (př. odhadne vrchol kopce) nejhladší a přesně přimknutý ke vstupním bodům (exaktní) omezení: nezvládá body blízko sebe s velmi rozdílnými hodnotami Create TIN použití: často používaná metoda pro tvorbu DMR vlastnosti: princip triangulace, generuje terénní hrany omezení: generuje nepřirozené a neexistující plošiny náročné pro výpočet dalších analýz TOPO TO RASTR použití: vytváření hydrologicky korektního DMR vlastnosti: zahrnutí více vrstev (vrstevnice, bodové vrcholy, řeky) generuje terénní hrany Interpolace – srovnání Konverze rastru a TINu • 3D Analyst Tools/Conversion • Z rastru na TIN a naopak • Z modelů na geometrie Simple Features (body, linie, plochy) Odvozené parametry DMR I. • V základu společné pro rastr i TIN: • Aspect – orientace svahů vůči světovým stranám • Slope – sklon svahu (%, °) • Contour – vytváří izolinie (vrstevnice) z daných modelů Odvozené parametry DMR II. •Dále pro rastr: • Hillshade – vytváří stínovaný reliéf podle zadané výšky a azimutu slunce • Curvature – „křivost“, vyhodnocuje typ svahu (konvexní vs. konkávní) • pozitivní – konvexní tvar, negativní - konkávní, plochý povrch = 0 • a) Profilová: ve směru sklonu; změna úhlu sklonu georeliéfu • b) Planární: kolmá na sklon; změna velikosti úhlu orientace svahu • Dále pro TIN: • Polygon Volume – vypočítává objem v dané oblasti • Surface Difference – porovnává dva výškové modely, výstup může být rastr i TIN s hodnotami „pod“, „nad“, „planárně uložený“ Hydrologické modelování v ArcGIS I. • Povrchové a podzemní analýzy (Spatial Analyst Tools – Hydrology/Groundwater) • Rozšířená varianta v extenzi ArcHydro • Založeno nejčastěji na vytvořeném výškovém modelu území (DEM) ve formě rastru (Topo To Raster) • Korektnost vychází z kvality výškového modelu • Kombinace s dalšími rastry (geomorfologické, pedologické aj. charakteristiky) Hydrologické modelování v ArcGIS II. • Flow Direction • Směr odtoku z buněk • 8 směrů, povolen vždy jen jednosměrný odtok Hydrologické modelováni v (Arc)GISu zahrnuje několik funkcí, které se často používají v určité sekvenci (viz vlevo) Hydrologické modelování v ArcGIS III. •V případě hydrologicky „nekorektního“ DEM: • Sink – Watershed – Zonal Statistics – Zonal Fill - Minus • http://desktop.arcgis.com/en/arcmap/10.3/tools/ spatial-analyst-toolbox/how-sink-works.htm • Přepočet Flow Direction • Flow Accumulation • Sumace buněk vtékajících do každé buňky • Vychází z Flow Direction • Con/Set Null • Jednoduchý způsob prahování rastru do formy bitmapy • Lze využít pro stanovení vodních toků z rastru akumulace odtoku Hydrologické modelování v ArcGIS IV. •Basin • Tvorba povodí z rastru směru odtoku •Stream To Feature • Převod rastrových vodních toků na vektorovou reprezentaci •Stream Link • Identifikace jednotlivých vodních toků a přítoků •Flow Length • Výpočet délky úseků vodních toků •Stream Order • Rozdělení vodních toků podle geogr. systémů • Cut Fill/Surface Volume • Podobné jako Surface Difference • Výpočet a statistika proložení dvou rastrových modelů Analýzy se dvěma DEM • Solar Radiation Tools - výpočty potenciální solární insolace ◦ Má smysl pracovat s DMP ◦ AREA SOLAR RADIATION – počítá přicházející sluneční záření z rastrového povrchu. ◦ POINTS SOLAR RADIATION – počítá přicházející sluneční záření zadané body ◦ SOLAR RADIATION GRAPHIC Další analýzy s DEM – př. solární radiace Další analýzy na DEM • Toolbar 3D Analyst - použitelné na rastry i vektorové struktury (TIN, Terrain) • Create Contour – vytváří uzavřenou izolinii o výšce v místě kliknutí myši = vrstevnice • Create Steepest Path – vytváří spádnice z místa kliknutí myši • Create Line of Sight – na zvolené 3D úsečce vymezuje viditelné a neviditelné oblasti / případně nová místa rozhledu • Interpolate Point/Line/Polygon – umisťuje geometrie na daný DEM • Profile Graph – vytvoří liniový graf profilu zvolené linie • Point Profile – vytvoří bodový graf profilu • Terrain Point Profile – vytvoří bodový graf nad vybraným terénem Další analýzy na DEM • 3D Analyst Tools • Stack Profile • Vytváří profil a dodatečné statistiky • Interpolate Shape • Důležitý nástroj pro převod 2D geometrie do 3D • Vyžaduje DEM a zvolenou vektorovou vrstvu • Bez převodu do 3D geometrie nejsou možné některé typy analýz a nástroje • Feature To 3D By Attribute • Jednoduchý převod do 3D podle atributů • Add Surface Information • Převádí 3D informace z podkladového povrchu na vstupní 2D geometrii Hodnocení kvality vytvořených DEM • Na vektorové úrovni – atributová tabulka = např. rozdíl sloupců; bodová pole: • Pravidelný grid – např. z buněk rastru (Raster To Points), centroidy polygonů (Create Fishnet) • Náhodně generovaná – Create Random Points (rozsah, počet, min. vzdálenost) • Měřené body / vertexy geometrií: • Všechny – Extract Values To Points • Podmnožina – Subset Features – rozdělí soubor na zdrojová a testovací data • Na rastrové úrovni • Mapová algebra Modely povrchu a socioekonomická geografie • Kernel Density – výpočet hustoty jevů (např. dopravních nehod, kriminality, …) • ArcGIS – Toolbox – Spatial Analyst Tools – Density … • Klíčový parametr je Search Radius – viz obr. vpravo