Kartografické modelování
Kartografické modelování
IV - analýzy terénu
jaro 2023
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 (fotogrametrie, LiDAR)
• Pozemní měření (geodetická, vrstevnice z map) -> nutná
interpolace
• Neexistuje jediný nejlepší interpolátor pro DMT
Cíl:
– dobrá reprezentace významných prvků (hřbety a údolí).
– Hydrologicky korektní model (eliminace bezodtokých oblastí).
Hlavní topo funkce:
– Sklon a expozice
– Zakřivení – horizontální a vertikální
– Osvětlení terénu
– Potenciální solární radiace
Kartografické modelování
Sklon svahu
• U planární metody se sklon měří jako maximální
intenzita změny hodnoty od buňky k jejím
bezprostředním sousedům.
• Technicky řešeno pohybem okna 3x3 nebo 5x5 pixelů
• Mnoho metod, ale všechny na principu 1. derivace
• 100procentní svah znamená, že na jednom metru vodorovné délky svah
překoná výškový rozdíl také jednoho metru (neboli 100% vodorovné délky
– proto 100% svah). Jde tedy o sklon 45 °. Realizace výpočtu
pomocí fokální
funkce.
Kartografické modelování
Výpočet
[dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g) / (8 * x_cellsize) horizontální změna
[dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / (8 * y_cellsize) vertikální změna
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
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
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
New – ArcGIS Pro – Surface
Parameters
• Funkce „Slope“ nahrazuje okolí zkoumané buňky
plochou o rozsahu 3x3 buňky. Plocha nemusím mít
dostatečnou vypovídací hodnotu o charakteru reliéfu –
můžu shlazovat či nadhodnocovat skutečný vzhled
reliéfu.
• Nástroj Surface Parameters nabízí nový přístup k
řešení problému.
• Pracuje s větším množstvím okolních buněk v rozsahu 3
– 15 buněk.
• Využívá zejména místního detailu reliéfu a je schopen
pracovat také s tzv. adaptivním okolím. Adaptivní
parametr automaticky analyzuje okolí buňky s ohledem
variability hodnot a vybírá vhodnou velikost (3 – 15
buněk).
• Vhodné zejména tehdy, pokud se střídají homogenní
formy reliéfu s náhlými změnami sklonu (strže, zlomy…).
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
Solární radiace
• Predikce potenciálního množství
radiace dopadající na konkrétní
plochu (buňku).
• 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/přímá
solární radiace
+ =
Kombinace:
– projektované
dráhy slunce (30
min, 12 měsíců) a
– hemisférického
zastínění.
– Využití?
Kartografické modelování
Rozptýlená/difuzní solární radiace
+
=
Mapa oblohy se sektory
oblohy definovanými 8 díly
zenitu a 16 díly azimutu.
Každá barva představuje
jedinečný sektor oblohy nebo
část oblohy, ze které pochází
difúzní záření
Kartografické modelování
Celková solární radiace
+
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
Tvary reliéfu – kvantitativní přístup
Kartografické modelování
Geomorfon Landforms – new ArcGIS
Pro
Geomorfon je reprezentace
reliéfu založená na výškových
rozdílech v okolní oblasti
cílové buňky.
Celkem 498 unikátních
geomorfonových vzorů lze
klasifikovat do 10 běžných
tvarů reliéfu: plošina, vrchol,
hřeben, rameno, hrana svahu,
svah, prohlubeň/deprese,
úpatí, údolí a bezodtoká
sníženina (Jasiewicz a
Stepiski, 2012).
Kartografické modelování
Analýzy výškopisu na Geoportále
ČÚZK
Kartografické modelování
https://ags.cuzk.cz/dmr/
Kartografické modelování
Pilotní studie – Vliv tvarů reliéfu na
tvorbu konvektivních bouřek
(Ryglová, 2019)
• Cíl - identifikace terénních tvarů, které mají největší vliv
na vznik a vývoj atmosférické konvekce.
• Teplotní vlivy - potencionální spouštěcí mechanismy,
které ovlivňují počáteční vliv konvekce.
• Větrné vlivy a orografické faktory - souvisí s obtékáním
povrchu vzduchem.
• Souvisí s denním a ročním chodem teploty zemského
povrchu.
• Nejvýznamnějšími faktory:
– sklonitost,
– orientace,
– zakřivení reliéfu
– šířka údolí…
•
Kartografické modelování
Výpočty vybraných parametrů pro
pilotní území - DMP1- analytické mapy
Kartografické modelování
Syntetická mapa
Kartografické modelování
Verifikace výsledků