ΤΕΙ Ιονίων Νήσων - Εργαστηριακές Ασκήσεις στα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 7 ο ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΕΔΑΦΟΥΣ (ΨΜΕ) Στο πλαίσιο αυτού του εργαστηρίου θα κατανοήσουμε την έννοια του ψηφιακού μοντέλου εδάφους και ια μάθουμε να δημιουργούμε νέα γεωγραφική πληροφορία με τη δημιουργία διανυσματικών ισοϋψών γραμμών και συνεχών επιφανειών κλίσης και έκθεσης. Το ΨΜΕ µπορεί να κατανοηθεί ως ψηφιακή αναπαράσταση της γεωµετρικής µορφής της γήινης επιφάνειας (τρισδιάστατη οπτικοποίηση του αναγλύφου). Είναι η ψηφιακή αναπαράσταση του αναγλύφου (πεδινά τμήματα, πλαγιές, ρεματιές, κορυφογραμμές) μέσα από μια συγκεκριμένη κλίμακα ανάλυσης. Ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους έχει γεωμετρικές πληροφορίες και αποδίδει την επιφάνεια του υψηλότερου επιπέδου εδάφους. Τύποι δεδομένων για χαρτογράφηση και ανάλυση ΨΜΕ. Υπάρχουν δύο κοινά χρησιμοποιημένοι τύποι δεδομένων, τα GRID DTM (ή DEM) και τα διανυσματικό δίκτυο ακανόνιστων τριγώνων (ΤΙΝ). Αν και δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μαζί ένα DEM και ένα TIN σε μια ανάλυση, μπορούμε να μετατρέψουμε τη μια μορφή στην άλλη και αντίστροφα. Grid DTM (DEM) Ο όρος Grid DTM (Digital Terrain Model) ή DEM (Digital Elevation Model) αναπαριστά ένα κανονικό πλέγμα υψομετρικών σημείων και αναφέρεται σε έναν επίπεδο κάνναβο (grid) συγκεκριμένης ανάλυσης (5m, 30m, 50m κλπ.). Κάθε σημείο του καννάβου (ουσιαστικά το κεντρικό σημείο κάθε κελιού) έχει κάποια μέτρηση ύψους και η ποιότητα του DEM μπορεί να επηρεάσει τις μετρήσεις που εξάγονται από αυτό (π.χ. κλίση και έκθεση). TIN Το δίκτυο ακανόνιστων τριγώνων (ΤΙΝ) χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση των ψηφιακών επιφανειών εδάφους. Το ΤΙΝ προσεγγίζει τη γήινη επιφάνεια με μια σειρά μη επικαλυπτόμενων τρίγωνων. Οι τιμές υψομέτρου (z τιμές) μαζί με τις x,y συντεταγμένες αποθηκεύονται στους κόμβους που αποτελούν τα τρίγωνα. Σε αντίθεση με τα DEM, ένα TIN βασίζεται στην ανομοιογενή κατανομή των υψομετρικών σημείων. Τα DEM είναι συνήθως η κύρια αρχική πηγή για τη δημιουργία των ΤΙΝ, αλλά μπορούν επιπρόσθετα να χρησιμοποιηθούν και άλλα επιπρόσθετα υψομετρικά δεδομένα. Το υψόμετρο κάθε σημείου της επιφάνειας μπορεί να υπολογιστεί μέσω της διαδικασίας της παρεμβολής των x, y, z τιμών των γειτονικών κορυφών του τριγώνου στο οποίο ανήκει. Σε περιοχές με μεγάλες αλλαγές υψομέτρου τα τρίγωνα είναι μικρά. Αντίθετα, όταν τα σημεία είναι αραιά (όπως στις επίπεδες επιφάνειες) το μέγεθος των τριγώνων αυξάνεται. 52 Page

2 Οι αναλύσεις από τα ΨΜΕ είναι πολλές. Η κλίση και έκθεση παίζει συστηματικό ρόλο στην μοντελοποίηση των υδρολογικών φαινομένων, στη χαρτογράφηση ή στην διάβρωση εδαφών, στις βιοτικές κοινότητες. Η σκίαση και οι προοπτικές αναγλύφου στην δημιουργία χαρτών κλπ. Ελεύθερα ΨΜΕ δεδομένα και μάλιστα σε παγκόσμια κλίμακα (ASTER 30 m) μπορούμε να βρούμε από τη διεύθυνση ΠΡΟΣΟΧΗ: Χρειάζεται να κάνουμε εγγραφή για να έχουμε δικαίωμα να κατεβάζουμε δεδομένα (το password θα πρέπει να έχει τουλάχιστον δύο γράμματα (ένα κεφαλαίο και ένα μικρό) ένα ειδικό χαρακτήρα (π.χ. _) και νούμερα). 1. Σε αυτή τη διεύθυνση θα ερωτηθούμε από πού θέλουμε να κατεβάσουμε δεδομένα. Επιλέγουμε NASA Reverb 2. Εισάγουμε το GDEM στο Search Terms και αφού διαβαστούν τα αρχεία, τσεκάρουμε το ASTER Global Digital Elevation Model V002 (αυτό το κάνουμε για να μην ψάχνουμε πολλή ώρα που είναι αυτή η γεωβάση) 3. Επιλέγουμε την περιοχή που θέλουμε να κατεβάσουμε είτε θέτουμε συντεταγμένες. Πλοηγούμαστε με τα διαθέσιμα εργαλεία (+, -) και <> ^. Αν κάνουμε λάθος τετράγωνο πατάμε Clear. Εδώ έχουμε φέρει μέσα στο τετράγωνο τη Ζάκυνθο. Εναλλακτικά (και πιο γρήγορα) αντί για Bounding Box, μπορούμε να επιλέξουμε πολύγωνο και να εισάγουμε το όριο του νομού μας (σε παγκόσμια αναφορά) επιλέγοντας μόνο το αρχείο με κατάληξη.shp (SOS: Όχι το αρχείο με κατάληξη.xml). Για τη Ζάκυνθο εμφανίζει αυτή την εικόνα. 4. Πατάμε το Search for Granules και για τη Ζάκυνθο έβγαλε να είναι διαθέσιμη μια καρτέλα. Επιλέγουμε τις διαθέσιμες (ή επιθυμητές καρτέλες) και πατάμε Add Selected to Cart και μετά View Items in Cart 53 Page

3 5. Αφού έχουμε πατήσει το View Items in Cart, βλέπουμε ότι υπάρχει ένα αρχείο που είναι και διαθέσιμο για λήψη (Downloadable) και πατάμε Download και επιλέγουμε τα Data (αν θέλουμε μετά μπορούμε να κατεβάσουμε και τα μεταδεδομένα του αρχείου). Αν δεν μας τα κατεβάζει, θα χρειαστεί να πατήσουμε Order και αφού συμπληρώσουμε μια καρτέλα για τη χρήση των αρχείων και το copyright του υλικού, θα μας έρθει το αντίστοιχο linκ στο μας. Και αφού επιλέξουμε το αντίστοιχο link κατεβαίνουν τα δεδομένα στον υπολογιστή μας και το αποσυμπιέζουμε σε κατάλληλο φάκελο. Μέσα από τον ArcMap ανοίγουμε το αρχείο dem και για να το διαβάσει σωστά το πρόγραμμα, ανοίγουμε το Raster calculator, πατάμε διπλό κλικ στο αρχείο της Aster για να εμφανιστεί στο κάτω πλαίσιο και μετά ΟΚ, για να μεταφορτωθεί σε αρχείο raster. Στη συνέχεια κόβουμε το αρχείο που έχει δημιουργηθεί με μάσκα το νομό μας, για να έχουμε τα όρια του DEM μόνο στο νομό μας. Αλλάχτε το προβολικό σύστημα σε Greek Grid για να διαβάζει σε μέτρα. Αν τα έχετε κάνει όλα σωστά θα έχετε μια παρόμοια εικόνα στον ArcMap. Τώρα είμαστε έτοιμοι να δημιουργήσουμε μια σειρά παραγώγων μέσα από αυτό το ΨΜΕ (DEM). Θα ασχοληθούμε με τη δημιουργία ισοϋψών καμπυλών, τη δημιουργία χαρτών ορατότητας, τη δημιουργία σκιασμένου αναγλύφου, τις κλίσεις και την έκθεση της κλίσης. Υπάρχουν και πολλά άλλα να κάνει κάποιος με τα ΨΜΕ, όπως υπολογισμός εσκαφών/ επιχωματώσεων (cut/fill), ορατότητα μεταξύ δύο σημείων (line of sight), πολυσχιδότητα αναγλύφου κλπ. (που εμείς δεν θα τα κάνουμε σε αυτό το εργαστήριο). 54 Page

4 ΕΝΩΣΗ δύο η παραπάνω GRID Είναι πολύ πιθανό τα αρχεία (Tiff) που θα έχουμε κατεβάσει να είναι παραπάνω από ένα. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να τα ενώσουμε και να έχουμε ένα ενιαίο αρχείο. Αυτό λέγεται ένωση μωσαϊκού εικόνων και εφαρμόζεται κυρίως αν οι εικόνες μας είναι γειτονικές και συνεχόμενες. Για παράδειγμα θα δούμε τη λήψη εικόνων DEMs από τη ΒΑ Ελλάδα (Ανατολική Μακεδονία και Θράκη). Με βάση την χωρική αυτή επιλογή, η βάση δεδομένων της Aster μας έδωσε έξι καρτέλες, που αφού τις κατεβάσαμε και αποσυμπιέσαμε είχαμε την παρακάτω εικόνα (τα ζιπαρισμένα αρχεία είναι αυτά που έχουν έρθει από τη βάση δεδομένων, ενώ για κάθε καρτέλα η αποσυμπίεση δίνει ένα αρχείο *_dem (σε μορφή tif) που είναι αυτό που θέλουμε και ένα αρχείο *_num. Φορτώνουμε τα αρχεία tif στον ArcMap. Για να τα δούμε σωστά, θα πρέπει να τα μετατρέψουμε σε μορφή Grid, αλλά εμείς θέλουμε να τα ενώσουμε παράλληλα. Από το ArcToolbox πηγαίνουμε στην εργαλειοθήκη Raster > Raster Dataset και επιλέγουμε το εργαλείο Mosaic to New Raster Μπορούμε να κάνουμε πολλαπλή επιλογή, μαρκάροντας όλα τα αρχεία που θέλουμε να ενοποιήσουμε (στα αριστερά) και να τα σύρουμε στο φάκελο με τα input rasters. Μετά επιλέγουμε το φάκελο που θα σώσουμε το νέο αρχείο (αυτός θα πρέπει ήδη να υπάρχει), το όνομα του αρχείου (χωρίς επέκταση σώζεται σε μορφή ESRI) και τον αριθμό των μπαντών (εδώ έχουμε 1, άρα βάζουμε Number of Bands = 1). Οι άλλες επιλογές είναι όταν έχουμε επικάλυψη των αρχείων, οπότε δεν μας ενδιαφέρει εδώ και τις αφήνουμε ως έχει. Αν τα έχουμε κάνει σωστά θα έχουμε μια παρόμοια εικόνα (εδώ φαίνεται το DEM από τη ΒΑ Ελλάδα) ως αποτέλεσμα ένωσης έξι αρχείων. Το μετατρέπουμε σε Greek Grid και συνεχίζουμε 55 Page

5 7.1. Δημιουργία διανυσματικών ισοϋψών γραμμών Η δημιουργία ισοϋψών καμπυλών γίνεται με τη βοήθεια της μπάρας του τρισδιάστατου αναλυτή (3D Analyst), ο οποίος βρίσκεται : View > Toolbars > 3D Analyst > Surface Analysis Ο χάρτης που θα δημιουργήσουμε θα περιέχει τρεις κατηγορίες ισοϋψών καμπυλών 1) ανά 5μ υψόμετρο, 2) ανά 20μ και 3) ανά 100μ. Στο αναδυόμενο παράθυρο Contour : Για 10μ : Input surface (επιφάνεια προς επεξεργασία) : π.χ. το αρχείο του DEM Contour interval : 100 Base contour (με βάση απ τα πόσα μέτρα θα αρχίζει η καμπύλη) : π.χ. 0 ΟΚ Η ίδια διαδικασία θα ακολουθηθεί και για τις ισοϋψείς καμπύλες με διάστημα 20 και 5, οπότε θα έχουμε τρία διανυσματικά γραμμικά αρχεία. Κοιτάξτε τον πίνακα δεδομένων. Για να είναι ένας χάρτης ισοϋψών καμπυλών σωστός, είναι αναγκαίο να διαχωρίζονται οπτικά οι καμπύλες με διαφορετικό ύψος. Επομένως π.χ. διαμορφώνουμε τις αποχρώσεις των καμπυλών με τρόπο τέτοιον 56 Page

6 έτσι ώστε οι καμπύλες με το χαμηλότερο ύψος να έχουν μία απαλή απόχρωση και αντίστοιχα αυτές με υψηλότερο μία πιο έντονη απόχρωση Δημιουργία κάθετου προφίλ Ένα κάθετο προφίλ μας δείχνει τις αλλαγές του υψομέτρου κατά μήκος μιας γραμμής (π.χ. δρόμος, μονοπάτι, ποτάμι). Έχουμε ένα DEM και ενεργοποιούμε το View > Toolbars > 3D Analyst Tools Κάνουμε Click στο Interpolate Line button και δημιουργούμε μια διαδρομή. Αφού γίνει αυτή (θα μπορούσαμε να «περάσουμε» και πάνω από δρόμο ή ποτάμι) ενεργοποιούμε το κουμπί κάθετου προφίλ (που θα έχει ήδη ενεργοποιηθεί) και δημιουργείτε το κάθετο προφίλ 57 Page

7 7.3. Δημιουργία χαρτών ορατότητας (Viewsheds) Με τη διαδικασία αυτή από ένα DEM αρχείο δημιουργείται ένα αρχείο raster, που καταγράφει πόσες φορές κάθε κελί είναι ορατό από ένα σημείο (point) ή από τα σημεία μιας γραμμής. Το πρόγραμμα μας δίνει οπτικά την πληροφορία σε δύο τιμές 0 = μη ορατό και 1+ = ορατό, αλλά αν θέλουμε αυτό μπορούμε να το τροποποιήσουμε. Οι χάρτες αυτοί είναι χρήσιμοι σε πολλές εφαρμογές (π.χ. τηλεπικοινωνίες, εντοπισμού πυρκαγιών). Στους χάρτες ορατότητας εξ ορισμού τα σημεία παρατήρησης τοποθετούνται ένα μέτρο πάνω από την επιφάνεια της γης και βλέπουν προς όλες τις κατευθύνσεις. Ας κάνουμε δύο παραδείγματα με τα χωριά της Ζακύνθου ως σημεία και το βασικό οδικό δίκτυο ως γραμμές. Έχουμε ένα DEM και ενεργοποιούμε το View > Toolbars > 3D Analyst > ViewShed Επιλέγουμε το DEM ως πηγή πληροφορίας υψομέτρου και το σημειακό αρχείο των χωριών ως περιοχές θέασης. Αν το τρέξουμε θα έχουμε το εξής αποτέλεσμα, όπου με πράσινο χρώμα η περιοχή θέασης από όλα τα σημεία και με ροζ η μη ορατή περιοχή.: Ας κάνουμε και ένα παράδειγμα με τους δρόμους. Η αντίστοιχη εικόνα είναι η παρακάτω με δύο κατηγορίες (αριστερά) ορατή μη ορατή περιοχή και με τέσσερις κατηγορίες πλήθους κελιών ορατότητας (δεξιά) 58 Page

8 7.4. Δημιουργία χάρτη σκίασης Για να δημιουργήσουμε χάρτη σκίασης που θα απεικονίζει την σχετική θέση του ηλίου χρησιμοποιούμε του εργαλείου Aspect που βρίσκεται στην εργαλειοθήκη. Toolbox > 3D Analyst Tools > Surface > Hillshade. Με αυτό το εργαλείο μπορούμε να καθορίσουμε το αζιμούθιο (για τη θέση του ήλιου σε σχέση με την περιοχή μας), το σχετικό ύψος του στον ορίζοντα, ενώ με το Ζ factor μπορούμε να μετατρέψουμε το υψόμετρο από μέτρα σε πόδια (Ζ = 3,28). Με βάση την τιμή 1 (η αρχική τιμή) δεν γίνεται μετατροπή (για καθαρά χαρτογραφικούς λόγους αν το αυξήσουμε θα «τραβήξουμε» προς τα πάνω τα υψόμετρα που αυτό βοηθάει όταν έχουμε λοφώδεις περιοχές και θέλουμε να τονίσουμε το ανάγλυφο). Με Ζ factor = 1 Με Z factor = 5 59 Page

9 7.5. Δημιουργία κλίσεων εδάφους Η κλίση του εδάφους μετράει το ρυθμό της αλλαγής του υψομέτρου σε μια καθορισμένη τοποθεσία. Αν προσδιορίσουμε το υψόμετρο (z) ενός σημείου μιας επιφάνειας ως συνάρτηση της θέσης (x,y) του σημείου, τότε η κλίση (S) είναι συνάρτηση πρώτου βαθμού των x και y κατευθύνσεων. rise_run = ([dz/dx] 2 + [dz/dy] 2 ] και αν η S μετράται σε μοίρες τότε slope_degrees = ATAN (rise_run) * Μετριέται με δύο τρόπους 1) σε μοίρες 2) σε % Για να δημιουργήσουμε κλίσεις θα πάμε από: View > Toolbars > 3D Analyst > Surface Analysis και θα επιλέξουμε Slope (κλίση) και επιλέγουμε είτε μοίρες (degree) είτε % (percent). Πρακτικά είναι το ίδιο. 60 Page

10 7.6. Δημιουργία χάρτη εκθέσεων Toolbox > 3D Analyst Tools > Surface > Aspect Η έκθεση του εδάφους είναι η κατευθυντήρια μέτρηση της κλίσης σε μια καθορισμένη τοποθεσία. Είναι μια κυκλική μέτρηση (π.χ. μια μέτρηση 5 μοίρες είναι κοντύτερα στις 360 μοίρες από ότι στις 30 μοίρες). Για να δημιουργήσουμε χάρτη που θα απεικονίζει την έκθεση του ηλίου χρησιμοποιούμε του εργαλείου Aspect που βρίσκεται στην εργαλειοθήκη. Το πρόγραμμα αυτομάτως παρουσιάζει την Έκθεση σε 8 (+1) κατηγορίες (με τον βορρά εκατέρωθεν του 0), αν και συχνά η κλίση παρουσιάζεται σε τέσσερις κατηγορίες (βορράς, ανατολή, νότος, δύση). Για χρήση όμως σε μαθηματικά μοντέλα η (κυκλική) έκθεση πρέπει να μετατραπεί σε γραμμική μορφή χρησιμοποιώντας τις τιμές των ημιτόνων και συνημίτονων, που κυμαίνονται από -1 σε +1. Η έκθεση με βάση το ημίτονο δείχνει την επίδραση της ανατολής και στον άξονα δύση ανατολή και λαμβάνει τις τιμές από 1 μέχρι +1, ενώ στον άξονα βορρά νότο λαμβάνει την τιμή 0. Ακριβώς αντίστροφα λειτουργεί η έκθεση με βάση το συνημίτονο με τον νότο βορρά που λαμβάνουν τιμές από 1 μέχρι +1. Πως? Από το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους δημιουργούμε χάρτη εκθέσεων σε μοίρες. Για να μετατρέψουμε την έκθεση, σε ημίτονο (sine) και συνημίτονο (cosine) μέσα από τις δυνατότητες που μας δίνει το GIS (με τριγωνομετρικό μετασχηματισμό), θα πρέπει πρώτα να μετατρέψουμε τις μοίρες σε ακτίνια (radians). Πολλαπλασιάζουμε (μέσα από τον Raster calculator) τις τιμές της έκθεσης (σε μοίρες) με τον αριθμό 0, [aspect (Χ) 0, ] και το νέο αποτέλεσμα το εισάγουμε στο GIS ως νέο αρχείο έκθεσης. Στη συνέχεια το νέο αυτό αρχείο (μέσα πάλι από τον Raster calculator) 1) με sine έχουμε 90 0 = +1, = -1, = = -0 και 2) με cosine έχουμε 90 0 = = = = -1 Θέσεις στην έκθεση όπως 45 (που βρίσκονται στη μέση) έχουν την ίδια τιμή και με τις δύο μετατροπές Στην τριγωνομετρία χωρίς να αλλάζουν οι μετατροπές η σχετική θέση των sine και cosine είναι αντίστροφα, γιατί το 0 0 (ή ) αρχίζει εκεί που στην έκθεση είναι οι Page

11 7.7. Δημιουργία στατιστικών υψομετρικών δεδομένων σε διανύσματα (σημεία ή γραμμές) Από το Toolbox > 3D Analyst Tools > Functional Surface Επιλέγουμε το Add Surface Information Αν το διανυσματικό αρχείο μας είναι σημειακό, δίνεται η τιμή του υψομέτρου σε αυτό, ενώ αν είναι γραμμικό, μια σειρά από στατιστικά υψομέτρου (min, max,mean) και κλίσης. Το αποτέλεσμα ενσωματώνεται στον πίνακα του διανυσματικού αρχείου, όπου μπορούμε να τα δούμε και οπτικά. Απεικόνιση του βασικού οδικού δικτύου της Ζακύνθου με βάση τη μέση κλίση του δρ πμοθ 62 Page

12 ΑΤΟΜΙΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6 1. Φτιάχνετε μια νέα γεωβάση όπου και θα σώζεται όλα τα παραχθέντα αρχεία (στο Greek Grid). Η δομή και η καταλογοποίηση της είναι επιλογή σας. 2. Κατεβάζετε και αποκόβετε στα όρια του νομούσας το ΨΜΕ της Aster και το γεωαναφέρετε στο Ελληνικό Προβολικό σύστημα 3. Δημιουργείτε ισοϋψείς των 10, 50 και 100 μέτρων και συντάσετε μια χαρτοσύνθεση, όπου θα φαίνεται το όριο του νομού σας με χρώμα και πάνω σε αυτό (διακριτές) οι τρεις κατηγορίες ισοϋψών. 4. Με βάση το σημειακό αρχείο των οικισμών του νομού σας, δημιουργήστε τις περιοχές θέασης και συντάξτε μια χαρτοσύνθεση με το σκιασμένο ανάγλυφο, τις περιοχές θέασης και τους οικισμούς. 5. Δημιουργήστε δύο χάρτες έκθεσης (σε σχέση με την επίδραση του βορρά και της ανατολής) και και συντάξτε δύο χαρτοσυνθέσεις με τις εκθέσεις, τις περιοχές θέασης και τους οικισμούς. Καλή επιτυχία 63 Page