Geomorfologie

                                                                            Zadaní: 4 

Konstrukce digitálního modelu reliéfu

 

 

Pomůcky:

Cíl:

Úkoly:

        Vytvoření DMR

  1. V Surferu načti vstupní soubor.

  2. Načti data z datového souboru.

  3. Vyber vhodnou interpolační metodu.

  4. Vyber vhodnou hustotu gridu.

  5. Vykresli vytvořený DMR konturovou mapou tak, aby interval vrstevnic byl shodný s intervalem na podkladové topografické mapě.

  6. Porovnej výsledný model se skutečností. V případě značných rozdílů se vrať k bodu 2.

        Zobrazení modelu

  1. Zobraz DMR stínovou mapou pod různým nasvícením tak, aby jsi určil dominantní směry morfolineamentů.

  2. Zobraz DMR výškovou mapou tak, aby se zvýraznily výrazné morfolineamenty.

  3. Zobraz DMR v 3D zobrazení tak, aby se zvýraznil nejdominantnější morfolineament.

  4. Zkombinuj 3D zobrazení modelu s podkladovou mapou.

        Vytvoření řezu DMR

  1. Vytvoř řez reliéfem DMR, který je trasován ze Suchého vrchu (941) přes Rokytník (817) na Kamenný vršek (415).

  2. Do jednoho profilu vykresli různou barvou řez nepřevýšený, 5 x převýšený a 10 x převýšený.

  3. Stejný řez vykresli ručně a porovnej jej s automaticky vykresleným profilem.

  4. Urči místa s největší odchylkou. 

 

Zadání vypracuj do předem připraveného souboru Zadani_4.srf.

 

 

Digitální model reliéfu

Co je to digitální model reliéfu (DMR):    

Digitální model reliéfu (DMR) Leberl (1973) definoval jako množinu reprezentativních bodů, linií a ploch reliéfu, uloženou v paměti počítače. Současně uvádí, že jde o algoritmus nutný pro interpolaci nových bodů dané planimetrické polohy nebo pro odvození jiných informací (např. sklonu svahů, expozice svahů, aspektu viditelnosti, erozního potenciálu, atd.). Obecně je DMR chápán jako digitální reprezentace části zemského povrchu. DMR může reprezentovat nejen reliéf (terén), ale i jiné povrchy, například různá geologická rozhraní. Funkční význam DMR Arnoff (1989) spatřuje v digitálním vizuálním znázornění určitých hodnot v modelu a to jak výškových, tak i kvantitativních či kvalitativních.

 

Členění digitálních modelů založené na množině použitých prvků charakterizujících reliéf při výpočtu modelu algoritmem:

Získávání dat

Výběr vhodných zdrojových dat a technologie získávání terénních dat jsou důležité pro kvalitu výsledného DMR. Data jsou získávána ze tří alternativních zdrojů:

Přímý povrchový průzkum

Geodetickým měřením lze terénní data přímo zadávat do počítačových systémů prostřednictvím datasnímačů. Získaná data jsou velmi přesná. Obecně jsou používána u menších projektů, kde je nezbytné vytvořit velice přesné modely velkého měřítka a k doplnění fotogrammetrických dat.

Digitalizace topografických map

Prostřednictvím hypsografie nebo digitalizace vrstevnic z fyzických map získáváme nejčastěji DEM. Vrstevnice z analogových map jsou digitalizovány ruční digitalizací, poloautomatickou digitalizací pracující na bázi ručního sledování vrstevnic nebo automatickým rastrovým skenováním či vektorizací. Přesnost těchto dat je snížena chybami vznikajícími při mapování, vytváření map a při vlastní digitalizaci. Jejich použití je možné pouze pro zevrubnější studii větších oblastí.

Fotogrammetrickými metodami

Fotogrammetrická data jsou dnes již získána na základě stereoskopické interpretace digitálních leteckých nebo družicových záznamů. Pro vytvoření DMR celých kontinentů se využívají radarové nebo laserové systémy montované na kosmické lodě nebo družice. Takto získaná data mají poněkud menší přesnost než geodeticky zaměřená data, ale pro většinu aplikací jsou stále dostatečně přesná. Tento způsob získávání dat lze využít při konstrukci DMR rozsáhlejších oblastí pro velké projekty (stavba přehrad, liniových staveb, atd.).

 

Datové struktury

V současnosti se obecně většina DMR přizpůsobuje datové struktuře pravoúhlého gridu nebo TIN (trojúhelníková nepravidelná síť).

Pravidelný grid rozděluje zájmovou oblast na řádky a sloupce. Vzniká pravidelná síť složená s obdélníků nebo čtverců, které kromě svojí pozice (číslo řádku a sloupce) uchovávají informaci o výšce. Buňky jsou rozmístěné pravidelně. Pro vytvoření spojitého povrchu DMR je nutné přiřadit výšky všem buňkám gridu, tedy i těm, které se nacházejí mezi zdrojovými body. K tomuto přiřazení slouží mnoho interpolačních metod využívajících k výpočtu výšek existujících bodů.

TIN obsahuje velké procento bodů v oblasti změny reliéfu, např. podél horských hřbetů a údolí. V TIN jsou zdrojové body spojeny s nejbližšími body v okolí liniemi. Vzniká síť nepřekrývajících se trojúhelníků. Uvnitř každého trojúhelníku je povrch znázorněn plochou definovanou výškami tří rohových bodů.

 

Výběr výpočetních metod

Sestavení digitálního modelu reliéfu rozumíme nalezení nejvhodnější interpolační metody, která co nejvěrněji zachytí průběh modelované plochy při současném minimalizování objemu dat. Neexistuje však univerzální interpolační algoritmus vhodný pro všechny aplikace DMR. Kvalita výsledného modelu je určena rozmístěním a přesností původních bodů a vhodností interpolační funkce pro určitý model. Kritéria, která ovlivňují výběr konkrétní interpolační metody, jsou stupeň přesnosti a míra ovlivnění výpočtem. Pomocí mnoha dalších vstupních kritérií může být interpolační funkce přizpůsobena variabilnímu charakteru terénu.

Mezi široce používané interpolační metody výpočtu TIN struktury modelu patří triangulační metoda, která je založena na lineární interpolaci uvnitř trojúhelníku. Weibel a Heller (1991) považují na základě zkušeností za nejvhodnější takovou triangulaci, která je tvořena co nejrovnostrannějšími trojúhelníky.

Výběr vhodné interpolační metody pro grid strukturu se provádí na základě testování dat ve vzorové oblasti.  V testovaném území je nutno provést strukturální analýzu, stanovit směrové empirické semivariogramy a určit anizotropii pole. Často však pro nedostatek vstupních hodnot strukturální analýza dané veličiny provést nelze. V takových případech je rozumnější použití izotropního modelu než použití nesprávně stanoveného anizotropního modelu.

 

Výběr vhodné interpolační metody může být proveden dvěmi způsoby:

  1. Na základě výsledků strukturní analýzy dat se vyberou interpolační metody, kterými se vypočtou jednotlivé modely. Jejich vizuálním porovnáním s mapou se určí nejvhodnější testovaná metoda, která nejvěrněji modeluje danou strukturní plochu. V tomto případě se modely porovnávají s fyzickými mapami.

  2. Výběr interpolační metody pomocí "bumerangové" metody. Princip bumerangové metody spočívá ve zjištění absolutního rozdílu mezi interpolovanou hodnotou v místě vstupních dat a samotnou vstupní hodnotou, která je přitom z výpočtu vyřazena. Tento rozdíl se sumarizuje pro všechny vstupní data a konečný součet je kritériem pro výběr nejvhodnější interpolační metody s minimálním součtem absolutních rozdílů ze zadané množiny interpolačních metod.

Vizualizace DMR

Výsledky různých analýz digitálních modelů se nejčastěji prezentují v grafické formě. Proto by měla být věnována zvýšená pozornost volbě vhodné zobrazovací metodě, která předá zjištěné informace srozumitelně, jednoduše a názorně. Z tohoto důvodu hraje vizualizace podstatnou roli v procesu porozumění  a pochopení interpretovaných DMR modelů. S vizualizací výsledků je těsně spjatá interpretace výsledných analýz DMR, což je zvláště důležité v kontextu sdělení konečných výsledků.

Vrstevnicové modely

Vrstevnice jsou stále široce používanou technikou pro zobrazení jakékoli modelované plochy. Konstrukce izolinií je úzce spjatá s interpolací DMR. Izolinie reprezentují metodu kvantitativní vizualizace.  Hlavní nevýhoda izolinií spočívá ve 2D zobrazení, které neposkytuje okamžitý prostorový vjem o tvarech modelované plochy.

Výškový model

Výškový model je v podstatě založen na stejném principu jako vrstevnicový model. Jedná se o jiný princip vyjádření stejných informací. Výšková data jsou zatříděna do tříd výšek, kterým jsou přiděleny zobrazované odstíny barev. Rozhraní jednotlivých tříd lze libovolně měnit stejně jako barevnou škálu. Vhodným nastavením rozhraní a barevných odstínů je možné docílit  zvýraznění určitých krajinných forem.

Stínovaný model reliéfu

Metoda stínování reliéfu (také nazývána hill shading nebo shaded relief) byla vyvinuta kartografy jako důležitá technika ke zlepšení kvalit vizualizace map, zvláště s ohledem na popis rozdílů reliéfu v kopcovitých a hornatých oblastech. Stínovaný model uplatňuje použití Lambertova kosinového zákona z teorie optiky. Stínové modely dovolují libovolné nastavení dopadajícího paprsku na reliéf, což umožňuje vyniknout určitým rysům morfologie reliéfu. Vhodným nastavením zdroje světla se zvýrazní morfotektonické prvky orientované kolmo ke směru osvětlení. Interpretace tektonických struktur na základě stínového modelu si vyžaduje  nalezení  optimálního  nasvícení, které  umožní  jejich  následnou  snadnou  identifikaci. Stínové modely nepatří mezi prostorové 3D zobrazovací techniky, ale jedná se o pseudo-prostorové zobrazení, které je někdy označováno také jako 2.5D.

Kombinace DMR s 2D daty

Předešlé popsané možnosti zobrazení modelů lze navzájem kombinovat. Zobrazení vrstevnic, stejně jako stínovaný model mohou být spojeny s jinými výsledky interpretačních procedur (viditelnost, sklonitost a odvodňovací sítě). Často se kombinují s částmi DMR (datové body, strukturní rysy a TIN trojúhelníky) nebo s 2D daty (říční síť, komunikační síť, urbanické celky, geologické mapy atd.). Pro účel morfotektonické analýzy se velmi často využívá kombinace stínového modelu s výškovým modelem.

Zobrazení perspektivy (3D náhled)

Časté využití prostorového zobrazení DMR spočívá v jeho názorné prezentaci povrchu. Perspektivní pohled na DMR poskytuje mnohem přesvědčivější vizuální výsledek. Základní formy prostorového zobrazení v mnoha ohledech rozšiřují interaktivní vizuální interpretaci a analýzy prostorových dat.

 

Aplikace DMR v geologii

DMR se staly součástí mnoha aplikací v různých odvětvích lidské činnosti. Neustálý rozvoj technologie počítačové grafiky umožňuje jejich stále širší uplatnění. Praktické použití poskytuje zpětnou vazbu pro další posílení DMR konceptů a technik.

Geovědní aplikace jsou převážně soustředěny kolem specifických funkcí pro modelování, analýzy a interpretace jedinečné morfologie terénu. Tyto funkce obsahují geomorfologickou simulaci a klasifikaci, monitorování odvodňovacích sítí (pro povodně a šíření kontaminace), hydrologické průtokové modelování, geologické interpretace a mapování, vypočet spádových map a map viditelnosti či profilů svahů. Úzké sepětí stavitelství s inženýrskou geologií se projevuje i na společných analýzách DMR. Mezi nejčastější analýzy DMR se řadí objemové výpočty, které jsou využívány pro vhodné trasování komunikací (aby množství odtěžené zeminy ze zářezů bylo shodné s množstvím nutným pro vybudování násypů), návrh umístnění přehradního díla (výpočet množství materiálu nutného pro výstavbu vlastního tělesa hráze, výpočet objemu zadržované vody, výpočet plochy zatopení a výšky dosahu hladiny), návrh otvírky povrchového lomu (výpočet množství vytěžené suroviny, výpočet plochy a dosahu ohradníku), návrh tunelů (nalezení vhodného umístnění a výpočet množství vytěženého materiálu), návrh skládky odpadu (výpočet objemu skládky vzhledem k jejímu umístění v krajině), umístnění průmyslových zón (výpočet objemu výkopových prací) atd. Hydrologické analýzy DMR jsou ve stavitelství nezbytné pro správné dimenzování vodních děl (přehrady, jezy, mosty, hráze). Z DMR se běžně získávají údaje o směru a velikosti sklonu svahu. Tyto údaje jsou nezbytné při analýzách terénu z hlediska výstavby, posuzování expozice svahů, posouzení stability svahů, řízení povodí a pro celou řadu dalších vědeckých, inženýrských i řídicích aktivit. Morfostrukturní a morfotektonické analýzy prováděné na bázi DMR se uplatňují v etapě předběžného průzkumu, kde pomáhají řešit otázky stabilitních poměrů, vhodného umístnění staveb s ohledem na tektoniku. Prostorová studie strukturně tektonických poměrů upozorňuje na problémy, které znemožňují nebo prodražují výstavbu. Analýzy DMR jsou nedílnou součástí realizace každé významnější stavby.

 

 

Pracovní postup

 

Vytvoření DMR

 

Zobrazení modelu

 

Vytvoření řezu DMR