GIS na vodě

Michaek Jakš, Václav Kolář
Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M.
Podbabská 30
160 62 Praha 6

In particular, the presentation concerns the integration of various data sources for utilizing the GIS technologies at the creation of user applications in the sphere of water management. Significant data or information sources consist of database structures without a direct geographical information, of a geographical information in vectorial form, of a screened geographical information such as an ortho photo map, and of data representing a elevation model. This technical decomposition of data sources clashes with the decomposition of organizational structures within the Czech Republic. The data sources are part of information systems of particular organizations, and have their own characteristics. A technically simple solution of the linkage between an object on the Earth’s surface and its descriptive data including e.g. time series linked to this object by means of a uniform linkage item (identifier), is complicated by the need of a consistent co-ordination or standardization. For the entry of information from an ortho photo map into a GIS application, the interpretation of relevant objects is necessary. The data which represent a digital topographic model are extremely extensive, and for user systems it is necessary to perform a special selection or calculation of relevant geographical characteristics. In the presentation, a solution is shown of partial problems caused by the need of integrating the data sources, and at the conclusion, a GIS user application utilizing more types of data sources is introduced.

Presentace se týká zejména integrace různých datových zdrojů pro využití GIS technologií při tvorbě uživatelských aplikací v oblasti vodního hospodářství. Významné datové či informační zdroje jsou tvořeny databázovými strukturami bez přímé geografické informace, geografickou informací ve vektorové formě, rastrovou geografickou informací jako je na př. ortofoto mapa a daty reprezentujícími model reliéfu terénu. Tato technická dekompozice datových zdrojů je křížena dekompozicí organizačních struktur v rámci ČR. Datové zdroje jsou součástí informačních systémů jednotlivých organizací a mají svoje vlastní charakteristiky.

Technicky jednoduché řešení vazby mezi objektem na zemském povrchu a jeho popisnými údaji včetně na př. časových řad vázaných na tento objekt prostřednictvím jednotné vazební položky (identifikátoru) je komplikováno potřebou důsledné koordinace či standardizace. Pro vstup informace z ortofoto mapy do GIS aplikace je nezbytná interpretace relevantních objektů. Data reprezentující digitální model reliéfu terénu jsou extrémně rozsáhlá a pro uživatelské aplikace je třeba provést účelově zaměřený výběr nebo výpočet relevantních geografických charakteristik. V presentaci je ukázáno řešení dílčích problémů vyvolaných potřebou integrace datových zdrojů a závěrem je představena GIS uživatelská aplikace využívající více typů datových zdrojů.

 

Odvětví vodního hospodářství ale i celá oblast péče o životní prostředí disponuje v současné době unikátním celostátním souborem dat, který má pro kvalifikované řešení prostorově orientovaných poznávacích a rozhodovacích úloh mimořádnou hodnotu. Tato data vykazují výrazné rysy geografických dat, neboť mají jednak prostorovou složku a jednak popisnou složku. Prostorová složka je representována zejména digitální Základní vodohospodářskou mapou, mapou hydrologických rajónů, modelem reliéfu terénu v oblastech zvýšeného zájmu a do této skupiny dat lze zařadit i ortofoto snímky a mapy. Popisná složka je representována databankovými strukturami realizovanými u jednotlivých subjektů státní správy, regionální samosprávy a organizací, které zajišťují odbornou podporu výkonu státní správy.

V tomto světě vody jako významné složky životního prostředí není oblast informatiky ponechána zcela volnému vývoji. Již v roce 1991 byl založen projekt s názvem Hydroekologický informační systém (dále HEIS ČR) v kterém je realizováno zabezpečení jednotného informačního systému pro podporu státní správy ve vodním hospodářství (§ 5 odst. h zákona č. 458/1992 Sb. o státní správě ve vodním hospodářství), s vazbou na Státní informační systém a další subsystémy týkající se péče o životní prostředí. Podle pověření MŽP ČR vykonává VÚV T.G.M. funkci Koordinačního pracoviště HEIS ČR(KP HEIS). V rámci trvalé zakázky jsou zajišťovány činnosti dané Organizačním řádem HEIS jako úkoly Koordinačního pracoviště HEIS ČR.

Koordinace se týká projektování a realizace HEIS ČR v osmi dílčích IS (pět regionálních IS povodí a  tři nadregionální IS ČHMÚ,VÚV a MŽP) a dalších navazujících aktivit spojených s externími vazbami, převážně na státní správu a s využitím subjektů HEIS ČR:

Jedná se plně digitální mapové dílo s jasně definovanými objekty a k nim připojenými základními popisnými údaji. Je základním datovým zdrojem pro GIS aplikace v odvětví vodního hospodářství. Pro zapojení hydrologického obsahu ZVM do širokého interdisciplinárního kontextu je přitom důležité, že tato mapa je vytvořena na podkladě obecnězeměpisné Základní mapy ČR 1 : 50000, která posloužila jako podklad též pro rozsáhlou sérii dalších tématických map měřítka, zahrnující sféru geologie, geofyziky, pedologie, životního prostředí, osídlení, silničního hospodářství aj. disciplin.


ZVM 1 : 50 000 jako unikátní tématické (odvětvové) mapové dílo je zpracovávána jako součást doplňování a zpřesňování směrného vodohospodářského plánu podle § 3 zákona ČNR č. 138/1973 Sb. o vodách.

ZVM 1 : 50 000 je základní podklad pro pořízení GIS vrstev VODY nezbytných pro Hydroekologický informační systém ČR

Přínosy digitální ZVM jsou zejména:

Jako standard byl vytvořen dokument “HEIS ČR - Datové struktury / logické datové modely” (září 1999). Jedná se o dekompozici tabulkové části datové základny HEIS ČR na jednotlivé logické datové moduly, entity a položky (atributy entit). Dále číselníky, seznamy, metodické pokyny a pravidla konstrukce vazebních identifikátorů na objekty digitální Základní vodohospodářské mapy. Všechny entity a jejich struktury, číselníky, seznamy, pravidla a metodické pokyny uvedené v této dokumentaci jsou závaznými pro všechny subjekty HEIS ČR pro výměnu a předávání dat. Nejedná se o předpis fyzických databankových struktur realizovaných v IS subjektů HEIS ČR nebo jiných IS. Tento standard je závazný i pro výměnu a předávání dat orgánům a organizacím státní správy a regionální samosprávy, které nejsou subjekty HEIS ČR.

Obsah tohoto dokumentu vychází z minulé verze “HEIS ČR - Datové struktury / logické datové modely” vydané v květnu 1995. Je dekomponován na tři svazky:

Svazek 1 HEIS ČR Popis řešení - obsahuje textovou část a v přílohách diagramy datových modelů, seznam entit a seznam atributů. Entity jsou členěny na entity s  vodohospodářským významem, obecné entity a entity typu seznam a číselník

Svazek 2 Příloha 1 Obsah entit - obsahuje datové struktury entit všech typů

zavedených v HEIS ČR. Zejména jsou zde uvedeny zavedené akronymy a stručné názvy jednotlivých atributů

Svazek 3 Příloha 2 Obsah číselníků a seznamů

Datové struktury jsou udržovány v prostředí MS ACCESS 97. Diagramy datových modelů a další výstupy jsou generovány v tomto prostředí a nástroji MS Office.


Celkové schéma bylo označeno DM HEIS ČR a je chápáno jako model tzv. nulté úrovně.

DM STRTOK

Ústřední entitou v této rozšířené verzi DM STRTOK je entita U_TOKJ (úsek toku jemný), tvořící spolu s entitou propojení (PROP_UJ) strukturu říční sítě. Alternativně slouží k lokalizaci entita TOK a říční kilometr.

DM OBJPOV

Ústřední entitou je OBJ_POV s klíčem obj_id, s vazbou na strukturu říční sítě pomocí dvojice utokj_id, cispol_j.

DM PZV

Ústřední entitou je OBJ_PZV s klíčem obj_id. Objekt PZV je lokalizován pomocí souřadnic x,y.

DM ODBVYP

Datový model pro odběry/vypouštění, jehož základní entity jsou relačně svázány s ústřední entitou VH_POVOL z DX DOK.

DM OBJUZ

Ústřední entitou je OBJ_UZ s klíčem obj_id. Objekt užívání vody je lokalizován pomocí souřadnic x,y.

Pro práci v plnohodnotném GIS prostředí je k lokalizaci jevu vhodné použít buď:


V praxi je pro GIS aplikace nad digitální ZVM možno použít jednak komplexní model sítě vodních toků (jemné členění včetně drobných toků), jednak model generalizovaný. Za primární byl vzat komplexní, jemný model, umožňující lokalizovat všechny objekty a jevy POV. Generalizovaný model má význam pro globální účely a užití, např. pro výpočty vodohospodářských soustav, bilance atd.

Lokalizace místa na toku podle modelu říční sítě ze ZVM, t.j. užitím čísla úseku toku a relativního čísla polohy se standardně užívá ve VÚV a v ČHMÚ. Tento způsob řeší i situace, jakými je např. poloha objektu na kanálu (převaděči vody apod.) v rámci popisu pomocí generalizované sítě toků. Doplňujícím atributem pro lokalizaci objektu je pak atribut udávající číslo polohy na "umělém úseku toku" - míněn je onen doplněný úsek toku (kanál), mimo vlastní strukturální model generalizované sítě.

Převod mezi dvěma způsoby lokalizace jevů na toku může být metodicky a softwarově bezproblémově vyřešen v každém konkrétní instalaci v plnohodnotném GIS prostředí standardní procedurou. Tímto způsobem se dá také ověřit korektnost naplnění databáze daty.

Podmínkou pro komunikaci při předávání dat mezi uživateli je vzít tuto poměrně komplikovanou situaci plně na vědomí.

DATOVÉ SADY TEMATICKY POŘÍZENÉ GEOGRAFICKÉ INFORMACE GEODATABÁZE) z projektu Vyhodnocení povodňové situace v červenci 1997

  1. Hranice maximálního rozlivu záplavy z července 1997

  2. Komponenty digitálního modelu reliéfu

  3. Ortofoto dokumentace z mimovegetačního období po záplavě

  4. Ortofoto dokumentace z období záplavy

Hranice maximálního rozlivu záplavy z července 1997


Hranice maximálního rozlivu záplavy v červenci 1997 je k dispozici za části povodí Moravy, části povodí Labe a části povodí Odry jako tematická digitální geografická informace zkonstruovaná nad digitální barevnou bezešvou Základní mapou ČR 1:10 000 (ZABAGED/2).

Datová sada je digitálně reprezentována hranicí areálu informačně zobrazeného množinou řetezců úseček se ztotožněnými počátečními a koncovými body. Byla zpracována počítačovou generalizací jako obalová křivka všech pracovních podkladů popisujících areály vyhodnocené jako vodní plocha v různých časových okamžicích povodňové situace v červenci 1997.

Geografická informace je v souřadnicovém systému S-JTSK. Počítačová reprezentace je ve formátu DGN ( Microstation) a současně v exportních souborech OPEN ARC/INFO.

Komponenty digitálního modelu reliéfu


Komponenty k vytvoření digitálního modelu reliéfu jsou rozděleny do devíti územně ohraničených modulů, jejichž návaznost v území povodí řek Moravy a Bečvy je znázorněna na schématu v příloze podrobných metadat u správce datové sady. Celkově bylo takto informačně zobrazeno 702 km2 v povodí řeky Moravy.

Každý modul je tvořen několika měřenými modely, odpovídajícími vyhodnoceným leteckým měřickým snímkům. Modely nemají charakter normalizovaného digitálního modelu reliéfu. Celkem bylo metodami analytické aerotriangulace vyhodnoceno 3650 modelů. Každý jednotlivý model je charakterizovanými dvěma datovými sadami:

Kromě vrstevnic popisujících reliéf byly vyhodnoceny souřadnice (x,y,z) těchto prvků polohopisu:

Ortofoto dokumentace z mimovegetačního období po záplavě

Ortofoto snímky z mimovegetačního období s rozlišením 0.5 m, jejichž zdrojem bylo letecké měřické snímkování (LMS) v měřítku 1:5000 na vybraných úsecích v povodí toků Moravy a Odry, provedené v mimovegetačním období v květnu 1998. Výsledkem je:

Použitý prostorový referenční systém je S-JTSK. LMS bylo provedeno v mimovegetačním období v květnu 1998 leteckou měřickou komorou s kompenzátorem smazu, gyrostabilizací a navigací GPS se záznamem souřadnic expozic snímků. Konstanta komory f=150. Minimální podélný překryt je 60% a příčný překryt 30% u řadového a blokového snímkování. Snímky byly překresleny na digitální model z fotogrammetrického měření s velikostí pixelu 0.5 m.

Snímky jsou v rastrových formátech JPEG nebo TIFF. Pro velký objem jsou snímky z Moravy v komprimovaném JPEG formátu.

Ortofoto dokumentace z  období záplavy


Obsahem nabídky jsou digitální rastrové barevné a černobílé ekvivalenty měřických snímků pořízených v době povodně nad těmito areály:

První snímkování bylo provedeno 7.7.1997 na horním toku Bečvy, dále 8.7. a 9.7. 1997 na horním toku Moravy, od 8.7. do 15.7. byla snímkována střední část toku Moravy, dolní část pak v termínu 12.7 až do 21.7. 1997. Měřické snímky byly naskenovány s rozlišením v DPI modifikovaně podle měřítka snímků avšak tak, aby byla zachována minimální rozlišovací podrobnost pixelu 0,3 - 0,4 m. To znamená snímky do měřítka 1:4 000 ( dále pak 1: 7 000, 1:10 000 a 1:15 000) byly skenovány s rozlišením 300 ( dále 500, 700, 1000 DPI). Datová sada byla orientována s využitím komponent digitálního modelu reliéfu a topografického podkladu ZABAGED/2 a transformována do měřítka 1:5 000.Digitální data jsou orientována v referenčním souřadnicovém systému S-JTSK. Schéma letových tras, ze kterých byly snímky k dalšímu zpracování vybrány, a přehledka ortofotosnímků je k veřejnému nahlédnutí u správce dat. Digitální přehledka kladu měřických snímků je součástí distribuce datového souboru. Ortofotosnímky jsou součástí projektové dokumentace uložené na CD-ROM.

 

Nejvýznamnějšími aplikacemi využívajícími více skupin dat a řešenými ve VÚV jsou: