E3D+GIS - nástroj pro přípravu vstupních parametrů

Příprava dat distribuovaných modelů, Erosion-3D nevyjímaje, je obvykle prováděna v prostředí GIS. V určité fázi přípravy je obvykle nutné dohledávat hodnoty parametrů modelu z vnějších zdrojů a tyto poté manuálně zadávat do atributových tabulek. Vytvořený Katalog umožňuje přímou implementaci do prostředí GIS a tím výrazně usnadnit a urychlit work-flow pro sestavení modelu.

Pro usnadnění a zpříjemnění práce s Katalogem byl vytvořen softwarový doplněk E3D+GIS nástroj pro přípravu vstupních parametrů, který uživatelům nabízí propojení mezi prostředím GIS, Katalogem parametrů modelu Erosion-3D a samotným programem Erosion-3D. Nástroj slouží pro přípravu semi-distribuovaného sestavení modelu Erosion-3D, kdy jsou půdní a vegetační vlastnosti definovány pro tzv. parametrizační plochy, což jsou dílčí plochy modelovaného území, pro které jsou vlastnosti půdy a vegetace považovány za homogenní.

E3D+GIS obsahuje sadu nástrojů pro přípravu vstupních datasetů parametrů a základní úlohy zpracování dat.

Nástroj pro přípravu vstupních datasetů Erosion-3D transformuje pracovní polygonové GIS vrstvy/datasety do podoby vstupních datasetů semidistribuované podoby modelu Erosion-3D, tak jak jsou vyžadovány jeho uživatelským rozhraním.

Průvodce sestavením vstupních datasetů je odvozen z pracovního postupu klasického "ručního" sestavení vstupních datasetů, ale přímo implementuje ty části workflow, které lze automatizovat. Vyhledávání hodnot vstupních parametrů, tedy časově nejnáročnější část sestavení, které bylo nutno provádět mimo prostředí GIS, je nyní plně implementováno do nástroje E3D+GIS a je tak dostupné přímo z prostředí GIS.

Uživatelská příručka E3D+GIS ve formátu PDF je ke stažení zde.

Instalace nástroje

Zde je ke stažení instalační balíček v českém jazyce E3D+GIS nástroj pro přípravu vstupních parametrů pro platformu QGIS.

Po stažení je soubor .zip je načten do QGIS jako nový zásuvný modul přes menu Zásuvné moduly -> Správa a instalace zásuvných modulů -> Instalovat ze ZIPu. Ve výběru souboru najděte stažený .zip archiv a stiskněte tlačítko „Instalovat zásuvný modul“

Po úspěšné instalaci pluginu do prostředí QGIS se na panelu nástrojů zobrazí paletka tlačítek poskytující přístup k jednotlivým nástrojům balíčku

Přehled nástrojů v balíčku E3D+GIS

  • průvodce sestavením vstupních datasetů modelu Erosion-3D
  • resetování průvodce (vymazání všech nastavených hodnot)
  • vložit výstupní bilanci sedimentu do mapového projektu
  • vypočítat Garbrechtovu hydraulickou drsnost na základě zrnitostního složení
  • konvertovat tabelované výstupy záznamových bodů
  • informace o pluginu (aktuální verze nástroje a Katalogu)

Vstupní vrstvy

Vstupními vrstvami se z pohledu tohoto nástroje rozumí GIS datasety/vrstvy, které jsou využity pro sestavení datasetu parametrizačních ploch. Principiálně se jedná o 3 základní datové vstupy:

  • vektorovou geovrstvu klasifikace ploch dle typu využití pro modelované území
  • vektorovou geovrstvu rozčlenění území do půdních jednotek s podobnými vlastnostmi
  • rastrovou geovrstvu digitálního modelu terénu

Geografické a popisné charakteristiky těchto datasetů jsou kombinovány tak, aby bylo umožněno vyhledání parametrů v Katalogu vstupních parametrů modelu Erosion-3D, jejich uložení ke vstupním datům a následný export v takové podobě, jaká je potřebná pro sestavení modelu.

Prostorová definice půdních jednotek a kategorizace ploch dle využití může být uživatelem poskytnuta jako dva samostatné datasety/vrstvy nebo jako jeden dataset/vrstva již obsahující kombinaci prostorového členění obou těchto základních vstupů.

Výstupní datasety

Nástroj pro přípravu vstupních datasetů Erosion-3D po úspěšném naplnění vytvoří datové vstupy potřebné pro sestavení modelu Erosion-3D. Tyto datasety jsou vytvořeny přímo v souborových formátech podporovaných uživatelským programem Erosion-3D. E3D+GIS vytváří jednak základní sadu dat pro sestavení a spuštění modelu a dále doplňkové datové vrstvy, které ovlivňují způsob sestavení modelu, nebo slouží jako nepovinné vstupy pro využití pokročilých funkcí modelu.

Základními výstupy nástroje E3D+GIS jsou:

  • rastrová definice parametrizačních ploch v ASCII formátu
  • tabulka vstupních parametrů s definicí potřebných půdních a vegetačních vlastností pro všechny třídy parametrizačních ploch
  • převodní tabulka, která jednoznačně přiřazuje řádky v tabulce parametrů k jednotlivým třídám parametrizačních ploch rastru
  • a rastrový dataset digitálního modelu terénu v ASCII formátu.

Doplňkovým výstupem je pak rastrová definice záznamových bodů „Pour points“. Podrobný popis funkce tohoto datasetu je popsána např. v Uživatelské příručce Erosion-3D

Nástroj pro přípravu vstupních datasetů Erosion-3D

Uživatel si nejprve připraví geometrickou definici kategorizace využití ploch a půdních jednotek a rastr (případně rastry, viz dále) digitálního modelu terénu. Příprava může probíhat v libovolném GIS prostředí, optimální je samozřejmě provádět přípravu ve stejném GIS software, ve kterém bude následně použit nástroj E3D+GIS.

Po kliknutí na ikonu se spustí průvodce, který uživatele provede celým procesem sestavení vstupních datasetů pro Erosion-3D od výběru zdrojových vrstev, atributových polí až po vyhledání z katalogu a export vstupních datasetů pro Erosion-3D. V průvodci je možné se vždy vracet k předchozím krokům a upravit volby jednotlivých dialogových oken a jejich nabídek.

1. Zdrojové vrstvy

V prvním kroku jsou zvoleny vrstvy projektu obsahující definici kategorizace typů využití ploch, půdních jednotek, rastrového digitálního modelu terénu a kalendářního data, pro které je model sestavován.

Typy využití ploch a rozdělení území na půdní jednotky mohou být definovány v samostatných vrstvách/datasetech nebo mohou být uloženy v jedné vrstvě/datasetu.

Pro datum modelované události je určující den v roce, ze kterého vyplývají vlastnosti vegetačního pokryvu a některých dalších vstupních parametrů. Rok události není směrodatný a v dalším zpracování nemá vliv na nalezené hodnoty z katalogu.

Zde je zadáván digitální model terénu bez úprav! Pokud bude pro sestavení modelu použit uživatelem upravený digitální model terénu s dodatečně zahloubenými koryty vodních toků, je tento zadáván až ve 13. kroku průvodce. Tímto způsobem lze identifikovat buňky, u kterých došlo úpravou ke změně nadmořské výšky nebo sklonu.

2. Identifikace půdních jednotek a zrnitostní třídy KA5

Dále je nutné zvolit atributový sloupec s identifikátorem půdní jednotky. Tento identifikátor je uživatelský, může nabývat hodnot číselných i textových a slouží pro uživatelské rozlišení půdních jednotek například podle číslování odebraných půdních vzorků. Půdní jednotky jsou dále v průběhu zpracování uvažovány odděleně a jejich identifikátor se stává součástí označení parametrizační plochy.

Pokud již bylo provedeno zatřídění půdní zrnitosti dle německé normy KA5/KA4, je možné v tomto kroku vybrat odpovídající atributový sloupec, ve kterém jsou uloženy kódy půdních tříd KA5/KA4.

3. Zrnitostní složení půdních jednotek

Dále je potřeba přiřadit atributová pole obsahující jednotlivé zrnitostní frakce půdních částic. Členění hranic zrnitostních frakcí je definováno německou metodikou KA4/KA5 a hranice zrnitostních frakcí odpovídají českému geotechnickému zrnitostnímu třídění zemin. Hodnoty jsou zadávány nekumulativně a jejich součet musí být roven 100 (%).

Podrobné informace naleznete například v Bodenkundliche Kartieranleitung (AG Boden, 2005). Pro každou z požadovaných zrnitostních frakcí je tak zvolen odpovídající sloupec ze vstupní vrstvy půd, ve kterém je zapsán obsah dané zrnitostní frakce:

Pokud uživatel nemá k dispozici podrobné zrnitostní složení v devíti třídách, je možné zadat pouze celkové zastoupení jílu/ prachu/ písku, a to do odpovídajících polí pro střední zrnitostní sub-frakce:

Zároveň pokud uživatel nemá k dispozici podrobnější členění například v oblasti jílovitých částic (tedy standardní geotechnická analýza zrnitosti), lze zadat celkový obsah jílovitých částic do pole pro střední jíl a do polí pro jemný a hrubý jíl zapsat nulu.

Pokud uživatel nezná zrnitostní složení, ale zná půdní třídu dle KA5, je možné využít střední hodnoty pro jednotlivé zrnitostní frakce, které odpovídají zrnitostní třídě podle kódu zapsaného ve sloupci „KA5 třída“ zvoleného v předchozím kroku. Tyto sloupce jsou doplněny automaticky, pokud byl ve 2. kroku zvolen sloupec KA5 třídy.

4. Klasifikace typů využití ploch

Využití ploch je určeno dvěma atributovými poli – samotný typ využití ploch je načten z jednoho atributového pole a další atributové pole může být volitelně využito pro definici plodin na orné půdě. Samotný nástroj neobsahuje omezení týkající se obsahu těchto polí a je na uživateli, jak možností nástroje využije. Obsah poskytnutých atributových polí je následně agregován do jednoznačného identifikátoru kombinace typu využití a půdní jednotky, pro které jsou vyhledávány hodnoty parametrů z Katalogu.

5. Přiřazení kategorií využití ploch

Hodnoty atributů ze sloupců zvolených v předchozím kroku jsou načteny a je sestaven seznam unikátních hodnot a jejich kombinací, který je zobrazen v tabulce. Pro každý řádek tabulky zde uživatel musí přiřadit nejlépe odpovídající kategorii z hierarchické klasifikace typů využití ploch a plodin z Katalogu parametrů. Po zobrazení nabídky kliknutím na odpovídající řádek a sloupec tabulky mohou být zvoleny hodnoty kategorií z Katalogu a to v libovolné podrobnosti. Zároveň mohou být pro každý řádek zvoleny další omezující podmínky, které definují způsob hospodaření na daném typu využití a další podmínky na stanovišti v době modelované události (typ hospodaření, protierozní opatření, stav plodiny a půdního povrchu).

Možné hodnoty pro jednotlivé podmínky vycházejí z aktuálně dostupných dat uložených v Katalogu parametrů, avšak ne pro všechny typy využití jsou relevantní všechny omezující podmínky.

Vyhledání v katalogu je vždy omezeno nejpodrobnější zvolenou kategorií pro daný řádek tabulky (typ využití v kombinaci s plodinou a další zvolené omezující podmínky). Pokud nejsou podmínky nijak omezeny, je z Katalogu získána množina parametrů odpovídající všem podmínkách bez omezení.

V posledním sloupci je možné redukovat podrobnost určení půdních typů. Ve výchozím nastavení je vyhledání v Katalogu prováděno podle nejpodrobnější kategorie členění KA5 - půdní třídy. Výběrem dalších možností ve sloupci “Úroveň detailu půd" je možné výběry hodnot z Katalogu rozšířit na nadřazené skupiny 2. a 1. úrovně (nejméně podrobná). Zatřídění půdních tříd do skupin je uvedeno například v dokumentaci ke Katalogu vstupních parametrů Erosion-3D. Možnost "nerozlišovat půdní jednotky" pak pro danou kategorii využití ploch způsobí, že zůstane zcela homogenní ve svých parametrech. Zrnitostní složení je této kategorii přiřazeno od jedné z půd, na které se vyskytuje.

6. Připravené vstupní parametry

Pokud vstupní vrstvy poskytnuté uživatelem obsahují některý z parametrů již připravený nějakým alternativním způsobem, je možné v tomto kroku zvolit, ze které vrstvy/datasetu a jejího atributového sloupce budou hodnoty použity. V dalších krocích průvodce pak bude pro tyto parametry přeskočeno vyhledání v katalogu a hodnoty budou do výstupů přímo přepsány ze zvoleného sloupce (včetně chybějících nebo špatných hodnot).

Nicméně i tyto hodnoty lze manuálně upravit před konečným exportem tabulky parametrů.

7. - 12. Výsledky hledání v katalogu

V následujících krocích je provedeno vyhledání hodnot parametrů v Katalogu parametrů na základě podmínek definovaných ve vstupních datasetech a v předchozích krocích průvodce. Uživateli jsou postupně poskytnuty interaktivní tabulky s výsledky hledání pro každou třídu parametrizačních ploch (tedy kombinaci typů využití ploch a půdních jednotek) těchto vstupních parametrů:

  • obsah organického uhlíku
  • objemová hmotnost půdy
  • zakrytí povrchu půdy rostlinami
  • hydraulická drsnost povrchu
  • erozní odolnost půdy
  • skinfaktor

V pravé části tabulky jsou zobrazeny základní popisné charakteristiky nalezené množiny hodnot pro každý z řádků (tj. třídu parametrizačních ploch). Hodnoty lze měnit pomocí posuvníku od minimální po maximální z nalezených hodnot, nebo přímo zadat libovolnou hodnotu do odpovídajícího pole.

Kliknutím na tlačítko [ ... ] ve sloupci „Info“ lze získat podrobnější statistický popis nalezené množiny hodnot (histogram) a informace o zdrojích hodnot a jejich kvalitě

V tabulkách jsou oranžově zvýrazněny řádky, pro něž nebyl v Katalogu pro zadanou kombinaci podmínek nalezen žádný záznam. Upozorňují uživatele, že tyto třídy nemají přiřazenu hodnotu daného parametru pro tyto třídy parametrizačních ploch bude muset redukovat podrobnost podmínek nebo případně doplnit hodnoty manuálně.

13. Volitelné vstupy

Uživatel může zadat dodatečné vstupní vrstvy, které budou zahrnuty do přípravy vstupních vrstev pro Erosion-3D.

Zahloubení koryt vodních toků do digitálního modelu terénu je jednou z běžných operací přípravy výškových dat, s cílem zlepšit trasování odtoku vody v modelované oblasti. Pokud je pro sestavení modelu použit digitální model terénu se zahloubenými koryty vodních toků je třeba ošetřit vlastnosti buněk u nichž je změněn sklon. Podél buněk se sníženou hodnotou nadmořské výšky však vznikají pásy buněk, které mají (mohou mít) výrazně zvýšený sklon. Zvýšení sklonu vede ke zvýšení rychlosti povrchového odtoku a tím k nárůstu eroze. Zadáním upraveného DMT v tomto kroku průvodce bude do seznamu tříd parametrizačních ploch přidána speciální třída, která je platná pro všechny buňky s rozdílnou výškou (koryto vodního toku) nebo sklonem (břehy koryta) mezi upraveným a původním DMT (který je zadáván v prvním kroku). Pro tyto buňky je tak možné zadat upravené hodnoty parametrů s ohledem na riziko nerealistického zvýšení simulované erozi vlivem koncentrace odtoku nebo zvýšeného sklonu. Oba digitální modely terénu musí mít stejnou prostorovou definici. Pokud je tento DMT zadán, bude využit pro export v posledním kroku průvodce.

Odvodňovací prvky jsou tvořeny třídou parametrizačních ploch s nulovou vlhkostí. Je možno vybrat vrstvu s liniovou nebo bodovou geometrií, která definuje geografickou polohu těchto prvků. Tyto prvky jsou převedeny na rastr a je vytvořena speciální třída parametrizačních ploch, nezávislá na půdních vlastnostech. Všechen povrchový odtok, který do těchto buněk vchází je zcela ztracen (tzn. bezpečně odveden). Jako odvodňovací prvky fungují tyto buňky pouze pokud je ponechána hodnota počáteční vlhkosti nula!

Posledním volitelnou vrstvou v tomto kroku je bodová vrstva záznamových bodů. Z této vrstvy bude na závěr vytvořena rastrová vrstva přímo využitelná jako rastrová definice záznamových bodů “pour.asc”. Musí být zvoleno atributové pole s celočíselným identifikátorem, který dále slouží pro rozlišení bodů ve výsledkové tabulce.

Hodnoty parametrů pro nově vzniklé třídy parametrizačních ploch je možné doplnit v následujícím kroku.

14. Kontrola a doplnění hodnot parametrů

Před dokončením průvodce a exportem vstupních datasetů Erosion-3 je přehledně zobrazena celá tabulka vstupních parametrů. Uživatel může zkontrolovat, upravit nebo doplnit libovolnou hodnotu, a to včetně zrnitostního složení. Při změně obsahu zrnitostních tříd je automaticky validován součet obsahů zrnitostních tříd, který musí být roven 100.

15. Export datasetů vstupních parametrů pro Erosion-3D

V posledním kroku průvodce jsou zvoleny názvy souborů a umístění pro jednotlivé vstupní datasety Erosion-3D. Všechny datasety jsou uloženy ve formátu vyžadovaném programem Erosion-3D a to včetně DMT. Pokud byl zadán pouze neupravený DMT v kroku 1, je exportován tento. Pokud byl zadán i upravený DMT se zahloubenými koryty, je exportován ten.

Pokud při sestavování tabulky parametrů zůstaly hodnoty některého z parametrů nevyplněny, je uživatel upozorněn, nicméně po zakliknutí souhlasu s neúplným exportem, je umožněno uložení datasetů.

Vymazání obsahu průvodce

Volby, hodnoty nalezené v katalogu i ručně zadané jsou v průvodci uloženy pro danou instanci aplikace QGIS. Je tak možné pracovat zároveň na několika otevřených projektech a v každém z nich sestavovat nezávisle vstupní datasety. Při zavření aplikace QGIS je průvodce vyprázdněn. Pokud chce uživatel uvést průvodce do původního stavu bez nutnosti zavírat aplikace QGIS, může tak učinit pomocí k tomu určeného nástroje.

Výpočet hydraulické drsnosti dle Garbrechta

Výpočet Garbrechtovy drsnosti (Garbrecht 1961) slouží pro získání odhadu hydraulické drsnosti povrchu půdy na základě přístupu využívaného při hydraulických výpočtech otevřených koryt. Hodnoty drsnosti je odvozena ze zrnitostního složení půdy a nezohledňuje půdní agregáty. Vypočtené hodnoty tedy odpovídají silně nestrukturní půdě a je nutno to mít při jejich využití na paměti.

V dialogovém okně nástroje jsou jednotlivým zrnitostním třídám přiřazeny atributové sloupce, v nichž jsou uloženy hodnoty kumulativního procentuálního zastoupení hmotnosti zrn v dané velikostní kategorii. Z takto definované čáry zrnitosti je odvozen průměr zrna D90, což znamená, že 90% zrn je menších než tento rozměr.

Nástroj pro vložení vrstvy bilance sedimentu do mapového projektu

Vložení výstupního rastru bilance sedimentu (sedbudget.asc) do aktuálního projektu urychluje postprocessing výstupů simulace tím, že nabízí uživateli připravené vhodné symbologie pro zobrazení tohoto datasetu. K dispozici jsou barevné škály klasifikované do 7 nebo 9 tříd v [t/ha] nebo [kg/m2]. Zároveň je možné rovnou nastavit hodnotu průhlednosti vložené vrstvy.

Hodnoty zapsané v datsetu nejsou pro zobrazení přepočteny do zvolených jednotek - je pouze upravena symbologie a její popis v legendě. Při dotazování vrstvy a jejím použití pro výpočty jsou hodnoty stále v [kg/m2].

Název vkládané vrstvy je odvozen od nadřazené složky datasetu sedbudget.asc

Nástroj pro transformaci výstupů záznamových bodů

Nástroj pro zpracování dat ze záznamových bodů (pp_data.csv) transformuje zapsané hodnoty záznamu pro jejich snazší další zpracování a vypočte některé popisné charakteristiky výstupních datových řad pro každý ze záznamových bodů (maximální průtok [l/s], celkový objem odtoku [m3], celkové množství sedimentu [kg] a zastoupení jílových a prachových částice v sedimentu [%].

Hodnoty zapsané ve výstupním souboru jsou vztaženy na metr šířky svahu za jeden výpočetní krok. Pro přepočet do absolutních hodnot vztažených k ploše buňky a času je potřeba zadat délku hrany buňky použitých rastrových vstupů a délku trvání časového kroku.

Výsledky jsou seřazeny primárně podle čísla záznamového bodu a sekundárně podle času simulace, což usnadní vytváření hydrogramů a sedimentogramů ze získaných výsledků.