GRASS w modelowaniu hydrologicznym

Modelowanie hydrologiczne Modele dostępne w GRASS 6.4 Modele dostępne jako dodatki Wykorzystanie praktyczne

Wykorzystanie GRASS w modelowaniuhydrologicznym

Robert Szczepanek

Politechnika Krakowska,OSGeo Polska

warsztaty”Analizy przestrzenne z wykorzystaniem GRASS”

Wrocław 14.09.2010

Robert Szczepanek Politechnika Krakowska, OSGeo Polska

Wykorzystanie GRASS w modelowaniu hydrologicznym

Plan prezentacji

1 Modelowanie hydrologiczne

2 Modele dostępne w GRASS 6.4

3 Modele dostępne jako dodatki

4 Wykorzystanie praktyczne

Czym jest model hydrologiczny?

Opisuje procesy związane z obiegiem wody w przyrodzie.

Model hydrologiczny jest DUUUŻYM uproszczeniemrzeczywistości.

Opisywane procesy są często złożone i zależą od wieluczynników.

Wybrane rodzaje matematycznych modeli hydrologiczny

Model czarnej skrzynki (zależności empiryczne)

Model procesów fizycznych o parametrach skupionych(uśrednione wartości, np. dla zlewni cząstkowych)

Model procesów fizycznych o parametrach dyskretnierozłożonych (do jakiego stopnia szczegółowości?)

Wdrażanie modeli matematycznych

Wybór

Kalibracja(oszacowanie/obliczenie parametrów, np. początkowejwilgotności gruntu)

Symulacja/prognoza

Weryfikacja

Wybór

Symulacja/prognoza

Weryfikacja

Wybór

Symulacja/prognoza

Weryfikacja

Wybór

Symulacja/prognoza

Weryfikacja

Wybór

Symulacja/prognoza

Weryfikacja

Co obliczamy?

Dane wejściowe do modeli obarczone są dużymi błędami i mająistotny wpływ na uzyskiwane rezultaty.Zwykle stosuje się modele będące kompromisem pomiędzyszczegółowym modelem procesu a mocą obliczeniową komputerówi dostępnymi danymi do modeli fizycznych o parametrachdyskretnie rozłożonych.Oczekujemy, że zadając parametry wejściowe do modeli, będziemyw stanie oszacować hydrogramy odpływu w dowolnych przekrojachna cieku.

Które procesy najczęściej modelujemy?

opad całkowity [pomiary punktowe, radary, satelity, topografia]

opad efektywny [pokrycie terenu, rodzaj gleb]

parowanie (transpiracja) [wilgotność powietrza, prędkośćwiatru]

intercepcja [gatunki roślin, okres wegetacji]

spływ powierzchniowy [NMT, szorstkość pokrycia,przepuszczalność podłoża]

infiltracja [porowatość i wilgotność gleby]

transformacja hydrogramów w ciekach [stany wody, przekrojepoprzeczne, krzywe konsumcyjne, sieć hydrograficzna]

... a gdzie modelowanie roztopów śniegu, lodu na rzekach,

...itd., itd.

Przykładowy model procesu elementarnego

Model opadu efektywnego SCS (ang. Soil Conservation Service).

Opad efektywny zależy od rodzaju gleb, sposobu użytkowaniaterenu oraz uwilgotnienia gleby w okresie poprzedzającym opad.Wszystkie przedstawione czynniki opisuje wyznaczanybezwymiarowy parametr CN (ang.Curve Number) reprezentującymaksymalną potencjalną retencję zlewni S o wartościach z zakresu0-100.

Przykładowy model procesu elementarnego

Model opadu efektywnego SCS (ang. Soil Conservation Service).Opad efektywny zależy od rodzaju gleb, sposobu użytkowaniaterenu oraz uwilgotnienia gleby w okresie poprzedzającym opad.Wszystkie przedstawione czynniki opisuje wyznaczanybezwymiarowy parametr CN (ang.Curve Number) reprezentującymaksymalną potencjalną retencję zlewni S o wartościach z zakresu0-100.

Wykorzystanie numerycznego modelu terenu

Istnieje wiele algorytmów wykorzystujących NMT. Problem polegajednak na tym, że muszą one być powiązane z algorytmamiwykorzystanymi później do modelowania np. spływupowierzchniowego. Do poprawnego hydrologicznie NMT niezbędnesą też linie szkieletowe (m.in. przebieg wododziałów i przebiegcieków).

Modele dostępne w GRASS 6.4

Dostępne bezpośrednio z poziomu programu.

r.topmodel

fizyczny model opad-odpływ

bazuje na wskaźniku topograficznym r.topidx wyznaczanym zNMT

pierwotnie napisany w Fortranie

r.drain

śledzi linie spływu dla zadanych punktów źródłowych, kończyna lokalnych minimach

Roger S. Miller, 2001

r.basins.fill

generuje rastrową mapę zlewni cząstkowych na podstawierastrowej mapy z segmentami cieków

Dale White, Dept. of Geography, Pennsylvania StateUniversityLarry Band, Dept. of Geography, University of Toronto,Canada, 2009

r.flow

z rastrowego NMT tworzy wektorowe linie spływu

raczej przydatny do modelowania erozji niż generowania siecihydrograficznej

Maros Zlocha, Jaroslav Hofierka, Comenius University,Bratislava, Slovakia,Joshua Caplan, Mark Ruesink, Helena Mitasova, University ofIllinois at Urbana-Champaign, 2008

r.terraflow

modelowanie spływu dla dużych rastrowych NMT

zoptymalizowane pod kątem operacji zapis/odczyt

SDF - Single Flow Direction [D8]

MFD - Multiple Flow Direction

The TerraFlow project, 1999, Duke University. Lars Arge, JeffChase, Pat Halpin, Laura Toma, Dean Urban, Jeff Vitter,Rajiv Wickremesinghe.

Porting for GRASS, 2002: Lars Arge, Helena Mitasova, LauraToma.

r.water.outlet

wyznacza zlewnię dla podanego przekroju zamykającego

Charles Ehlschlaeger, U.S. Army Construction EngineeringResearch Laboratory

r.watershed

rozbudowany program do tworzenia map akumulacji spływupowierzchniowego, kierunków drenowania, lokalizacji cieków izlewni, zawiera model RUSLE (Revised Universal Soil LossEquation)

Charles Ehlschaeger U.S. ACERL

Markus Metz, 2003-2010

Modele dostępne jako dodatki (Add-on)

Mają dostępne kody źródłowe na stronach projektu, ale wymagajądoinstalowania.

HydroFOSS

Model HydroFOSS - Massimiliano Cannata 2006

o parametrach dyskretnie rozłożonych

procesów fizycznych

modułowy

r.stream.*

Grupa modułów do wyznaczania parametrów Hortona.Jarosław Jasiewicz, UAM Poznań

r.stream.distance

Grass Image Processing Environment - Yann Chemin

o parametrach dyskretnie rozłożonych

procesów fizycznych

modułowy

zawiera m.in. model r.hydro.CASC2D

jGRASS

JGrass – Hydrological Modeling in Java

niazależne środowisko zbudowane na platformie uDig

napisane w języku Java

wspierane i rozwijane przez CUDAM, HydroGIS orazDepartment of Environmental and Civil Engineering of theUniversity of Trento

wykorzystuje moduły GRASS

Teoria a praktyka

Najczęściej modelowanie hydrologiczne z wykorzysteniam GISrozumiane jest jako pre-processing. Obejmuje np.:

Przygotowanie map pokrycia terenu (roślinność, gleby,uwilgotnienie) w oparciu o zdjęcia lotnicze/satelitarne. Na tympolu GRASS udostepnia wiele narzędzi.

Przetworzenie numerycznego modelu terenu dla potrzebmodelowania hydrologicznego i hydraulicznego

Wyznaczenie zlewni elementarnych do obliczenie parametrówskupionych

Wnioski

Większość ”modeli hydrologicznych”dotyczy wyłączniepreprocessingu

Spośród opisujących poszczególne procesy elementarne,większość ogranicza się do jednego procesu.

Modele hydrologiczne tworzone są w sposóbnieskoordynowany i mają dość krótkie okresy życia.

W tej chwili praktycznie brak rozwijanego, kompleksowegomodelu hydrologicznego w ramach projektu GRASS.

[email protected]

GRASS w modelowaniu hydrologicznym

Education

Transcript of GRASS w modelowaniu hydrologicznym