GIS U ANALIZI RIJEČNE MREŽE

Transcription

1 Sveučilište u Zagrebu Prirodoslovno-matematički fakultet Geografski odsjek Neven Dimač GIS U ANALIZI RIJEČNE MREŽE Prvostupnički rad Mentor: Prof. dr. sc. Aleksandar Toskić Ocjena: Zagreb,2008.god

2

3 SADRŽAJ 1.UVOD GEOGRAFSKI INFORMACIJSKI SUSTAVI Razvoj GIS-a Prostorna analiza u GIS-u GIS U HIDORGEOGRAFIJI Prepoznavanje i izdvajanje riječne mreže u GIS-u GIS u analizi riječne mreže Kvaliteta vode u riječnom toku unutar gradskog područja Indije ZAKLJUČAK LITERATURA...25

4 UVOD GIS (geografski informacijski sustavi) je relativno nov pojam. Pojavio se je kada i ostali informacijski sustavi tj. pojavom računala. Općenito govoreći, sustav je skup povezanih objekata i aktivnosti koji svojim međuodnosima služe zajedničkoj namjeni. GIS predstavlja jedno od najsloženijih i najdinamičnijih područja primjene računala. Glavni razlog tome je njegova izuzetna složenost, koje pokriva ne samo nekoliko područja informatičkih tehnologija (baze podataka, projektiranje pomoću računala,automatsko prikupljanje podataka, itd) već i nekoliko različitih tehničkih i znanstvenih disciplina (geodezija, ekologija, geografija, itd.). Tek 60-ih godina dolazi do razvoja prvog pravog svjetskog GIS-a, koji se je koristio za prikupljanje, spremanje, obradu, distribuciju kao i pretraživanje informacija gdje korisnik uvijek može dobit informacije u njemu razumljivom obliku. Slika 1.Prikaz slojeva u GIS-u Izvor: Daljnim razvojem računalne tehnologije te usavršavanjem programa kao i samog GIS programa omogućuje se primjena GIS-a u različitim područjima kao naprimjer u hidrologiji. Jedan od značajnijih plug in programa je GisHydro2000 web program koji služi za hidrološke analize. Primjena GIS-a omogućio nam se uvid u kompleksnije prostorne analize kao npr. analiza rijeke Chagre u Panami gdje se je za potrebe te analize stvorena velika količina geoprostornih podataka. Zatim analiza sliva rijeke Maumee u sjevero-zapadnom 1

5 dijelu Ohia u SAD gdje se pomoću GIS-a prikazuje negativan utjecaj urbanizacije koji se očituje kroz razaranje močvarnih područja u svrhu industrijskog i smještajnog razvoja. Sa naglim porastom stanovnika te samim time i gradskog stanovništva na području Indije vrši se pritisak na prostor pa tako i na njegove vodne resurse što se može primjetiti iz analize kvalitete vode rijeke Nag u urbanom središtu Indije gdje je sa znatnim porastom stanovnika došlo i do znatnog zagađenja vodnih resursa čija će analiza u ovom radu biti navedena i objašnjena. Poseban naglasak u ovom radu stavljen je na prostornu analizu što nam je omogućilo bolje upoznavanje kao i svrhu jednog kompleksnog, a isto tako vrlo korisnog programa. 2

6 2.GEOGRAFSKI INFORMACIJSKI SUSTAV Geografski informacijski sustavi (GIS) je sustav za upravljanje podacima i obilježjima pridruženih njima. U užem smislu to je računalni sustav kojim se integriraju, spremaju, uređuju, analiziraju i prikazuju geografske informacije. U općenitijem smislu GIS je alat koji omogućuje korisnicima analiziranje prostornih informacija i uređivanje podataka. Kao što je već navedeno GIS obrađuje prostorne podatke te kao takav integrira prostorne i druge vrste informacija unutar jednog sustava te na taj način nudi konzistentni okvir za analizu prostora. Tehnologija geografskog informacijskog sustava može se koristiti u znanstvenim istraživanjima, upravljanje resursima, katastru, planiranje razvoja, kartografiji i planiranje puta. GIS bi na primjer, omogućavao planerima u slučaju opasnosti da lako izračunaju vrijeme potrebno za odgovor u slučaju prirodne katastrofe ili bi se pak mogao koristiti za pronalaženje močvara koje trebaju zaštitu od onečišćenja. Neka od područja primjene GIS-a su katastar, ekologija i analiza utjecaja na okoliš, otkrivanje područja bogatih rudom, naftom ili plinom te primjene GIS-a u marketingu. Osnovni elementi geografskog informacijskog sustava se sastoji od pet cjelina, a to su : podaci, hardver, softver, korisnik i organizacija. Ti svi navedeni elementi su u korelaciji i svaki od tih elemenata je značajan (softver je ovisan o harveru, podaci o korisniku, itd. ) ali nužno je naglasit da su podaci jako bitni u ovom segmentu, gdje bez odgovarajućih podataka nema ni GIS-a. Funkcionalnost i ograničenja GIS sustavaizravno ovise o načinu prikazivanja podataka. Važan element za potrebe donošenja odluka je integracija: povezivanje tehnologije, podataka, i strategija donošenja odluka. Ono što je GIS danas jest integracija prostornih analiza i digitalnih prostornih podataka s računalnom tehnologijom. GIS je istovremeno teleskop, mikorskop, računalo, fotokopirni aparat regionalne analize i sinteze prostornih podataka (Ron Abler, 1988). Važno je napomenut da je bit GIS-a preklapanje slojeva odnosno operacija prostornog preklapanja dvaju ili više slojeva i stvaranje novih slojeva pri čemu se mijenjaju geometrijski podaci, ali i atributivni ( opisni ) podaci (A. Toskić, 2007.) 3

7 Slika 2. Prikaz različitih cjelina GIS-a Izvor:Pužar I;2004.god; Geografsko Informacijski Sustavi,Zagreb,str. 6. Za mnoge je GIS više od računalne baze podataka i skupa alata to je također filozofija za upravljanje informacijama. Unutar informacijskog sustava geografski podaci se definiraju na prostorna, tematska i vremenska obilježja. Podaci mogu biti prostorni u smislu da opisuju pojedini položaj neposredno ili posredno te se kao takvi mogu prikazati u grafičkom ili negrafičkom obliku. Kada spominjemo izvore podataka u GIS-u to bi se odnosilo na primarne i sekundarne izvore gdje se kod primarnih izvora odnosi isključivo na direktno mjerenje objekata i njihovih obilježja (daljinska istraživanja), a na prikupljanje podataka iz sekundarnih izvora odnosi na skeniranje i digitalizaciju. Tab. 1. Prikaz tipova podataka u GIS Izvor: Izradio Neven Dimač 4

8 2.1. Razvoj Gis-a Prije 35,000 godina na zidovima u špiljama blizu Lascauxa u Francuskoj kromanjonski lovci su nacrtali slike životinja koje su ulovili. Pridružene životinjskim crtežima su i staze za koje se pretpostavlja da prikazuju migracijske putove. Ti rani zapisi slijedili su dvoelementnu strukturu modernog geografskog informacijskog sustava: slikovna datoteka povezana je s atributnom bazom podataka. U 18. stoljeću provele su se suvremene geodetske tehnike za topografsko kartiranje uz ranije verzije tematskog kartiranja, npr. za znanstvene podatke ili podatke popisa stanovništva. Rano 20. stoljeće doživjelo je razvoj "fotografske litografije" u kojoj su karte bile odvojene u slojeve. Tehnologija za Gis se razvila iz dva područja:digitalne kartografije i CAD-a (Computer Aided Design,računalom podržano oblikovanja) i sustava za upravljanje bazama podataka (Data Base Managment System). Slika 3: Integracija baza podataka i CAD sustava u GIS-u Izvor: Godine razvoj prvog pravog svjetskog operacijskog GIS-a u Ottawi, Ontario potaknulo je federalno Ministarstvo energije, rudarstva i resursa. Razvio ga je Roger Tomlinson, a nazvan je "Kanadskim GIS-om" (Canadian GIS; CGIS) i koristio se za spremanje, analiziranje i rukovanje podacima prikupljenima za katastar (Canadian Land Inventory; CLI) inicijativa za određivanje kvalitete tla zemljišta u ruralnoj Kanadi kartiranjem informacija o tlu, poljoprivredi, rekreaciji, divljini, vodenim pticama, šumarstvu i upotrebi zemljišta u mjerilu 1:250,000. CGIS je bio prvi svjetski "sustav" pošto je omogučavao mogućnosti preklapanja, mjerenja, digitaliziranja/skeniranja, a podržavao je nacionalni koordinatni sustav korišten duž cijelog kontinenta, kodirane linije poput "lukova" imale su pravu ugrađenu topologiju, te je spremao atributivne i lokacijske informacije u odvojene datoteke. Njegov osnivač, geograf Roger Tomlinson, postao je poznat kao "otac GIS-a". 5

9 CGIS, koji je trajao do 1990-ih, izgradio je najveću digitalnu bazu podataka o zemljišnim resursima u Kanadi. Razvio se kao glavni sustav koji je služio u prostornom planiranju na različitim razinama (federalna i provincijska). GIS je omogučio kompleksnu analizu skupa podataka širom kontinenta. Značajni faktor CGIS da nikad nije bio dostupan u komercijalnom obliku. Njegov početni razvoj i uspjeh potaknuo je različite komercijalne primjene kartiranja koje su prodavali prodavači poput Intergrapha. Razvoj računalnog hardvera proširili su tvrtke poput ESRI-a, MapInfo-a i CARIS-a gdje su uspješno unijeli obilježja CGIS-a, pritom povezujući pristup 1. generacije softvera na odvajanje prostornih i atributnih informacija s pristupom 2. generacije softvera na organiziranje atributnih podataka u strukture baza podataka. Cijena hardvera je značajno utjecala na širenje primjene GIS-a kao i razvoj telekomunikacija točnije interneta koji je omogučavao korištenje GIS programa širem krugu korisnika ali sa znatno jednostavnijim opcijama. Danas je internet glavni medij softverske distribucij isto tako postoje mogućnosti kupnje licence koja nam omogučava korištenje GIS softvera sa mogučnošću upravljanjem podataka, ali previsoka cijena još uvijek onemogučuje da postane program široke primjene. 2.2.Prostorna analiza u GIS-u Prikupljanje i analiza informacija o okolini bili su pokretačka osnova za razvoj GIS-a i nadalje su važno područje primjene GIS-a. Prostorni podaci uglavnom su veliki i zahtijevaju brižljivo upravljanje. Izvori prostornih podataka uključuju: postojeće topografske karte, tematske karte koje bilježe geološke obilježja i prostora itd., podatke daljinskog istraživanja koji se skupljaju od satelitskih promatranja i zračnih fotografija. Modeli podataka stvarnosti su presloženi čak i za najsofisticiranije GIS programe, pa je zato, da bi se oni predstavili u podacima o prostoru, osmišljeno njihovo pojednostavljenje poznato kao podatkovni model. U geometrijskom modelu stvarnost pojednostavljena u samo tri prostorna elementa, koji se mogu koristiti za predstavljanje pravog svijeta. 6

10 Slika 4: Analiza vremenskog odaziva vatrogasne službe u slučaju požara ( crvene kućice predstavljaju postojeće dok kućice bijele boje predstavljaju predložene vatrogasne stanice) Izvor: Tri geometrijska modela: točka, crta, poligon (područje, površina.) U primjeni GIS-a u telekomunikacijama, na primjer, točka može predstavljati mjesto spojnih kutija; crta može predstavljati kabal; područje može predstavljati zgradu i površina može predstavljati površinu zemlje kroz koju su provučeni kablovi. Tada se ovim prostornim elementima pridodaju atributi, na primjer, vrsta kabala, adresa zgrade i visine bilo koje točke. Spajanje prostornih elemenata s njihovim atributima jedan je od ključnih koncepata GIS-a. Prostorni elementi i njihovi atributi pohranjeni su korištenjem više formata prostornih podataka pojedinih GIS programa. Osim za prikazivanje dvodimenzionalnih, u GIS-u postoji i mogučnost prikazivanja reljefa Zemljine površine i u trodimenzionalnom obliku. (npr. prikaz korita rijeke, reljefa nekog kraja, itd. Mogućnost kreiranja karte s linijama koje označavaju količinu oborina može se smatrati padalinskom izolinijskom kartom. Dvodimenzionalna izolinijska karta stvorena generaliziranjem iz padalinskih mjernih točaka može se preklopiti i analizirati s bilo kojom drugom kartom u GIS-u koja pokriva isto područje.npr. Da li su se u proteklih 35 godina otvorile benzinske stanice ili tvornice koje rade pokraj močvara? Neke koje se nalaze tri kilometara i uzbrdo od močvare? GIS može prepoznati i analizirati prostorne 7

11 odnose koji postoje unutar digitalno spremljenih prostornih podataka. Ti prostorni odnosi dopuštaju da se izvedu analiza i kompleksno prostorno modeliranje. Topološki odnosi između geometrijskih entiteta tradicionalno uključuju graničnost (što graniči s nečime), sadržaj (što obuhvaća nešto) i približnost (koliko je nešto blizu nečemu drugome). Da su sve tvornice blizu močvare slučajno ispustile istovremeno kemikalije u rijeku, koliko bi onda trebalo vremena određenoj količini zagađivača da uđe i ošteti močvarno spremište? GIS može simulirati kretanje materijala duž linearne mreže. Vrijednosti poput nagiba, ograničenja brzine, promjera cijevi mogu se uvrstiti u mrežno modeliranje radi mnogo pouzdanijeg prikazivanja tijeka pojave. Također moguće je pratit migracije životinja gdje se primjenom GIS-a može analizirati utjecaj nekih objekata (cesta, željeznička pruga) na migracije životinja. 8

12 3. PRIMJENA GIS-a U HIDROGEOGRAFIJI U svrhu prikaza vodenih resursa na području SAD-a model rijeka i riječnih slivova napravljen je u svrhu prikazivanja riječne mreže gdje usmjeravanje u GIS djeluje na temelju jedne linije gdje ta linija prikazuje sistem, ali u vodenim sistemima,reduciranje riječne mreže na jednu liniju je puno kompliciranije zbog postojanja jezera i rezervoari. Jezera i rezervoari prikazana su na način da sa centralne linije tih tijela spajaju sa regularnim linijama riječne mreže. Kao dio razvoja nacionalne Hidrografske podatkovne baze,svi podaci centralnih linija su prilagođeni mjerilu 1 : Riječna mreža i njezin sliv tvore dualnost,odnosno za svaku lokaciju na rijeci postoji i odgovarajuće riječno područje te unutar svakog riječnog područja postoji odgovarajuća riječna mreža.riječno područje predstavlja pogled na te vodene resurse unutar kojeg možemo utvrditi utjecaj tla,način iskorištavanja,biljni pokrov i urbani razvoj na to riječno područje Drenažni smjer na površini tla se određuje se pomoću Digitalnog Eleviranog Modela(digitalni model reljefa)(dem) Rijeka nije samo plava linija na karti; ima kompleksnu trodimenzionalnu morfologiju koja je definirana pomoću cross-section preklapanja uzduž riječne centralne linije. Ti cross-sekcijski modeli su izdvojeni iz modela terena pomoću triangulirane iregularne mreže Slika 5. Prikaz profila riječne mreže u ArcGis-u Izvor: Consortium for GIS in Water Resources to Design Water Resources, University of Texas at Austin Prirodni tok rijeke se mijenja kroz vrijeme bilo to pod utjecajem urbanizacije ili klimatskim elementima (padaline) gdje bi se pomoću multitemporalnih slika primjetila promjena na području kroz određeni period. Tu se vidi snaga Gis softvera gdje sa svojom bazom podataka omogućuje intergraciju sa predloženeim modelom bilo kao objektna klasa ili kao set 9

13 prostornih sadržaja. Unutar GIS-a gdje sam proizvođač tog softvera(esri)pruža kolekciju standardiziranih alata za modificiranje u kompleksniju formu. Za svaku posebnu aplikaciju, u ovom slučaju rijeke i riječna područja, može se kreirati predložak koji definira različite klase za modificiranje objekata, specifirajući njihove karakteristike, listu karakteristika i opis veza objektnih klasa kroz njihovu povezanost. Ovaj predložak se koristi unutar softvera ArcInfo za importiranje geoprostornih podataka u relacijski sistemski menadžment baze podataka u svrhu popunjavanja različitih komponenata modela. Objekti prate hijerarhijsku strukturu pod što se razumijeva da su najjednostavniji slučaji na vrhu hijerarhijske piramide dok su oni kompleksnije varijante pri dnu piramide. Strelica koja spaja objekte indicira na naslijeđe svojstva i karakteristika duž hijerarhijske piramide što omogućuje dodavanje detalja po potrebi. Modificirani objekti riječnih mreža i riječnih područja kreiraju se sa dodavanjem dodatnih slojeva prije navedene hijerarhije. Slika 6. Kompleksnost riječne mreže gledajući kroz spektar ArcView softvera Izvor: Consortium for GIS in Water Resources to Design Water Resources, University of Texas at Austin 10

14 Analiza sliva rijeke Maumee u SZ dijelu Ohia Elaboracija GIS-a kao polivalentnog programa upućuje na njegov širok spektar primjene kao što su telekomunikacije, nekretnine, promet, hidrologija odnosno hidrogeografija. Kada smo već kod hidrogeografije orijentirat ćemo se na njegovu primjenu u hidrogeografiji kroz konkretan primjer korištenja GIS sustava u hidrogeografiji. Sliv rijeke u SZ Ohio je određeno područje pozornosti konzorcija Velikih Jezera dogovora o kvaliteti vode. To područje je neprestano raste te doživljava urbani razvoj te destrukciju močvara. Projekt MR(Maumee River Watershed Wetlands Protection and Enhancment Planning Project) zahtjeva točnu inventarizaciju močvara kao i klasifikacijsku metodu, koja bi bila ključna metoda u spriječavanju destrukcije močvara kao i u znatno pridonošenje regionalnoj kvaliteti vode. Slika 7: Regija Lukas,obala zaljeva Maume zapadnog bazena jezera Erie. Izvor: Da bi se provela inventarizacija močvare potreban nam je ARCGis softver. Landsat 7(sateliti za snimanje zemljine površine) koji je poboljšan Mapper PLUS satelitskom predodžbom koji je prema konzorciju Ohio Viewa Remote Sensing(daljinskog raspoznavanja) korišten unutar Eradas IMAGINE (softver za procesiranje geoprostornih slika) koji je služio za inventarizaciju odnosno klasifikaciju močvarnih tala kao i njihovu distribuciju. Funkcija 3 algoritma je dizajnirana u svrhu klasifikacije četiri glavna tipa močvarnih tala odnosno četiri od najvećeg interesa, a to su : šume, prerije, obrežni dio odnosno obalno i priobalno močvarno tlo. Landsat snimke od 2000 kroz 2003 god.su korišteni u svrhu promatranja kao i u svrhu bilježenja promjena u vegetaciji za vrijeme sezone rasta odnosno cvatnje. Pregledane je cjelokupna kvaliteta slike pod što se podrazumjeva promjene u vegetaciji i naoblaka. Pomoću IMAGINE MODEL MAKERA selektirane su sezonske scene odnosno snimke u svrhu 11

15 kreiranja multitemporaralnih slika.pomoću kojih bi se stvorio uvid u prostor značajnog rizika te bi se samim time olakšala analiza prostora. Slika 8: Digitalna Elevacija Modela(DEM) pomogla odredit detaljnije drenažne uzorke. Zeleno sa crvenim obrisom predstavlja 100 kao i 500-god. naplavne ravni. Umetnuta slika prikazuje tipičan primjer vegetacije uzduž obale rijeke. Izvor: Tim koji je radio na projektu provodio je seriju klasifikacijskih procesa. Kada govorimo o općenitoj klasifikaciji podloge tla relativno je lagano odvojiti i klasificirati. No, prvi pokušaj klasifikacije nije davao željene rezultate,zapravo,davao je dosta netočne podatke zbog spektralne reflektivnosti vegetacijskog pokrova koji je bio dosta sličan na svakoj klasi močvarnog tla. Rezultati koji su dobiveni pomoću snimka iz Landstat integrirani su sa GIS podacima u svrhu kreiranja razumljivih prostornih informacija sa svim povezanim atributima koji su vezani za močvarna tla. Opseg integriranih podataka uključuje informacije od tipove tla pa sve do hidroloških podataka. Podaci o drenaži su dobiveni pomoću 30-metarnog digitalnog modela (DEM)omogućen od strane Geološkog društva u SAD-u. Brojni DEM područja istraživanja su kombinirani sa geoprocesnim alatima za kombiniranje odnosno pripajanje u ARCGis softveru. Drugi dio obuhvaćao jediničnu konverziju koji je proveden pomoću rasterskog kalkulatora u ArcGis prostornoj analizi u svrhu konventiranje vrijednosti u metričke jedinice. Nathan Torbick(utvrdio je napredniju klasifikacijsku tehniku koristeći IMAGINE EXPERT klasifikator alat koji se koristi za izvođenje ekspertnih sistemskih klasifikacija za usavršavanje već postojećih klasifikacija kao i naprednije GIS modeliranje 12

16 Slika 9:Analiza podatkovnih slojeva močvarnih područja.zelena predstavlja obrađivane agrikulturne parcele,roza boja predstavlja šumovita područja,dok plava boja predstavlja jarke i drenažne hidrološke mrežne sisteme regije. Izvor: Hydrology data: digitized USGS orthophotoquads and Lucas County, Ohio, drainage maps Upravo Torbick izjavljuje da ArcGis prostorni analizator kao i ArcHydro imaju odlične mogućnosti za hidrografske analize(nagib, drenažna područja, dotok, akumulacije i površinski tok) ti navedeni parametri su se smatrali jednim od utjecajnijih močvarnih područja. Karte naplavnih ravni(stogodišnje i petstogodišnje) te karte područja s opasnošću od poplava su integrirana pomoću ArcGis-a u jedan kontinuirani shape file. Daljne istraživanje orijentiralo se je na iskorištavanje zemlje unutar naplavnih ravni te je u tu svrhu provedena indetifikacije mjesta i područja kao i izvođenje inventarizacije.indetifikacija obalnih močvarnih tala kao i onih lociranih uzduž rijeka i riječnih obala zahtjevali su malo kompleksniji pristup. USGS topografske i drenažne karte regija nabavljene su u svrhu digitalizacije na temelju koje bi se kreirala površinska karta. Koristeći ArcGis GEOPROCESSING alate 60- ili 90- metarni buffer je primjenjen u hidrološkim polinijama da bi se kreirala zaštitna zona koja se koristi za kvantificiranje područja koja pripadaju obali. (takoreć tampon zonu) Da bi se riješio problem rijeke Maumme potrebno je sagledati cjelokupnu sliku odnosno svaki segment istraživanog područja da bi se to postiglo potrebni su podaci o agrarnom iskorištavanju područja interesa koja je ustupila Regionalna vlada u SZ Ohiu koja održava prostorne podatke o agrikulturnom korištenju zemlje. Trenutačna procjena agrikulturnog korištenja je inicijativni financijski baziran program gdje registrirani zemljovlasnici plaćaju porez na kulturu koju trenutačno uzgajaju. Podaci o kulturama koje se uzgajaju na području Lucas regije u Ohiu su pretvoreni u klasifikacijski model. U svrhu ovog rada sva zemlja se registrira kao agrikulturna parcela te se eleminira iz AOI (area of interest)-područje interesa. Prijeko potrebni podaci o slojevima tla 13

17 dobiveni su od Ohijskog ureda za Prirodne Resurse. Koristeći podatke Američkog odijela za agrikulturu službu za očuvanje prirodnih resursa i odijela za očuvanje tla ARCGIS je angažiran da ispita hidrološke uvijete tla. Specifični tipovi tla su indetificirani bazirajući se na detaljnim atributivnim podacima koji su se koristili za kreiranje unaprijeđenog AOI klasfikacijskog modela što je reduciralo područje interesa za oko 50%. Bolja podijela područja interesa(pi) reducirali su korištenje memorije na računalima, povećala brzinu analize ali najvažnije je da je znatno povećalo točnost podataka. Integriranje Gis komponenata i podataka u svrhu razvoja karata PI kao i njezine upotrebljivosti znatno je smanjila pogreške u klasifikaciji. Koristeći GIS softver uvelike je olakšalo klasfikaciju, indetifikaciju te inventorizaciju glavnih močvarnih tipova područja na području SZ OHIA. Mogućnost izrade karata močvarnih područja olakšalo je urbano planiranje na tom području. 14

18 3.1. Prepoznavanje i izdvajanje riječne mreže u Gis-u Riječna mreža se može izdvojiti pomoću funkcije akumulacije protoka. Akumulacija toka u svojoj najjednostavnijoj formi je zapravo broj uzdizajućih čelija koje teku u svaku čeliju.(prelijevanje iz više u nižu čeliju) Integriranje graničnih vrijednosti (numeriranje čelija) sa rezultatima funkcije akumulacije toka pomoću Map Algebra, riječne mreže mogu se izdvojiti pomoću npr. naredba koja treba za kreiranje rastera gdje vrijednosti u pozadini NoData prezentira da riječna mreža može biti : streamnet =con(flowacc>100,1) ili streamnet = setnull (flowacc<100,1) U oba primjera sve čelije sa više od 100 čelija koje teku u njih označeni su vrijednošću 1 dok su sve ostale čelije označene sa NoData. Jednom kreirana riječna mreža može biti daljne analizirana pomoću riječnog reda veličina, riječnih veza i riječnih obilježja, rangiranje rijeka, dodjeljivanje unikatnih ID(indetifikacijskih brojeva) riječnih veza ili kreiranja podatkovnih obilježja. Riječno sistematiziranje je metoda dodjeljivanje brojeva vezama u riječnoj mreži. Ta metoda prvenstveno služi identificiranju i klasificiranju tipova rijeka bazirana na njihovom broju pritoka. Neke karakteristike rijeka mogu biti zaključene samo poznavajući njihov red. Npr. rijeke prvog reda su kategorizirane prema kopnenom toku rijeke. Funkcija rangiranja rijeke ima dvije metode za određivanje reda veličine: Strahlerova i Skrene Slika 10. Lijeva metoda prikazuje Strahlerovu metodu dok desna prikazuje Skrenovu metodu Izvor:Softver,ArcGis/Opcija Help /Stream analysis U obje metode, segmenti gornjeg toka označeni su sa vrijednošću 1. U strahlerovoj metodi veličina riječnog reda se povećava kad dolazi do intersekcije rijeka istog reda. Intersekcija veza prvog reda će kreirati vezu drugog reda dok intersekcija dvije veze drugog reda konstruiraju vezu trećeg reda,ali će zadržati red najveće veze. Strahlerova metoda je 15

19 uobičajena metoda rangiranja odnosno određivanja reda rijeka odnosno njezinih pritoka.shrevova metoda je malo drugačija gdje dolazi do zbrajanja unutrašnjih veza. Npr. intersekcija veza jednog reda sa vezom drugog reda kreira se veza trećeg reda dok, intersekcija trećeg reda sa drugim redom kreira vezu petog reda. Riječne mreže(stream LINKS) Funkcija stream links omogućava dodjeljivanje unikatnih vrijednosti svakoj vezi u rasterskoj linearnoj mreži. Vektoriziranje riječne mreže Rasterska linearna mreža može biti točno konventirana pomoću funkcije riječnog sadržaja u sadržaj prezentiran za linearnu mrežu. Slika 11.Prikaz metode vektorizacije Izvor:Softver,ArcGis/Opcija Help/Stream analysis Algoritam vektorizacije je dizajniran primarno za vektorizaciju riječne ili bilo koje druge rasterske mreže.izlazni element podataka ukazuje na nizvodno usmjeravanje lukova.stream to feature je algoritam optimiziran za korištenje usmjeravajućeg pravca rastera u svrhu pružanja pomoći vektorizaciji interselektiranja susjednih čelija. Sa stream feature moguće je dvije susjedne čelije spojiti u jednu vrijednost da se prikaže kao dvije paralelne linije umjesto u jednu liniju što bi i bio slučaj da se koristi druga metoda vektorizacije. 16

20 3.2.GIS u analizi riječne mreže Rijeka Chagra u Panami U svrho ovog istraživanja kreiranja GIS baza podataka kao i dodatni slojevi(data layers) koji su prijeko potrebni za prikazivanje riječnog područja. Posebna pozornost se posvetila izdvajanju riječne mreže, zbog podataka o digitalnom modelu reljefa koji su se koristili za izdvajanje pogrešaka iz riječne mreže. Slika 10:Prikaz rijeke Chagre u Panami Izvor: Postojeći novonastali digitalni georeferencirani podaci su integrirani unutar GIS baze podataka gdje je integracija sa već postojećim podacima omogućila korisnicima ispitivanje odnosno proučavanje preklapajućih slojeva te im je isto tako omogućen pregled veza između prostornih varijabli u kompleksnom pejzažu. Postojeća osnovica GIS slojeva kreira okosnicu za terensko promatranje podataka koji su prikupljeni uzduž gl. kanala rijeke Chagre. Upravo taj primjer indicira na mogućnosti integracije podataka dobivenih terenskim istraživanjem sa već postojećim prostornim podacima. Različiti digitalni georeferencirani podaci prikupljeni su tijekom početne faze projekta, uključujući digitaliziranu geološku kartu sa nekoliko elemenata kao što su; geološki sadržaji rijeke i topografija u mjerilu 1 : Georeferencirani podaci rijeke kao i geološki podaci prikupljeni su uzduž rijeke Chagre i njenog pritoka. Stvarajući riječnu mrežu koristeći podatke digitalne modela reljefa nije bio baš jednostavan posao. Bilo je nužno razumijeti pretpostavke odnosno teze koje se javljaju prilikom riješavanja smjera toka na DEM zato jer bi mogle imati utjecaja na lokaciju izdvojene riječne mreže. To je posebno kritično u slučaju bazena rijeke Chagre zato jer nije bilo ekstenzivnog 17

21 kartiranja kanala rijeke te izlazne analize pružaju najbolju moguću kartu riječne mreže. Nakon opisa osnovne mrežne analize dolazi na red usporedba odnosno ekstrakcija različitih metoda i različitih mjera digitalnog eleviranog modela. Slika 11:Derivacija bazena rijeke Chagre Izvor: Korištena su dva seta alata za izdvajanje riječne mreže a)rivertools- komercijalni program koji služi za terensku analizu b)grass GIS besplatan softver koji omogućuje analize bazena(obuhvaća znatan set modova za analizu riječnih bazena, ali u svrhu ovog rada korišten je mod riječne mreže ) Prvi pokušaj u određivanju lokacije riječne mreže je bio odstranjivanje odvoda i kreiranje pejzaža bez depresija. Ova metoda se vršila pomoću RIVERTOOL-a.Što su to odvodi na Gis generiranoj karti? To su zapravo slojevi DEM pikseli koji su niže pozicionirani nego ostali okružujući pikseli. Ti odvodi mogu biti hidrološki sadržaji ili mogu biti elementi procesa kreiranja digitalnog eleviranog modela. U slučaju DSM rijeke Chagre (digital stream model) neke deprersije ipak nisu odstranjene zbog krošanja drveća koje stvaraju biljni krović nad kanalom. Metoda koja se koristila prilikom otkrivanja odvoda se vršila pomoću radara, gdje se na nekim lokacijama mjerila dubina riječnog korita, a na nekim lokacijama vrh biljnog pokrova gdje je dobiveni diskontinuitet pokazivao na depresije koje su se popunile na razinu okolnih čelija s namjerom pračenja rute toka kroz topografiju 18

22 Slika 12: Centralna selekcija središnjih točaka riječne mreže Izvor: Ključan korak u riječnoj analizi je rješavanje smjera toka tekučica na pejzažu za svaku eleviranu čeliju. Jednom kad je smjer toka određen za svaku čeliju protok akumulacije je izračunat pomoću usmjeravanja toka kroz DEM i izračunavanja broja čelija koji deriviraju kroz svaku čeliju. Riječna mreža je tek onda izdvojena iz mreže pomoću selektirane granice akumulacije toka. Algoritam akumulacije toka softvera RiverWatershed(RW) razlikuje se od onog koji se koristi u programu Rivertool. Alogritam se bazira na nalaženju najkraćeg mogućeg puta između startne lokacije i ciljane lokacije sa elevacijom čelije koja prezentira vrijednost puta. Slika 13.Alogritam akumulacije toka. Slika lijevo prikazuje hipotetičku elevaciju okolnog reljefa dok slika desno prikazuje odgovarajuće padine odnosno tok rijeke iz čelije u čeliju najkraćim mogućim putem Izvor: Drenaža čelije nije utvrđena tako dugo dok lokacija donjeg toka rijeke nije utvrđena. Multi celularna depresija će urokovati samo lokalne nepravilnosti dok struktura riječne mreže će biti sačuvana. U ovom slučaju alogritam RW je korišten u malo modificiranijem slučaju. Standardna riječna mreža idnetificira samo donji tok rijeke Chagre, dakle da bi se dobio tok 19

23 cijele rijeke zajedno s njezinim pritocima, tok akumulacije je korišten sa kanalima ekstraktiranja na taj način da je za početnu točku rijeke uzeto 100 čelija za svaku rezoluciju(to znači da je za svaku kosinu druga rezolucija) Slika 14.Deriviranje rijeke pri različitim rezolucijama Izvor: Selekcija od 100 čelija je arbitrarna, više bazirana na kartografskim nego na fizičkim kriterijima gdje podaci dobiveni terenskim istraživanjem omogućavaju nam da odredimo granice sa većom točnošću. Značajno je još napomenut da vektor koji je prikazivao riječnu mrežu konventiran sa rasterskog u vektorski format. Unatoč učinku biljnog pokrova koji je onemogućavao DEM ipak je bilo moguće izdvajanje riječne mreže dosljedno sa terenskim prikupljenim podacima. U strmijim područjima alogoritam je gotovo sličan, iako postoje razlike u depresijama naplavnim ravnima i područjima. Usprkos utjecaju biljnog krovića na digitalni model reljefa moguće je bilo derivirati riječnu mrežu dosljednu s podacima dobivenih terenskim istraživanjem što se može zahvalit izrazitom reljefu i relativno homogenom vegetacijskom pokrovu. 20

24 3.3. Kvaliteta vode u riječnom toku unutar gradskog područja Indije Većina rijeka u Indiji su značajno zagađene zahvaljujući neodgovornom stavu populacije te nepravilnom gospodarenju riječnih tokova. Rijeka Nag teče kroz urbanizirani dio grada Nagpur, koji broji oko 25 mil sta. Sama brojka od 25 mil nam govori da se vrši znatan pritisak na eko- sistem rijeke Nag uslijed različitih ekonomskih i socijalnih aktivnosti vršen od lokalnog stanovništva kao i različitog načina korištenja zemljišta. Mnogobrojna kućanstva rezultiraju proizvodnjom tekućina, krutih i plinovitih otpadaka koji nalaze svoj put u rijeku. Sama svrha ove studije bila je provedena u svrhu planiranja odnosno očišćenja riječne mreže te oživljavanje postojećeg rijećnog statusa kao i organiziranje kanalizacijske mreže. Također će omogućit građanskim vlastima uspostavljanje manjih pogona za pročišćavanje otpadnih voda na povoljnim lokacijama. Urbanizacija se identificira kroz rast te stvaranje i širenje postojećih gradova. U Indiji broj stanovnika u gradovima raste na račun ruralnog stanovništva koje potreba za hranom kao i ostale potreba tjera na napuštanje ruralnih naselja te samim time stvaraju pritisak na grad pritom gradski oci se moraju suočit sa problemom stanovanja i opskrbe pitkom vodom. Procjenjuje se da će za nekoliko desetljeća u Indiji živjet više od 50 % stanovništva u urbanim područjima. Kvaliteta većinskog indijskog stanovništva ovise o postojećim životnim prilikama u gradovima. Slika 15. Slika prikazana pomoću LISS III, prikazuje riječnu mrežu rijeke Nag Izvor: GIS based qualitative analysis of Urban River Stream: A case Study of Nag River Urban Watershed, Dist. Nagpur, Maharashtra, India, Pinaka Ranade 21

25 Procjenjuje se da 75 % od ukupnog otpada koji otječe u rijeke Indije otpada na otpadne vode urbanog područja te je iz tog razloga odabran grad Nagpur sa svojom rijekom Nag gdje su vidljivi utjecaji urbanizacije na prije spomenutu rijeku. U svrhu ovog studija, korištenje GIS-a je bilo usmjereno na identificiranje zona pogodne kakvoće vode u urbanom području bazirane na podacima dobivenih terenskim istraživanjem. Podaci su se prikupljali uzduž rijeke Nag ( u ovom slučaju uzorak vode) te pomoću GPS-a. Metodologija koja se je koristila u ovom istraživanju orijenitirala se je na parametre kvalitete vode pomoću kojih se opisuje kemijske, fizičke i biološke karakteristike vode u svrhu određenog korištenja gdje bi se na temelju tih dobivenih podataka kreirali i slojevi koji bi olakašali prikaz postojećeg problema te samim time i ponudili riješenje u rješavanju postojećeg. Parametri koji su koristili u ovoj analizi bili su : TOTAL SUSPENDED SOLIDS TSS ( suhe čestice koje su zarobljene u filtru), TOTAL DISSOLVE SOLIDS TDS (materijal koji je prošao filter), BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAD BOD (biološka potrošnja kisika), CHEMICAL OXYGEN DEMAND (kemijska potrošnja kisika) i NEPROZIRNOST. Parametri navedeni iznad znatno su rasvjetlili stanje rijeke. Da bi se provela detaljnija analiza, postojeći podaci su se morali integrirati sa GIS-om. Da bi se stvorili podaci koji bi bili korisni u GIS-u,moralo se pribjeći KRIGING metodi koja generalizira kvalitativne parametare kao što su TSS,TDS,BOD,COD i NEPROZIRNOST. To je zapravo metoda pomoću koje se procjenjuje površina iznad interesnog područja ( AOI ), zapravo, prostorna interpolacija gdje se predviđa stanje u prostoru gdje nije bilo opservacije (A. Toskić,2007) Da generaliziram, konture su derivirane za različite kvalitativne slojeve za rijeku Nag te su naknadno pretvorene u vektorsku formu. Rasterski DEM slika je kreirana pomoću point data sa Kriging modelom u Geomatica softveru. Podaci dobiveni iz tih parametara bili su temelj za kreiranje kategorija pogodnosti odnosno kvalitete vode koji su dali kompletnu sliku odnosno mogućnost za iskorištavanje same rijeke. 22

26 Slika 16. Gis karta kvalitete vode rijeke Nag Izvor: GIS based qualitative analysis of Urban River Stream: A case Study of Nag River Urban Watershed, Dist. Nagpur, Maharashtra, India, Pinaka Ranade Tab.2. Kategorije indeksa kvalitete vode KATEGORIJA INDEX POGODNOSTI 5 VRLO POGODNO 4 POGODNO 3 SREDNJE POGODNO 2 UVJETNO POGODNO(NISKA POGODNOST) 1 NEPOGODNO Izvor: GIS based qualitative analysis of Urban River Stream: A case Study of Nag River Urban Watershed, Dist. Nagpur, Maharashtra, India, Pinaka Ranade Danas, 100% otpadnih voda grada Nagpura se izlijeva u rijeku Nag. Sam grad je imao velik broj izvora koji su se s vremenom prestali koristiti što je razlog njihove neposredne blizine rijeke Nag. U slučaju grada Nagpura tijekom planiranja te procesa razvoja nisu se uzele u obzir postojeći prirodni uvijeti kao što su topografija, geologija, režim vode, klima, vegetacija itd. Rijeke su se kanalizirale te su s vremenom konventirane u kanalizaciju, često kao rezultat nepromišljenog planiranja. Gis analizom dokazale su se postojeće sumnje, pomoću GIS-a, ne samo da su se dokazale nego su se i omogućile metode prevencije daljnjeg zagađenja, a to je usadnja ekološke svijesti lokalnom stanovništvu kao i riješenje stvaranja dotoka koji bi bili idealno alternativno nisko budžetno riješenje kao i ekološki prihvatljivo. 23

27 4. ZAKLJUČAK Da bi GIS imao vrijednost mora omogućit širok raspon funkcija za upravljanje i analizu podataka. Prema tome svaki dobar Gis bi trebao moći odgovorit na postavljena pitanja kao što su : Što su će se dogodit ako se kemikalije izliju u rijeku? Gdje se nalazi zeleni pojas u odnosu na grad? Da li se stanovništvo promijenilo u zadnjih 10 godina? Prema tome, možemo samo iz primjera koje sam naveo u samom radu zaključit da osnovna funkcija GIS-a se temelji na prostornoj analizi, ali njegova snaga ne prestaje s njegovom analizom, zapravo, GIS je sredstvo odnosno temelj za riješenja prostornih problema koji se već polako integrira u naše živote te polako ali sigurno postaje dio naše svakodnevnog života. Jednom je jedan autor izjavio da je GIS posao vrijedan milijarde dolara, kojeg ću ga ovom prilikom citirati. Porast korištenja GIS-a je trenutno, ali i slijedećih godina, marketinški fenomen je začuđujećeg opsega. Gis će se zasigurno toliko integrirati u naš svakodnevni život da će uskoro biti nemoguće zamislit kako smo funkcionirali bez GIS-a (Clarke,2001). Po mojem mišljenju,snaga GIS programa nije u njegovoj prostornoj analizi kao ni njegovim funkcijama, nego njegova mogućnost integracije sa ostalim podacima kao i njegova kompatibilnost što mu omogućava da preživi odnosno evulvira u program široke primjene. Činjenica je, da, barijera između GIS programa i njegove široke primjene kao i njegove komercijalizacije je njegova cijena kao i hardver(iako je hardver diskutabilan pošto cijena hardvera pada iz godine u godinu, a opet, za kvalitetniji rad nam treba kvalitetnije odnosno skuplje računalo). Doduše, svakodnevni razvojem tehnologije, pa tako i GIS-a, pojedincu je omogućeno korištenje Gis programa, što preko interneta, što softverima ograničenih funkcija. No, postavlja se pitanje, kako pomoću programa analizirat prostor i vršit znatne analize bez samog znanja o programu? To je i jedan od razloga njegove marginaliziranosti u ovom modernom svijetu tehnologije i programa, ne samo radi cijene, nego i nedostatka znanja za služenje tako kompleksnim sustavom, te je pojedinac primoran se služit jednostavnim GIS softverima, upravo radi njegovog nedostatka znanja o samom programu te samim time i ograničenost na samu snagu alata. Ne zaboravimo, od pet osnovnih GIS komponenata, dvije su najznačajnije, a to su podaci i sam korisnik. 24

28 5.LITERATURA ČLANCI D.Kinner,M.Mitasova,R.Stallard,D.Russel,L. Harmon and L. Toma,2003: Gis data base and stream network analysis for the Chagres river basin,republic of Panama Dr.Patrick Lawrence,2003:The Maumee river watershed in northwestern Ohio inventoried with Gis David R,2006: Consortioum for Gis in water resources to design new objects models centar for research in water resources,university of Texas P.Ranade, 2007: Gis based qualitative analysis of Urban River Stream. A case study of Nag river urban watershed,district Nagpur,Maharasktra,India I. Pužar,2004: Geografski informacijski sustavi seminarski rad,str 1-6 WEB ADRESE SOFTVER ArcGis/Desktop Help/Identifying stream networks 25

29 26