VYUŽITIE VÝŠKOPISNÝCH PODKLADOV V PROJEKTOCH POZEMKOVÝCH ÚPRAV UTILIZATION OF ELEVATION DATA FOR LAND CONSOLIDATION PROJECTS Mária Leitmanová Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Fakulta záhradníctva a krajinného inžinierstva, Katedra krajinného plánovania a pozemkových úprav, Hospodárska 7, 949 76 Nitra, e-mail: maria.leitmanova@gmail.com ABSTRACT The article addresses the generation and comparison of the accuracy of elevation data from two disparate underlying sources. We focused on creating a digital terrain model (DMR) on the basis of the Basic contour maps at a scale of 1:10000 (ZM10000) and functional maps of elevation made in land consolidation projects (PÚ). We chose the territory of Veľké Vozokany located in the district of Zlaté Moravce, Nitriansky kraj. Input data were ZM10000 raster contour surface for the formation of the DMR. We transformed the vector into the substrate by semi-automated vectorization and subsequent necessary treatment. Input data was the norm a list of coordinates and heights in *. stx from special-purpose mapping topography in the project. We describe the procedures of the DMR in both ways in this paper. We generated both DMR using interpolation methods Topo to raster with grid resolution of 5m. We realized creation and comparison of graphs generated by the DMR using geographic information system (ArcGIS version 10). We created two DMR compared to each other by means of selected charts over the terrain in the area and the results of descriptive statistics. We have tried to interpret the accuracy of input data in relation to their subsequent use in the process of land consolidation against the background of the results, since they are an important part of the evaluation results of any spatial analysis in projects. Keywords: landscaping, digital elevation model (DMR), thematic mapping, elevation, contour vectorization on the basis of ZM 10000 ÚVOD Podľa Šímovej (2008) je digitálny model reliéfu digitálnou reprezentáciou zemského povrchu zloženou z dát a interpolačného algoritmu, umožňujúceho odvodzovať nadmorské výšky v ľubovoľných bodoch nachádzajúcich sa v modelovanej oblasti. Existujú rôzne spôsoby, ako reprezentovať povrch Zeme v digitálnej podobe. Využívame pri tom zdroje z pozemných geodetických meraní: veľmi presné údaje, pri súčasnej technike merania, už priamo v digitálnej podobe súradníc bodov X, Y, Z. Ich získanie terénnym meraním je však finančne aj časovo náročné. Do tejto skupiny môžeme zaradiť údaje namerané pomocou globálneho polohového systému (GPS), ktorý zjednodušuje aj zlacňuje získavanie terénnych dát. Zdroje fotogrametrické: údaje založené na stereoskopickej interpolácií leteckých aj družicových snímkou, pričom dnešná technika umožňuje získavať tieto údaje v digitálnej forme a priamo ich použiť v GIS. Výškové údaje môžeme získať z radarových družicových
snímkov. Radargrametria je založená na stereoskopickom páre snímkov, ich vyhodnotenie je však diametrálne odlišné. Táto metóda sa považuje za perspektívnu, aj keď v súčasnosti je pomerne nepresná. Zdroje kartografické: patria medzi najpoužívanejšie zdroje výškových údajov pre tvorbu DMR. Ak máme mapové dielo v digitálnej forme, je možné použiť výškopisné údaje po úprave priamo ako línie s rovnakou nadmorskou výškou- vrstevnice alebo previesť línie do nepravidelného výškového bodového poľa. Ak príslušné mapové dielo nie je v digitálnej forme, potom je možné získať výškové údaje vektorizáciou vrstevníc (Šimonides, 2004). Využitie DMR v pozemkových úpravách má nenahraditeľnú funkciu pri analýzach zemského povrchu. DMR slúži ako podklad pre vypracovanie ďalších analýz využívaných v projektoch pozemkových úprav. V príspevku sme sa zamerali na tvorbu a porovnanie presnosti dvoch DMR v katastrálnom území Veľké Vozokany. Prvý DMR sme vyhotovili z podkladu z vrstevníc, ktoré vznikli vektorizáciou ZM10000. Druhý DMR sme vyhotovili zo zoznamu súradníc a výšok geodeticky zameraných bodov. Komparáciu výškových dát budeme praktikovať na výreze z oboch DMR na poľnej ceste na rozhraní medzi trvalým trávnym porastom a ornou pôdou vo východnej časti katastrálneho územia. Využijeme 3D analýzy na vypracovanie grafu priebehu profilu jednotlivých DMR aj na vypracovanie grafu priebehu profilu rozdielu oboch DMR. Na určenie smerodajnej odchýlky sme použili popisnú štatistiku. MATERIÁL A METODIKA Študované územie Za modelové územie sme zvolili katastrálne územie Veľké Vozokany. Územie patrí na základe územno-správneho členenia do Nitrianskeho kraja, okresu Zlaté Moravce. Z reliéfneho hľadiska sa v záujmovom území uplatňuje iba jeden typ reliéfu. Územie má charakter aluviálnej nivy obkolesenej pahorkatinným reliéfom. Územie patrí do severovýchodnej časti Podunajskej nížiny v severozápadnej časti Hronskej pahorkatiny. Na podklade DMR z vrstevníc je minimálna nadmorská výška 173,98 m a maximálna nadmorská výška je 263,11 m. Na podklade DMR z výškových bodov je minimálna nadmorská výška 174,05 m a maximálna nadmorská výška je 261,93 m. Podľa nadmorských výšok spadajúcich do týchto intervalov hovoríme o silne zvlnenom až mierne rezanom reliéfe (Muchová a kol., 2007). Obr. č. 1 3D vizualizácia katastrálneho územia zo zobrazením miesta situovania poľnej cesty
Vstupné údaje Pri tvorbe DMR sme vychádzali: 1) z nascanovaných vrstevníc ZM10000 vo formáte Tagged Image File Format (TIFF), Obr. č. 2 Vstup údajov - vrstevnice ZM10000 Nástrojom automatickej vektorizácie je funkcia ArcScan (customize-toolbars-arcscan). Obr. č. 3 Nástroje automatickej vektorizácie Hole size sme zvolili hodnotu 10. Určuje minimálnu veľkosť otvoru a tá určí, či bude alebo nebude polygón vylúčený podľa veľkosti, čiže hole size nemôže byť záporná hodnota. V možnosti štýl zvolíme contours. Automatická vektorizácia vrstevníc je ukladaná do formátu shp. Do vrstevnicového shapefilu sme pridali stĺpec do atribútovej tabuľky s názvom ELEV (skrátene Elevation - výška) typu float 15,2. Označíme línie, ktoré tvoria vrstevnicu rovnakej nadmorskej výšky a v editačných nástrojoch zvolíme Merge. Merge zlúči rozkúskovanú vrstevnicu a v atribútovej tabuľke jej vytvorí iba jeden riadok. Do stĺpca ELEV pripíšeme hodnoty nadmorských výšok vrstevnice pomocou Field calculatora. Zmeníme v stĺpci ID 0 na 1. Hodnoty nadmorských výšok jednotlivých vrstevníc odčítame z podkladovej rastrovej mapy. Zo shapefilu vymažeme línie, ktoré sú nadbytočné. Ide o línie mimo vrstevnicového priebehu, násypy, výkopy, čísla nadmorských výšok atď. Pomocou select by attributes vyselektujeme prvky, ktoré majú väčšie ID ako 0. Vyselektované dáta exportujte do novej vrstvy a pomenujte ju číslo mapového listu_vrst.shp. 2) zo zoznamu súradníc a výšok meraných bodov vo formáte *.stx. Obr. č. 4 Vstup údajov - zoznam súradníc a výšok z účelového mapovania výskopisu v projekte pozemkových úprav
Súbor vo formáte *.stx pretransformujeme do Microsoft Excel následne do preostedia GIS. Pomocou príkazu Display XY Data priradíme stĺpcom premenné X, Y a Z. Týmto príkazom vznikne shapefile so súradnicami nadmorských výšok jednotlivých bodov. Body sa zobrazia v prostedí GIS a je možné s nimi robiť ďalšie analýzy. Body na vypracovanie DMR obsahujú atribútovú tabuľku so stĺpcami súradníc X a Y a výškovou kótou Z. Interpolácia DMR z vrstevníc Do ArcMap načítame hranicu katastrálneho územia a pomocou ArcToolboxu - Spatial analyst tool - interpolation - topo to raster vytvorte DMR s gridom 5 metrov. Vrstevnice budú typu contour s polom ELEV na výpočet a hranica katastra typu boundary. Interpolácia DMR zo zoznamu bodov a výšok Do ArcMap načítajte hranicu katastrálneho územia a pomocou ArcToolboxu - Spatial analyst tool - interpolation - topo to raster vytvoríme DMR s gridom 5 metrov. Body budú typu Point Elevation s poľom na výpočet Z výškových bodov a Hranica katastrálneho územia typu Boundary. VÝSLEDKY A DISKUSIA Výsledkom práce je vytvorenie DMR vyhotoveného z vrstevníc (obr. 5) a DMR vyhotoveného z bodového poľa (obr. 5). Prvý spôsob hodnotenia kvality DMR je vizualizácia morfometrických charakteristík. Týmto spôsobom je možné objaviť hrubé a systematické chyby v súbore dát. V príspevku uvádzame súbor dát, ktorý bol vopred opravených o hrubé chyby ako napr. preklep v kóte výšky a pod. Obr. č. 5 DMR interpolovaný z vrstevníc
Obr. č. 5 DMR interpolovaný z nameraných výškových bodov Na základe DMR pre vizuálne porovnanie rozdielu reliéfov sme vygenerovali vrstevnice v intervale 2 m (obr. 6). a) b) Obr. č. 6 Vizuálne porovnanie presnosti vygenerovaných vrstevníc z oboch modelov a) z vrstevníc, b) z bodov Z oboch modelov sme vyhotovili mapu rozdielu oboch DMR v grafickej forme (obr. 7). Na jej základe je možné podrobnejšie popísať a zhodnotiť kvalitu DMR.
Obr. č. 7 Rozdiel nadmorských výšok oboch interpolovaných modelov Z dôvodu lepšej vizualizácie rozdielov dvoch modelov sme riešeným území namodelovali líniu, ktorá predstavovala os poľnej cesty na rozhraní dvoch druhov pozemkov a to ornej pôdy a trvalého trávneho porastu. Obr. č. 8 Zobrazenie a charakteristiky osi poľnej cesty
Použitím 3D analýz sme vypracovali grafy priebehu profilu osi poľnej cesty na jednotlivých DMR aj graf priebehu profilu rozdielu oboch DMR. Štandardne sa chyby v DMR popisujú ako metrická presnosť (obr. č. 9) hodnoty nadmorskej výšky (rozdiel medzi modelovanými hodnotami a skutočnými hodnotami). V našom prípade za skutočnú hodnotu považujeme DMR vygenerovaný z bodového poľa a modelové hodnoty sú hodnoty z DMR vygenerovaného z vrstevníc ZM10000. Obr. č. 8 Výškový priebeh osi poľnej cesty z DMR z vrstevníc Obr. č. 9 Výškový priebeh osi poľnej cesty z DMR z výškových bodov Obr. č. 9 Výškový rozdiel oboch porovnávaných DMR vo výškovom vedení osi cesty
Vypracovaním grafu rozdielu výšok porovnávaných DMR sme zistili, že rozdiely nadobúdajú hodnoty od 0,9 m až po -2,1 m. Úplná zhodnosť profilu bola na celkovej dĺžke približne 620 m iba v 5 bodoch. Takto zhodnotená presnosť však nie je vždy najvhodnejším spôsobom vyjadrenia výsledkov, nakoľko analýzy na DMR nevyžadujú úplnú výškovú presnosť ale skôr dôraz je dôraz kladený na verné zobrazenie povrchu reliéfu. Veľmi dôležitým aspektom modelovania napr. protieróznych opatrení nie je ani tak presnosť nadmorskej výšky na cm ale skôr presne vyjadrenie tvaru svahu, údolia a pod. V práci sme sa pokúsili aj o objektívnejší výpočet kvality DMR pomocou výpočtu smerodajnej odchýlky. Pomocou zonálnych štatistických funkcií v prostredí nástroja ArcToolbox- Spatial analyst tools- Zonal statistics as table sme vypočítali smerodajnú odchýlku pre rozdiel oboch DMR. Určili sme, že väčšina dát sa pohybuje v rozpätí ± 0,85 m. Na základe uvedeného môžeme konštatovať, že využite podkladov ZM10000 na tvorbu DMR môže viesť k nesprávnym hodnoteniam. Chyby vo výškovom vyjadrení v hodnote ± 0,85 m môžu viesť napr. k nesprávnemu dimenzovaniu opatrení. Záverom môžem konštatovať, že výstupy účelového mapovania polohopisu a výškopisu sú prínosom pre analytické úlohy v priestorovom hodnotení krajiny najmä v prípadoch, kedy je potrebné dôkladne zobraziť reliéfne pomery v území. ZM10000 poskytujú vhodný zdroj k tomu, aby v menšom meradle vyjadrovali reliéfne charakteristiky, nie sú však vhodným podkladom pre projektové práce a analytické podklady vyžadujúce presnejšie vstupné analýzy. ZÁVER Výsledkom práce bolo vypracovanie dvoch DMR. Vypracovali sme mapu a graf rozdielov výšok oboch DMR. Digitálny model reliéfu je najzákladnejšou potrebou pre modelovanie procesov a javov prebiehajúcich na reliéfe. V procese projektovania pozemkových úprav je neoddeliteľnou súčasťou pri tvorbe účelových máp, modelovaní a pri analýzach prírodného prostredia a krajiny. Pri tvorbe DMR sú jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúce kvalitu modelovania vstupné údaje o nadmorskej výške, nakoľko sú od nich závislé chyby, ktoré sa prejavia nielen pri modelovaní, ale sa prenášajú i do ďalších analýz. Analýzou povrchu sme zistili rozdiely, ktoré nadobúdajú jednotlivé DMR. Rozdiely DMR nadobudli zhodnosť iba v 5 bodoch. Treba zvážiť, ktoré podklady budeme využívať pri projektoch pozemkových úprav, aby výsledky nadobudli čo najpresnejšie hodnoty. Príspevok je výsledkom priebežného riešenia grantového projektu KEGA (registračné číslo 037SPU-4/2011). POUŽITÁ LITERATÚRA MUCHOVÁ, Z., KONC, Ľ. a kol. 2010. Pozemkové úpravy- postupy, prístupy a vysvetlenia. Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, 2010. 222 s., ISBN 978-80-552-0267- 0. MUCHOVÁ, Z., RAŠKOVIČ, V., KONC, Ľ. 2007. Všeobecné zásady funkčného usporiadania územia v obvode projektu pozemkových úprav v katastrálnom území Veľké Vozokany. 2007, 147 s.
MUCHOVÁ, Z., VANEK, J. a kol. 2009. Metodické štandardy projektovania pozemkových úprav. Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, 2009. 397 s., ISBN 978-8-552-0267-9. ŠIMONIDES, I. 2004. Základy geografických informačných systémov. Nitra: SPU, 2004. 114s. ISBN 80-8069-426-5. ŠÍMOVÁ, P. 2008. Návody ke cvičení pro ArcGIS 9.2. 2. vyd. Praha : CZU, 2008. 51 s. Zákon č. 330/1991 Zb. o pozemkových úpravách, usporiadaní pozemkového vlastníctva, pozemkových úradoch, pozemkovom fonde a pozemkových spoločenstvách, v znení neskorších procesov