CV08 – Hydrologické analýzy
Metodický návod pro ArcGIS Pro – analýza toků, povodí a hydrologických jevů
Obsah
- Úvod
- Základní principy hydrologických analýz
- Data pro cvičení
- Postup zpracování v ArcGIS Pro
- Teoretické vysvětlení algoritmů
- Závěrečné hodnocení a výstupy
Úvod
Hydrologické analýzy v prostředí GIS umožňují studium procesů souvisejících s povrchovým odtokem, povodími, akumulací vody a chováním vodních toků.
ArcGIS Pro obsahuje nástroje v rámci Spatial Analyst rozšíření, které umožňují tyto výpočty provádět nad digitálním modely reliéfu (DEM).
Typické úlohy:
- výpočet směru toku a akumulace,
- identifikace povodí a subpovodí,
- modelování srážkoodtokových procesů,
- simulace povodní a určení záplavových území.
Základní principy hydrologických analýz
Digitální výškový model (DEM)
DEM (Digital Elevation Model) je základní vstupní dataset.
Z něj se odvozují:
- směry odtoku (Flow Direction),
- akumulace toku (Flow Accumulation),
- povodí (Watershed),
- definice a hierarchie toků (Stream Order).
Klíčové kroky hydrologické analýzy
| Krok | Nástroj | Účel |
|---|---|---|
| 1 | Fill | Vyplnění depresí v DEM |
| 2 | Flow Direction | Určení směru odtoku vody |
| 3 | Flow Accumulation | Výpočet akumulace toku |
| 4 | Stream Definition | Identifikace vodních toků |
| 5 | Stream Order | Klasifikace toků podle řádu |
| 6 | Watershed | Vytvoření povodí dle pour pointů |
Data pro cvičení
Použitá data
| Datový zdroj | Popis | Odkaz | |—————|——–|——–| | DMR 5G | Digitální model reliéfu 5. generace (výška povrchu) | ČÚZK ImageServer | | DIBAVOD | Povodí III. řádu | DIBAVOD – struktura |
Oblast zájmu
Území: Lhotka, Ludgeřovice, Petřkovice a Ostrava
Analýzy budou prováděny na části povodí III. řádu vybraného z vrstvy DIBAVOD.
Postup zpracování v ArcGIS Pro
Připojení DMR5G a příprava dat
- Spusť ArcGIS Pro a vytvoř nový projekt.
- V Catalog Pane → Portal → All Portal → Living Atlas vyhledej:
https://ags.cuzk.cz/arcgis2/rest/services/dmr5g/ImageServer - Přidej DMR5G jako rastrovou vrstvu.
- Přidej polygonovou vrstvu povodí III. řádu (DIBAVOD).
- Ořízni DMR5G podle polygonu vybraného povodí:
- Nástroj: Extract by Mask
- Input raster: DMR5G
- Feature mask: vybrané povodí
- Výstup:
DMR5G_clip.tif
Vyplnění depresí – Fill
Nástroj:
Spatial Analyst → Hydrology → Fill
Cíl: odstranit lokální deprese (přehlubně) v DEM, které by bránily správnému výpočtu odtoku.
Postup:
- Input surface raster:
DMR5G_clip.tif - Zvol výstup:
DMR5G_filled.tif - Ostatní parametry ponech výchozí.
- Spusť nástroj.
Výsledek: hladký model terénu bez nesmyslných jam.
Výpočet směru toku – Flow Direction
Nástroj:
Spatial Analyst → Hydrology → Flow Direction
Cíl: určit směr, kterým voda teče z každé buňky.
Postup:
- Input surface raster:
DMR5G_filled.tif - Output raster:
flowdir.tif - Algorithm:
D8(doporučeno)
Poznámka:
Každé buňce se přiřadí hodnota podle směru toku (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128).
Tyto hodnoty reprezentují 8 sousedních buněk (směry podle světových stran).
Výpočet akumulace toku – Flow Accumulation
Nástroj:
Spatial Analyst → Hydrology → Flow Accumulation
Cíl: zjistit, kolik vody přitéká do každé buňky na základě směru toku.
Postup:
- Input flow direction raster:
flowdir.tif - Output raster:
flowacc.tif
Interpretace:
- Buňky s vysokou hodnotou akumulace leží ve žlabech a údolnicích.
- Nízké hodnoty = vrcholy nebo hřebeny.
Vizuální kontrola:
- Nastav symbologii → Stretch → logaritmická stupnice.
- Podklad: OpenStreetMap (pro kontrolu proti reálným tokům).
Definice toků a reklasifikace
Cíl: vymezit buňky, které tvoří vodní toky, podle prahové hodnoty akumulace.
- Otevři Symbology pro
flowacc.tif. - Zkoušej různé prahové hodnoty – např. 500, 1000, 2000 – až vizuálně odpovídá skutečným tokům.
- Použij nástroj:
Raster Calculator→ výraz:Con("flowacc" > 1000, 1)- Výstup:
streams.tif
- Výsledné buňky s hodnotou 1 představují vodní toky. Vše ostatní má hodnotu NoData.
Převod do vektorového formátu – Stream to Feature
Nástroj:
Spatial Analyst → Hydrology → Stream to Feature
Postup:
- Input stream raster:
streams.tif - Input flow direction raster:
flowdir.tif - Output polyline features:
streams.shp
Výsledek: vektorová vrstva vodních toků, která kopíruje přirozené linie.
Analýzy povodí a hierarchie toků
Stream Order
Nástroj:
Spatial Analyst → Hydrology → Stream Order
Cíl: klasifikovat toky podle hierarchie (Strahler nebo Shreve).
- Input stream raster:
streams.tif - Input flow direction raster:
flowdir.tif - Output raster:
stream_order.tif - Method: Strahler
Watershed
Nástroj:
Spatial Analyst → Hydrology → Watershed
Cíl: vymezit povodí, které přispívá do vybraného bodu (pour point).
- Input flow direction raster:
flowdir.tif - Pour point feature: zvolený bod (např. soutok)
- Output raster:
watershed.tif
Výsledek: rastrová nebo polygonová vrstva povodí.
Teoretické vysvětlení algoritmů
Flow Direction – D8, MFD, DINF
| Metoda | Popis | Vhodné použití |
|---|---|---|
| D8 | Každá buňka má pouze jeden směr toku – do sousední buňky s největším spádem | Jednoduchý a rychlý model |
| MFD | Voda se může rozdělit do více směrů | Komplexní terény |
| DINF | Směr toku určován úhlem největšího spádu | Přesnější modelování odtoku na svazích |
Více informací:
ArcGIS Pro – Flow Direction
Flow Accumulation – princip výpočtu
- Směr odtoku je stanoven pro každou buňku (z
Flow Direction). - Pro každou buňku se spočítá, kolik jiných buněk do ní přispívá vodou.
- Výsledek: raster, kde každá hodnota = počet přítokových buněk.
Interpretace:
- Vyšší hodnota = silnější tok (větší akumulace).
- Nízká hodnota = suché místo nebo vrchol.
Závěrečné hodnocení a výstupy
Doporučená struktura výstupů
| Vrstva | Typ | Popis |
|———|——|——–|
| DMR5G_filled.tif | raster | vyplněný model terénu |
| flowdir.tif | raster | směr odtoku |
| flowacc.tif | raster | akumulace toku |
| streams.tif | raster | identifikované toky |
| streams.shp | vector | vektorové vodní toky |
| stream_order.tif | raster | hierarchie toků |
| watershed.tif | raster | povodí dle pour pointu |
#