POMEN GEODETSKIH PODATKOV PRI ANALIZAH POPLAV THE IMPORTANCE OF GEODETIC DATA IN FLOOD ANALYSES Lidija Globevnik, Dunja Zupan Vrenko UDK: 528:627:51 IZVLEČEK Poplavno vodo matematično modeliramo z uporabo Saint Venantovih enačb, pri čemer je ključen podatek o višini terena in vode. Za dober rezultat potrebujemo dobre in natančne podatke o terenu in višini zabeležene poplavne vode, za katero poznamo pretočne količine. Metode daljinskega zaznavanja dajejo uporabne podatke o terenu in višini poplavne vode. Pazljivost je potrebna pri geolociranju posnetkov in njihovi interpretaciji. Infrardeči (IR) posnetki poplav iz leta 2010 so se izkazali za dobre in uporabne. V članku so prikazani rezultati interpretacije vseh posnetkov. KLJUČNE BESEDE poplava, hidravlično modeliranje, infrardeča kamera, LiDAR, geodetski podatek Klasifikacija prispevka po COBISS-u: 1.08 ABSTRACT Floodwater is mathematically modelled with the use of St Venant 's equations. The key data is the elevation of water. For better results, accurate information about the terrain and flood water heights recorded with known flow rates is needed. Remote sensing methods provide very useful information for terrain and flood water heights. Care should be taken with geo-referencing and image interpretation. Infrared (IR) images of floods in 2010 have proven to be good and usefulfor flood management. This article presents the results of interpretation of all the IR images taken. KEY WORDS flood, hydraulics modelling, infrared camera, LiDAR, geodata vi ^ 55 co ■SU o su to 1 UVOD Popisi in raziskave poplavnih dogodkov, njihovo statistično in verjetnostno opredeljevanje ter napovedovanje najbolj verjetnega tveganja ob morebitnem vnovičnem pojavu so nujni za uspešno in verodostojno upravljanje vodne infrastrukture, vodnih in priobalnih zemljišč ter za načrtovanje rabe prostora. Geodetski podatki so podlaga za vsako strokovno in znanstvenoanalitično delo na tem področju. Tako največji obseg poplav na nekem območju prikazujemo na topografskih digitalnih ali analognih kartah različnih redov natančnosti oziroma meril. Na kartah vizualiziramo tudi globine poplavne vode in hitrosti. Ob dogodkih meritev ne moremo izvajati, lahko pa na podlagi dobrega popisa in označenih sledi poplavne vode pozneje določimo položaj oznake in izmerimo višino poplavne vode. Z razvojem matematičnega modeliranja vodnih tokov, geografskih informacijskih sistemov, digitalnih modelov terena in novih tehnologij za množični zajem podatkov o terenu uporabljamo tudi matematične modele poplav, katerih rezultati so tudi »karte« poplavne nevarnosti. Karte z ustrezno dogovorjenimi simboli prikazujejo območja z različno globino in hitrostjo poplavne vode ter največji mogoč obseg poplave ob različno verjetnih dogodkih. Na podlagi kart se odločamo o varovalnih in izravnalnih ukrepih za zmanjševanje ogroženosti zdravja ljudi, gospodarskih in stanovanjskih objektov ter okolja. Problematiko ogroženosti zaradi poplav rešujemo na veliko načinov. Dosedanji koncept je bil odpraviti poplave v naseljih in na kmetijskih površinah (povečati poplavno varnost). Zaradi negativnih vplivov takega pristopa pa se je doktrina prevesila v zmanjševanje poplavne ogroženosti (odklon od odpravljanja poplav »pri sebi«). To pomeni, da se poplavam »izmikamo« in preprečujemo škodo. Zavestno torej sprejemamo nekatera tveganja in se nanje pripravimo. Karte poplavne nevarnosti so sredstvo, ki ga uporabljamo za sporazumevanje glede ogroženosti in tveganj. Poplave računsko modeliramo z uporabo hidravličnih enačb toka vode v strugi ali ravnini. Za ta namen je treba imeti ne le dobre podatke o terenu, strugi in poraščenosti, temveč tudi dobre podatke o nastalih poplavah, s katerimi model umerjamo. V članku predstavljamo teoretične podlage za modeliranje ter primere zajema in popisa poplav. 2 TEORIJA MODELIRANJA POPLAV 2.1 Hidravlično modeliranje Tok plitke vode s prosto gladino opišemo s Saint Venantovima enačbama, in sicer enačbo ohranitve momentov in enačbo ohranitve mase. Enačba ohranitve momentov ponazarja fizikalno zakonitost, da je neto povečanje momentov (AM) v nekem času (At) enako skupnemu neto prilivu (fluksu) v kontrolno prostornino tekočine (Mf) in vsoti zunanjih sil, ki na tekočino delujejo v tem času (slika 1). Zunanje sile so hidrostatični pritisk (Fp, Fp+-Fp) na zunanjih straneh kontrolne prostornine (odvisna od višine vodnega stolpca H), sila trenja (Ff) in sila gravitacije (F ), ki ponazarja prispevek zemeljskega pospeška po vzdolžni razdalji kontrolne prostornine struge (x). Matematični izraz enačbe ohranitve momenta prikazuje enačba 1, posamezne komponente enačbe 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 in 1.5. Enačba za ohranitev momenta se numerično rešuje z izpeljano enačbo s parametri, ki jih lahko merimo (pretok, višina vode, prečni prerez profila). Koeficient C izraža vpliv trenja in izgub energije zaradi različne oblike profilov v vzdolžni smeri toka vode. fN Slika 1: Koncept enačbe ohranitve momenta (povzeto po DHI Software, 1D Dynamic Modeling, 2012) AM A(M * v) At Ax + - AF AF, AF M = p* H * b * v Ax Ax Ax enačba 1 enačba 1.1 (moment) vo iS o su to 55 ■SU o to M f = p* H * b * v * v Fp = i* p*b * H2 Ff = Ax * b * p*g * v2 c F =p* g * a * S o ... enačba 1.2 (neto priliv) enačba 1.3 (hidrostatični pritisk) ... enačba 1.4 (sila trenja) ... enačba 1.5 (sila gravitacije) Q 2 dQ a ■ + ——+ . dH dt dx + g * Q7 dx C2* A * R 0 enačba 2 (ohranitev momenta) Kjer je: p ... gostota vode h ... višina vode b ... širina vodne gladine v ... hitrost vode x ... dolžina kontrolnega prereza g ... gravitacijski pospešek c ... koeficient trenja A ... površina prečnega prereza S0 ... višinska razlika dna struge (padec) R ... hidravlični radij (razmerje med površino prečnega profila, ki je napolnjen z vodo, in omočenim obodom profila) Po zakonu ohranitve mase je neto povečanje mase vode v izbranem časovnem obdobju v kontrolni prostornini enako neto masnemu prilivu v kontrolno prostornino iz masnega odliva iz kontrolne prostornine. Matematični izraz za zakon ohranitve mase pri toku vode v reki je podan v enačbi 3, pomen izrazov pa na sliki 2, ki prikazuje koncept ohranitve mase (povzeto po DHI Software, 1D Dynamic Modeling, 2012). Slika 2: Koncept enačbe ohranitve mase (povzeto po DHI Software, 1D Dynamic Modeling, 2012). 1 dQ dA n ■ + — = 0 A ... enačba 3 (enačba ohranitve mase) Predpostavke pri uporabi enačb so: - tok je enodimenzionalen (prevladuje tok v vzdolžni smeri struge, prečno strujanje je majhno); - velja zakon hidrostatične porazdelitve pritiskov po vertikali; - vodna gladina prečno na profil je horizontalna; - vzdolžna ukrivljenost struge je majhna; - padec dna struge je majhen (S0 < 0.18 ali 9<= 10°; 8: kot med horizontalno referenčno ravnino in vzdolžno povprečno linijo višin struge na odseku (French, 2004)); - vpliv upora je izražen z Manningovo enačbo; - tekočina je nestisljiva in homogena. Z numeričnimi metodami reševanja sistema zgoraj opisanih parcialnih enačb simuliramo višine vodne gladine v strugi reke ob izbranem pretoku, podanih topografskih podatkih struge in predpostavljenih koeficientih trenja. Za modeliranje toka vode v strugi reke torej uporabimo enačbo ohranitve momenta in enačbo ohranitve mase. Modeliranje je enodimenzionalno (1D). Ko voda ob določenem pretoku doseže zgornji rob struge, se začne preplavljanje priobrežnih površin. Ob velikih pretokih se začne obsežno prelivanje, poplavljene so večje površine. Pri modeliranju toka vode po poplavnih površinah se uporablja enačba ohranitve mase, preračunavanje pa poteka v obeh horizontalnih smereh. Modeliranje je dvodimenzionalno (2D). Pri tem modeliranju je najbolj pomembno dobro poznati višinsko topografijo terena, ki med poplavami pomeni »dno plitkih jezer«, pri čemer voda struja v smeri dominantnih energijskih padcev. 2.2 Vhodni podatki in vpliv njihove kakovosti na rezultate modeliranja Za modeliranje poplavnih voda je treba imeti topografske in hidravlične podatke. Topografski podatki so horizontalna pozicija struge, višinske pozicije struge in vodnih ter drugih objektov v strugi ali na njenih brežinah. Enako pomembni so podatki o topografiji poplavnih površin. Vsi | morajo biti vezani na isto višinsko referenco. Hidravlični podatki so podatki o velikosti pretokov, | višini vodnih gladin ob določenih pretokih ter znan odnos med višino vode v strugi in pretoki | (pretočne krivulje). Pri modeliranju večinoma izračunamo višino vode ob nekem pretoku, ob velikih pretokih pa tudi območja poplav, globine vode, ki nastopajo na njih, in hitrosti toka | vode. Poleg vseh topografskih podatkov je glavni vhodni podatek za račun neki pretok, višine vode in hitrosti vode ob njem pa so rezultat. Za dober rezultat pri določanju poplavnih površin potrebujemo ne le dobre topografske podatke, temveč predvsem dobre podatke o višinah vode j ^ "V ob znanih pretokih, ki jih uporabimo za kalibracijo in verifikacijo modela. Zal je podatkov o f ^ S izmerjenih višinah vode ob poplavah malo, negotovosti pa je veliko tudi pri določanju bistvenih pretokov ob takih dogodkih. fN 'I «Š Ji V Sloveniji lahko modelist brez večjih težav pridobi natančne horizontalne pozicije struge | ■ in poplavnega terena, saj so na voljo enotno referirani digitalni zapisi. Dodajanje specifičnih t cB elementov (pozicij vodnih objektov ali drugih objektov) ni problematično, saj je vzpostavljen samodejni enotni referenčni sistem. Težave se pojavijo pri višinskih pozicijah strug in vodnih gladin pri poplavah. Iz enačbe 2 in 3 sledi, da so predvsem višine vode (H) ena izmed najpomembnejših komponent. Iz razlike v višinah vode in znanih velikosti omočenih (aktivnih) prerezov (A) na kontrolnem odseku lahko določamo pretoke (Q), umerjamo in verificiramo model ter izračunamo prostornino (maso) vode, ki se je razlivala na poplavne površine. Sledi poplavne vode, ki jo pozneje uporabimo za umirjanje ali verifikacijo modela, določitve prostornine in višin poplavne vode na neki površini, lahko določamo na dva načina. Prvi je terenski ogled, pri katerem poiščemo ter jasno in nedvoumno označimo razpoznavno sled najvišje vode na stabilnih objektih. Pozneje sledi tudi višinsko opredelimo in izrišemo karte. Drug način je terenska daljinska zaznava dogodka z ustreznimi kamerami in zapisi odbojev ali slik poplav. Problematika natančnosti določitve višinskih pozicij na terenu označenih sledi poplav na Ljubljanskem barju leta 2010 je predstavljena v članku Koler in drugi (2012). Uporaba produktov daljinsko zaznanega dogodka je analizirana v nadaljevanju. 3 DALJINSKO ZAZNAVANJE Zračno lasersko skeniranje ali LiDAR (angl. Light Detection and Ranging) je tehnologija daljinskega zaznavanja zemeljskega površja in objektov na njem, ki se je razvila v začetku 80. let. Predvsem za potrebe izdelave geodetskih načrtov pa je z razvojem sistemov pozicioniranja (GPS in IMU - sistem za pozicioniranje letala) postala ena od temeljnih metod za pridobivanje in obdelavo podatkov o zemeljskem površju. LiDAR je instrument, ki pošilja impulze na zemeljsko površje ter z merjenjem razdalje na podlagi potovanja impulza do zemeljskega površja in nazaj do sprejemnika pridobiva podatke o položaju opazovanih predmetov. LiDAR nam poleg podatka o razdalji daje še podatke o kotu, času in intenziteti odboja. Senzor LiDARja deluje v vidnem ali infrardečem delu spektra, valovna dolžina zaznavanja pa je približno od 800 do 1100 nm, kjer je odbojnost rastlinstva največja, nevarnost za človekov vid pa najmanjša. Vzporedno z laserskim zajemom lahko poteka fotografsko snemanje (v vidnem in infrardečem delu spektra), saj tako lahko dobimo več vzporednih izdelkov. 8 LiDAR in aerofotogrametrija omogočata pridobitev velike množice podatkov v izredno kratkem $ | času in neodvisno od vremena. Po ustrezni obdelavi lahko dobimo več izdelkov: digitalni model I reliefa (DMR), ortofoto (v vidnem delu spektra, v barvah ali infrardečem delu spektra), geodetski I g načrt in druge načine predstavitve površja. | 4 MATERIALI IN METODA DELA cs g ^ I ^ | Poplavni dogodek v jeseni 2010 je bil zabeležen z infrardečo kamero in zračnim laserskim ^ § skeniranjem. Snemanje je izvedlo podjetje GEOIN Maribor. Zajeli smo poplavne linije, ki Ig 4 jih lahko razberemo z infrardečih posnetkov. Tako smo želeli dopolniti obstoječe opozorilne ^ f karte poplav (Atlas okolja, vir podatkov IzVRS). Opis zanesljivosti zajetega podatka omogoča H S zanesljivejšo interpretacijo in določitev poplavnih območij. Snemanje je bilo izvedeno na desetih SU i | območjih: Cerkno, Grosuplje, Krka, Ljubljansko barje, Logatec, Mirna, Ribnica, Sava, Temenica ■ f in Videm (Geoin, 2012). Postopek obdelave podatkov je razdeljen na tri faze. V prvi fazi so se zajemale poplavne linije in izdelovali poplavni poligoni za območja Mirne, Save, Cerknega, Krke, Logatca, Ribnice in Temenice. Digitalizacija poplavnih linij z IR-posnetkov se je izvajala v koordinatnem sistemu D48 v programskem paketu »Global Mapper 13«, ki omogoča hitro obdelavo. Pri zajemu poplavnih linij je bil posamezni liniji dodan atribut zanesljivosti (glej opis atributa v nadaljevanju). Poplavne linije so bile nato izvožene v linijski sloj v obliko »shape«. Izdelava poplavnih poligonov, ki so jim bili dodani atributi, je nato potekala v okolju ArcGIS na podlagi zajetih poplavnih linij, ki so bile topološko urejene. V drugi fazi so se dopolnjevale poplavne linije in poplavni poligoni za območja Ljubljanskega barja, Grosupljega in Vidma. Izvajali so se tudi prvi popravki za območje Mirne, Temenice in Grosupljega. Za obnovo opozorilne karte poplav je bila predlagana analiza zanesljivosti zajetih podatkov poplavnih poligonov (prva in druga faza) glede na plastnice. Menimo, da vektorski sloj plastnic GKB25 ni ustrezen za uporabo pri kontroli poplavnih poligonov zaradi težave manjše natančnosti podatkov o višinah (razmik plastnic znaša 5,0 metra, kar je preveč). Kontrolo višin smo zato izvedli na podlagi rastrskega sloja plastnic TTN5/10, ki so bolj natančne (razmik 2,5 metra). Ugotavljamo, da na posameznih območjih zaradi sprememb v prostoru in neizvedene obnove listov TTN5/10 tudi ta kontrola ni zanesljiva. Kontrole zanesljivosti po višinski natančnosti zato nismo izvedli, jo pa predlagamo glede na izbrano metodo v prihodnje. To bi bila tretja faza. V njej je treba obnoviti topologijo popravljenega poligonskega sloja. 5 REZULTATI IN RAZPRAVA 5.1 Težave zajema podatkov INTERPRETACIJA podatkov je otežena na območjih gozda ter nizke oblačnosti in meglic, kjer ni jasno viden potek poplavne linije, ali na območjih tako imenovanih »hot spotov«, kjer je posnetek preveč osvetljen (»prežgan«). Interpretacija posnetkov je otežena tudi na koruznih poljih, kjer zaradi visokega rastlinja ni videti, ali so tla prekrita z vodo. Nekateri posnetki so bili ^ narejeni tudi po tem, ko je voda z nekaterih območij že odtekla, zato je pri interpretaciji treba § upoštevati tudi to možnost. NAPAČNA GEOLOKACIJA POSNETKOV: IR-posnetki za območje Ribnice (slika 3) so bili napačno geolocirani, zato umestitev poplavnega območja v prostor zahteva dodatno delo. § fN S £ -v I S >1 ^ 'I «Š Ji S ^