Výpočet LS-faktoru (RUSLE) s využitím GIS a USLE2D

Rovnice RUSLE, LS-faktor

Rovnice USLE a RUSLE sú určené pre približný výpočet dlhodobej priemernej straty pôdy (t/ha/rok). Rovnica je vyjadrená ako súčin:

R ... faktor eróznej účinnosti dažďa
K ... faktor erodovatelnosti pôdy
L ... faktor dĺžky svahu
S ... faktor sklonu svahu
C ... faktor vegetácie
P ... faktor protierozních opatrení

faktory L a S sú často počítané dohromady ako súčin LS. v súčasnosti existuje software pre automatický výpočet LS - faktora z digitálnych dát v GIS. Nasledujúci návod popisuje odvodenie LS faktora s využitím počítačových programov ArcGis a USLE2D.

Vstupné dáta, software

Potrebujeme nasledujúce dátové podklady:

Vektorové dáta:

1. Hranice riešeného územia (vektor - polygón)
2. Vodné plochy (vektor - polygón)
3. Lesy (vektor - polygón)
4. Zastavaná plocha (vektor - polygón)
5. Diaľnice, železnice, cesty (vektor - polygón)
6. (vektor - polygón)

Rastrové data (grid)

1. DEM (digitálny model reliéfu)

Potrebujeme nasledujúci software:

1. GIS schopný práce s rastrovými dátami, napr.

ArcGIS Spatial Analyst (komerčný)
ArcView 3.x Spatial Analyst (komerčný)
MapInfo Vertical Mapper (komerčný)
MapWindow (nekomerčný)

2. Software USLE2D (nekomerčný) pre vlastný výpočet LS-faktoru
3. Software LS-converter (nekomerčný) pre prevod dát z GIS do USLE2D

Vytvorenie vrstvy "parciel" v ArcGIS Spatial Analyst

V ponuke Start .. Programy zvolíme ArcMap.
V ponuke Tools .. Extensions zaškrtneme políčko "Spatial Analyst"
V ľavom stĺpci klikneme myšou na "Layers", v ponuke zvolíme "Add data" a pridáme vstupné dáta: digitálny elevačný model (grid) a vektorové dáta (vymedzenie záujmového územia, vodné plochy, vodné toky, komunikácie, zastavaná plocha, lesy, prípadne taktiež bloky ornej pôdy, lúky a pasienky, sady, remízky alebo ďalšie dáta obsahujúce informácie o líniových prvkoch v krajine). Príklad zobrazenia DEM v programe ArcGIS ukazuje obr. 1.

Nastavenie (konfigurácia) pre výpočty v Spatial Analyst

V ponuke "Spatial Analyst" zvolíme "Options".
V prvej záložke "General" zadáme ako "working directory" názov adresára, kde máme uložené zdrojové dáta
V druhej záložke "Extent" zadáme "Same as layer DEM" (Obr. 2, miesto "DEM" vyberieme skutočný názov gridu, kde je uložený digitálny elevačný model). Tato voľba spôsobí, že všetky vytvorené gridy budú mať rovnaký územný rozsah (dôležité pre USLE2D). V poslednej záložke ("Cell Size") nastavíme priestorové rozlišenie – veľkost štvorcového rastrového elementu (Obr. 3).

Prevod vektorových dát na rastrové dáta

V ponuke "Spatial Analyst" zvolíme "Convert ... Feature to raster" (obr. 4). Vyberieme vektorovú vrstvu (napr. hranice záujmového územia). Ako atribút zvolíme "id", prípadne iný atribút, ktorý jednoznačne určuje každú línie alebo polygón. V poli "output cell size" by sa mala objaviť rovnaká veľkosť rastrového elementu ako u DEM. Potvrdíme tlačítkom "OK".

Reklasifikácia dát

V ponuke "Spatial Analyst" zvolíme "Reclassify ...". Najprv prevedieme reklasifikáciu záujmového územia, pre ktoré chceme počítať LS-faktor. Vyberieme grid záujmového územia. Stlačíme tlačítko "Classify.." a zvolíme počet tried (number of classes) = 1. Ďalej hodnotám "NoData" priradíme číslo 0 a ostatným hodnotám číslo 1 (obr. 5) a výsledný reklasifikovaný grid pomenujeme "uzemi_01" ( obr. 5). Ďalej prevedieme reklasifikáciu ďalších oblastí, ktoré budú mať vo vrstve "parciel" hodnotu 0 (vodné plochy, vodné toky, cesty a diaľnice, zastavané plochy, prípadne dalšie líniové prvky.) V ponuke "Spatial Analyst" zvolíme "Reclassify ...". Vyberieme grid "vodné plochy". Hodnotám "NoData" priradíme číslo 1, ostatným hodnotám číslo 0 (obr. 6) a výsledný reklasifikovaný grid nazveme "vodni_plochy_01". Rovnakú reklasifikáciu, ako u vodných plôch prevedieme aj pre ďalšie vektorové vrstvy: vodné toky reklasifikujeme na "vodni_toky_01", zastavané plochy na "zastavba_01", cesty a dialnice na "komunikace_01". Nakoniec prevedieme reklasifikáciu lesov. V ponuke "Spatial Analyst" zvolíme "Reclassify ...". Vyberieme grid "lesy". Hodnotám "NoData" (územie mimo lesa) priradíme číslo 1, ostatným hodnotám (les) priradíme číslo 2 (obr. 7) a výsledný reklasifikovaný grid nazveme "lesy_12".

Poznámka: Ak máme k dispozícii vektorové dáta s časťami ornej pôdy alebo zatrávnenými plochami a považujeme rozhranie medzi blokmi ornej pôdy alebo rôznymi ornými plodinami za miesto, kde dochádza k prerušeniu odtokovej dráhy (napr. vieme, že na okrajoch pola sú hlboké brázdy), môžeme vo výpočte LS-faktoru zohľadniť aj tieto hranice. U vrstvy blokov ornej pôdy alebo lúk a pasienkov prevedieme iba prevod na rastrové dáta (grid) pomocou nástroja "feature to raster". Neprevádzame reklasifikáciu, pretože každý blok ornej pôdy (pozemok) musí mať priradené iné číslo.

Vytvorenie vrstvy pozemkov

V ponuke "spatial analyst" zvolíme "Raster Calculator". Výsledný grid "parciel" vypočítame ako súčin (obr. 8) a stlačíme tlačítko "Evaluate": parcel = uzemi_01 * vodni_plochy_01 * vodni_toky_01 * komunikace_01 * zastavba_01 * lesy_12 Vytvorí sa vrstva "pozemkov", v ktorých má orná pôda hodnotu 1, lesy hodnotu 2 a ostatné plochy hodnotu 0 (obr. 8) Výsledný grid uložíme pomocou príkazu "make permanent" v kontextovej ponuke po klepnutí na názov gridu a nazveme ho napr. "parcel" (obr. 7 a obr. 8).

Prevod dát do formátu USLE2D

Program USLE2D je síce mocný nástroj pre výpočet LS-faktoru, umožňuje však pracovať len s dátami vo formáte Idrisi. Program obsahuje taktiež príkaz pre import dat vo formáte Surfer (.grd), tento príkaz ale nie je funkčný. Preto musíme previesť vlastné dáta do formátu Idrisi (.rst). Najprv prevedieme dáta z GIS na textové súbory a v druhom kroku prevedieme textové súbory do formátu Idrisi.

Prevod gridov na textové súbory

Export z ArcGIS: Otvoríme okno "ArcToolbox" a zvolíme Conversion Tools .. From Raster .. Raster to Ascii (obr 10.) Ako "input raster" zvolíme DEM, ako "output ASCII raster file" zadáme "dem.txt". Podobne prevedieme na textový súbor grid "parciel"

Prevod textových súborov do formátu Idrisi

K prevodu použijeme program LS-converter. Prvé tlačítko slúži k prevedeniu DEM do formátu Idrisi, druhé tlačítko slúži k prevedeniu "pozemkov" ("parciel") do formátu Idrisi. Obr. 11 a návod k inštalácii a použitie programu LS-converter. Výsledkom sú súbory "dem.rst" a "parcel.rst".

Výpočet LS-faktoru v Usle2D

Podrobný návod k použitiu programu Usle2D (obr. 12) je v dokumentácii Usle2D. Z metód výpočtu sa najlepšie osvedčili "Routing Algorithm: flux decomposition" (umožňuje vetvenie odtokovej dráhy) a "LS Algorithm: Mc Cool" (štandardná metóda výpočtu LS-faktoru v RUSLE). Ako formát výsledného súboru zvolíme Idrisi (.rst) a súbor nazveme napr. "ls_faktor.rst"

Poznámka: Výsledný súbor môže mať aj koncovku .img, formát je rovnaký (Idrisi.)

Prevod výsledkov späť do gis

Súbor vo formáte Idrisi (.rst) s hodnotami LS-faktoru prevedieme programom LS-converter na textový súbor. Použijeme tretie tlačítko. Textový súbor prevedieme do GIS. V programe ArcGIS otvoríme okno "ArcToolbox", zvolíme Conversion tools .. To Raster .. Ascii to Raster. Vyberieme textový súbor s hodnotami LS-faktoru a zadáme názov výsledného gridu. Ako formát čísel ("Output data type") volíme FLOAT (desatinné čísla). - obr. 13

Úprava výsledkov pomocou filtru "mean"

Vo výslednom gride vypočítanom programom Usle2D majú rastrové elementy líniových prvkov v krajine (cesty, diaľnice, vodné toky) nulové hodnoty LS-faktoru. Pokiaľ pracujeme s mapou strednej mierky, väčšinou je šírka cesty alebo vodného toku oveľa menšia, ako rozlíšenie gridu a nulové hodnoty LS-faktoru v celom rastrovom elemente, ktorým prechádza líniový prvok, nezodpovedajú skutočnosti. Realistickejší grid LS-faktoru získáme aplikáciou filtru "mean" -, ktorý slúži k odstráneniu extrémnych hodnôt. V ponuke "Spatial Analyst" zvolíme "Neighbourhood statistics" (obr. 14). Ako "statistic type" zvolíme "mean", zadáme názov výsledného súboru a v zostávajúcich poliach ponecháme prednastavené hodnoty. Tým máme vypočítaný výsledný grid s hodnotami LS-faktoru (obr. 15).