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
Program USLE2D pre výpočet LS-faktoru vyžaduje ako vstupné dáta DEM (digitálny elevačný model) a grid tzv. "pozemkov" ("parciel"). Grid "parciel" rozčleňuje územie na dielčie plochy. Výpočet vychádza z predpokladu, že hranice medzi dielčími plochami pôsobia ako prekážky pre plošný povrchový odtok, dochádza tu k prerušeniu odtoku. Tým se znižuje dĺžka odtokovej dráhy a faktor L dĺžky svahu. V programe USLE 2D je faktor LS počítaný zvlášť pre každý rastrový element. Dĺžka odtokovej dráhy je nahradená zdrojovou plochou (dielčím povodím) rastrového elementu. Podrobnejšie vysvetlenie je v dokumentácii USLE2D
Vytvorenie vrstvy "pozemkov" ("parciel")
Vrstva "pozemkov" je grid, v ktorom je každému rastrovému elementu priradená číselná hodnota (celé číslo). Hodnota 0 znamená, že pre dané územie nie je počítaný LS-faktor, dochádza tu k prerušeniu povrchového odtoku (napr. oblasť mimo záujmového územia, vodné plochy, vodné toky, komunikácie)
Hodnoty > 0 znamenajú, že pre územie je počítaný LS-faktor (orná pôda, prípadne aj lesy)
Rozhranie medzi dvoma rôznymi číselnými hodnotami znamená hranicu "pozemkov", v tomto mieste dochádza k prerušeniu odtokovej dráhy (napr. hranice lesa)
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).