zastosowanie GIS w ocenie zagrożen naturalnych.pdf

T. Ciupa, R. Suligowski (red.)

Woda w badaniach geograficznych

Instytut Geografii

Uniwersytet Jana Kochanowskiego

Kielce, 2010, s. 23-33

Zastosowanie techniki GIS

w ocenie zagrożeń naturalnych – dawnych i przyszłych

Application of GIS technique in past an future natural hazards assessment

Artur Magnuszewski

Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Uniwersytet Warszawski,

Krakowskie Przedmieście 30, 00-927 Warszawa, asmagnus@uw.edu.pl

Streszczenie: W pracy przedstawiono źródła danych przestrzennych przydatne w technice

GIS do oceny zagrożeń naturalnych, ze szczególnym uwzględnieniem modelowania

zasięgu powodzi. W sposób syntetyczny zaprezentowano metody analiz przestrzennych.

Omówiono zawartości baz danych wchodzących w skład krajowej infrastruktury danych

przestrzennych. Technika GIS, wraz z modelami procesów ekstremalnych, stanowi

przyszłościowe narzędzie do oceny zagrożeń naturalnych, wspomaga także

przeciwdziałanie ich skutkom w zarządzaniu kryzysowym.

Słowa kluczowe: systemy GIS, metadane, infrastruktura danych przestrzennych,

modelowanie

Key words : GIS systems, metadata, spatial data infrastructure, modelling

Wprowadzenie

Trudność jaką napotykamy w badaniach zagrożeń naturalnych jest losowy

charakter zjawisk ekstremalnych. Poszczególne nauki o Ziemi wypracowały swoje

własne określenia dla zjawisk ekstremalnych. W meteorologii zjawisko „rzadko

występujące” oznacza, że jego prawdopodobieństwo wystąpienia wynosi 10%

(raz na 10 lat) lub mniej, w hydrologii posługujemy się pojęciem wody stuletniej

lub tysiącletniej, w oceanologii w zakresie ochrony wybrzeża wyróżnia się sztorm

o prawdopodobieństwie wystąpienia raz na sto lat.

Nie ma jednak określonych bezwzględnych wartości liczbowych,

po przekroczeniu których można by mówić o wystąpieniu zjawiska ekstremalnego

w dowolnym miejscu (Biernacki i in. 2009). Definiuje się jedynie wartości

progowe określające skalę zjawiska, np. ilość uwolnionej energii w czasie

trzęsienia ziemi, dwustopniowa skala ostrzeżeń sztormowych (silny wiatr 6-7°B,

sztorm 8-12°B). Na wybrzeżu Bałtyku za wezbranie sztormowe uznaje się

przekroczenie średniego poziomu morza o 70 cm lub o 65 cm w przypadku

wystąpienia wiatrów o sile co najmniej 20 m·s -1 (Majewski 1998).

Zjawiska ekstremalne, które nie powodują strat gospodarczych, wpływają

tylko na funkcjonowanie ekosystemów (dobrym przykładem jest różnica między

wezbraniem i powodzią). Silny sztorm na Bałtyku może być korzystny,

w przypadku gdy następuje wlew wody oceanicznej do izolowanych głębi

morskich.

Zjawiska ekstremalne powodują straty, dlatego do ich wyceny wprowadzono

pojęcie zagrożenia naturalnego i klęski żywiołowej. Zagrożenie naturalne zostało

zdefiniowane przez A. Lisowskiego (1993) jako zjawisko, które może wpłynąć na

pogorszenie warunków życia człowieka. Jeśli w wyniku wystąpienia zagrożenia

naturalnego powstaną duże szkody i straty ze znaczną liczbą ofiar śmiertelnych

i rannych, wówczas mówi się o klęsce żywiołowej. W polskim prawie (Ustawa

o stanie klęski żywiołowej … 2002) klęskę żywiołową definiuje się jako katastrofę

naturalną, czyli „zdarzenie związane z działaniem sił natury, w szczególności

wyładowania atmosferyczne, wstrząsy sejsmiczne, silne wiatry, intensywne opady

atmosferyczne, długotrwałe występowanie ekstremalnych temperatur, osuwiska

ziemi, pożary, susze, powodzie, zjawiska lodowe na rzekach i morzu oraz jeziorach

i zbiornikach wodnych, masowe występowanie szkodników, chorób roślin lub

zwierząt albo chorób zakaźnych ludzi albo też działanie innego żywiołu”. Tekst

ustawy mówi tez o skali oddziaływania: „klęska żywiołowa to katastrofa naturalna

lub awaria techniczna, których skutki zagrażają życiu lub zdrowiu dużej liczby

osób, mieniu w wielkich rozmiarach albo środowisku na znacznych obszarach”.

Ryzyko zagrożenia naturalnego oznacza kombinację prawdopodobieństwa

jego wystąpienia i związanych z nim potencjalnych negatywnych konsekwencji dla

zdrowia ludzkiego, środowiska, dziedzictwa kulturowego oraz działalności

gospodarczej. Ryzyko może być zdefiniowane liczbowo np. „istnieje m %

prawdopodobieństwa, że dany obszar zostanie zatopiony w czasie powodzi,

co pociągnie za sobą straty w wysokości n zł”. Podatność na skutki ekstremalnych

zjawisk przyrodniczych, czyli zdolność i sposób reakcji ludzi na zagrożenia, zależy

od ekspozycji na zagrożenia, zdolności zapobiegania szkodom (zakres prewencji)

i możliwości kompensacji strat (Smith i Petley 2009). Pojawia się także pojęcie

zarządzania ryzykiem, czyli wybór środków redukujących ryzyko do

dopuszczalnego poziomu (Kozieł 2008).

Zagrożenie naturalne jest zatem kategorią, którą możemy ująć liczbowo,

podając zasięg działania ekstremalnego zjawiska, prawdopodobieństwo jego

wystąpienia, a nawet wycenę potencjalnych strat gospodarczych. Prognozowanie

zagrożeń naturalnych i oceny ich ryzyka wymaga rozpoznania właściwości

środowiska naturalnego. Haimes (1998) wyróżnia następujące kroki oceny ryzyka:

identyfikacja problemu, rozpoznanie obiektu, opracowanie modelu procesu, ocena

dokładności wyniku, określenie strat i zysków przyjętego rozwiązania, ocena

proponowanych działań zaradczych.

Podstawą oceny są zatem modele matematyczne procesów ekstremalnych

działających zarówno w atmosferze, hydrosferze jak i litosferze. Modele procesów

dzielone są zwykle na klasę modeli statystycznych (empirycznych) i modeli

deterministycznych. Modele deterministyczne oparte na prawach fizyki wymagają

określenia parametrów równań opisujących transport materii, zachowanie energii,

a także inne zjawiska takie jak dyspersja i dyfuzja, reakcje chemiczne,

prawidłowości rządzące światem ożywionym. Źródłem tych informacji są dane

zapisane w postaci modelu kartograficznego, a także rekordy baz danych

przestrzennych zawierające wyniki pomiarów.

Proste modele zagrożeń naturalnych można sformułować w środowisku GIS,

w którym dysponujmy dwiema metodami graficznej reprezentacji obiektu (zapisem

rastrowym lub wektorowym) oraz charakterystykami atrybutowymi zapisanymi w

bazie danych. Modele tego typu pozwalają określić potencjalne zagrożenia

naturalne, których wystąpienie jest prawdopodobne ze względu na uwarunkowania

naturalne np. erozja gleb, strefy powodziowe, ruchy masowe.

Do analizy danych rastrowych często wykorzystuje się proste operatory

arytmetyczne i logiczne, które mogą być łączone w rozbudowane wzory za pomocą

specjalnego języka skryptowego tzw. algebry map (ang. map algebra ). Jest to

działanie obejmujące jedną lub wiele warstw tematycznych mapy, stąd technika ta

jest określana także jako modelowanie kartograficzne. W przypadku danych

rastrowych możliwe jest wykonanie następujących analiz przestrzennych:

−

porównanie wartości danego piksela z cechami innych warstw tematycznych

(ang. local operation );

−

analiza sąsiedztwa danego piksela (ang. focal operation ), pozwalająca

obliczać pochodne, zamieniać wartości piksela przez konwolucję maski filtra

cyfrowego;

−

operacje globalne (ang. global operation ) pozwalające na statystyczny opis

wartości zapisanych w warstwie tematycznej (równanie powierzchni trendu,

autokorelacja przestrzenna, grupowanie wartości pikseli w podzbiory);

operacje strefowe (ang. zonal operation ) umożliwiające analizę typu

ekwidystanta.

Do analizy danych wektorowych wykorzystuje się strukturalny język

zapytań SQL (ang. structural query language ) rozbudowany o operatory

przestrzenne, które umożliwiają wykonywanie kwerend w relacyjnych bazach

danych. Działania na geometrii obiektów wektorowych to:

−

kwerendy z użyciem operatorów arytmetycznych i logicznych z jednoczesną

agregacją atrybutów;

−

operacje wyznaczania ekwidystant w celu znalezienia zasięgu oddziaływania

obiektów;

analizy sieciowe polegające na wyznaczeniu drogi i czasu przepływu

w strukturach sieciowych typu drogi, sieć rzeczna i in.;

−

analiza autokorelacji przestrzennej za pomocą metod geostatystycznych.

Przy obecnym stopniu rozwoju, programy GIS nie są jednak wystarczająco

sprawnym środowiskiem modelowania procesów przyrodniczych, zwłaszcza za

pomocą modeli deterministycznych. Zawierają one wprawdzie wiele procedur do

analizy danych przestrzennych, jednak nie można w języku skryptowym zapisać

poleceń rekurencyjnych, potrzebnych przy rozwiązywaniu np. równań

−

różniczkowych metodami numerycznymi. Trwają jednak prace nad rozwojem tego

typu języka, np. PCRaster zawiera 120 funkcji języka programowania

przeznaczonych do modelowania danych w zapisie rastrowym (Wesseling i in.

1996). Ograniczeniem jednak tego typu języka programowania jest trudność

przetwarzania danych np. w modelach trójwymiarowych (Karssenberg i De Jong

2005).

Obecnie deterministyczne modele matematyczne procesów przyrodniczych

są wykorzystywane jako niezależne oprogramowanie, a ich związek z modelami

GIS odbywa się na poziomie wprowadzania danych, a następnie obrazowania

wyników obliczeń. Z drugiej strony modele matematyczne procesów

przyrodniczych coraz częściej posługują się uproszczonymi funkcjami

przetwarzania danych przestrzennych, a ich środowisko pracy coraz bardziej

przypomina wyspecjalizowane programy GIS (np. modele hydrologiczne HEC-

RAS, Mike 11, CCHE2D). Powstają także programy komputerowe służące

do oceny ryzyka wystąpienia zagrożeń naturalnych, np. program HAZUS-MH,

który opracowano w Federal Emergency Management Agency (FEMA) w Stanach

Zjednoczonych. Jego zadaniem jest ocena zasięgu przestrzennego zagrożeń

naturalnych (powódź, huragan, trzęsienie ziemi) i wycena strat jakie mogą

przynieść. Program wykorzystuje połączenie wiedzy przyrodniczej, inżynierskiej

i kartograficznej w zakresie GIS.

Źródła danych przestrzennych

Początkowo pozyskanie odpowiedniego zbioru danych przestrzennych

oznaczało dla autora opracowania konieczność ręcznej digitalizacji map,

skanowania zdjęć lotniczych, wprowadzaniem danych liczbowych i opisowych.

Obecnie wraz ze wzrostem liczby użytkowników programów GIS i rosnącym

polem zastosowań tej techniki pojawiły się gotowe bazy cyfrowych danych

przestrzennych udostępnianie na różnych zasadach. Do uruchomienia projektu GIS

potrzebna jest zatem dziś wiedza o źródłach danych i ich właściwościach.

W dalszej części opracowania przedstawione zostaną ogólnie dostępne bazy

danych przestrzennych, przydatne do modelowania zagrożeń naturalnych.

Podstawowych informacji o środowisku naturalnym dostarczają mapy

zasadnicze i mapy topograficzne. Poprawność lokalizacji danych przestrzennych

i jednolitość treści na mapach topograficznych przesądziła o tym, że stosuje się je

jako podstawowe źródło danych cyfrowych zapisywanych w komputerowych

bazach danych przestrzennych. Na podkładzie map topograficznych jest także

wyświetlany wynik modelowania uzyskany z przetworzenia różnych warstw

tematycznych w postaci mapy komputerowej.

Układami współrzędnych spotykanymi w krajowych bazach danych

przestrzennych są: 1965, 1942, 1992, UTM. Wprowadzenie w bazach danych

przestrzennych ujednoliconego układu współrzędnych zgodnego ze światowym

standardem WGS-84 (układ 1992 i UTM) otwiera nowe możliwości łączenia

informacji z rozproszonych źródeł. Dobrym przykładem takiej bazy są zasoby

archiwalnych obrazów satelitarnych LANDSAT udostępniane przez Earth

Resources Observation and Science (EROS) Center w Stanach Zjednoczonych,

baza danych satelity MODIS, baza Czeskiego Instytutu Hydrometeorologicznego,

która zawiera archiwum obrazów z satelity meteorologicznego AVHRR, baza

Europejskiej Organizacji Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych –

EUMETSAT. Ta zgodność układu odniesienia jest już wykorzystywana

np. w opracowanym przez GUGiK Geoportalu 2, serwisach regionalnych

(np. Wrota Mazowsza), w programach typu lokalizator usług, w systemach

nawigacji samochodowej i in.

Infrastruktura danych przestrzennych

W wielu państwach powstały systemy zarządzania nazywane narodową

infrastrukturą danych przestrzennych NSDI (ang. national spatial data

infrastructure ).

W zjednoczonej Europie tworzona jest infrastruktura danych przestrzennych

o nazwie INSPIRE, która dotyczy zbiorów danych przestrzennych w zasobach

organizacji państwowych oraz zasad dostępu i przetwarzania.

Polska infrastruktura danych przestrzennych wchodzi w zakres działalności

Państwowego Zasobu Geodezyjnego i Kartograficznego, który należy do

Głównego Geodety Kraju, a jego obsługą zajmuje się Centralny Ośrodek

Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (CODGiK).

W Polsce do najważniejszych cyfrowych zbiorów danych przestrzennych

tworzonych przez służbę geodezyjno-kartograficzną należą:

−

Ewidencja Gruntów i Budynków (EGiB) - inaczej kataster nieruchomości,

−

mapa zasadnicza,

Geodezyjna Ewidencja Sieci Uzbrojenia Terenu (GESUT),

−

Państwowy Rejestr Granic (PRG),

−

Państwowy Rejestr Nazw Geograficznych (PRNG),

−

Baza Danych Hydrograficznych,

−

Baza Danych Sozologicznych,

−

Baza Danych Topograficznych (TBD),

Baza Danych Ogólnogeograficznych (BDO).

Instytucje państwowe nie związane ze służbą geodezyjno-kartograficzną

tworzą także inne bazy danych przestrzennych obejmujące takie zagadnienia jak:

−

wykaz miejscowości, ulic i jednostek administracyjnych (baza TERYT)

Głównego Urzędu Statystycznego,

−

mapa Podziału Hydrograficznego Polski (MPHP) Instytutu Meteorologii

i Gospodarki Wodnej,

−

bazy danych Państwowego Instytutu Geologicznego,

−

Bank Danych Drogowych Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad

oraz zarządów dróg różnego szczebla,

−

bazy tworzone przez państwową służbę leśną w ramach Systemu

Informatycznego Lasów Państwowych,

−

bazy tworzone w ramach NATO (VMap),

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: