Hydrografia

2.1 Zastosowanie GIS w hydrografii

2.1.1 Definicja hydrografii

Powstanie pojęcia hydrografii datuje się na połowę XVI wieku. Hydrografia jest sztuką oraz nauką opracowującą i produkującą mapy ziemskich obszarów pokrytych wodą [Encyklopedia Brytanica, 2007]. Jako nauka zajmuje się pomiarami oraz opisem fizycznych cech budowy wód, rejonów przybrzeżnych, dróg wodnych dla celów żeglugi, a także ustawianiem znaków nawigacyjnych. Do jej aktywności należy również publikacja map, pomocy nawigacyjnych oraz literatury, w której zawarta jest odpowiednia ilość treści. Hydrografia jest połączeniem oceanografii (bada zjawiska i procesy zachodzące w oceanach) z limnologią (bada wódy zbiorników śródlądowych: warunki fizyczne, chemiczne i biologiczne; ustrój lodowy oraz termiczny, sedymentację osadów, prądy oraz falowanie).

Badania hydrograficzne mogą stanowić wsparcie dla takich działalności jak:

- produkcja map nawigacyjnych,

- portowe i przystaniowe konserwacje (pogłębianie dna),

- inżynieria przybrzeżna (zmiany brzegowe),

- zarządzanie przybrzeżne,

- badanie mórz i oceanów.

Głównymi przedmiotów badań są:

- głębokość wód,

- rodzaj dna morskiego (muł, piasek, skały); tą wiedzę wykorzystuje się przy kotwiczeniu, stawianiu konstrukcji, kopaniu, kładzeniu kabli, rur oraz przy łowieniu ryb.

2.1.2 Wykorzystanie GIS w hydrografii

Duża większość światowej populacji polega na wynikach profesjonalnych badaniach hydrografów. Tworzenie danych poprzez hydrograficzne badania stanowi fundament dla całej żeglugi morskiej oraz pomoc w użytkowaniu mórz oraz dna morskiego [Abbott, 1996].

Od czasu kiedy System Informacji Przestrzennych znalazł praktyczne zastosowanie w kartografii, jego walory zostały także dostrzeżone przez naukowców zajmujących się wodami Ziemi. Na dzień dzisiejszy aplikacja GIS ma ogromne zastosowanie w hydrografii.

Dzięki systemowi budowane są i udoskonalane batymetryczne mapy dna morskiego, głębokości jezior, rzek oraz wszelkich zbiorników wodnych. Opracowano wiele różnych technologii zbierania podwodnych geodanych przestrzennych.

Rys. 2.8 Obraz sonarowy wraku okrętu wojennego „Malutka” z holowanego sonaru bocznego EdgeTech DF 1000 częstotliwość robocza 500 kHz. W okolicy dziobu zerwany hol stalowy. Na wschód od wraku leży nieznany obiekt o wymiarach około 1,5 x 2 m x 1,5 metra [Hac, 2006]

Przy pomocy technologii satelitarnej (GPS, GLONAS, a w przyszłości także europejskiego Galileo), nowoczesnych technik sondażu hydroakustycznego (rys. 2.8) (Echograf, Echosonda, Sonar, Stacja hydrolokacyjna) oraz różnego rodzaju multimediów (dźwięk, grafika, zdjęcia, animacja, wideo) buduje się podwodny rzeczywisty świat w środowisku GIS.

Za dobry przykład wykorzystania GIS do opracowania mapy batymetrycznej może posłużyć mapa stworzona przez pracowników Katedry Geodezji Satelitarnej i Nawigacji Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Grupa tych naukowców opracowała i uruchomiła Zintegrowany System Batymetryczny do prowadzenia sondażu hydroakustycznego na wodach śródlądowych. Kampanią pomiarową kierował dr inż. Dariusz Popielarczyk [http://www.batymetria.pl/].

Na bazie 360 tysięcy pikiet pomiarowych opracowano mapę batymetryczną jeziora w skali 1:30 000. Mapa w postaci papierowej została wydana w 3000 egzemplarzach. Na podstawie opracowanej mapy jeziora oraz wizualizacji w postaci numerycznego modelu terenu (NMT) można powiedzieć, iż zbiornik wodny charakteryzuje się niezmiernie urozmaiconym i zmiennym ukształtowaniem dna (rys. 2.9) [http://www.batymetria.pl/Śniardwy/Batymetria-jezior].

Rys. 2.9 Model przestrzenny dna okolic Wyspy Pajęczej i wyspy Czarci Ostrów [http://www.batymetria.pl/Śniardwy/Batymetria-jezior]

Niezwykle prezentuje się fragment modelu przestrzennego dna wykonanego na podstawie współczesnych pomiarów. Obszar ten obejmuje okolice Wyspy Pajęczej i wyspy Czarci Ostrów (rys. 2.10). Głównym celem tego projektu było zapewnienie bezpieczeństwa żeglugi i uprawiania sportów wodnych na tym terenie.

Aplikację GIS wykorzystuje się również do budowy map hydrograficznych.

Rys. 2.10 Wizualizacja baty- metryczna jeziora Śniardwy [http://www.batymetria.pl/Śniardwy/Batymetria-jezior]

Mapy te prezentują warunki obiegu wody i jej chwilowy stan. Chwilowy, ponieważ jest to obraz danej chwili, w której nastąpiło kartowanie często ulegającego zmianie środowiska geograficznego.

Jednym z obfitych owoców pracy polskich naukowców jest numeryczna mapa hydrograficzna polski. Działa ona na podstawowym poziomie funkcjonalności GIS. Tego rodzaju mapy wykorzystuje się w takich dziedzinach społeczno-gospodarczych jak:

- aranżowanie przestrzenne położenia domów, osiedli a nawet miast;

- zaopatrywanie w wodę;

- przewidywanie skutków powodzi, a także zabezpieczenie danych rejonów przed jej skutkami;

- szybka analiza strat w przypadku katastrofy;

- opracowanie planu działania dla służb szybkiego reagowania;

- projektowanie infrastruktury kabli energetycznych oraz rur;

- turystyka i rekreacja;

- inne dziedziny powiązane z wodą.

Kolejnym obszarem użycia danych przestrzennych jest klimatologia. Aplikacje GIS wykorzystuje się do prezentacji prognozy pogody oraz prognozowania efektów zmian systemu klimatycznego na świecie (patrz rozdz. 2.2.5.)

Polski Zakład Systemów Wodno-gospodarczych - ZSW prowadzi prace badawcze i wdrożeniowe. ZSW wykorzystuje techniki GIS przy zadaniach związanych z wdrażaniem Ramowej Dyrektywy Wodnej 2000/60/WE (RDW) [http://www.imgw.pl/]:

- wdrażanie RDW - wyznaczanie typów i jednolitych części wód wraz z określaniem oddziaływań i ich skutków na te wody;

- tworzenie baz danych wykorzystywanych do wyznaczenia jednolitych części wód zagrożonych nieosiągnięciem celów środowiskowych;

- bilansowanie wodno-gospodarczym w zlewni;

- wyznaczanie granic obszarów bezpośrednich zagrożeń powodziowych;

- tworzenie lokalnych systemów ostrzegania przed powodziami.

Aplikacja GIS znalazła szerokie zastosowanie w nawigacji morskiej. Wykorzystanie informacji przestrzennej na statkach ma ścisłe powiązanie z hydrografią. Najbardziej powszechnym urządzeniem nawigacyjnym pracującym w środowisku GIS jest z pewnością ECDIS (Electronic Chart Display and Information System). Użycie danych przestrzennych w nawigacji morskiej jest opisane w podrozdziale 2.4.

Rys. 2.11 Obraz podwodnego świata industrialnego [http://www.hydrographicsociety.org]

Rysunek 2.11 obrazuje wizję wirtualnego świata podwodnego, którego możliwość stworzenia w przyszłości da nam aplikacja GIS. Dzięki programistycznemu Językowi Modelowania Wirtualnej Rzeczywistości VRML (Virtual Reality Modeling Language) istnieje możliwość definiowania zależności pomiędzy obiektami lub otoczeniem (patrz rozdz. 3.2).

2.1.3 Przewidywanie skutków powodzi oraz zapobieganie im przy użyciu GIS

Technologia GIS gra główną rolę w szybkim reagowaniu na dotkniętych klęską żywiołową rejonach. W ramach V ramowego programu Unii Europejskiej w Polsce wprowadza się projekt badawczo-wdrożeniowy zatytułowany OSIRIS "Operacyjne metody zarządzania zagrożeniem powodziowym w społeczeństwie informacyjnym" (Operational Solutions for the Management of Inundation Risks in the Information Society). Projekt realizowany jest w Polsce przez IMGW (Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej) od 2000 roku. Celem projektu jest opracowanie elektronicznego systemu monitorowania wybranych elementów środowiska naturalnego w sytuacjach kryzysowych, uogólnienie wyników oraz zintegrowanie ich z 12 pozostałymi partnerami (Francja, Włochy, Niemcy, Holandia). Cały system opiera się na bazie narzędzi GIS. Efektem końcowym całego przedsięwzięcia ma być zarządzanie informacją w czasie powodzi w obrębie Wspólnoty Europejskiej.

Powodzie są częstym zagrożeniem dla życia ludzkiego oraz przynoszą ogromne straty finansowe nie tylko osobom prywatnym, ale także państwu. Jest to główny powód, dla którego w Polsce finansuje się projekt OSIRIS (System Monitoringu i Osłony Kraju jest bardzo kosztownym, ok. 260 milionów złotych, i skomplikowanym zadaniem, zleconym przez ministra środowiska, finansowanym z kredytu udzielonego Polsce przez Bank Światowy [Oleszkiewicz, 2003]).

Narzędzia pracujące w Systemie Informacji Przestrzennej są niezwykle potrzebne służbom odpowiedzialnym za przeprowadzanie akcji przeciwpowodziowych. Można powiedzieć, że GIS ratuje życie. Dzięki jego wykorzystaniu służby ratownicze są w stanie modelować rozwój fali powodziowej oraz szybko ostrzec, i ewakuować zagrożonych ludzi. Aplikacja GIS w tym przypadku umożliwia dynamiczną symulację postępu zjawiska przy uwzględnieniu różnych założonych scenariuszy. Szybkie wyszukiwanie informacji dotyczących zagrożonych obszarów i obiektów, oraz przeprowadzanie analiz odbywa się przy użyciu:

- map numerycznych DTM (digital terrain model) o charakterze topologicznym,

- map rastrowych,

- dodatkowych danych.

Posiadanie specjalistycznych opracowań wykorzystujących narzędzia GIS umożliwia wykonywanie szeregu analiz, takich jak:

- określenie zagrożenia powodziowego na terenach znajdujących się w strefie zalewu wód prawdopodobnych,

- pozyskiwanie danych wejściowych do obliczeń hydrologicznych,

- określenie możliwości realizacji inwestycji budowlanych na terenach zagrożonych powodzią,

- uszczegółowienie i weryfikacja zasięgu zalewów wód powodziowych w oparciu o inne materiały [http://www.hydro.geo.uj.edu.pl].

2.1.4 Generalna Batymetryczna Mapa Oceanów GEBCO (General Bathymetric Chart of the Oceans)

Rys. 2.12 Batymetryczna mapa świata stworzona w ramach projektu GEBCO

GEBCO (General Bathymetric Chart of the Oceans) jest to międzynarodowy projekt pod patronatem Międzynarodowej Organizacji Hydrograficznej (IHO) oraz Międzyrządowej Komisji Oceanograficznej (IOC) Narodów Zjednoczonych. Projekt ma na celu wprowadzenie najbardziej wiarygodnej, ogólnie dostępnej bazy batymetrycznych map i cyfrowych siatek oceanów całego świata (rys. 2.12). Bazę tę tworzy się na podstawie zinterpretowanych oraz nawarstwionych danych zebranych przez statki, łodzie podwodne oraz różnego rodzaju wehikuły podwodne.

Od 1994 roku projekt GEBCO został przekonwertowany na format cyfrowy, co umożliwiło jego zobrazowanie przy użyciu Systemów Informacji Przestrzennej GIS. Obecnie mapa batymetryczna tworzona w ramach GEBCO, głównie opierająca się na narzędziach GIS, pozwala na optymalne powiązanie informacji różnego pochodzenia. Względnie szybki rozwój sporządzania mapy oceanów jest zasługą połączenia wielu regionalnych projektów świata. GEBCO łączy w jedną całość takie projekty, jak [http://www.gebco.net]:

· IBCAO International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean,

· IBCCA International Bathymetric Chart of the Caribbean Sea & Gulf of Mexico,

· IBCEA International Bathymetric Chart of the Central Eastern Atlantic,

· IBCM International Bathymetric Chart of the Mediterranean,

· IBCSEP International Bathymetric Chart of the South Eastern Pacific,

· IBCSO International Bathymetric Chart of the Southern Ocean,

· IBCWIO International Bathymetric Chart of the Western Indian Ocean,

· UNH CCOM UNH CCOM/JHC Law of the Sea Mapping Program/Study,

· IHO DCDB IHO Data Center for Digital Bathymetry,

· WDC GMG World Data Center for GMG, Boulder.

Sondowanie dna morskiego i linie warstwicowe na europejskich mapach pojawiły się ok. XVI wieku. Za pierwszą mapę batymetryczną uważa się opublikowaną w 1853 roku mapę północnego Atlantyku. Jej powstanie zrodziło zainteresowanie budową generalnej batymetrycznej mapy świata. Przez cały XX wiek ilość danych głębokościowych wód świata zwiększała się i jednocześnie wydawano nowe edycje generalnej mapy batymetrycznej. Powstało wiele projektów dotyczących różnych rejonów świata. Na początku lat 80-tych XX wieku Komitet Naukowy Badań Oceanicznych SCOR (Scientific Committee on Ocean Research)postanowił zmodernizować generalną mapę i tworząc nową, piątą edycję mapy, „sprostać potrzebom dzisiejszych użytkowników”. IOC UNESCO została zaproszona do udziału we współfinansowaniu projektu GEBCO, do którego z wielkim entuzjazmem dołączył się kanadyjski rząd. GEBCO zaoferowało morskim geonaukowcom z wielu krajów możliwość opublikowania ich prac w wysokiej jakości, prestiżowym piątym wydaniu mapy.

Pierwsza publikacja w skali 1:10 000 000 została wydana w 1982 roku. Już w 1994 roku GEBCO opublikowało cyfrowy atlas GDA (GEBCO Digital Atlas) na płycie CD. GDA zawiera batymetryczne izohipsy w postaci cyfrowej, dane dotyczące linii brzegowych, nazwy podwodnych obiektów oraz miejsc, a także siatkę z jednominutowym podziałem [http://www.gebco.net/]. Mapa dotyczy głównie głębokich wód, dlatego nie zawiera informacji batymetrycznych o płyciznach, osuchach czy wynurzonych z wody skałach. Po dziś dzień większa część obszarów wód oceanicznych nie została jeszcze zbadana. Uzupełnieniem danych na mapie oraz poprawianiem ewentualnych niedokładności (bugs) zajmuje się Brytyjskie Centrum Danych Oceanograficznych BODC (British Oceanographic Data Centre).

Mapa GEBCO

W rozdziale 1.2.2. został opisany podział na mapy Systemu Informacji Przestrzennej, z którego można wywnioskować, że mapa GEBCO jest modelem wektorowym. Jej siatkowa struktura jest 3-wymiarową (x, y, z) reprezentacją komputerową [http://www.gebco.net]. Baza danych mapy zawiera wartości (x, y) w równych przedziałach (rys. 2.13). Długością geograficzną jest x, szerokością y.

Natomiast wartość z opisuje głębokość do dna morskiego albo wysokość lądu powyżej poziomu morza [http://www.gebco.net/]. Zastosowanie siatki geograficznej przy tworzeniu komputerowej bazy danych stanowi idealne rozwiązanie dla obliczeń, wyszukiwania informacji oraz przekształcania tworzonej mapy.

Rys. 2.13 Jednominutowa siatka stosowana w mapach GEBCO

2.1.5 Globalny System Obserwacji Oceanu GOOS (Global Ocean Observing System)

GOOS jest Systemem Obserwacji Oceanów na całym świecie, który został stworzony przez Techniczne Stowarzyszenie od Procesów i Klimatu Oceanów (IOC’s Technical Committee for Ocean Processes and Climate (TC/OPC)) na początku 1980 roku. W tym czasie oceanografowie zdali sobie sprawę z tego, że oceany mają ogromny wpływ na cały system klimatyczny, który ma zdolność gromadzenia wielkich mas ciepłego powietrza oraz powolnego przesuwania ich po całej Ziemi. Bardzo istotna stała się możliwość obserwacji zjawisk, jakie zachodzą na naszej planecie. Po wieloletnich eksperymentach nad zachowaniem się wód jako globalnej całości, w lutym 1991 roku komitet TC/OPC przyznał, że koncepcja GOOS powinna być rozszerzona do fizycznego, chemicznego oraz biologicznego monitorowania oceanów oraz rejonów przybrzeżnych.

System GOOS został zaprojektowany i zaimplementowany w taki sposób, by objąć swoim zasięgiem wszystkie oceany, morza, zatoki i wody wewnątrzlądowe jako jednolitą masę wodną. GOOS to także pakiet programów pracujących w różnych oraz uzupełniających się aspektach, zapewniających zdolność operacyjną wszystkim światowym nacjom.

System obserwacji jest tworzony z dwóch powiązanych oraz zbiegających się modułów [Loddé, Wyss, 2003].

Moduł oceanów światowych

Jego zadaniem są wykrywanie i przepowiadanie zmian w systemie klimatycznym oceanów, oraz ulepszanie serwisów nawigacyjnych. Zadania te realizowane są przez Panel Obserwacji Klimatu Oceanicznego OOPC (the Ocean Observations Panel for Climate),a sponsorowane przez Program Badań Światowego Klimatu WCRP (World Climate Research Programme).

Moduł przybrzeżny

Moduł ten zajmuje się efektami wielkoskalowych zmian w systemie klimatycznym oceanów oraz efektami działalności ludzkiej na przybrzeżny ekosystem, a także tak jak w przypadku modułu oceanów światowych ulepszanie serwisów nawigacyjnych. Zadania modułu przybrzeżnego realizowane są przez Panel Obserwacji Przybrzeżnego Obszaru Oceanicznego COOP (Coastal Ocean Observations Panel), a sponsorowane przez Organizacje Żywności i Rolnictwa Zjednoczonych Narodów FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) oraz przez Międzynarodowy Program Geosphere-Biosphere IGBP.

Zintegrowany system obserwacji i analizy składa się wielu systemów gromadzących dane i informacje z pomiarów w czasie rzeczywistym. Głównymi pomiarami odczytywanymi z satelitów znajdujących się w kosmosie, zakotwiczonych na wodach instrumentów, boi oraz profilerów są temperatura i zasolenie. Pomiary te są także najbardziej istotnych elementem całego projektu i wykorzystuje się je do osiągnięcia następujących celów:

- większa kontrola i zmniejszenie efektów naturalnych niebezpieczeństw;

- polepszenie bezpieczeństwa oraz wydajności nawigacji morskiej;

- polepszenie wielkość wykrywania i przewidywania efektów globalnej zmiany klimatu w przybrzeżnym ekosystemie;

- zredukowanie zagrożeń zdrowia publicznego;

- polepszenie efektywności ochrony i odnowy ekosystemu;

- umożliwienie.