4D vizualizace tečení vody a změn smykového napětí ve svazích pomocí GRASS a Vis5D

Bc. František PURŠL

studijní obor Aplikovaná geoinformatika

Katedra geoinformatiky

Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého Olomouc

Vedoucí práce: RNDr. Michal Bíl, Ph.D.

 

1.      Úvod

 

Při volbě diplomové práce, 4D vizualizace tečení vody a změn smykového napětí ve svazích pomocí GRASS a Vis5D, byly mé představy o práci ovlivněny jednoduchostí a přehledností práce v intuitivním prostředí geologickém programu Rockworks. Doufal jsem, že práce v GIS GRASS bude obdobně přehledná a jednouchá a že export dat do Vis5D bude bezproblémový. Téměř opak byl však pravdou.

Podpovrchovému proudění vody i stabilitě svahů se věnuje poměrně mnoho literatury, ale prací, v nichž jsou obě témata spojena, je minimum. Ve své práci se pokusím tato dvě témata spojit. Na základě dat o podpovrchovém proudění vody a složení kvartérního pokryvu naměřených na experimentálním svahu odvodím celkové množství vody v půdě v různých časech. Z těchto dat budu počítat smykové napětí ve svahu (vyjdu z rozdílné hmotnosti půdy vlivem variabilního obsahu vody v půdě).

Celá diplomová práce je tvořena ve volně dostupných OpenSource nebo Freeware produktech.

Diplomová práce se skládá ze dvou částí. První část je teoretická a je věnována podpovrchovému proudění vody a smykovému napětí. Naleznete zde i ukázky vybraných programů simulující tuto problematiku. V druhé časti je popsán postup instalace všech programů, základy práce v nich a postupy řešení problematiky vizualizace.

 

2.     Cíl práce

 

Cílem magisterské práce je vytvořit, ze vzorových dat naměřených na experimentálním svahu pomocí GIS GRASS a Vis5D, časoprostorovou (4D) vizualizaci tečení vody a změny smykového napětí ve svazích. V práci je popsána instalace operačního systému Linux (verze Mandrake 10.1). Dále pak instalace GIS GRASS 6.0.1 z *.rpm balíčků kompilovaných přímo pro Mandrake i instalace Vis5D+ 1.2.1 kompilací zdrojového kódu. Dále základní principy práce v těchto softwarech a konkrétní postup práce.

Tato diplomová práce by měla posloužit studentům geoinformatiky, geografie a geologie. Své uplatnění může najít i u studia stavebních oborů a její výsledky mohou být jako návod pro instalaci a práci v OpenSource produktech.

 

3.     Použitý software

 

Systém GIS GRASS 6.0.1 je velmi kvalitní GIS obsahující mocné nástroje především na analýzy a vytváření rastrových dat, kterými se dokáže vyrovnat velmi drahým komerčním GIS. Bohužel takto kvalitní analytické nástroje nejsou doplněny stejně kvalitními možnostmi vizualizace. GRASS umožňuje díky vizualizačnímu modulu NVIZ a 3D map kalkulátoru kvalitní práci s 3D daty, ale pouze v případě že 3D data máme již vytvořena, jejich tvorba velmi obtížná. Z GRASS jsou možné dva způsoby tvorby animace, v modulu NVIZ je možno vytvořit průlet nad 3D scénou, druhým způsobem je použití modulu r.our.mpeg (tvorba výsledné animace nejde ovlivnit a je velmi rychlá). Náhradní možností je export vytvořených rastrů do grafických formátů a tvorba animace v jiném programu (Windows Movie Maker).

 

Stránky o GIS GRASS

Návod na instalaci Grasss v Mandrake 10.1. a ukázky práce v GRASS

 

 

 

Vis5d+ je OpenSource software sloužící k vizualizaci rastrových dat. Jak již název napovídá, data musí být určena pomocí pěti údajů (dimenzí). Tři dimenze jsou souřadnice X, Y a Z, neboli zeměpisná délka, šířka a nadmořská výška. Čtvrtou dimenzí je čas a poslední, pátou dimenzi, představuje modelovaná fyzikální veličina. Maximální limit počtu proměnných je 30. Časových kroků může být maximálně 400. Velikost území je omezena především hardwarovými nároky.

Největší výhodou Vis5D je podpora multitemporálních datových sad. Tyto data jsou zobrazena v jediném okně a mohou být editována nebo prohlížena jako animace nebo snímek po snímku.

První verze softwaru Vis5D byla verze 1.0 uvedená v lednu 1988. Jejími tvůrci byli Bill Hibbard a Dave Santek z Univerzity ve Wisconsinu za podpory NASA (Marshall Space Flight Center) a Marie-Francoise Voidrot-Martinez z francouzského meteorologického ústavu. Na dalších verzích se podílelo již značné množství lidí a ke každé další verzi byly buď přidávány nové funkce, nebo byly vylepšeny původní funkce (nové palety barev, trajektorie větru, horizontální a vertikální řezy…). V současnosti je nejnovější verzí Vis5D+ 5.2.1. Tato verze je silným nástrojem sloužícím pro vizualizaci multitemporálních dat. Umožňuje používání nepravidelných gridů, používání textur povrchů a mnoho dalších kvalitních nástrojů pro vizualizaci a editaci dat.

Vis5D jsem v diplomové práci nevyužil. Hlavním důvodem je nemožnost vytvoření v 3D dat GRASS vhodných pro export do Vis5D. Práci ve Vis5D jsem testoval pouze na ukázkových datech dodávaných s Vis5D.

 

Oficiální stránky o Vis5d+ 1.2.1.

Návod na instalaci v Mandrake 10.1. a ukázky práce ve Vis5D

 

4.     Postup práce

 

 

 

 

 

 

                                              

                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.      Výsledky a závěry práce

 

Základní poznatek z  teorie pohybu podzemní vody je, že voda nejprve prosakuje převážně vertikálním směrem skrze provzdušnělé (aerační) pásmo směrem od zemského povrchu k hladině podzemní vody. Vertikální směr tohoto pohybu může být ovlivněn např. čočkami jílových minerálů. Po dosažení hladiny podzemní vody (nasyceného pásma) vertikální pohyb přechází na laterální, který směřuje na místní erozní bázi.

Podpovrchová voda má velký vliv na stabilitu svahu. Může působit na integritu složení svahu (vyplavování drobných částic, rozpouštění tmelu, bobtnání a sesychání půd, atd.) nebo pouze zvětšením či zmenšením hmotnosti kvartérního pokryvu na svahu, v závislosti na jejím obsahu.

 

Pro výpočty smykového napětí ve svazích jsem použil upravený velmi jednoduchý vzorec na výpočet pohybu tělesa na šikmé ploše: Ft = mg * (sin (α + 45°) - cos (α + 45°)). Výsledkem všech výpočtů je obrovské množství gridů ze kterých jsem následně tvořil animace. Animace vytvořené přímo z GRASS jsou velmi rychlé a nepřehledné (38 snímků za 1s.). Problémem tvorby animace byla legenda. Při exportu z GRASS ji nelze vložit vůbec, možnosti jejího vložení při tvorbě animace v jiných softwarech nejsou lepší. Vytvořené animace jsem pro prezentaci vložil do prostředí MS PowerPoint a doplil obrázkem legendy. Vytvořené animace v krátké prezentaci naleznete zde. Na základě výsledku lze formulovat velmi jednoduchou tezi, čím více je vody v půdě, tím více stoupá její hmotnost a zvyšuje se smykové napětí.

 

 

 

 

Poster ke stažení: ZDE

 

František PURŠL

fpursl@tiscali.cz

UP Olomouc 2007