prezentacja w formacie *.pdf z warsztatów "Analizy przestrzenne z wykorzystaniem GRASS" 13-16.09.2010. Autorka: Hania Ojrzyńska

1. mgr inż. Hanna Ojrzyńska
Modelowanie przestrzennego
zróżnicowania wysokości
pokrywy śnieżnej w Sudetach
Zachodnich

2. Założenia wstępne
• Praca z systemem GIS GRASS i systemem statystycznym R
• zastosowanie metody regresji wieloczynnikowej
• Zbiór zmiennych zależnych = dane pomiarowe
• Zbiór zmiennych niezależnych = warstwy rastrowe z informacją o
rozkładzie czynników morfometrycznych i pokryciu terenu
• Modelowanie średniej wysokości pokrywy śnieżnej w 3
charakterystycznych fazach jej rozwoju:
• Okres początkowych przyrostów pokrywy
• Okres maksimum miąższości pokrywy
• Okres wiosennej ablacji pokrywy
Modele estymacji budowane w oparciu o „dzień charakterystyczny”
dla danej fazy pokrywy

3. Zbiór zmiennych zależnych
Dane pomiarowe z sezonu zimowego 2003/2004
Pomiary
codzienne:
•Tyczki
śnieżne
•Sieć
pomiarowa
IMGW i CHMI
Pomiary
patrolowe:
•Tyczki
śnieżne
•Pomiary
wyskalowaną
sondą śnieżną
Ryc. 1. Rozmieszczenie punktów pomiaru miąższości pokrywy śnieżnej
(A- posterunki i stacje IMGW i CHMU; B – stanowiska z zainstalowanymi
tyczkami śnieżnymi; C – pomiary przy użyciu przenośnych sond śnieżnych).

4. Zbiór zmiennych zależnych
• Przygotowanie zbioru zmiennych:
– nadanie współrzędnych punktom pomiarowym (układ PUWG92)
– zestawienie wyników pomiarów dla wybranych „dni charakterystycznych”
w konkretnych fazach rozwoju pokrywy
– przygotowanie pliku.csv z zestawieniem danych w kolumnach (kolejno)
-współrzędna X
-współrzędna Y
-wysokość pokrywy
śnieżnej w dniu
charakterystycznym
-nr porządkowy punktu

5. Zbiór zmiennych zależnych
• Import pliku .csv do systemu GRASS
v.in.ascii

6. Zbiór zmiennych zależnych
• Import pliku .csv do systemu GRASS
v.in.ascii –z input=plik.csv output=wektor format=point fs=_
skip=0 x=1 y=2 z=3 cat=0

7. Zbiór zmiennych niezależnych
Czynniki morfometryczne
• forma parametryzacji wpływu morfologii terenu na rozkład
przestrzenny elementów meteorologicznych
odpowiedzialnych za kształtowanie pokrywy śnieżnej
• 62 warstwy rastrowe; DEM, pochodne DEM dla różnych
odległości bądź sektorów kierunkowych
– Wysokość nad poziomem morza (wzrost wysokości =)
• spadek temperatury powietrza
• spadek prężności pary wodnej w atmosferze
• wzrost częstości opadów śnieżnych
– „Ekspozycja cyrkulacyjna” stoków
• Stoki dowietrzne i zawietrzne
• Większe sumy opadów na stronie dowietrznej
• cień opadowy stoków zawietrznych
• Efekty fenowe
• Szybki zanik pokrywy na stokach objętych fenem

8. Zbiór zmiennych niezależnych
Czynniki morfometryczne – c.d.
• Forma terenu
• Forma wklęsła
» zastoisko zimnego powietrza
» miejsce zwiększonej akumulacji przewiewanego przez wiatr śniegu
» obszar często zacieniony
• Forma wypukła
» miejsce zwiększonego wywiewania (deflacji) śniegu
» miejsce intensywnej operacji słonecznej
• Nachylenie stoków
• Większe nachylenie  większe prawdopodobieństwo ruchów
grawitacyjnych
• Zróżnicowanie ilości dochodzącego promieniowania
• Ekspozycja stoków
• Zróżnicowanie ilości dochodzącego promieniowania
– N – najlepsze warunki do konserwacji pokrywy
– S – najgorsze warunki do konserwacji pokrywy

9. Zbiór zmiennych niezależnych
• Wysokość n.p.m.
– warstwa DEM o rozdzielczości 50m
Ryc. 2. Wysokość n.p.m. w obszarze badań [m]

10. Zbiór zmiennych niezależnych
• Nachylenie i ekspozycja stoków
r.slope.aspect

11. Zbiór zmiennych niezależnych
• Nachylenie i ekspozycja stoków
r.slope.aspect elevation=dem.500 slope=nachylenie aspect=ekspozycja

12. Ryc. 3. Nachylenie stoków w obszarze badań [°]
Ryc. 4. Ekspozycja stoków w obszarze badań [°]

13. Zbiór zmiennych niezależnych
• Forma terenu (wklęsłość/wypukłość)
– r.neighbors + r.mapcalc
– r.mfilter + r.mapcalc
Analiza sąsiedztwa:
• r.neighbors - możliwość dobierania wielkości „ruchomego okna”
oraz parametru statystycznego (średnia, max, min, odchylenie
standardowe itp.). Stały kształt okienka.
• r.mfilter - możliwość określania kształtu „ruchomego okna”,
wyłącznie suma lub średnia (w tym ważona)

14. Zbiór zmiennych niezależnych
Analiza sąsiedztwa
ruchome okno
Krok 1
okno 3x3 rastry
Krok 2
Przesunięcie okna
Krok 3
okno 3x3 rastry
Krok 4
Przesunięcie okna

15. Zbiór zmiennych niezależnych
• Forma terenu  zwartość formy
r.neighbors input=dem.500 output=srH size=9

16. Zbiór zmiennych niezależnych
• Forma terenu (wklęsłość/wypukłość)
r.mapcalc ‘forma=dem.500-srH’
Ryc. 5. Forma terenu dla sąsiedztwa 15km
Ryc. 6. Forma terenu dla sąsiedztwa 1km

17. Zbiór zmiennych niezależnych
• Ekspozycja cyrkulacyjna stoków (wyeksponowanie/zasłonięcie)
r.mfilter + r.mapcalc
r.mfilter input=dem.500 output=zasl_NW filter=nazwa.txt repeat=1

18. Zbiór zmiennych niezależnych
• Ekspozycja cyrkulacyjna stoków (wyeksponowanie/zasłonięcie)
r.mapcalc ‘zasloniecieNW=dem.500-zasl_NW’
Ryc. 7. Zasłonięcie/wyeksponowanie
z sektora NE dla odległości 15km
Ryc. 8. Zasłonięcie/wyeksponowanie
z sektora SW dla odległości 15km

19. • Rola lasu/kosodrzewiny w różnicowaniu pokrywy śnieżnej
– Wzrost szorstkości podłoża
• wzmożona akumulacja śniegu przenoszonego przez wiatr
– Buforowa rola warstwy koron:
• Brak bezpośredniej operacji słonecznej
• Utrudniony odpływ warstwy powietrza ochładzanej od powierzchni
śniegu
• Zatrzymywanie śniegu na gałęziach drzew
• Źródło danych – zreklasyfikowany model pokrycia terenu o
rozdzielczości 25m (1-las, 2-teren niezalesiony)
r.mapcalc ‘pokrycie=if(klasy_uzytkowania==1||klasy_uzytkowania==3,1,0)’
Zbiór danych jakościowych 
osobne równania estymacji
wysokości pokrywy śnieżnej dla
lasu i obszarów niezalesionych
Ryc. 9. Zreklasyfikowany model pokrycia terenu

20. Zestawienie zbiorów zmiennych
• Zestawienie wartości zmiennych dla punktów
pomiarowych
r.what input= dem50m,nachylenie,
ekspozycja,forma3,forma5,forma9,forma15,fo
rma21,forma25,zasloniecie5SW,zasloniecie5
SE,zasloniecie5NW,zasloniecie5NE, (…)
<plik.csv >wynik.txt
• plik.csv – plik z zestawieniem zmiennych zależnych
(wysokości pokrywy śnieżnej) dla punktów o znanych
współrzędnych
• wynik.txt – plik wynikowy z pełnym zestawieniem zmiennych
zależnych i niezależnych dla punktów o znanych
współrzędnych

21. Zestawienie zbiorów zmiennych
• Zestawienie wartości zmiennych dla punktów
pomiarowych

22. Budowa równań estymacji pokrywy śnieżnej
• Wykorzystanie pakietu statystycznego R
i metody regresji wieloczynnikowej
>R
> data=read.table(file=„wynik.txt",header=T,sep="|",dec=".")
> names(data)
> zalezne=data[ ,c(3)]
> niezalezne=data[ ,-c(3,4)]
> library(leaps)
> library(car)
> m0.subs=regsubsets(x=niezalezne,y=zalezne,method=c("forward"))
> summary(m0.subs)
> m0=lm(zalezne~zasl10SW+x+ms.org50+zasl5SE,niezalezne)
> vif(m0)
> summary(m0)

23. Budowa równań estymacji pokrywy śnieżnej
• Wykorzystanie pakietu statystycznego R
i metody regresji wieloczynnikowej
Współczynniki
estymacji
Podstawowe
statystyki

24. Modelowanie wysokości pokrywy
• r.mapcalc ‘maksHSlas=294.5+0,121*zasloniecie10SW-0,001*X’
• r.mapcalc ‘maksHSpolana=34,327+0,147*zasloniecie20SW-
0,237*forma25+0,101zasloniecie50NE’
• r.mapcalc ‘maksHS=if(pokrycie==1,maksHSlas,maksHSpolana)’
Ryc. 10. Modelowana miąższość pokrywy śnieżnej w fazie maksymalnej wysokości

25. Modelowanie wysokości pokrywy
Ryc. 11. Modelowana miąższość pokrywy
śnieżnej w fazie początkowych przyrostów
(akumulacji)
Ryc. 11. Modelowana miąższość pokrywy
śnieżnej w fazie ablacji)

26. Modelowanie wysokości pokrywy
Zestawienie zmiennych użytych w równaniach estymacji
Faza maksymalnego
Faza wiosennych nawrotów
Faza wzrostu ekwiwalentu wodnego pokrywy (FN)
ZMIENNE (FMEW)
pokrywy (FW)
tereny tereny tereny tereny
leśne nieleśne leśne nieleśne
20km *** ***
Zasłonięcie/wyeksponowanie w
10km ***
sektorze SW
5km **
Zasłonięcie/wyeksponowanie w
15km *** *
sektorze NW
Zasłonięcie/wyeksponowanie w 50km **
sektorze NE 15km *** ***
wskaźnik wklęsłości/wypukłości (r=25km) ***
współrzędna x ***
R2 0,66 0,76 0,63 0,42 0,47
Błąd standardowy reszt z równań estymacji 7cm 20cm 26c m 32c m 30cm
Walidacja modeli ocena krzyżowa