DIGITALNI MODELI RELIEFA IN MATEMATIČNO MODELIRANJE DROBIRSKIH TOKOV
DIGITAL TERRAIN MODELS AND MATHEMATICAL MODELLING OF DEBRIS FLOWS

Jošt Sodnik, Anja Vrečko, Tomaž Podobnikar, Matjaž Mikoš

DOI: 10.15292/geodetski-vestnik.2012.04.826-837

 

Izvleček:

Matematično modeliranje je pomemben del postopka ocenjevanja nevarnosti in priprave kart nevarnosti zaradi delovanja naravnih pojavov. V raziskavi modeliranja drobirskih tokov smo uporabili licenčni matematični model Flo2D. Kakovostni podatki o topografiji terena so ključnega pomena za natančnost izračunov in torej za zanesljivost in točnost kart nevarnosti. Računska mreža modela se ustvari na podlagi vhodnih topografskih podatkov. Cilj raziskave je bil ugotoviti uporabnost javno dostopnih topografskih podatkov za podrobno modeliranje drobirskih tokov in njihova primerjava s podatki, pridobljenimi z lidarsko tehnologijo. V Sloveniji so javno dostopni podatki DMV5 in DMV12,5, ki pa so žal vprašljivi glede morfološke natančnosti. Alternativa so DMR, izdelani iz podatkov aerolaserskega skeniranja, ki zaradi boljše prostorske ločljivosti omogočajo dodatne obdelave in izboljšave. Rezultati z uporabo lidarskih DMR so bolj natančni, struga na vršaju je prikazana bolj izrazito. Z natančnejšimi podatki so bolje prikazani lokalni pojavi na vršaju, ki so za izdelovanje kart nevarnosti zelo pomembni. Težava pri podatkih laserskega skeniranja je še vedno relativno visoka cena, ki pogosto otežuje uporabo bolj natančnih podatkov. Druga slabost so veliko daljši časi za izračun modela, saj kakovostnejši in bolj natančni podatki o terenu pomenijo več geometrijskih nepravilnosti oziroma višinske razgibanosti mreže na vršaju, kar pa se odraža v krajših računskih korakih modela, ki zagotavljajo stabilnost računa. Z metodami, prikazanimi v prispevku, je mogoče lidarske podatke obdelati na način, ki prinese bistveno krajše računske čase in izboljšano kakovost rezultatov modela.

Ključne besede: digitalni model reliefa, lidar, drobirski tok, matematično modeliranje, ocenjevanje nevarnosti zaradi naravnih nesreč

 

Abstract:

Mathematical modelling is a common approach when assessing debris-flow hazards. In this study on the mathematical modelling of debris flows, we applied the widely used Flo2D model. The high accuracy of the input parameters is essential for obtaining acceptable results. The numerical grid in the area of the debris-flow movement is generated from topographic data. The aim of our research was to assess the usefulness of public data for debris flow-modelling and to compare this data to the LiDAR-derived data. In Slovenia, DEM5 and DEM12.5 are publicly available data. However, the morphological accuracy of these datasets is questionable because of their development methods and their low morphologic resolution. A better solution is LiDAR-derived data with higher resolutions and a multiple options for further improvements with different methods and algorithms. The results with LiDAR data are more accurate; the torrential channel is better expressed. One downside of LiDAR data is its high price, which prevents wider usage of more precise data. Another downside is the much longer computational times of the model. More precise data means a more agitated surface of the computational grid, which results in shorter computational steps to ensure numerical stability. Methods for LiDAR-derived DEMs improvements are proposed in this study. With modified data, computational times are much shorter and results are even more precise than with non-modified DEMs.

Keywords: digital elevation model, LiDAR, debris flow, mathematical modelling, natural hazard assessment

 

Literatura / References:

Evans, J. S., Hudak, A.T. (2007). A multiscale curvature algorithm for classifying discrete return LiDAR in forested environments. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 45(4), 1029–1038.
http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2006.890412

Isenburg, M. (2011). LAStools: converting, filtering, viewing, gridding and compressing LIDAR data. http://www.cs.unc.edu/~isenburg/lastools/ (pridobljeno 15. 10. 2011).

Centralna evidenca prostorskih podatkov. 2012. http://prostor.gov.si/cepp/ (pridobljeno 20. 7. 2012).

Jež, J., Mikoš, M., Trajanova, M., Kumelj, Š., Budkovič, T., Bavec, M. (2008) Vršaj Koroška Bela – Rezultat katastrofičnih pobočnih dogodkov = Koroška Bela alluvial fan – The result of the catastrophic slope events (Karavanke Mountains, NW Slovenia). Geologija, 51(2), 219–227.

Komac, M., Milanič, B., Holley, R., Mahapatra, P., Hanssen, R., van der Marel, H., Fromberg, A. (2012). I2GPS – a new approach to 3D surface displacement monitoring. Conference Proceedings of the 10th Anniversary of ICL, Kyoto.

Kraus, K., Pfeifer, N. (1998). Determination of terrain models in wooded areas with airborne laser scanner data. ISPRS Journal of Photogrammetry Remote Sensing, 53(4), 193–203.
http://dx.doi.org/10.1016/S0924-2716(98)00009-4

Mikoš, M., Fazarinc, R., Majes, B., Rajar, R., Žagar, D., Krzyk, M., Hojnik, T., Četina, M. (2006) Numerical simulation of debris flows triggered from the Strug rock fall source area, W Slovenia, Natural Hazards and Earth System Sciences, 6, 261–270.

O'Brien, J. (2006). Users Manual FLO-2D, Version 2007.06, June 2007. Nutrioso, Arizona, ZDA. Internet: http://www.flo-2d.com/v2007/Documentation/Users Manual_2007.pdf (pridobljeno 6. 2. 2009).

Podobnikar, T. (2008), Nadgradnja modela reliefa Slovenije z visokokakovostnimi podatki, Geodetski vestnik 52/2008- 4, 834-853

Podobnikar, T., Vrečko, A. (2012). Digital Elevation Model from the best Results of Different Filtering of a Lidar Point Cloud. Transactions in GIS, 16-5, 603-617.
http://dx.doi.org/10.1111/j.1467-9671.2012.01335.x

Riley, S. J., De Gloria, S. D., Elliot, R. (1999). A Terrain Ruggedness that Quantifies Topographic Heterogeneity. Intermountain Journal of Science, 5(1–4), 23–27.

Sodnik, J., Mikoš, M. (2006). Estimation of magnitudes of debris flows in selected torrential watersheds in Slovenia. Acta geographica Slovenica, 46(1). Ljubljana.
http://dx.doi.org/10.3986/AGS46104

Sodnik, J., Petje, U., Mikoš, M. (2009). Topografija površja in modeliranje gibanja drobirskih tokov (Terrain topography and debris-flow modelling). Geodetski vestnik, 53(2). Ljubljana.

Sodnik, J., Mikoš ,M. (2010). Modeling of a debris flow from the Hrenovec torrential watershed above the village of Kropa. Acta geographica Slovenica. 50(1). 59–84. http://giam.zrc-sazu.si/sites/default/files/ags50103.pdf
http://dx.doi.org/10.3986/AGS50103

Uradni list (2008). Uredba o pogojih in omejitvah za izvajanje dejavnosti in posegov v prostor na območjih ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, Uradni list RS, št. 89/2008.

Uradni list (2007). Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti, Uradni list RS, št. 60/2007.

Zakon o vodah (2002). Zakon o vodah. Uradni list RS, št. 67/2002.