Írásomban először csak kivonatot akartam közölni egy korábban írt dolgozatból. Később úgy döntöttem egy picit többet nyújtok munkám összefoglalásánál. Szeretnék bepillantást nyújtani a dolgozatomban használt szabad szoftverek (pl.: Linux, LaTeX, GRASS, stb.) világába. Rájöttem, ez nem is olyan egyszerű feladat. Nehéz ennyi hatékony eszközről rövid összefoglalót írni. Inkább ki kell ezeket a programokat próbálni!
Dolgozatom készítését is motiválta, hogy – magamnak is – bebizonyítsam ezek az Interneten szerveződő közösségek által fejlesztett szoftverek alkalmasak a hatékony, komoly munkára. Ez a szándék szerencsésen találkozott az Erdőfeltárási és Vízgazdálkodási Tanszék Hidrológiai Csoportjának modellezési igényeivel. Született egy TDK dolgozat.
SZABAD SZOFTVEREK VILÁGA
Évek óta használom a GNU/Linuxot, e szabadon terjeszthető, stabil Unix rendszert. A GNU/Linux – akár a UNIXok, vagy a WinNT – egy többfelhasználós, többfeladatú operációs rendszer. Felkészült Internetes közösség fejleszti, figyelembe véve az elfogadott szabványokat, gyorsan reagálva a felmerülő kihívásokra.
Ha használata mellett döntünk legkényelmesebb ún. disztribúciókban megszerezni. Ezekben a Linuxon kívül – amely csak az operációs rendszer magja (kernel) – rengeteg szabadon hozzáférhető program található. Ezek a szoftverek (a Linux kernel is) a Free Software Foundation (FSF) által kibocsátott GNU General Public License (GPL) szerint terjeszthetők. GNU General Public License-szel rendelkező szoftverek kereskedelemi forgalomba hozhatók, ennek ellenére bárki szabadon lemásolhatja és terjesztheti.
Több disztribúció forog közkézen. A legelterjedtebbek (pl.: Debian, Red Hat, S.u.S.E) mindegyike egyszerűen telepíthető, rendkívül felhasználóbarát módon konfigurálható. Telepítésük, használatuk nem igényel komoly Unix ismereteket. Az egyes disztribúciók nem csak a szűken vett operációs rendszert, hanem rengeteg hasznos – és kevésbé hasznos – programot is tartalmaznak.
E csokorból kiemelném a LaTeX (ejtsd: lateh) általános célú dokumentumkészítő rendszert. Kissé eltérő módon kell használni, mint a ma általánosan elterjedt, hasonló célt szolgáló programokat, de ha megismerkedünk vele, akkor nyomdai minőségű művekkel örvendeztet meg bennünket. Dolgozatom írása alatt ismertem meg jobban ezt a programot. Eddigi tapasztalataimmal szemben lényegesen kevesebb munkát kellett fektetni a dokumentum formázásába. Mindehhez hogyan lehet hozzáférni? A disztribúciók többsége letölthető az Internetről, de meg lehet vásárolni szoftver-boltban is néhány ezer forintért. A boltok polcaira kerülő változatokhoz – melyek általában több CD-lemezt megtöltenek – az alap összeállításon kívül még rengeteg programot mellékelnek. (Itt jegyzem meg, hogy írásom végén összeállítottam egy Internetes linkgyűjteményt, hogy aki hozzáfér a Világhálóhoz és érdeklődik e téma iránt ne maradjon olvasnivaló nélkül.) Az általam használt disztribúció neve Linux Slackware, a verzió száma pedig 4.0 Linux operációs-rendszernél fontos megemlíteni a kernel (az operációs
rendszer magja) verziószámát is, amely gépemen jelen pillanatban a 2.2.6-os.
AZ ALKALMAZOTT GEOINFORMATIKAI KÖNYEZET
Munkámban a GRASS-t (Geographical Resources Analysis Support System), egy hibrid – raszter és vektor adatokkal egyaránt dolgozni képes – geoinformatikai programrendszert (GIS) használtam. Fejlesztését az U. S. Army Corps of Engineers CERL (Construction Engieneering Research Lab) kezdte meg katonai célokra. A 80-as évek végétől a programot a civil felhasználók számára is hozzáférhetővé tették. A GRASS fejlesztését 1997-óta a GRASS Research Group végzi. Ez a megnevezés a Baylor Egyetem (Waco, Texas), és a Hamburgi Egyetem néhány oktatóját valamint a hozzájuk kapcsolódó lelkes csapatot takarja. A program jelenleg egy nagyobb változás alatt áll. Napjainkban bétatesztelik az ötös verziót.
Jó hír, hogy a fejlesztők döntése alapján néhány hónapja a GRASS is a korábban említett GNU GPL védelme alá került.
Gépigénye ma már nem nevezhető nagynak. Egy i486DX2 processzorú 16 MB RAM-ot tartalmazó gépen én is kielégítő sebességgel futtattam a 4.2.1-es verziószámú programot. A GRASS tárigénye az összes modul installálása esetén kb. 50 megabájt. A gyorsabb futás érdekében a memória növelése sokkal inkább ajánlatos, mint a magasabb órajelű, fejlettebb processzor használata. Nagy méretű operatív tár nagy méretű raszteres modellek feldolgozásánál különösen ajánlott, különben a merevlemezre, átmeneti fájlokba dolgozó program jelentősen lelassul.
A GRASS grafikus menükből és parancssorból egyaránt vezérelhető. A rendszer azonos környezetben működő modulok sokaságából áll össze. Minden egyes modul egy-egy részproblémát old meg. Összetett feladatok megoldása készíthetünk futtatható parancsállományt (scriptet), vagy felhasználva a GRASS saját könyvtári függvényeit írhatunk C nyelvű programokat is.
A grafikus megjelenítéshez X Window System-et igényel, amelynek PC-re adaptált, szabadon terjeszthető változata minden GNU/Linux disztribúciónak része. Működtetéséhez egy jobb grafikus kártya, és három gombos egér ajánlott. Motif eszközkészleten, vagy az újabb fejlesztésű Tcl/Tk programnyelven alapuló grafikus menürendszer segítségével is menedzselhetjük a programot.
A fent leírt programokat igazán csak használatuk útján lehet megismerni. Kucsara Mihály javasolt egy témát, melyben elmélyedve segíthetek az erdő vízháztartásra gyakorolt hatásának vizsgálatában. Így kaptam adatokat a Farkas-árokban zajló mérésekből és kezdtem el írni egy TDK dolgozatot.
A GRASS moduljai között több hidrológiai vizsgálatokat segítő program található. Ezek közül a r.hydro.CASC2D nevű osztott paraméterű, raszter alapú, csapadék-lefolyás modell paraméterezését végeztem el dolgozatomban, amelyhez a Soproni Egyetem Erdőfeltárási és Vízgazdálkodási Tanszék kisvízgyűjtőkön végzett vizsgálatainak adatait használtam fel.
A MODELLEZENDŐ TERÜLET
Sopron városától nyugatra helyezkedik el Hidegvízvölgy. Az itt működtetett mérőállomás 1985 óta követi a hidrológiai szempontból meghatározó meteorológiai paramétereket. 1. ábrán a Hidegvízvölgy szintvonalas térképe látható, a szintközök tíz méteresek. Az Erdőfeltárási és Vízgazdálkodási Tanszék által vizsgált két részvízgyűjtő a Farkas-árok és a Vadkan-árok határvonalát tüntettem fel rajta, valamint a jobb érthetőség kedvéért az országhatárt.
A Farkas-árok – amelyről rendelkezésemre álltak a modell létrehozásához, ellenőrzéséhez szükséges adatok –
1. ábra: A Hidegvízvölgy
63,2 ha területű, délnyugat-északkeleti erősen tagolt völgy, jelentős benne a mikrorelief. Lejtői, különösen a patakmeder mellett igen meredekek. Nyugatról a Vörös-árok, keletről a már említett Vadkan-árok határolja. Ennek kifolyási pontjánál elhelyezett vízhozam-mérő műtárgyra kapcsolt adatgyűjtő rögzíti a csapadékesemény hatására bekövetkező árhullám-görbéket.
A területet a kristályos palára települt szárazföldi eredetű törmelékek borítják, amelyek több rétegben települtek és jelentős vastagságot is elérhetnek. Ezen a jellemzően savanyú alapkőzeten barna erdőtalajokat találhatunk.
AZ R.HYDRO.CASC2D MODUL
A modellezésre használt program –a CASC2D – első változatát P. Y. Julien a Colorado State University professzora kódolta APL programozási nyelvben. Ez egy két dimenziós, lefolyást szimuláló algoritmus volt. Ezt fejlesztette tovább és ültette át FORTRAN-ba Bahram Saghafian 1991-ben.
1994-ben Saghafian egy jelentős átdolgozás keretében újraírta C nyelvben. Fred L. Ogden kiegészítette a modult egy implicit meder-szimuláló kóddal.
A GRASS-ba a program 1.00-ás kiadását integrálták.
A MODUL LEHETŐSÉGEI
Ez a raszter alapú hidrológiai-modell alkalmas az adott csapadék-esemény hatására a vízgyűjtőben bekövetkező folyamatok szimulálására.
A modell az alábbi tényezőket képes figyelembe venni:
A szükséges adatokat raszteres fedvények és ASCII fájlok formájában lehet átadni a CASC2D-nek. Az adatok
előkészítésére a GRASS programmoduljai használhatók.
A modellt működtetéséhez megfelelően fel kell paraméterezni. Ezt a parancssorból is megtehetjük, de célszerű egy fájlba beírni a paramétereket és azt parancsfájlként (scriptként) futtatni.
2. ábra: A CASC2D modul egyik munkaképe a völgy felületmodelljén
A vízgyűjtő elemzés egyik sarokpontja a hidrológiai szempontból is megfelelő felületmodell (DEM). Raszter alapú digitális terepmodell esetén, melyet vizsgálatomban használtam az egyes képelemek (pixelek) tematikus kódjai a képelem általa lefedett terület átlagos magasságát tartalmazzák.
A Földmérési és Távérzékelési Tanszék rendelkezésemre bocsátotta a Magyar Honvédség Térképészeti Hivatala (MH TÉHI) által készített DDM-10 jelzésű felületmodellt valamint a vizsgált terület 1:50.000 méretarányú digitalizált térképét (DTA-50). Ezek a térképek Egységes Országos Vetületbe transzformált Gauss-Krüger szelvények.
Először a DDM-10 jelű felületmodellt használtam adatforrásként. Első tapasztalataim szerint a szimuláció rövid idő után megszakadt, a modellező program hibát jelezve megállt. Ennek oka CASC2D kézikönyve szerint a felület modell korlátozott magassági felbontása lehet. A sikertelen próbálkozások után úgy döntöttem, hogy a DTA-50 szintvonalai segítségével új felületmodellt építek.
Mivel a GRASS egész (integer) típusú raszterekkel dolgozik (a program 5.0-ás verziójának teszt változata, már valós számábrázolású tematikus kódokat használ.), a kézikönyv nyomán egy egyszerű trükkel növeltem meg a felületmodell magassági felbontását. A dxf fájlból importált, majd összekapcsolt vektorfedvényekből raszterizált szintvonalak attributum adatát 100-al szorozva a felület interpolálását végző modul sokkal finomabb felbontású felületmodellt tudott építeni. Ez a hidrológiai modellnek nem jelentett problémát, mert a magassági torzítást megadva hibátlanul kezeli a domborzatmodellt.
Sajnos még az így előállított felületmodell is sok hibával rendelkezett. Ezeket simító algoritmussal, valamint a raszterkép kézi módosításával csökkentettem. Az eredményt erősen befolyásolja a kiinduló adatok felbontása is.
A kötelező bemenő adatok közül a felületi lefolyás jellemzőit, a lehulló csapadék intenzitását és mennyiségét kötelező megadni, hogy a modellt futtatni tudjuk.
A felületet egységesen jellemezhetjük a rá jellemző átlagos Manning-féle érdességi együtthatóval. De a felszínborítottság alapján készíthetünk egy rasztertérképet, amellyel ki tudjuk fejezni az egyes területek közötti különbséget. Dolgozatomban a rendelkezésre álló vektoros erdőtérképből készítettem egy raszteres fedvényt, melynek az erdőrészleteket jelentő foltjaihoz megadott lefolyásgátlást leíró tényezőt rendeltem.
A magyar hidrológiai szakirodalomban a Manning-féle érdességi tényezőt csak a mederben kialakult áramlásra értelmezik. E tényezőket bármely hidrológiai kézikönyvből kikereshetjük. Felületi lefolyásra angolszász szakirodalomból kerestem adatokat. A felszíni lefolyást befolyásoló tényezőket az erdőrészletek vektoros fedvényéből generált rasztertérkép foltjaihoz kötött Manning-féle érdességi együtthatóval jellemeztem.
A csapadék adatokat az Erdőfeltárási és Vízgazdálkodási Tanszék hidegvízvölgyi kutatóháza mellett elhelyezkedő Hidrometeorológiai Mérőállomás szolgáltatta. Itt a tanszék 1985-től követi a hidrológiai szempontból meghatározó meteorológiai paramétereket. A csapadék mérését automatikus, digitális adatgyűjtővel ellátott csapadékmérő végzi. Ezek is többféleképpen megadhatók.
2. ábra: Csapadékesemény és az általa keltett árhullámgörbe
A CASC2D modul számára leírhatjuk a csapadékeseményt egy állandó intenzitással, és az időtartamával, vagy ha rendelkezünk egy automatikus csapadékregisztrálóval, akkor bevihetjük az általa mért adatokat egy szövegfájl segítségével. Abban az esetben, ha több csapadékregisztrálónk található a területen megadva azok koordinátáit a program képes a területre a csapadékeloszlást interpolálni.
A mederben történő lefolyást is külön vizsgálhatjuk. Ennek modellezésére külön raszterképeket és adatbázist kell létrehozni, amelyben a patakmedret ún. linkekkel és node-okkal közelítjük. A link egy véges hosszúságú mederelem, amelyet a patak ágai alkotnak. A link szakaszai (node-ok), mindegyike a linken belül egyedi azonosítót kap, és keresztmetszeti valamint ellenállási tényezők rendelhetők hozzá. Ezeket a szakaszokat a raszteres node-térkép kóddal bíró képelemének középpontja testesíti meg. A mederkarakterisztikát leíró adatokat szövegfájlból olvassa be a program.
Koordinátái segítségével adhatjuk meg a vízgyűjtő legmélyebb pontját, ahol a csapadékból származó víz elhagyja a területet. Kötelezően meg kell adni a modell futásának teljes idejét és a számítás lépésközeit, valamint egy fájlnevet, amelyben az eredményül kapott árhullámgörbe adatai lesznek.
Modell és valóság
A generált DEM pontosítása, valósághűbbé tétele érdekében GPS (Global Positioning System – Globális Helymeghatározó Rendszer) mérést végeztem a területen, mely segítségével vetületbe tudtam illeszteni egy korábbi felmérést. Ebben helyi koordináta rendszerben a Farkas-árokban futó patak medrének középvonalát, valamint az árokfenék pontjait is rögzítették. E korábbi felvétel sokszögpontjaiból kiválasztottunk kettőt (helyzetük 1. ábrán tanulmányozható), ahol kisebb volt a horizontkorlátozás.
A műszer által szolgáltatott WGS84 ellipszoidra vonatkoztatott koordinátákat át kellett számítani az általam használt Egységes Országos Vetületbe (EOV). Ehhez a HungaPro v3.16 programot használtam fel. Az így számított koordináta párok segítségével transzformált mérés alapján előállítottam a patak medrének raszter modelljét, amelyet szintén a modellbe építettem.
A modell ellenőrzésére szolgáló valós árhullámgörbéket a Farkas- és a Vadkan-árok patakjának összefolyása fölött található vízhozammérő műtárgyak segítségével mérték. A két völgy találkozásában haladó szilárd burkolatú erdészeti út alatt csőátereszeken folyik át a két vízfolyás. Ezeket átépítve – a patakok természetes állapotát tovább nem rombolva – hozta létre a tanszék a mérőhelyeket. Az átereszeken kifolyó víz egy-egy acélládába kerül, melyekben terelőlemezek vannak elhelyezve, hogy a ládák végén kialakított bukók trapézszelvényéhez minél nyugodtabb felülettel kerüljön az áramló víz. Az acélmedencékben lévő víz szintjének változásai úszót mozgatnak, mely mozgását adatgyűjtő mintavételezi percenként.
A modell tesztelésére kiválasztottunk egy szabályos árhullámgörbét, amelyet egy 1997. augusztus 15-i csapadékesemény eredményezett. A hatására bekövetkező árhullám grafikonját a 2. ábrán tanulmányozhatjuk.
3. ábra: A programmal szimulált árhullámgörbe
A paraméterezett modellen futtattam az árhullámot okozó csapadékeseményt. Az eredményként kapott teszt lefolyási görbéket (3. ábra) összevetettem az eredetivel.
A pontosabb árhullám görbe előállításához, a vízgyűjtőre jellemző paraméterek meghatározásához természetesen több csapadékesemény vizsgálatát kell elvégezni. A modellben még nem használtam ki több olyan lehetőséget, melyek beépítése lehetséges és előállításukhoz az adatok rendelkezésre állnak (pl. infiltráció, intercepció). Az árhullám-görbéket csak az ellenállási tényező módosításával, valamint a patakmeder paramétereinek változtatásával befolyásoltam. Amint az ábrák mutatják közelítő eredményt így is el lehet érni.
Összefoglalás
A kisvízgyűjtőn végzett lefolyás modellezés során megállapítható, hogy a hidrológiai modellezés sarokköve a minél pontosabb és lefolyási szempontokból ellentmondásmentes felületmodell. Ennek kimunkálására, pontosítására nagy hangsúlyt kell fektetni.
A munkámban paraméterezett modell előnyös tulajdonságai közé sorolom, hogy – kellő tapasztalat birtokában – viszonylag kevés adatból is becsülhető tetszőleges csapadékesemény hatása, még egy kevésbé feltárt vízgyűjtőben is. Ezért a mindennapi gyakorlatban is jól hasznosítható.
Ez a munka, melyet fent ismertettem elsősorban szabad szoftverek segítségével készült. (Lásd a honlapomon.) Dolgozatom megerősített abban a hitemben, ha egy számítógéppel megoldandó probléma kerül elém, érdemes szétnéznem a szabad szoftverek világában. Nem kell feltétlenül ismerősünktől, vagy munkahelyéről “kölcsönkérni” néhány programot, esetleg súlyos pénzeket szoftverekbe ölni!
S ha nem találunk semmit? Marad az ismerős... ;-)
Irodalom
Linux: http://www.cab.u-szeged.hu/linux/ és http://www.linux.hu/
LaTeX: http://www.math.bme.hu/~latex/
Tudományos szoftverek: http://esca.atomki.hu/dlug/tudapps/tudapps.html
GRASS: http://www.baylor.edu/~grass/ és http://www.geog.uni-hannover.de/grass/
TDK dolgozatom: http://www.efe.hu/~kaliczp/tdk/
Czimber Kornél: Geoinformatika, Soproni Műhely, 1997.
Kalicz Péter: A geoinformatika alkalmazása a hidrológiában, TDK dolgozat, Sopron 1998.
Kucsara Mihály: Vízháztartási és állományklíma kutatások a Hidegvízvölgyben Soproni Műhely, 1998.
Fred L. Ogden: A Description of the Hydrologic Model CASC2D, University of Connecticut, 1998.