Enkelt verktyg för riskkartering av fosforförluster via ytavrinning Databearbetning 2012-12-13 Innehållsförteckning Inledning... 2 Programvaror... 2 Höjddata... 2 Grunden i MapInfo / Vertical Mapper... 3 Skapa VertikalMapper grid... 3 Bestäm gridens cellstorlek... 3 Trimmat Vertikal Mapper grid... 4 Parcel till grid... 4 Indatafiler i Usle2D - Vertical Mapper grid till Idrisi-grid... 5 Export från VM... 5 Redigering till Idrisi-filer... 6 Beräkning av flödesackumulation i Usle2D... 8 Konvertera resultat till MapInfo / Vertical Mapper... 9 Redigera ASCII-filen... 9 Import till Vertical Mapper... 9 Redigera och klassa resultatfilen... 10 Skapa vektorskikt med högriskområden... 11 Redigering av riskområden... 12 Riskklassning... 13 Förbered fältbesöket... 15 Referenser... 17 Använda programvaror:... 17 Andra programvaror:... 17 Ekologgruppen 1
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Inledning Denna bilaga är en form av "lathund" för att beskriva hur man kan ta fram riskområden för fosforförluster via ytavrinning och vattenerosion samt klassa och förbereda fältkartor. För att till fullo kunna tillgodogöra sig detta innehåll bör man ha viss kännedom om MapInfo, eller åtminstone vana från andra GIS-applikationer. Programvaror De beräkningar som beskrivs här kan utföras på flera olika sätt, med olika programvaror och variation i beräkningsalgoritmer. GIS-programvaran som använts här är MapInfo Professional kompletterad med tilläggsapplikationen Vertical Mapper. För beräkningen som den beskrivs här krävs dessutom programvaran Usle2D som är fritt tillgänglig på nätet samt Microsoft Excel. Usle2D kan inte köras under Windows 7, utan kräver en installation av Windows XP. Ett alternativ till Usle2D är SAGA GIS, även det en fri GIS-programvara med många hydrologiska tillämpningar. Denna programvara kan man använda fristående, men det går också att exportera resultaten för att bearbeta dem i MapInfo/Vertical Mapper. För mer infromation om programvaror hänvisas till kapitlet Referenser. Höjddata Utgångspunkten för beräkningarna är Lantmäteriets nya högupplösta höjddata, GSD-Höjddata grid 2+, som bygger flygburen laserskanning. Ekologgruppen 2
Grunden i MapInfo / Vertical Mapper Skapa VertikalMapper grid När man skapar ett Vertical Mapper grid (rutnät) från höjddata bör man tänka på att använda en jämn cellstorlek (Cell Size). Detta dels för att förenkla beräkning av ändkoordinater, men också för att underlätta skapandet av en Parcel-fil som måste ha samma cellstorlek som höjdgriden. Om man importerar en ASCII-grid från GSD-Höjddata grid 2+ får man per automatik en cellstorlek på 2 meter. Griderna levereras i storleken 2,5x2,5 km. För enlkare bearbetning (färre beräkningar) slår man lämpligen samman de grider som ska användas med Vertical Mappers verktyg Splicer. Den färdiga höjdgriden kallas i vissa sammanhang för DEM (Digital Elevation Model). Bestäm gridens cellstorlek I vårt exempel har vi gjort beräkningar för Edenbergaåns avrinningsområde, vilket är 80 km 2 stort. Vårt begränsningsområde (trimområde, se nedan) för beräkningarna var ca 170 km 2. Om vi hade använt den ursprungliga cellstorleken på 2x2 m hade vi fått en grid med ca 40 miljoner celler. Detta hade blivit mycket tungt att bearbeta. I detta sammanhang har vi kommit fram till att en grid med 10x10 m cellstorlek är en fullt tillräcklig upplösning, vilket innebär att man reducerar antalet celler till ca 1,9 miljoner. Reduktionen från en cellstorlek på 2x2m till 10x10m gör man med Vertical Mappers verktyg Reseizer. Ekologgruppen 3
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Trimmat Vertikal Mapper grid Eftersom beräkningarna och filhanteringen är tidsödande vill man inte göra beräkningarna på ett större område än nödvändigt. Av denna anledning begränsar man griden till ett område som med god marginal innefattar det aktuella avrinningsområdet. Detta kan man göra med Vertical Mappers trim -verktyg. När man trimmar en grid lägger sig den nya griden centralt i trimområdet. Tänk därför på att använda ett trim-område som är jämt anpassat efter den cellstorlek man vill använda i beräkningen. Parcel till grid Trim-området kan vara lämpligt att använda som grund för Parcel-filen, då har man rätt begränsning redan från början. Parcel-filen är en skiftesfil (t ex en tabell med jordbruksblock, MapInfo vektorfil med polygoner) som anger om ett område bidrar till ytavrinningen nedströms eller inte, d v s har värdet 0 eller 1 i detta fall. Vi har i detta fall valt att endast "nolla" vattenspeglar och istället reviderat resultatet efter beräkningen då vi har sorterat bort riskområden som ligger på mark som inte bidrar till ytavrinningen. Vi har även satt området utanför avrinningsområdet (med en buffert på 100m) till noll. Filen skapas som en vektorfil i MapInfo men måste sedan göras om till en Vertical Mapper grid med samma upplösning (cellstorlek) som höjdgriden (DEM). Detta görs med verktyget Region to Grid. Vertical Mapper Create Grid Region to Grid Viktigt här att välja rätt Cell Size som då ska vara samma som hos DEM. Parcel-filen blir då som en Vertical Mapper grid. Kolumnen som innehåller parcel-värdet ska vara formaterad som heltal. Ekologgruppen 4
Indatafiler i Usle2D - Vertical Mapper grid till Idrisi-grid För beräkning av Upslope Contributing Area (UCA, flödesackumulation) i Usle2D krävs att Vertical Mapper griden görs om till Idrisi-format. Idrisi kan ha flera olika format. Det bästa är att konvertera både DEM och Parcel till Idrisis16 doc- och img-format. Export från VM Export av en grid (DEM och Parcel) från Vertical Mapper till ascii: Grid Manager välj (markera) grid som ska exporteras Tools Export Ekologgruppen 5
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Välj ASCII Grid Export (.txt) Filen kommer då att se ut ungefär så här: I exemplet är området egentligen bara 840 rader och 2031 kolumner, men VM lägger till några extra tomma (-9999) rader och kolumner vid trimningen. Redigering till Idrisi-filer Denna textfil måste genomgå redigeringar som enklast görs i Excel (i Excel 2003 och tidigare versioner kan man arbeta med max 256 kolumner vilket är en rejäl begränsning. F o m Excel 2007 är begränsningen 16384 kolumner.) 1. Ställ in Office decimalavgränsare på punkt. Öppna textfilen i Excel. 2. Ta bort alla rader och kolumner som bara innehåller "nullvärden" ( 9999). Tänk på att redigera antalet kolumner och rader after det (nrows, ncols) 3. Sök och ersätt alla kvarvarande tomma celler (-9999) med 0. Detta är nödvändigt åtminstone i Parcel-filen. 4. Vänd på radordningen. Detta är nödvändigt eftersom Idrisi tolkar första raden som den med lägst N/S-koordinat (medan det är tvärt om i VMs ASCII-fil). Eftersom resultat levereras i ett annorlunda ASCII-format, som inte kan vändas, måste detta göras i det här läget, innan beräkningen. Enklast görs det genom att lägga till en kolumn, numrera denna, sortera raderna omvänt, och sedan ta bort kolumnen igen. Ekologgruppen 6
5. Slutligen ska även metadata tas bort, men dessa ska användas i dokumentfilen, så se till att de är sparade på annat håll innan de slängs. När filen är klar sparas den (som ASCII text-fil, MS-DOS format). 6. Slutligen ändras filtillägget från.txt till.img Parcel-filen behandlas på samma sätt. Den ska endast bestå av heltal (i vårt fall ettor och nollor). Tillhörande dokumentfiler (samma namn som.img-filen men med tillägget.doc), skiljer sig åt för DEM-filen (höjdgriden) och Parcel-filen. I figuren nedan är DEM till vänster och Parcel till höger. (Observera att det är vanliga ASCII textfiler trots filtillägget.doc) Viktiga skillnader och andra synpunkter: data type: real för DEM och integer för Parcel filetype : ascii (både DEM och Parcel) columns och rows: måste vara samma antal i båda filerna min. X, max X,.: måste vara samma i båda filerna resolution: måste anges i DEM. Ej nödvändigt i Parcel Från Vertical Mappers text-fil får man bara ut koordinater för nedre vänstra hörnet (min X och min Y). Koordinaterna för övre högra hörnet beräknas enligt: max X = min X + (resolution * columns) max Y = min Y + (resolution * rows) Ekologgruppen 7
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Beräkning av flödesackumulation i Usle2D Riskbedömningen bygger på en beräkning av flödesackumulationen i varje gridcell (Upslope contributing area, UCA), d v s hur stort tillrinningsområdet är till varje cell i griden. Beräkningarna har gjorts i Usle2D version 4.1 som finns gratis tillgänglig för nedladdning på nätet. Som nämnts tidigare går detta program inte att installera under Windows 7, utan ett tidigare operativsystem krävs. Innan Usle2D startas måste man ställa om systemets decimaltecken från komma till punkt: Kontrollpanelen Nationella inställningar Anpassa I fältet Decimaltecken ersätts komma med punkt. (Denna inställning påverkar även andra program, bl a Excel. Glöm inte att återställa till decimalkomma efteråt om decimalkomma är den normala inställningen). I Usle2D börjar man med att välja vilken beräkningsalgoritm som ska användas. Options Routing Algorithms. Vi har använt oss av Flux Decomposition. För mer detaljerad information kring beräkningsalgoritmer hänvisas till referenser kring progammet. Beräkningen kan ta ganska lång tid (beroende på gridens storlek och datorkapacitet), så det kan krävas lite tålamod. Om man får felmeddelandet range chek error, så är det förmodligen något annat fel än att filen är för stor. Klicka på UP (eller File Updrain) för beräkning av UCA. Välj DEM-griden (Open DEM). Därefter välj Parcel-griden (Open Parcel). Slutligen välj namn på resultat-griden (Spara som). Här kan man välja olika filformat. Välj Surfer *.grd (detta är ett ASCII-format som sedan kan importeras tillbaka till Vertical Mapper / MapInfo). När man klickar Spara genomförs beräkningen (Writing output). Det kan ta en liten stund. När texten Writing output ersätts med Done är beräkningen klar. Ekologgruppen 8
Konvertera resultat till MapInfo / Vertical Mapper Redigera ASCII-filen Resultaten (Resultatfil.grd) hamnar här i en enda rad, och det är därför man måste vända på raderna i indatafilerna (eftersom det är i praktiken omöjligt att vända rätt i detta läge). För att resultatfilen ska kunna importeras till VM måste metadata redigeras. I figuren ovan är Surfer ASCII-filen (Result.grd) till vänster och den färdigredigerade ASCII-filen (UCA.txt) till höger. Inga större problem där. De fem första raderna i *.grd-filen ska tas bort och ersättas med de sex första raderna i *.txt-filen. Den färdigredigerade filen måste ha tillägget.txt. Kolla med indatafilen (DEM.doc) så att gränskoordinater, rader, kolumner och cellstorlek stämmer överens (annars är det något galet någonstans). Observera att koordinatangivelsen skiljer 5 m mellan de båda resultatfilerna i exemplet ovan. I Surfer ASCII (vänster) anges centrumkoordinat för cellerna, medan i VM ASCII anges hörnkoordinat. Import till Vertical Mapper Vertical Mapper Create Grid Import Grid Add ange den fil (*.txt) som ska importeras. Välj projektion. Ange Null value : -9999 i detta fall Z-value: Enhet för Z, kan lämnas odefinierad (i detta fall är rätt enhet m 2, uppströms tillrinnande område) File name: Filnamn för griden som skapas i VM/MapInfo. Här måste man eventuellt ändra filnamn (beroende på om det redan finns en grd-fil med samma namn, men om man döpt om surfer ascii'n till.txt behöver man inte det). Ok Om allt var rätt i ascii filen importerar VM utan problem, och öppnar resultatgriden i ett nytt fönster. Ekologgruppen 9
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Redigera och klassa resultatfilen I Vertical Mapper kan man sedan göra klassningar och gå vidare med andra beräkningar. Den importerade griden bör först trimmas med avrinningsområdet (eller buffrat avrinningsområde; det finns ingen anledning att ta till en större buffert än vad man använde i parcel-filen) för att få bort överflödiga 0-värden (eller omvandla dem till "null"). Anledningen till att man i ett tidigare skede tagit till en buffert utanför avrinningsområdet är att man i detta läge är lättare att göra finjusteringar av avrinningsområdet (om det finns anledning till hög precision). När UCA-filen är trimmad kan man studera fördelningen av flödesaccumuleringens storlek. I Grid Managern klickar man på Colour och får då upp ett histogram där man kan se fördelningen. Man kan där gå in och testa med olika fasta värden eller percinteler, var en läplig klassningsgräns bör läggas. Vi har i detta fall valt att lägga den vid 6000 m 2, vilket motsvarar något mindre än de 5% högsta (4,4%). Ekologgruppen 10
Om man vill kan man i detta läge göra en klassindelning, men här går vi direkt in på hur vi hanterar riskområdena. Skapa vektorskikt med högriskområden För att skapa ett vektorskikt med högriskområden används VM-verktyget Contour (Grid Manager Contour). I vårt exempel vill vi att polygonerna som skapas ska innefatta alla områden (celler) där flödesackumulationen är större än 6000 m 2. Välj Region. Sätt Minimum till 6000 och lämna Maximum orört. Sätt Number till 1 (anger antalet intervall). Här har vi erhållit en vektorkarta över de 5% högsta riskområdena för ytavrinning över hela avrinningsområdet (inklusive buffertzon). Efter eventuell justering av avrinningsområdesgränsen, kan man sedan rensa bort alla riskområden som ligger utanför avrinningsområdet. Ekologgruppen 11
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Redigering av riskområden Vi har valt att ta bort alla polygoner som är mindre än 100 m 2 (motsvarar en gridcell). Nästa steg är att göra en bedömning av vilka områden som bidrar till ytavrinningen på jordbruksmark, och sortera bort dem som inte bidrar. Om man har tillgång till jordbruksverkets blockkarta, kan man använda den till begränsningsområde. Det har vi inte haft i detta fall, utan vi har istället använt oss av fastighetskartans markanvändningsskikt som underlag. Utifrån information om markområden med odlad åker har vi gjort en generaliserad bild av jordbruksdominerade områden, och därefter plockat bort riskområden som ligger utanför dessa. Dessa riskområden kan naturligtvis används dirket, och de ligger också som en viktig information på fältkartan. Men för att ytterligare kunna fokusera och prioritera rätt inom avrinningsområdet kan det var bra att ta fram en klassning av detsamma. Ekologgruppen 12
Riskklassning I exemplet nedan har vi använt fastighetskartans polygoner som klassningsenhet. Från fastighetsskiktet har vi gjort ett nytt skikt som bara innehåller de aktuella fastigheterna. Klassningen görs genom att beräkna medelvärdet av UCA inom varje enhet. Detta görs enkelt med Vertical Mappers verktyg Region Inspection. Öppna skiktet som ska klassas (det redigerade fastighetsskiktet) samt griden som data ska beräknas ifrån (UCA-filen). Öppna Vertical Mappers Grid Manager och markera griden (om flera grider är öppna ska de andra avaktiveras genom att avmarkera bocken under i?). Välj Analysis Region Inspection. Välj det skikt där beräknade värden ska läggas in (Table to Update: fastighetskiktet) och markera Mean Value (här kan man naturligtvis välja fler parametrar om man vill). Valda attribut läggs in som nya kolumner i den tabell som uppdateras. När fastighetsskiktet är uppdaterat kan man göra en klassindelning baserad på den nya kolumnen (i detta exempel kommer kolumnen att heta UCA_trim_Mean_Value ). Vi har valt att dela in i 5 riskklasser med klassgränserna 500, 1000, 1500 och 3000 m 2. Denna klassning har vi illustrerat genom att skapa en tematisk karta (i MapInfo) utifrån nämnda kolumn. Ekologgruppen 13
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga Naturligtvis kan man, om man föredrar det, också klassa (färglägga) polygonerna direkt i tabellen genom att göra urval mellan olika intervall. Som nämnts i huvudtexten föredrar vi att presentera en klassning med delavrinningsområden som basenhet. Vi har har, med hjälp av GIS-programmet SAGA (se Referenser nedan) och höjdgriden, digitalt tagit fram delavrinningsområden inom Edenbergaåns avrinningsområde. Proceduren för att digitalisera delavrinningsområden är för omfattande för att beskriva här, men vi vill i alla fall illustrera hur en sådan klassning kan se ut. Delavrinningsområdena (som varierar i storlek mellan ca 1 och 200 ha) har inte bearbetats efter digitaliseringen och felaktigheter kan förekomma. Exemplen på klassning enligt ovan i Edenbergaån finns i det bifogade digitala materialet som en MapInfo arbetsyta (Klassindelning_Edenberga.wor). Ekologgruppen 14
Förbered fältbesöket När man valt ut de områden man vill fältbesöka gör man för detta lämpliga kartor. I det digitala material som bifogas till exemplet Edenbergaån finns några MapInfo arbetsytor som innehåller olika tabeller som är lämpliga att ha med på fältkarta och översiktskarta. Fältkartan (se arbetsytan Fältkarta_exempel.wor) produceras lämpligen i en skala på minst ca 1:5000. Förutom riskområdena bör den ha med jordartskartan som bakgrund, öppna vattenytor och vattendrag, höjdkurvor och, om det finns, även dikningsföretag och delavrinningsområden. För orienteringen kan det också vara bra att ha med vägar, fastighetsgränser och markanvändning (den senare syns ej i bilden eftersom den överlagras av jordartskartan) från Lantmäteriets fastighetskarta. Höjdkurvorna har skapats från griden med hjälp av Vertical Mapper-verktyget Contour. Naturligtvis kan man själv välja att lägga till fler tabeller som man har tillgång till, men de ovan nämnda är de viktigaste för själva riskbedömningen (och orienteringen). Om man har tillgång till flygbilder (ortofoto) kan dessa vara till en stor hjälp. Om fotona är tagna vid rätt tillfälle kan man eventuellt se spår av erosion och sedimentation i dessa. På platser där erosion och ytavrinning är frekvent återkommande kan man ofta se spår i bilden även om den inte är tagen vid rätt tillfälle. När man planerar ett fältbesök bör man även göra en karta i mindre skala som innefattar ett helt delavrinningsområde. Detta för att kunna avgöra om det finns problem uppströms som kan påverka det aktuella riskområdet. Ett exempel på översiktskarta finn i arbetsytan Översikt_exempel.wor. Skalan blir förstås beroende av hur stort delavrinningsområdet är, men någonstans runt 1:20 000 kan vara lämpligt. Ekologgruppen 15
Verktyg för identifiering av risk för fosforförluster Bilaga I detta exempel har vi valt att ha med samma tabeller som i fältkartan, men för att få en lite tydligare och mindre tung arbetsyta har vi släckt lagren med höjdkurvor, jordarter och markanvändning. Höjdkurvorna är bra att ha med om man inte har delavrinningsområden. Det delavrinningsområde som syns i detta exempel (tabellen/lagret vattendelare ) är framtaget med hjälp av digitaliserade delavrinningsområden som sedan redigerats manuellt. Ekologgruppen 16
Referenser Usle2D Desmet, P.J.J. and G. Govers, 1996. A GIS-procedure for automatically calculating the USLE LS-factor on topographically complex landscape units. Journal of Soil and Water Conservation, 51 (5): 427-433. Använda programvaror: Usle2D, med operativsystem Windows XP Hemsida (för nedladdning av program, manual m m) http://geo.kuleuven.be/geography/modelling/erosion/usle2d/index MapInfo Professional, Pitney Bowes Software Inc. Vi har i huvudsak använt version 11, men även tidigare versioner fungerar bra (version 8.5-11.0), med operativsystem Windows XP samt Windows 7. Vissa funktioner i Vertical Mapper 2.6 fungerar inte ihop med MapInfo 11, utan kräver äldre MapInfo versioner. Vertikal Mapper, version 2.6, tilläggsprogram till MapInfo Professional. Denna version är inte helt kompatibel med MapInfo 11, utan fungerar egentligen bättre med äldre versioner av MapInfo. Det finns dock nyare versioner av Vertical Mapper (3.7) som vi ännu inte har provat. Microsoft Office Excel 2010, med operativsystem Windows 7 Andra programvaror: SAGA http://www.saga-gis.org Ekologgruppen 17