Изучение проблемы ливней

Вечером 2 июля 2011 года в центре города Копенгаген всего за полтора часа выпало почти 136 мм осадков (почти 5 дюймов).[1] Перегруженная канализационная система не выдержала, в результате тысячи подвалов были затоплены смесью дождевых и сточных вод. Впоследствии страховым компаниям пришлось выплатить порядка одного миллиарда долларов почти девяноста тысячам страхователей.[2]

Метеорологический институт Дании экстремальным считает ливень, если за 30 минут выпадает более 15 мм осадков.[3] В Копенгагене выпало несопоставимо больше.

Настоящее, будущее и прошлое

Согласно климатическим моделям, ливень подобной интенсивности может произойти раз в тысячу лет.[4] Однако количество экстремальных ливней в данной местности в последнее время возросло. Так, в августе 2010 года в Копенгагене выпало 99 мм осадков за несколько часов. По статистике, это может произойти раз в 50 лет.[5] В августе 2013 года в городе Хонг (около 80 км к западу от столицы) выпало 15 мм за 20 минут. А в соседней деревне Ри – 46 мм за час.[4] В августе 2014 года на Копенгаген пролилось 119 мм в течение нескольких часов. Такое событие возможно раз в 480 лет.[4] Похоже, климат меняется, нарушая стандартные модели прогнозов. Вероятно, ливни в Дании теперь будут происходить гораздо чаще.

Город Копенгаген и вся Дания ведут активную подготовку к ливням в будущем. Как на государственном, так и на муниципальном уровнях строятся планы по обустройству новых водоотводных каналов для отвода дождевой воды от зданий, обновлению канализационной системы и насосных станций, которые будут откачивать излишки воды в море. План управления ливневыми осадками 2012 города Копенгаген подробно рассматривает все эти вопросы.

Простое, но очень важное условие планирования – не строить в тех местах, куда вода стекает, но не вытекает. Низко расположенные территории, которые называют депрессиями, локальными понижениями или углублениями, есть везде. Они встречаются разных форм и размеров. На полях и в парках бывают области, которые выглядят как плоские, а на самом деле представляют собой неглубокие понижения, задерживающие дождевые осадки.

Футбольное поле
Копенгаген. Футбольное поле после дождя. Фото © Thomas Balstrøm.

Некоторые жилые районы расположены в таких местах, где понижения рельефа в сухую погоду не заметны, – всё обнаруживается только тогда, когда дождя выпадает настолько много, что земля не в состоянии его впитать, а канализационная система - отвести его. Уязвимыми оказываются также дороги и прочие объекты инфраструктуры, например пути и станции.

Затонувшее такси
Затопленный тоннель под автострадой. Копенгаген, август 2014 года. Фото © Johanna Sørensen.

Почти все низменные области, как на обрабатываемых, так и на застроенных территориях, испытывают некоторый риск. На фермах под угрозой оказываются посевы и оборудование. В жилых районах, если только дома не стоят на высоких фундаментах или на сваях, их может затопить.

Находящиеся вне понижений сооружения также находятся под угрозой. Если выпадает настолько много осадков, что переполняются локальные понижения и вода начинает вытекать через так называемую точку перелива, то соседние территории могут затапливаться.

Схема точки перелива

Исторически ничто не предвещало опасность для зданий, построенных в низинах. Возможно, там просто никогда раньше не строили. Но в Дании известно как минимум несколько территорий, застроенных после осушения земель в 1850-е гг. Когда-то там были болота или небольшие озёра, а теперь, после проведения мелиоративных работ, они превратились в прекрасные сельскохозяйственные угодья. Если они нормально дренируются, то на протяжении длительного времени затопления не происходит (если нет сильных дождей). К сожалению, за последние десятилетия в таких местах построено немало жилых районов. В настоящее время это как раз те низины, в которых скапливается вода после ливней. Владельцы домов, живущие на таких бывших сельскохозяйственных угодьях, столкнулись с проблемой частого затопления.

Сравнение карт
Слева: топографическая карта 1860-го года. Зелёные области - это луга, а синие линии – мелиоративные канавы. Справа: эта же территория в 1990 г. застроена жилыми домами; никаких сельскохозяйственных угодий не осталось. На карте показана территория площадью приблизительно 1,2 квадратных километра. Здесь представлены данные Агентства геоданных Дании.

Карты критических мест

В последние годы благодаря сочетанию системы GPS и технологии лидар, стало возможно создавать детальные модели ландшафтов высокого разрешения. Две датские компании, NIRAS и COWI создают на основании таких моделей карты критических мест.

Хотя "критическое место" – это всего лишь ещё одно название локального понижения или впадины в ландшафте, оно подчёркивает опасность риска затопления: критическое место – это область, которая вероятно заполнится или переполнится водой во время ливня, подвергая опасности сооружения, расположенные там и поблизости.

Критические места
Выше показана карта критических мест расположенных в низменностях территорий. Здесь представлены данные Агентства геоданных Дании.

На этих уроках вы создадите карты критических мест, аналогичные тем, которыми пользовалось правительство Дании. Метод подготовки карты критических мест представлен в виде модели геообработки: последовательной цепочки инструментов ГИС-анализа. Сами вы не будете строить модель, но будете её изучать, запускать и наносить на карту результаты. На самом деле, представлены две модели: базовая, которая просто находит критические места (Урок 3), и продвинутая модель, которая также вычисляет объёмы критических мест и количество осадков, необходимое для их переполнения (Урок 4).

Основное предназначение обеих моделей – выявить низко расположенные области. Карты критических мест могут использоваться специалистами по планированию развития территорий для принятия обоснованных решений о том, где нельзя ничего строить, а где при строительстве следует выполнять определенные требования ландшафтной архитектуры. Для тех территорий, которые уже застроены, карты критических мест можно использовать для выявления приоритетных областей, которые надо адаптировать к климатическим условиям, как обсуждалось ранее.

Карты критических мест можно приспособить и для иных целей. Например, модель Identify Bluespot Fill Up Values вычисляет различные глубины критических мест по всей территории. Эта информация может быть полезна для спасателей и служб быстрого реагирования, чтобы знать, куда можно в случае ЧС попасть пешком, а где потребуются надувные лодки.

Предположения и ограничения моделей

Ряд предположений и ограничений влияют на точность и определённость результатов моделей. Некоторые из этих факторов, например уравнение водного баланса, определяющее количество воды, которое могут отвести система канализации и естественные процессы, обсуждаются в Уроке 4. Хотя модель рассматривалась и пересматривалась весьма критически, могут присутствовать ошибки. Если вы обнаружите ошибки, пожалуйста, сообщите автору.

Ни автор, ни компания Эсри, не несут ответственности за решения, которые могут быть приняты в результате анализа. В частности, результаты нельзя использовать для внесения в чёрные списки. В основном, их следует использовать для взвешенных обсуждений при планировании, дабы обратить особое внимание на области, где есть проблемы со стоком при ливнях.

Далее мы откроем документ карты и более подробно рассмотрим район исследований.


Работа с данными проекта

Ранее вы узнали о проливных ливнях в Дании и о том, как при помощи карты критических мест можно выявить области, находящиеся под угрозой затопления. Далее мы загрузим необходимые для проекта данные и изучим область исследования: муниципалитет Гентофте близ Копенгагена (Дания).

Гентофте

На старинных картах видно, что многие застроенные районы Гентофте в прежние времена находились под водой; тысячи лет назад это были очень активные речные русла, по которым талые воды ледника стекали в море. Для начала возьмём данные цифровой модели рельефа высокого разрешения (DEM) и слой с контурами зданий.

Загрузка данных

Модели и данные проекта хранятся в ArcGIS Online.

  1. Перейдите в группу Find Areas at Risk of Flooding in a Cloudburst.
  2. Щелкните изображение образца элемента Cloudburst Models and Data, чтобы загрузить данные.
    Примечание:

    Размер данных для загрузки приблизительно 40 мегабайт.

    Данные загружаются в виде файла Cloudburst.zip в папку, которая у вас на компьютере по умолчанию используется для загрузок. (Например, C:\Users\<profile>\Downloads.)

  3. Извлеките данные из архива на диск C:\ или в любую папку.

Запустите ArcMap

Далее надо проверить, что у вас установлена новая версия ArcMap и есть лицензия ArcGIS Spatial Analyst .

  1. Запустите ArcMap.
    Примечание:

    Если у вас нет ArcMap, вы можете заказать и получить ArcGIS Desktop в Esri Store.

  2. Выберите Пустая карта в диалоговом окне ArcMap – Начало работы и щёлкните OK.

    Начало работы

    Примечание:

    В диалоговом окне Начало работы есть шаблон новой пустой карты Там также могут присутствовать последние карты, с которыми вы работали.

    Откроется новый пустой документ без названия. Прежде чем продолжить, убедитесь, что у вас подходящая конфигурация программного обеспечения.

  3. Вверху окна ArcMap в главном меню щёлкните Справка и О программе ArcMap.

    О программе ArcMap

  4. Убедитесь, что у вас ArcGIS Desktop 10.3 или более новая версия.
    Внимание:

    Если ваша версия ArcMap старше, чем 10.3, вы не сможете выполнить эти уроки.

  5. Щёлкните OK в окне О программе ArcGIS for Desktop.
  6. Щелкните Настройка в главном меню и выберите Дополнительные модули.
  7. В диалоговом окне Дополнительные модули отметьте Spatial Analyst и закройте это окно.

    Дополнительные модули

    Внимание:

    Если дополнительный модуль Spatial Analyst недоступен, вы не сможете выполнить эти уроки.

  8. Дополнительно, разверните окно приложения ArcMap во весь экран.

Создание подключения к папке с данными проекта

Доступ к картам и данным осуществляется через подключения папок в окне Каталога.

  1. Щёлкните на закладке Каталог в правой верхней части окна приложения ArcMap.
    Подсказка:

    Или можно в главном меню ArcMap щёлкнуть Окна и выбрать Каталог.

  2. Щёлкните кнопочку Спрятать, чтобы окно оставалось открытым.

    Окно каталога по умолчанию

  3. На панели инструментов в окне Каталога щёлкните кнопку Подключиться к папке.

    Кнопка Подключиться к папке

  4. В окне Подключиться к папке перейдите к местоположению скачанной папки Cloudburst (например, Компьютер > C: > Cloudburst). Щелкните папку, чтобы её выбрать, и щёлкните OK.
  5. В окне Каталога разверните папку Cloudburst.

    В папке Cloudburst находятся папка, четыре базы геоданных и четыре набора инструментов.

  6. Разверните набор инструментов BluespotModels_Metric.

    Развёрнутая папка Cloudburst

    Набор инструментов содержит две модели геообработки.

    • Модель Identify Bluespots находит на изучаемой территории критические места и выбирает здания, которые находятся в пределах или возле них. В результате на очень общем уровне показывается, какие сооружения в случае ливня оказываются под угрозой затопления. Модель не предусматривает количественную оценку риска. Вы запустите эту модель на Уроке 3.
    • Модель Identify Bluespot Fill Up Values делает то же самое, а также вычисляет объём каждого критического места и площадь водосбора (области, с которого в это место стекает вода). На основании этой информации модель вычисляет, сколько осадков должно выпасть, чтобы заполнить ёмкость критического места. Такая модель позволяет ранжировать риск затопления. При прочих равных условиях, те критические места, для заполнения которых потребуется меньше осадков, вызывают больший риск затопления. Вы запустите эту модель на Уроке 4.

    Содержимое баз геоданных и наборов инструментов описывается в следующей таблице:

    НазваниеСодержание

    Maps and Layers

    Документ карты для визуализации входных данных и результатов; файл слоя для отображения результатов.

    Inputs.gdb

    Исходные данные для моделей.

    Outputs_Bluespots.gdb

    Пустая. В неё сохраняются выходные данные модели Identify Bluespots.

    Outputs_BluespotsFillUp.gdb

    Пустая. В неё сохраняются выходные данные модели Identify Bluespot Fill Up Values.

    ResourceData.gdb

    Дополнительные векторные и растровые данные для изучения и анализа.

    BluespotModels_Metric.tbx

    Модели геообработки, которые будут использоваться в Уроках 3 и 4.

    BluespotModels_Metric_NoBuildings.tbx

    Версии моделей для входных наборов данных, где недоступны контуры зданий.

    BluespotModels_US.tbx

    Версии моделей для входных наборов данных, использующих американские единицы измерения.

    BluespotModels_US_NoBuildings.tbx

    Версии моделей для входных наборов данных, использующих американские единицы измерения, и если недоступны контуры зданий.

Открытие карты Гентофте

Перед тем, как запускать модели, вы ознакомились с изучаемой территорией.

  1. В окне Каталога разверните папку Maps and Layers. Дважды щёлкните документ карты Gentofte.mxd, чтобы открыть его.
    Подсказка:

    Если вам будет предложено включить аппаратное ускорение, щёлкните Да.

  2. При желании разверните окно Каталога.
  3. В главном меню ArcMap щелкните Закладки и выберите Study Area.

    Карта Гентофте

    Здания в муниципалитете Гентофте показаны фиолетовым. Граница муниципалитета выделена красным.

  4. Перейдите к закладке Ordrup.

    Орруп

    Территория существенно застроена, но здесь много водоёмов, парков и зелёных зон.

  5. Дополнительно на панели Инструменты можете пощёлкать кнопки Переместить, Фиксированное увеличение и Фиксированное уменьшение для перемещения по территории.

    Инструмент Переместить

  6. Когда закончите, вернитесь к закладке Study Area.
  7. В таблице содержания включите слой DEM.

    DEM

    В цифровой модели рельефа (DEM) показаны значения высот для изучаемой территории. Судя по таблице содержания, значения высот варьируются от -3.23 до 56.58 метров. Эти значения отображаются на карте коричневым цветом. Чем светлее оттенок, тем больше высота рельефа.

  8. Перейдите к закладке Gentofte Lake.
  9. На панели Инструменты щелкните инструмент Идентифицировать.

    Инструмент Идентифицировать

  10. Щелкните любое место на карте.

    Откроется окно Идентифицировать с результатами идентификации слоя муниципальных границ Municipal Boundary, самого верхнего слоя в таблице содержания. Этот слой нас не интересует. Мы хотим исследовать слой DEM.

  11. В верхней части окна Идентифицировать измените настройку Идентифицировать в слое на DEM.
  12. На карте щёлкните несколько местоположений в пределах озера Гентофте. Если необходимо, передвиньте окно Идентифицировать, чтобы оно не закрывало карту.

    Идентификация ЦМР

    В любом месте, где вы щёлкаете, есть значение слоя DEM. Если щёлкнуть на озере, должны получить одинаковые значения 16.82 (метров), так как поверхность озера имеет постоянную высоту.

  13. Щёлкните несколько мест по краям озера.

    Результаты в различных местах отличаются. Если щёлкнуть здание, значение представляет высоту земной поверхности в этом месте.

  14. Закройте окно Идентифицировать и вернитесь к закладке Study Area.

Просмотр метаданных ЦМР и свойств слоя

ЦМР – это набор растровых данных; иными словами, это набор ячеек или пикселов, как на цифровой фотографии. При помощи инструментов гидрологии ArcGIS можно анализировать ЦМР, чтобы находить критические места, вычислять их размеры и объёмы, а также выявлять области, с которых в эти места будет стекать вода во время ливней.

Для выявления критических мест в Гентофте необходимо проанализировать ЦМР в более широком экстенте, чем границы муниципалитета, так как некоторые из них, а также их локальные водосборные области, могут частично попадать в соседние муниципалитеты. Чтобы корректно выявить все критические места и их водосборные области, ЦМР для Гентофте была расширена на 5 км за пределы административных границ муниципалитета.

Для получения более подробной информации об определенных свойствах данной ЦМР можно просмотреть её метаданные и свойства слоя.

  1. В таблице содержания щёлкните правой кнопкой имя слоя DEM выберите Данные и воспользуйтесь командой Посмотреть описание элемента.

    Описание элемента ЦМР

    Из описания элемента можно узнать, что разрешение ЦМР 1.6 м, а вертикальная точность 0.05 м. Это значит, что каждая ячейка данных представляет площадь 1,6 квадратных метра на земной поверхности, а точность значений ячеек составляет 0.05 метра. Такие данные высокого разрешения получены при помощи лидара.

  2. Закройте описание элемента.
  3. В таблице содержания щелкните правой кнопкой мыши слой DEM и выберите Свойства.
  4. Перейдите на закладку Источник в диалоговом окне свойств слоя. Перейдите к разделу Пространственная привязка.

    Пространственная привязка ЦМР

    Пространственная привязка этого набора данных ЦМР, а также всех прочих данных этого урока – Universal Transverse Mercator, основанная на датуме ETRS 1989 (наиболее распространённая пространственная привязка в Дании). Эта пространственная привязка используется и для входных, и для выходных данных моделей.

  5. Закройте диалоговое окно Свойства слоя.
  6. Для сохранения карты щёлкните Сохранить на панели инструментов Стандартные.

Далее вы будете изучать и запускать модель Identify Bluespots. Если вы уже работали с ModelBuilder и знакомы с инструментами гидрологии, или если вы работаете в классе с преподавателем, рекомендуем сразу перейти к уроку Получение данных по угрозе затопления для зданий.


Поиск критических мест и подвергающихся опасности зданий

Ранее мы рассматривали изучаемую территорию Гентофте. На этом уроке мы будем изучать и запускать модель геообработки Identify Bluespots. Данная модель анализирует ЦМР при помощи инструментов гидрологии и находит критические места. Затем она сравнивает их местоположения с местоположениями имеющихся зданий и выбирает здания, расположенные в пределах или поблизости от критических мест. Как правило, это здания, которые находятся под угрозой затопления во время ливней.

Модель геообработки – это совокупность входных данных и инструментов, организованная в рабочий процесс и выполняющаяся как единая операция.

Открытие модели на редактирование

Модели сохраняются в наборах инструментов. Можно работать с моделью, редактируя или открыв её. На редактирование модели открываются в окне ModelBuilder. В этом окне возможно полное взаимодействие с моделью: её можно строить, настраивать, просматривать, тестировать и запускать. Если модель открыть, при этом открывается диалоговое окно, из которого модель можно запустить как инструмент геообработки. Далее вы будете работать с моделью в окне ModelBuilder.

  1. Если надо, запустите ArcMap и откройте документ карты Gentofte.
    Подсказка:

    Если вы открываете новый сеанс ArcMap, документ карты может оказаться в списке последних карт в диалоговом окне ArcMap – Начало работы.

  2. Откройте окно Каталога. Если надо, разверните папку Cloudburst и разверните набор инструментов BluespotModels_Metric.
  3. Щелкните правой кнопкой модель Identify Bluespots и воспользуйтесь командой Редактировать.

    Редактирование модели

    Откроется окно ModelBuilder. Данные и инструменты в модели представлены в виде разноцветных геометрических фигур, соединенных для построения рабочего процесса.

    Базовая рабочая единица модели – это процесс. Процесс – это входной набор данных (синий), соединенный с инструментом (жёлтый), который, в свою очередь, соединён с выходными данными (зелёный). Входные и выходные элементы моделей представляют собой переменные, так как вы можете открыть их свойства и изменить пути к данным.

  4. В верхней части окна ModelBuilder щёлкните Окна и выберите Обзор.

    Окно Обзор

    Откроется окно Обзор, в котором можно посмотреть, какая часть схемы модели сейчас видна на экране в окне ModelBuilder. Можете оставить окно Обзор открытым или закрыть его, как вам удобнее.

    Концептуально модель выполняет следующие три вещи:

    • Она находит критические места в ЦМР.
    • Она обрабатывает полученный результат и слой зданий, чтобы данные были в корректном формате для выполнения пространственной выборки.
    • Она выбирает на карте те здания, которые находятся в пределах или поблизости от критических мест.

    Три части модели

    Основная функция каждого инструмента в модели подписана. Для получения более подробной информации о рабочем процессе см. описание модели.

    Подсказка:

    Для перемещения по модели можно использовать полосы прокрутки, а также инструменты уменьшения и увеличения в окне ModelBuilder. Можно также перетаскивать синий прямоугольник в окне Обзор.

Просмотр параметров элементов модели

Перед тем, как запустить модель, посмотрим некоторые параметры элементов модели, которые влияют на их поведение и выходные данные.

  1. В левой части модели щёлкните элемент входных данных DEM и воспользуйтесь командой Открыть.

    Открыть ЦМР

    В диалоговом окне DEM показан путь к набору данных на диске. Если вы извлекли данные к себе на диск C:\, путь будет как на рисунке. Если извлекли в другое место, путь будет отличаться.

    путь ЦМР
    Подсказка:

    Чтобы использовать в качестве входных данных другую ЦМР, укажите её в этом диалоговом окне.

  2. Щёлкните Отмена, чтобы закрыть диалоговое окно DEM.

    Элемент DEM соединён стрелочками с двумя инструментами: Fill и Fill (2). Это два экземпляра одного и того же инструмента Заполнение (необходимо, чтобы в модели у всех инструментов были уникальные названия). Серый текст под инструментом описывает, что он делает.

  3. Щелкните правой инструмент Fill и выберите Открыть.

    Диалоговое окно Fill

    Входной набор данных тут ЦМР. Имя выходного набора данных SmallSinksFilled. Путь к выходному набору данных установлен как встроенная переменная: %Output Workspace% (объясняется далее). Встроенные переменные позволяют указать путь один раз и применить его ко всем выходным данным модели. Если вы захотите изменить путь к выходным данным, можно его изменить лишь в одном месте.

    Помимо переменных входных и выходных данных, у моделей могут быть переменные значений. Обычно это параметры инструментов, которые можно изменять, если вы запускаете модель с разными данными. Например, параметр ограничения по Z в инструменте Заполнение установлен как переменная, а не с определённым значением. То, что устанавливается в переменной Vertical accuracy (meters), будет использоваться инструментом в качестве вертикальной точности.

  4. Щёлкните Отмена, чтобы закрыть диалоговое окно Fill.
  5. Щелкните на элементе Output Workspace правой кнопкой мыши и воспользуйтесь командой Открыть.

    Выходная рабочая область

    Это переменная, определяющая путь к выходной рабочей области для всех наборов данных в модели. Везде, где ее имя (%Output Workspace%) используется вместо явного пути, выходное местоположение будет замещено на путь, хранящийся в переменной. Если изменить путь, он изменится для всех выходных наборов данных, ссылающихся на эту переменную.

  6. Закройте диалоговое окно Output Workspace.
  7. Откройте элемент Vertical accuracy (meters).

    Вертикальная точность

    Это переменная, определяющая значение ограничения точности по вертикали для инструмента Fill. Установлено на 0.05 метра, что подходит для набора данных Gentofte DEM, как было сказано в описании элемента ЦМР в предыдущем уроке.

  8. Закройте диалоговое окно Vertical accuracy (meters).

    Если вы хотите запускать модель как инструмент геообработки, надо задавать переменные как параметры модели (отмечены заглавной буквой Р).

    Параметры

    При запуске модели как инструмента геообработки все эти параметры будут в диалоговом окне инструмента.

  9. Подвиньте окно ModelBuilder, чтобы было видно окно Каталога.
  10. Щелкните правой кнопкой модель Identify Bluespots и воспользуйтесь командой Открыть.

    Откроется диалоговое окно инструмента Identify Bluespots с четырьмя параметрами. Обратите внимание, что они соответствуют переменным модели, отмеченным заглавной буквой Р. Это значения, которые пользователь может изменить перед тем, как запускать инструмент геообработки.

  11. Щелкните Отмена, чтобы закрыть инструмент.
  12. В окне модели щелкните правой кнопкой элемент DEM.

    Параметр Модели

    Элементы устанавливаются как параметры модели через команду меню Параметр модели.

  13. Щелкните в любом пустом месте модели, чтобы закрыть меню.
  14. Откройте элемент Small Sinks Filled.

    Small Sinks

    Переменные выходных данных содержат путь и имя файла.

  15. Закройте диалоговое окно Small Sinks Filled.
    Подсказка:

    Также вы можете посмотреть на значения инструментов и переменных, задержав на соответствующих элементах инструмент Выбрать.

  16. Щелкните правой кнопкой элемент Small Sinks Filled.

    Small Sinks, меню

    По умолчанию, все выходные данные, кроме последних в модели, отмечены как промежуточные. Промежуточные данные – это те, которые становятся ненужными после получения результата модели. Если модели запускаются из диалогового окна инструмента, промежуточные данные удаляются автоматически. Но при запуске модели в диалоговом окне ModelBuilder промежуточные данные не удаляются. Удаление этих данных возлагается на пользователей, это можно сделать через меню Модель.

    Набор данных Small Sinks Filled не помечен для добавления к карте. Если бы был, то по окончании работы модели слой бы добавлялся в таблицу содержания ArcMap.

  17. Если надо, щелкните в любом пустом месте модели, чтобы закрыть меню.

Просмотр параметров среды модели

Помимо настройки отдельных элементов, существуют параметры среды, которые применяются для всей модели.

  1. Вверху окна ModelBuilder щелкните меню Модель и выберите Свойства модели.
  2. В диалоговом окне Identify Bluespots Свойства перейдите на вкладку Параметры среды.

    Здесь настроены параметры среды Output Coordinates (выходная систем координат), Processing Extent (экстент обработки) и Raster Analysis (анализ растров).

  3. Нажмите кнопку Значения.
  4. В диалоговом окне Параметры среды разверните настройки выходных координат (Output Coordinates).

    Выходные координаты

    Создаваемые моделью выходные наборы данных будут проецироваться в ту же систему координат, что и входной набор данных. Для данных Гентофте это будет UTM Zone 32 North на датуме ETRS 1989.

    Подсказка:

    Если вы используете в модели собственные данные, удобно для параметров среды указать слой или набор данных с подходящими значениями. Например, если щёлкнуть стрелку вниз рядом с выходной системой координат, откроется список всех слоёв открытого документа карты ArcMap. Если выбрать один из них, его система координат применится в качестве параметра среды. Также можно перейти к набору данных на диске. Так же можно поступить и с прочими параметрами среды, выбирая слои, наборы данных или переменные моделей из списков.

  5. Снова щёлкните заголовок Output Coordinates, чтобы его свернуть.
  6. Щёлкните заголовок Processing Extent (экстент обработки), чтобы развернуть его.

    Экстент обработки

    У всех создаваемых моделью наборов растровых данных экстент будет ограничен указанными здесь координатами. Это координаты экстента набора данных DEM. Их левый нижний угол будет соответствовать (совпадать) левому нижнему углу DEM.

  7. Снова щёлкните заголовок Processing Extent, чтобы его свернуть.
  8. Щёлкните заголовок Raster Analysis (анализ растра), чтобы развернуть его.

    Анализ растра

    У всех создаваемых моделью наборов растровых данных размер ячейки будет 1.6 м. Благодаря этой настройке и настройке Processing Extent все наборы растровых данных в модели будут выровнены и получат совпадающие в пространстве ячейки. Это важно для вычислений, использующих несколько растров.

    Перед тем, как запустить эту модель с другими входными данными, надо соответствующим образом изменить параметры среды.

  9. Закройте диалоговые окна Параметры среды и Identify Bluespots Свойства.

Запуск модели

Теперь вы запустите модель. По завершении работы модели в документ карты Gentofte добавятся два слоя: критических мест и зданий, находящихся у этих критических мест.

  1. На панели инструментов ModelBuilder нажмите кнопку Проверить всю модель.

    Кнопка Проверить

    Проверка модели подтверждает, что все процессы в модели готовы к выполнению.

    Процессы моделей (и, следовательно, вся модель) могут быть в одном из четырех состояний. Если процесс готов к выполнению, его элементы соединены стрелочками и заполнены сплошной заливкой цветом. Если процесс не готов к выполнению, инструмент и выходные элементы будут белыми. Это означает, что не хватает какой-то необходимой информации, например параметра инструмента. Пока процесс выполняется (running), элемент инструмента будет красным. Если процесс был выполнен (has been run), инструмент и выходные элементы будут с тенями. Если модель до этого уже запускали, процесс проверки снова подготовит её к запуску.

  2. Нажмите кнопку Запустить.

    Кнопка Запуск

    Пока модель выполняется, в окне показан процесс выполнения. Выполняющийся в данный момент инструмент отображается в окне ModelBuilder красным цветом. Операция Fill может занять некоторое время.

    Состояния процесса

    Когда выполнение модели будет завершено, в окне хода выполнения появится соответствующее сообщение.

    Окно выполнения

  3. Закройте окно выполнения.

    В окне ModelBuilder у процессов появятся тени, означающие, что они выполнены.

  4. На панели инструментов ModelBuilder щелкните кнопку Сохранить. Сверните окно ModelBuilder или передвиньте его из окна ArcMap.
  5. Откройте окно Каталога и разверните папку Cloudburst.
  6. Щелкните правой кнопкой базу геоданных Outputs_Bluespots.gdb и воспользуйтесь командой Обновить. Разверните базу геоданных, если это необходимо.

    База геоданных Outputs_Bluespots

    Выходные данные должны были записаться в базу геоданных Outputs_Bluespots, как было указано в переменной Output Workspace. Два нужных набора данных – это Bluespots и BuildingsTouchBS (Buildings Touching Bluespots). Это критические места Гентофте и здания, которые находятся в пределах или возле них.

    В верхней части таблицы содержания ArcMap появятся два слоя: Buildings Touching Bluespots (здания у критических мест) и Bluespots (критические места).

    Таблица содержания

  7. Если слои не появились на карте автоматически, перетащите Bluespots и BuildingsTouchBS на карту из базы геоданных Outputs_Bluespots . Переименуйте слой BuildingsTouchBS в Buildings Touching Bluespots.

Нанесение результатов на карту

Посмотрим на таблицу атрибутов Buildings Touching Bluespots, чтобы узнать, сколько зданий на изучаемой территории находятся под угрозой. Затем мы подберём символы для слоёв на карте, чтобы привлечь внимание к зданиям, находящимся в критических местах или возле них. Вы можете выбирать условные обозначения на свой вкус, данная инструкция – лишь предложение одного из возможных вариантов. Серая базовая карта используется для того, чтобы не отвлекать внимание, но если вам надо более внимательно изучить территорию, возможно, вы предпочтёте использовать базовую карту со снимками.

  1. В ArcMap перейдите к закладке Study Area, если необходимо.
  2. В Таблице содержания, щелкните правой кнопкой мыши слой Buildings Touching Bluespots и выберите Открыть таблицу атрибутов.

    Таблица

    Около 12 тысяч зданий находятся в пределах или поблизости от критических мест. Если открыть таблицу атрибутов слоя Buildings, вы увидите, что всего в Гентофте около 31 тысячи зданий. Это означает, что около 40% зданий в той или иной степени находятся под угрозой подтопления в случае сильных ливней.

  3. Закройте таблицу атрибутов.
  4. Внизу Таблицы содержания щелкните правой кнопкой мыши слой Basemap и выберите Удалить.
  5. Удалите также слой DEM.
  6. Отключите слой Buildings, но не удаляйте его.
  7. На панели инструментов Стандартные щелкните стрелку ниспадающего меню рядом с кнопкой Добавить данные и выберите Добавить базовую карту.

    Добавить базовую карту

  8. В окне Добавить базовую карт выберите Тёмно-серое полотно и щёлкните Добавить. Закройте предупреждение о географической системе координат.
  9. В Таблице содержания щелкните символ для слоя Buildings Touching Bluespots, чтобы открыть окно Выбор символа.
  10. В окне Выбор символа измените Цвет заливки на юкка и Ширину контура на 0. Нажмите OK.

    Юкка

  11. Для слоя Bluespots измените Цвет заливки на стальной и Ширину контура на 0. Нажмите OK.

    Стальной

  12. Откройте Выбор символа для слоя Municipal Boundary и щёлкните Редактировать символ.
  13. В диалоговом окне Редактор свойств символа щёлкните Контур.
  14. В окне Выбор символа, прокрутите вниз список символов и выберите символ Границы.

    Границы

  15. Измените цвет на Серый 10% и ширину на 1.5. Нажмите OK.
  16. Щёлкните OK в Редакторе свойств символов и щёлкните OK в окне Выбор символа.
  17. В таблице содержания перетащите слой Municipal Boundary выше слоя Buildings Touching Bluespots.

    Окончательный вид таблицы содержания

  18. В главном меню щелкните Файл и Сохранить как.
  19. Перейдите к папке Cloudburst > Maps and Layers. Сохраните карту как Gentofte Bluespots.

    Результирующая карта

  20. Восстановите окно ModelBuilder и сохраните модель.
  21. Закройте окно ModelBuilder.

Даже при беглом взгляде на карту видно, что оказавшиеся в опасной близости от критических мест Гентофте здания не концентрируются где-то в одном особенном месте. Также следует помнить, что подтопление влияет не только на здания, но и на другие объекты инфраструктуры. Можете добавить какие-нибудь наборы данных из базы геоданных ResourceData, например, автомобильные и железные дороги, чтобы посмотреть, где они находятся относительно критических мест.

Модель Identify Bluespots не оценивает степень опасности для различных зданий. И не все критические места одинаково опасны. Скорость заполнения критического места во время ливня зависит от его глубины, площади, размеров водосбора, с которого в него стекает дождевая вода.

На следующем уроке мы запустим более сложную версию модели, которая оценивает, сколько осадков потребуется для заполнения каждого критического места до его точки слива. Подобная информация поможет лучше оценить степень опасности для зданий.

Чтобы запустить модель с иным набором данных, выбирайте из предоставленного набора подходящую модель. Версии обеих моделей существуют и для единиц измерения США. Также есть версии моделей для ситуаций, когда недоступны контуры зданий.

Вот основные шаги, которые следует выполнить перед тем, как запускать модель:

  • Укажите в качестве входных слоёв собственные данные.
  • Установите переменную выходной рабочей области.
  • Установите значение вертикальной точности. Чтобы получить значение этой точности, надо посмотреть метаданные своей ЦМР и возможно уточнить, каким методом были получены исходные данные.
  • Проверьте параметры среды модели, чтобы убедиться, что выбраны подходящие выходные координаты, экстент обработки и параметры анализа растров.

Получение данных по угрозе затопления для зданий

Ранее мы запускали модель для идентификации критических мест. Эта модель не только выявляет критические места в ЦМР, но и вычисляет, сколько осадков должно выпасть для заполнения каждого из этих мест. Такие знания позволяют лучше оценивать риск подтопления: здания, расположенные в быстро заполняющихся критических местах, подвержены гораздо большему риску, чем те, что находятся в местах, которые заполняются медленно.

Модель основывается на гидрологической концепции, что каждая отрицательная форма рельефа в ландшафте обладает собственной водосборной областью: территорией, с которой вода стекает в неё и никуда больше. Вычислив объём критического места и площадь его водосборного бассейна, можно подсчитать, сколько должно выпасть осадков, чтобы оно переполнилось; для этого надо разделить объём на площадь водосбора. Например, если объём критического места 500 м3, а площадь водосбора 10000 м2, для заполнения критического места до точки стока потребуется 500 м3 / 10,000 м2 = 0.05 м = 50 мм дождевых осадков.

На самом деле, не все выпавшие в пределах водосбора осадки попадают в критическое место, так как условия стока не идеальны. Но в случае сильного ливня они почти идеальны. Уравнение водного баланса P = I + E + Ao + Au + Q гласит, что количество осадков (P) равно перехвату осадков растительностью (I) плюс испарение (E) плюс поверхностный сток (Ao) плюс инфильтрация почвой и канализацией (Au) плюс сбор в местные резервуары (Q). В данном контексте, местные резервуары – это и есть критические места.

Во время ливня перехват растительностью, испарение и инфильтрацию почвой можно считать нулевыми. Как правило, ливневая канализация в жилых районах Дании бывает рассчитана приблизительно на 40 мм дождевых осадков в день. Предположив, что ливень пройдёт за 1 час, и что ливневая канализация за этот час сможет поглотить суточную норму, можно установить значение Au равным 40. Поверхностный сток (Ao) можно не учитывать в уравнении до тех пор, пока не заполнятся критические места. Соответственно, для наших целей уравнение можно упростить до следующего: P = 40 + Q или Q = P – 40 миллиметров в час. Если за час выпадет 90 миллиметров, канализация отведёт 40 мм, оставшиеся 50 мм потекут в критическое место и заполнят его частично или полностью. Когда критическое место заполнится до точки стока, вода (Ao) потечёт дальше до следующего локального понижения, озера, реки или моря.

Хотя такая модель лучше оценивает риски, за кадром остаётся ещё немало факторов. Например, не учитывается вклад избытков стока в критические места, находящиеся ниже по течению. Также не учитывается базовая высота зданий в пределах критических мест. Например, если здание построено в нижней части критического места, оно будет подтоплено задолго до того, как это место полностью заполнится. Структурные факторы, например наличие у зданий фундаментов или строительство на сваях, также не принимались во внимание.

Открытие модели на редактирование

Вы будете работать с моделью в окне ModelBuilder.

  1. Если надо, запустите ArcMap и откройте документ карты Gentofte (не Gentofte Bluespots).
  2. Откройте окно Каталога. Если надо, разверните папку Cloudburst и разверните набор инструментов BluespotModels_Metric.
  3. Щелкните правой кнопкой модель Identify Bluespot Fill Up Values и воспользуйтесь командой Редактировать.

    Модель откроется в окне ModelBuilder. Вы видите лишь часть модели.

  4. В верхней части окна ModelBuilder щёлкните Окна и выберите Обзор.

    Откроется окно Обзор, в котором можно посмотреть, какая часть схемы модели сейчас видна на экране в окне ModelBuilder. Можете оставить окно Обзор открытым или закрыть его, как вам удобнее.

    Обзор

    Эта модель делает гораздо больше, чем модель Identify Bluespots, поэтому она ещё длиннее. Выявив критические места, она также вычисляет их объёмы и водосборы. Затем она использует эту информацию для вычисления количества осадков, необходимого для заполнения каждого критического места. Модель может показаться не такой уж и сложной, когда вы увидите, что большинство процессов представляют собой табличные операции: добавление полей, соединение полей и вычисление значений.

    Основная функция каждого инструмента в модели подписана. Для получения более подробной информации о рабочем процессе см. описание модели.

    Подсказка:

    Для перемещения по модели можно использовать полосы прокрутки, а также инструменты уменьшения и увеличения в окне ModelBuilder. Можно также перетаскивать синий прямоугольник в окне Обзор.

Запуск модели

При выполнении этой части урока подразумевается, что вы уже знакомы с основными функциональными возможностями ModelBuilder. Если вы не знаете, что такое переменные, параметры среды моделей, параметры моделей и т.д., см. предыдущий урок.

  1. На панели инструментов ModelBuilder нажмите кнопку Проверить всю модель.

    Кнопка Проверить

  2. Нажмите кнопку Запустить.

    Кнопка Запуск

    Пока модель выполняется, в окне показан процесс выполнения. Когда выполнение модели будет завершено, в окне хода выполнения появится соответствующее сообщение.

    Окно выполнения

  3. Закройте окно выполнения.
  4. На панели инструментов ModelBuilder щелкните кнопку Сохранить. Сверните окно ModelBuilder или передвиньте его из окна ArcMap.
  5. Откройте окно Каталога и разверните папку Cloudburst.

    Выходные данные записаны в базу геоданных Outputs_BluespotsFillUp.

  6. Щелкните правой кнопкой базу геоданных Outputs_BluespotsFillUp.gdb и воспользуйтесь командой Обновить. Разверните базу геоданных, если это необходимо.

    Выходные данные

    В ArcMap в документ карты Gentofte добавлены три новых слоя: критических мест, находящихся у этих критических мест зданий и критических мест, близ которых есть здания.

    Таблица содержания

  7. Если слои не появились на карте автоматически, перетащите их на карту из базы геоданных Outputs_BluespotsFillUp. Там будут следующие названия наборов данных:
    • BSPolyDissolved (слитые полигоны критических мест)
    • BuildingsTouchBS (здания близ критических мест)
    • BSTouchBuildings (критические места, близ которых есть здания)

Нанесение результатов на карту

Вы посмотрите на значения объёмов заполнения критических мест и на основании этих значений установите символы для слоя Bluespots Touching Buildings. Символы должны отражать более высокие уровни риска для тех мест, которые заполняются быстрее. При выполнении этой части урока подразумевается, что вы уже знакомы с основными функциональными возможностями ArcMap.

  1. В ArcMap перейдите к закладке Study Area, если необходимо.
  2. Откройте таблицу атрибутов слоя Bluespots Touching Buildings.

    Таблица

    Поле Volume содержит объёмы заполнения для каждого критического места (в кубических метрах). Поле FillUp содержит количество осадков (в миллиметрах), необходимое для заполнения критического места в случае ливня.

  3. Отсортируйте поле FillUp по возрастанию.

    В целом, чем меньше объём затопления, тем выше риск. Критические места с очень низкими значениями заполнения обычно бывают маленькими и неглубокими. Они могут переполниться настолько быстро, и при этом вода потечёт в следующее критическое место ниже по течению, что их трудно будет заметить.

  4. Посмотрите статистику для поля FillUp.

    Статистика

    Окно Статистика содержит минимальное и максимальное значения. На диаграмме частоты распределения вы увидите, что почти все значения заполнения находятся на дальнем, нижнем краю диапазона.

  5. Закройте окно Статистика и таблицу атрибутов.
  6. В таблице содержания удалите следующие слои: Basemap, DEM, Buildings и Bluespots.
  7. Отключите слой Buildings Touching Bluespots, но не удаляйте его.
  8. Добавьте базовую карту Светло-серый фон. Закройте предупреждение о географической системе координат.
  9. В таблице содержания перетащите слой Municipal Boundary выше слоя Bluespots Touching Buildings.
  10. Откройте Выбор символа для слоя Municipal Boundary и щёлкните Редактировать символ.
  11. Измените символ контура на символ Границы. Измените цвет на Серый 60% и ширину на 1.5.

    Новые символы

    Разумеется, значения заполнения критических мест отражают не всю информацию. Как обсуждалось ранее, система ливневой канализации может вывести существенное количество воды. В данной модели предполагается, что выводится 40 мм осадков за час, хотя это может оказаться слишком большим значением. Когда будете запускать эту модель с собственными данными, учитывайте мощности своей системы (если такая информация имеется).

    Примечание:

    Значение 40 мм представляет максимальную эффективность. Не все части системы смогут достигнуть этого значения. Более того, в системе могут быть старые засоры, или она может засориться мусором, смытым ливневыми потоками.

    Давайте подберём символы для слоя Bluespots Touching Buildings, импортировав символы из файла слоя.

  12. Откройте свойства слоя Bluespots Touching Buildings. На закладке Символы щёлкните Импорт.
  13. В диалоговом окне Импорт символов перейдите к папке Cloudburst > Maps and Layers . Добавьте Adjusted Fill Up Values.lyr.
  14. В диалоговом окне Импорт символов щелкните OK.
  15. Убедитесь, что в диалоговом окне Согласование символов при импорте в качестве Поля значений установлено FillUp, и щёлкните OK.

    Импорт символов

    Обратите внимание, что на вкладке Символы в диалоговом окне Свойства слоя значения надписаны на 40 мм выше, чем реальные значения из таблицы атрибутов.

    Символ слоя Bluespots

    Надписи для значений заполнения установлены на 40 мм выше, чтобы учитывать потребление системой ливневой канализацией. Иными словами, у значений 0 - 20 мм из поля FillUp после применения символов будет подпись 40 - 60 мм. Можно также добавить к слою Bluespots Touching Buildings новое поле и вычислить его значения как [FillUp] + 40.

  16. Щёлкните OK в диалоговом окне Свойства слоя.

    Риски критических мест

    В июле 2011 года в Копенгагене прошёл ливень, когда выпало 136 мм осадков за полтора часа. Это приблизительно 90 мм в час. Если такое произойдёт ещё раз, то заполнятся критические места трёх самых высоких категорий риска (красная, тёмно-оранжевая и оранжевая).

  17. В таблице содержания перетащите слой Buildings Touching Bluespots выше слоя Bluespots Touching Buildings и включите его.
  18. Измените значение Ширины контура на 0. Используйте предложенный по умолчанию цвет заливки или выберите другой цвет.
  19. Перемещайтесь к различным частям карты, чтобы сравнить здания и критические места.

    Здания

    Вы увидите несколько областей, подверженных затоплению Также там есть территории с зданиями, где критических мест не видно. На самом деле, критические места там есть, но они не показаны, так как у них значения заполнения более 140 мм. Вероятность их заполнения очень мала, даже при очень сильном ливне.

    Примечание:

    При вычислениях подразумевалось, что на момент начала ливня все критические места пустые, но это не всегда так. Некоторые критические места – постоянные водные объекты, например озеро Гентофте.

  20. Приблизьтесь к закладке Study Area.
  21. Сохраните карту как Gentofte Bluespots Fill Up у себя в папке Cloudburst > Maps and Layers.

Возможно, вы захотите продолжить анализ и вычислить, сколько зданий находится в какой категории риска. Например, можно выбрать критические места из самой высокой категории, применив запрос "FillUp >= 0 AND FillUp <= 20" к слою Bluespots Touching Buildings. Затем возьмите инструмент Выбрать по расположению, чтобы выделить здания, пересекающиеся с выбранными критическими местами.

Также можно добавить слой водоразделов Watersheds, чтобы исследовать взаимоотношения между критическими местами и областями, с которых туда попадает вода. Хороший способ отобразить слой Watersheds – использовать дискретные цвета.

Подтопление влияет не только на здания, но и на другие объекты инфраструктуры. Хотя модель не использует в качестве входных данных другие объекты инфраструктуры, вы можете добавить на карту слои автострад и железных дорог. Оба класса пространственных объектов (roads и railroads) есть в базе геоданных ResourceData.

Затопленная дорога
Затопленная дорога в Копенгагене, август 2014 года. Фото © Johanna Sørensen.

В целом, модель должна годиться, так как она основана на простых исследованиях рельефа поверхности и местоположениях зданий. ЦМР должна генерировать реалистичную поверхность водного стока; чем выше разрешение ЦМР – тем лучше модель.

Чтобы запустить модель с иным набором данных, выбирайте из предоставленного набора подходящую модель. Версии модели существуют и для единиц измерения США. Также есть версии моделей для ситуаций, когда недоступны контуры зданий.

Вот основные шаги, которые следует выполнить перед тем, как использовать модель с собственными данными:

  • Укажите в качестве входных слоёв собственные данные.
  • Установите переменную выходной рабочей области.
  • Установите значение вертикальной точности. Чтобы получить значение этой точности, надо посмотреть метаданные своей ЦМР и возможно уточнить, каким методом были получены исходные данные.
  • Проверьте параметры среды модели, чтобы убедиться, что выбраны подходящие выходные координаты, экстент обработки и параметры анализа растров.

В Identify Bluespot Fill Up Values моделируется рабочий процесс выявления локальных понижений рельефа (критических мест) количественной оценки рисков подтопления для зданий в случае проливного дождя.

Модель использует инструменты геообработки ArcGIS для получения критических мест и их локальных водосборных бассейнов. Значения заполнения вычисляются путём деления объёма критического места на площадь водосборной области. Учитывается также предположение, какой объём воды будет отведён при помощи системы ливневой канализации. Полученные значения и предположения следует рассматривать с некоторой осторожностью.

Годятся ли результаты модели для выявления пороговых значений риска для отдельных зданий? Ответ будет и да, и нет. Если у здания нет атрибутов, самое лучшее что можно сделать – это использовать пессимистичный сценарий, предположив, что первый этаж здания находится на высоте основания здания. Это соответствует действительности для многих частных домов, складов, супермаркетов и офисных центров. Но не для всех зданий. Реальный уровень подтопления может оказаться выше для зданий, построенных на высоких фундаментах или на сваях. И ниже для зданий с полуподвальными помещениями. Такая информация есть в Регистрационной палате Дании, но она не занесена в таблицу атрибутов слоя зданий. Там нет данных о базовой высоте зданий. Если ввести в модель атрибутивную информацию по зданию, результаты будут более точными.

Ещё один элемент неопределённости заключается в том, что уровень проникновения воды в здание зависит от того, где конкретно расположено здание в пределах критического места. При прочих равных условиях, расположенное на дне критического места здание будет подтоплено скорее, чем расположенное выше по склону.

Как обсуждалось ранее на этом уроке, в реальной жизни не бывает идеальных условий поверхностного стока, но в случае ливня основные гидрологические понятия можно упростить. Естественное впитывание почвой становится несущественным, а система ливневой канализации очень быстро достигает максимума ёмкости. Когда это происходит, дождевые осадки превращаются в бурные потоки, очень быстро заполняющие критические места частично или полностью. Не забывайте, что представленные здесь модели не учитывают разнообразный поверхностный сток через дренажные канавы, трубы и т.д.

Вы можете вносить в модель Bluespot Fill Up Values дальнейшие коррективы. Исследование непроницаемости поверхности, особенно изучение того, замощены ли большие площади водосборного бассейна или нет, может увеличить риск для отдельных зданий. (По заасфальтированной поверхности вода стекает ещё быстрее.) Набор растровых данных о доле заасфальтированной изучаемой территории Гентофте присутствует в базе геоданных ResourceData. Исследования уклонов и длин водотоков также будут полезны для определения, какие здания первыми подвергнутся подтоплению в случае ливня.

Еще больше уроков вы найдете в Галерее уроков Learn ArcGIS.