ArcGIS-metode for å identifisere åktsomhetsområ der for elveflom i områ der som ikke er kårtlågt

Transkript

1 Side 1 ArcGIS-metode for å identifisere åktsomhetsområ der for elveflom i områ der som ikke er kårtlågt eller «Elveflom for Dummies» Figuren viser beregnet flomsoneareal Har du innspill? Vi vil gjerne høre dem! For forbedringsforslag til veilederen: Slå på <Spor endringer> og send oss det nye dokumentet. Kontakt: Anmarkrud, Jon Anders <fmoajaa[at]fylkesmannen.no> eller Michaela Ferbar <michaela.ferbar[at]pbe.oslo.kommune.no> (PTU-OA 2016)

2 Side 2 Innhold Vokabular... 3 Forberedelse til analysen Lage terrengmodell fra Laserdata Lage ny LAS datasett Bruk av bakkepunkt Konvertere LAS datasett til Raster Lage endelig DTM/Modifisere DTM Modifisere DTM med bygningsdata Lage et raster datasett av bygningsgrunnriss Beregne en terrengmodell der bygningsgrunnriss er hevet med 5 meter Modifisere DTM med vanndata Lage rasterdatasett av elver og kanaler (linjer) Lage rasterdatasett av elver og kanaler (flater) Etabler et samlet rasterdatasett for elver og kanaler (linjer + flater) Beregne en terrengmodell der elver og kanaler er senket med 7 meter Lage Rasterdatasett av innsjøer og hav (flater) Lage flomveier Fyll alle lavpunkt i terrengmodellen Finne retningen som vannet vil renne Finne antall akkumulerte celler for hver enkelt celle Visualisering Rydde i datasettet før kjøring av videre analyse Fjerne flomveier i vann og hav Fjerne flomveier som går i kulverter under veier ol Definere et elvenettverk fra Flow Accumulation Hente høyde over havet Hente høyde på vannlinjene Konvertere fra meter til cm og fra desimaltall (float) til heltall (integer) Beregne Euclidean Allocation Beregne potensiell vannstandsstigning for en 500-års flom Beregne 2-8 meter stigning fra elvestrengen... 24

3 Side Konvertere fra meter til cm og fra desimaltall (float) til heltall (integer) Beregne Euclidean Allocation Lage hensynssone Beregne vertikal stigning i m.o.h Konvertere fra cm til meter Opprydding - Sett nullverdi for alle celler som har negativ verdi Reklassifiser alle stigningsverdiene til et felles heltall (Integer) konvertere aktsomhetsområdene til vektordata Vokabular Vektordata: Her benyttes de geometriske objektene punkt, linje og flate/areal for å representere de geografiske objektene som ønskes presentert. Rasterdata: Man kan tenke seg et rutenett som er lagt over et geografisk område. Informasjonen lagres i ett eller flere lag med rutenett. Hvert lag er bygd opp som en matrise av like store celler. Hver celle inneholder en verdi som representerer egenskaper ved det området som cellen dekker. Kilde: Forberedelse til analysen Samle all data du trenger i en ny MXD (Map Exchange Document; Fileformat fra ESRI) og lagre den. Laserdata (Las-Punktsky) Nedbørsfelt (vektordata) FKB Vannlinje (vektordata) FKB Vannflate (vektordata) FKB bygningsflate (vektordata) Eventuell andre datasett du har tilgang til 0. Lage terrengmodell fra Laserdata 0.1. Lage ny LAS datasett Create LAS Dataset (Data Management Tools/LAS Dataset) - Input Files: Gå til mappen las-filene ligger i - Output LAS Dataset: Gi datasettet et lurt navn - Coordinate System: ETRS_1989_UTM_Zone_32N - Huk av for Compute Statistics - OK

4 0.2. Bruk av bakkepunkt For å lage en vanlig terrengmodell bruker man kun bakkepunkter. Høyreklikke på Lasdatasett/Properties/Velg Fane: Filter Huk av 2 Ground OK Side 4

5 Side 5

6 Side Konvertere LAS datasett til Raster LAS-Datasettet vårt er mye større enn nedbørsfeltet vi skal jobbe med her. For å minimere prosesseringstiden til analysene skal vi klippe våre data slik at de kun dekker nedbørsfeltet. Filen vi skal bruke for det heter ClipUtsnitt. Output-filen er en DTM med en oppløsning på 1 x 1m. LAS Dataset to Raster (Conversion Tools/To Raster) - Sampling Value: 1 (dette setter oppløsning til 1 x 1m) - Output: DTM_Original (Dette blir filen vi skal snappe til i punkt 1.1., 1.2. og 1.3.) - Gå inn i Environments Processing Extent/Extend: Same as layer ClipUtsnitt OBS: Hvis man vil generere en DTM over et stort område må man dele datasettet i overlappende tiles og sy dem sammen igjen etterpå. Hva som defineres som stort område er avhengig av antall laserpunkter per kvadratmeter. 1. Lage endelig DTM/Modifisere DTM 1.1. Modifisere DTM med bygningsdata Vår DTM inneholder bare informasjon om terreng uten eksisterende bebyggelse. Men vannet vil først prøve å renne langs en bygning og rundt, fremfor rett gjennom. Det må vi ta hensyn til. Derfor konverterer vi FKB-bygg til raster og gir dem en fiktiv høyde. For enkelhetsskyld hever vi alle byggene like mye, f.eks 5 meter over terrenget.

7 Lage et raster datasett av bygningsgrunnriss Polygon to Raster (Conversion Tools/To Raster) - Input Features: FKB_Bygg_flate - Value field: OBJECTID - Output Raster Datasett: Bygg_flate_r (Påse at dette er i en geodatabase) - Cellsize (optional): Påse at denne er satt til 1 - Godta resten av default verdiene - Gå inn i Environments Processing Extent/Extend: Same as layer ClipUtsnitt Processing Extent/Snap Raster: DTM_Original Raster Analysis/Cell Size: Same as layer DTM_Original Side 7

8 Side Beregne en terrengmodell der bygningsgrunnriss er hevet med 5 meter Vi hever cellene innenfor bygningsgrunnriss med 5 meter over opprinnelig terreng. Verdien til cellene utenfor hentes fra DTM_Original. Som nevnt over vil dette forhindre at vannet renner tvers gjennom bygninger. Istedenfor tvinger vi det (kunstig) til å renne utenfor bygningskroppen. Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Con(IsNull("Bygg_flate_r"),"DTM_Original","DTM_Original"+5) Hvordan tyde formelen? Prøv å «oversette» den på følgende måte: Hvis Bygg_flate_r er nodata (altså alt utenfor bygningsgrunnriss), så benytt verdien fra DTM_Original. Hvis Bygg_flate_r har en verdi (alt innenfor bygningsgrunnriss), så legg til 5 meter i celle-verdien for DTM_Original. [Generell regel for Con setning: (Betingelse, sann, usann)] - Output raster: DTM_mBygg

9 Side Modifisere DTM med vanndata Å generere terrengmodell kun basert på laserdata har fordeler og ulemper. En fordel er f.eks. at det er enkelt å lage. Men mye som genereres automatisk inneholder feil som man enten må redigere manuelt eller man «jukser det til» slik at datasettet tilpasses formålet. Det er dette vi velger å gjøre her. En problemkilde er bruer. Hulrommet under mindre bruer blir ofte ikke fanget opp tilstrekkelig. Derfor fremstår bruene som «demninger» i analysen. Vi har heller ikke bra informasjon over hvor kulvertene er og det finnes få registreringer ang. størrelsen. Dette skaper feil for den type analyse vi skal gjennomføre. Vår tilnærming er å lage en terrengmodell hvor vannet blir tvunget til å følge elveløpet - også der hvor vegeller bygningskropper danner demninger. Dette omtales ofte som å "brenne ned" elvene i terrengmodellen.

10 Side Lage rasterdatasett av elver og kanaler (linjer) Bruk enten «Select by Attributes» eller en «Definition query» for å velge relevante linje-elementene (ElvBekk, ElvBekkKant, KanalGrøft, KanalGrøftKant). Polyline to Raster (Conversion Tools/To Raster) - Input Features: FKB_Bekk_linje - Value field: OBJECTID - Output Raster Datasett: Elv_linje_r (Påse at dette er i en geodatabase) - Cellsize (optional): Påse at denne er satt til 1 - Godta resten av default verdiene - Gå inn i Environments Processing Extent/Extent: Same as layer ClipUtsnitt Processing Extent/Snap Raster: DTM_Original Raster Analysis/Cell Size: Same as layer DTM_Original Lage rasterdatasett av elver og kanaler (flater) (Bruk enten «Select by Attributes» eller en «Definition query» for å velge relevante linje-elementene (ElvBekk, ElvBekkKant, KanalGrøft, KanalGrøftKant). Polygon to Raster (Conversion Tools/To Raster) - Input Features: FKB_ElvOgKanal_flate - Value field: OBJECTID - Output Raster Datasett: Elv_flate_r (Påse at dette er i en geodatabase) - Cellsize (optional): Påse at denne er satt til 1 - Godta resten av default verdiene - Gå inn i Environments Processing Extent/Extend: Same as layer ClipUtsnitt Processing Extent/Snap Raster: DTM_Original Raster Analysis/Cell Size: Same as layer DTM_Original

11 Etabler et samlet rasterdatasett for elver og kanaler (linjer + flater) Mosaic To New Raster (Data Management Tools/Raster/Raster Dataset) - Input Rasters: Elv_flate_r og Elv_linje_r - Output Location: (velg en egnet geodatabase) - Raster Dataset Name: Elv_r (Påse at dette er i en geodatabase) - Cellsize (optional): Påse at denne er satt til 1 - Number of Bands: 1 - Godta resten av default verdiene - Det er ikke nødvendig å gå inn i Environment Extent, Snapping og Cell Size overtas fra inputfilene (som allerede er snappet til DTM_Original) Side 11

12 Side 12 Du har nå et samle-rasterdatasett for elver og kanaler. Disse vil vi nå «brenne» inn i terrengmodellen (, der vi tidligere har lagt til 5 meter for grunnriss av bygninger,) med 7 meter. Det er viktig at man senker elvene mer enn høyeste bro, slik at man får med alt. (Her kan det bli aktuelt å prøve seg litt fram med ulike «svi-dybder») Beregne en terrengmodell der elver og kanaler er senket med 7 meter Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Con(IsNull("Elv_r"),"DTM_mBygg","DTM_mBygg"-7) Hvis Elv_r er null (alle områder uten verdi utenfor elveløpene), så benytt verdien fra DTM_mBygg. Hvis Elv_r har en verdi (alle elveløpene) så subtraher 7 meters fra DTM_mBygg. - Output raster: DTM_mByggOgElv

13 Side 13 FØR ETTER 1.3. Lage Rasterdatasett av innsjøer og hav (flater) Lag ny raster fra FKB-Vann som inneholder havflate og innsjøer. Bruk enten «Select by Attributes» eller en «Definition query» for å velge relevante flater. Dette rasterdatasettet skal vi bruke senere for å fjerne flomveiene i innsjøer og havområder. Polygon to Raster (Conversion Tools/To Raster) - Input Features: FKB_vann_flate - Value field: OBJECTID - Output Raster Datasett: FKB_Vann_raster (Havflate og Innsjø) - Cellsize (optional): Påse at denne er satt til 1 - Godta resten av default verdiene - Gå inn i Environments Processing Extent/Extend: Same as layer ClipUtsnitt Processing Extent/Snap Raster: DTM_Original Raster Analysis/Cell Size: Same as layer DTM_Original 2. Lage flomveier 2.1. Fyll alle lavpunkt i terrengmodellen For å lage en hydrologisk modell må vi fylle alle lavpunkt, slik at vannet kan renne videre til neste celle. Hvis vi ikke gjør dette, så får vi ikke en sammenhengende flomvei. Fill (Spatial Analyst Tools/Hydrology) - Input surface raster: DTM_mByggOgElv - Output surface raster: DTM_mByggOgElv_FillSink

14 Side Finne retningen som vannet vil renne Videre ønsker vi å vite hvilken vei vannet vil renne. Kilde: Flow direction: shows the direction of travel from each cell to its steepest downslope neighbors. Flow accumulation: calculates the number of cells that flow into each cell. Flow Direction (Spatial Analyst Tools/Hydrology) - Input surface raster: DTM_mByggOgElv_FillSink (FS) - Output flow direction raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD

15 Side Finne antall akkumulerte celler for hver enkelt celle Nå kan vi finne antall akkumulerte celler for hver enkelt celle. Dette gir oss muligheten til å definere elveløp. Flow Accumulation(Spatial Analyst Tools/Hydrology) - Input flow direction raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD - Output accumulation raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA - Output data type: FLOAT

16 Side Visualisering Høyreklikk datasettet «DTM_mByggOgElvFS_FD_FA» og velg «Properties». Velg fanen «Symbology» og velg «classified». Du vil sannsynligvis få opp en feilmelding som sier at du må beregne et «histogram» - Godta dette. (Denne prosessen vil ta noe tid). Trykk på knappen «Classify» og gjør noen endringer i «Break Values»: Skriv inn

17 Side 17 La den siste verdien stå uberørt Trykk OK Velg en passelig Color Ramp:

18 Side 18 Dobbeltklikk symbolet for intervallet og sett dette til «No Color»: Og trykk «OK». Du må gjerne prøve å sette flere av intervallene lik «No Color» for å se virkningene av dette:

19 Side 19 FØR ETTER 2.5. Rydde i datasettet før kjøring av videre analyse Fjerne flomveier i vann og hav Vi vil fjerne flomveier som går midt gjennom sjøer eller ut i havet, fordi det oppstår mange rare linjeforløp på vannflatene pga. bølger-refleksjoner i laseropptaket. Og når vi kjører analysen «Fill Sink», vil dette føre til at flomveiene ofte legger seg langs innsjøkanten på den ene siden fram til utløpet. Det er også bekkeløpene vi ønsker å analysere og ikke innsjøene. Sett celler som går ut i innsjøer og havområder til «NoData» Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Con((IsNull("FKB_Vann_raster")) == 1, "DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA","") FKB_Vann_raster (Havflate og Innsjø), se 1.3. Hvis FKB_Vann_raster er 1 (reklassifisering; Data utenfor innsjøer og hav blir automatisk satt til 1), så skal celleverdiene hentes fra DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA». Hvis ikke (alt som er innsjøer og hav har verdi 0), skal celleverdiene settes til «NoData». - Output raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann

20 Side Fjerne flomveier som går i kulverter under veier ol. Her må det etableres en ny analyse for å plukke ut linjer som går under veier og evt. annen bebyggelse Kanskje vi skal nøye oss med veitemaet? Tanken er å slette flomveiene som havner oppå veier når vi tilordner «original høyde» til flomveiene (før Euclidean Allocation skal kjøres) Definere et elvenettverk fra Flow Accumulation Fra gransking av FKB-vann har vi funnet ut at et godt estimat for å si at en elv er til stede er at nedbørsfeltet/akkumulerte celler må være på mer enn 0,5 km 2 (eller celler à 1m 2 ). Det vil si at vi nå definerer hvor elven begynner ( eller hvor en celle har akkumulert minst andre celler). Resultatet er et elvenettverk. I punkt 2.4. ble det vist hvordan vi enkelt kan visualisere dette. (Repetisjon: Ta filen DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann og gå inn i Properties/Symbology og sett fargen til de første klassene og til «No Color».) Men selv om vi ikke ser data er de fortsatt der. Nå skal vi sette verdiene mindre enn til «NoData». Dette må gjøres for at analysen kun skal gjelde elve-nettverket som vi har definert. Fjerne celler mindre enn Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Con("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann" > , "DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann","") Hvis DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann er større enn , så skal celleverdien hentes fra DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann. Hvis ikke skal data settes til «NoData». - Output raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT Hente høyde over havet Definere et høydeplan (100 meter bredt analyseområde) 90 grader på elveløpet, for hver celle i elva Hente høyde på vannlinjene Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra)

21 Side 21 - Con("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500","DTM_Original") Hvis DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500 har en verdi, så hent verdien fra DTM_Original. (Resten skal være «NoData») - Output raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_hoyde DTM som det er kjørt «Fill Sink» på gir et «mykere» resultat. Original DTM gir et dårligere bilde; Hakkete flomavgrensning pga «sink holes», men det er mulig at dette gir et riktigere bilde. Kjører videre på dette! Blir mer eller mindre borte ved overgang til Feature-datasett ved endelig etablering av flomsone-kartet Konvertere fra meter til cm og fra desimaltall (float) til heltall (integer) For å beregne Euclidean Allocation (høydeplanet), må høyde-verdiene være heltall (integer). For å opprettholde presisjon konverterer vi fra meter til cm. Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Int(("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_hoyde" * 100) + 0.5) Int fjerner bare desimaler uten avrundingen. For at avrundingen skal følge vanlige regler og gå både opp og ned legger vi til 0,5. - Output raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_hoyde_cm_int

22 3.3. Beregne Euclidean Allocation Sprer verdien av en celle til en bestemt radius (100 m). Euclidean Allocation (Spatial Analyst Tools/Distance) - Input raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_hoyde_cm_int Input-data er høyde på vannlinjene (må være heltall (integer)). - Source field: Value - Output allocation raster: Elv_UtenVann_GT500_hoydeEucAlloc - Maximum distance: 100 m (100 meter er den buffersonen/analysebredden vi skal bruke) - Output cell size: 1 - Godta resten av default verdiene Side 22

23 Side Beregne potensiell vannstandsstigning for en 500-års flom I NVEs retningslinje 3/2015: Flaumfare langs bekker råd og tips om kartlegging heter det:

24 Side 24 Vi vil beregne for hver celle i elvestrengen hvor høy den maksimale vannstandsstigningen blir. Dette vil vi bruke til å definere et høydeplan (100 meter bredt analyseområde) 90 grader på elveløpet med tilhørende tall for vannstandsstigningen. For å beregne hvor stigningen skal være 2 meter og hvor stigningen skal være «0,965*Ln(areal av nedbørsfelt i km 2 )+2» og evt. 8 meter, må vi ta utgangspunkt i akkumulerte verdier. (Siden cellestørrelsen er 1m 2 vil tallet i cellene representere nedbørsfeltet i m 2.) (Ln=Den naturlige logaritme) 4.1. Beregne 2-8 meter stigning fra elvestrengen Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Con("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500" > ,8,(Con("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500" <= ,2,(0.965 * Ln("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500" / ) + 2)))) Hvis akkumulert celleverdi (nedbørsfelt) er større enn 500 km 2 gis verdien 8. Hvis akkumulert celleverdi (nedbørsfelt) er mindre eller lik 1km 2 gis verdien 2, ellers gis verdien 0,965*ln(celleverdien/ )+2. - Output raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_stigning 4.2. Konvertere fra meter til cm og fra desimaltall (float) til heltall (integer) For å beregne Euclidean Allocation (høydeplanet), må høyde-verdiene være heltall (integer). For å opprettholde presisjon konverterer vi fra meter til cm. Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Int(("DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_stigning" * 100) + 0.5)

25 Side 25 Int fjerner bare desimaler uten avrundingen. For at avrundingen skal følge vanlige regler og gå både opp og ned legger vi til 0,5. - Ouput Raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_stigning_cm_int 4.3. Beregne Euclidean Allocation Euclidean Allocation (Spatial Analyst Tools/Distance) - Input raster: DTM_mByggOgElv_FS_FD_FA_utenVann_GT500_stigning_cm_int Input-data er stigning på vannlinjene (må være heltall (integer)). - Source field: Value - Output allocation raster: Elv_UtenVann_GT500_stigningEucAlloc - Maximum distance: 100 m (100 meter er den buffersonen/analysebredden vi skal bruke) - Output cell size: 1 - Godta resten av default verdiene

26 Side Lage hensynssone 5.1. Beregne vertikal stigning i m.o.h For å finne den absolutte høyden (m.o.h.) for vannstandsstigningen, må vi legge sammen verdiene fra «høydeplanet» og verdiene fra «vannstandsstigningsplanet». Legg sammen høydeplan (i m.o.h.) og planet for den relative vannstandsstigning fra Euclidean Allocationberegningene Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - "Elv_UtenVann_GT500_hoydeEucAlloc" + "Elv_UtenVann_GT500_stigningEucAlloc" - Output raster: Elv_utenVann_GT500_TotVannstigning

27 Side 27 For å finne de områdene som blir oversvømt må vi trekke terrengmodellen fra den absolutte høyden for vannstandsstigningen. Før dette kan gjøres må vi endre vannstandsstigning fra cm over havet til meter over havet. (Terrengmodellen vår er oppgitt i moh.) 5.2. Konvertere fra cm til meter Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - "Elv_utenVann_GT500_TotVannstigning" / Output raster: Elv_utenVann_GT500_TotVannstigning_m 5.3. Finn oversvømt område Trekk terrengmodellen fra den absolutte vannstigningen (i moh) Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Elv_utenVann_GT500_TotVannstigning_m - DTM_Original - Output raster: Elv_utenVann_GT500_flomareal

28 Side Opprydding - Sett nullverdi for alle celler som har negativ verdi Minus (-) verdier må fjernes fordi det er verdiene som ligger under vår terrengmodell. Raster Calculator (Spatial Analyst Tools/Map Algebra) - Con("Elv_utenVann_GT500_flomareal" >= 0,"Elv_utenVann_GT500_flomareal", "") - Output raster: Elv_utenVann_GT500_flomareal_pos 5.4. Reklassifiser alle stigningsverdiene til et felles heltall (Integer) Vi skal konvertere aktsomhetsområdene til vektordata. Verdiene må da gjøres om til heltall (Integer). Dette kan f.eks. gjøres ved å reklassifisere alle stignings-verdiene (desimaltallene for stigningsnivå) til en felles verdi. Reclassify (Spatial Analyst/Reclass) - Input raster: Elv_utenVann_GT500_flomareal_pos - Reclass field: Value - Reclassification: Se innstillingene som er satt i dialogboksen nedenfor (ment som eksempel/forslag) - Output raster: Elv_utenVann_GT500_flomareal_flate

29 Side 29

30 Side konvertere aktsomhetsområdene til vektordata Raster to Polygon (Convercion Tools/From Raster) - Input raster: Elv_utenVann_GT500_flomareal_flate - Output polygon features: HensynssoneFlomAreal_flate - Simplify polygons: Hvis denne hukes av vil polygonene få «mykere» avgrensninger. Hvis feltet forlates åpent vil rute-mønsteret (på 1x1 meter) gjenkjennes i polygonene. GRATULERER! Du har nå gjennomført en forenklet flomanalyse!