การวิเคราะห์แบบจำลองทางอุทกศาสตร์

การวิเคราะห์แบบจำลองทางอุทกศาสตร์ (Hydrological model analysis)

 ลุ่มน้ำ (Basin หรือ Watershed หรือ Drainage basin หรือ Catchment area) หมายถึง พื้นที่บริเวณหนึ่งที่เกี่ยวข้อ

กับการจัดการ นาโดยเฉพาะ มีขนาดไม่แน่นอนแล้วแต่วัตถุประสงค์ของการจัดการลุ่มน้ำจึงต้องมีขนาดของพื้นที่ (Unit area) โดยก่อนที่จะกำหนดลุ่มนาใด ลุ่มน้ำหนึ่งขึ้นมานั้นจะต้องมีการพิจารณาอย่างรอบคอบ เนื่องจากมีความ เกี่ยวข้องกับรายละเอียดต่าง ๆ ในพื้นที่ น้ำที่ไหลบ่าอยู่บนผิวดิน หรือ Surface runoff จะไหลไปในทิศทางสูงต่ำ ของพื้นที่ เกิดเป็นเส้นทางน้ำหรือร่องน้ำตั้งแต่ขนาดเล็กจนถึงขนาดใหญ่ และไหลไปยังจุดออก (Outlet) หรือจุดรวมการระบายน้ำของพื้นที่

การกำหนดขอบเขตของลุ่มน้ำจะใช้เส้นสันปันน้ำ (Drainage divide) เป็นตัวแบ่ง

สันปันนาอาจเรียกว่า Topographic divide หรือ Divide หรือ Perimeter ก็ได้

โดยทั่วไปจะใช้แนวสันเขาเป็นเส้นสันปันน้ำ นอกจากนี้ยังใช้อาณาเขต หรือแนวเขตทางกฎหมายเป็นตัวกำหนดขอบเขตลุ่มน้ำ

เส้นสันเขาหรือเส้นสันปันน้ำที่น้ำไปใช้ในการกำหนดขอบเขตลุ่มน้ำมี 2 แบบ ได้แก่

Topographic divide หรือ Surface divide

 Phreatic divide หรือ Sup-surface divide หรือ Ground water divide

การกำหนดขอบเขตลุ่มน้ำที่ถูกต้องจะต้องให้ Topographic divide ทับ กับ Phreatic divide

การวิเคราะห์ทางอุทกศาสตร์จะดำเนินการโดยใช้ชุดเครื่องมือในคำสั่ง เสริม Spatial Analyst Extension

ในชุดเครื่องนี้ใช้สร้างแบบจำลองการไหลของนาบนพื้นผิวผลที่ได้จากการวิเคราะห์ทำให้ทราบว่าทิศทางการไหลของนำ และการ เปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในหลายด้าน อาทิ การวางแผนการจัดการนา การเกษตรกรรม และป่าไม้

1. การสร้าง การเติมเต็มพื้นที่ (Fill)

ในพื้นที่ที่เป็นหลุมหรือต่ำ (Sink) กว่าบริเวณอื่น ๆ จะท้าการปรับพื้นผิว โดยการเติมเต็มพื้นที่

ในขณะที่หากบริเวณใดมีพื้นที่สูง (Peak) กว่าทั่วไป ก็จะท้าการปรับให้มี ความสูงใกล้เคียงกัน

พื้นที่ที่เป็นหลุมหรือสูงกว่าปกติเกิดจากความผิดพลาดของรายละเอียด ของข้อมูลหรือค่าความสูง

 เปิดชั้นข้อมูลที่ทำการ IDW มาแล้วขึ้นมา

ไปที่ ArcToolbox แล้วเปิดเครื่องมือ Fill ขึ้นมา

ทำการเลือกข้อมูลที่จะนำมาทำ Fill จากนั้นกด ok

2. ทิศทางการไหล (Flow direction)
ทิศทางการไหล เป็นการคำนวณทิศทางการไหลของน้ำจากเซลล์หนึ่งไป ยังเซลล์หนึ่งในข้อมูลแรสเตอร์
ทิศทางการไหลถูกคำนวณจาก DEM (อาจผ่านการเติมเต็มพื้นที่แล้ว)
ทิศทางการไหลมี 8 ทิศ (D8) (Jenson and Domingue, 1988) ดังนี้
ไปที่ ArcToolbox แล้วเปิดเครื่องมือ Flow direction ขึ้นมา จากนั้นทำการเลือกข้อมูลที่จะนำมาทำ Flow direction แล้วกด ok

3. การไหลสะสม (Flow accumulation)
การไหลสะสม เป็นการค้านวณการไหลสะสมของข้อมูลทุก ๆ เซลล์ไปยัง เซลล์ที่มีความชันต่ำกว่าซึ่งเป็นจุดออกของน้ำ
หากกำหนดให้แต่ละเซลล์มีค่าน้ำหนักเท่ากับ 1 ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นค่าของ จำนวนเซลล์ที่ไหลผ่านไปในแต่ละเซลล์ ดังภาพ
 ไปที่ ArcToolbox แล้วเปิดเครื่องมือ Flow accumulation ขึ้นมา

ทำการเลือกข้อมูลที่จะนำมาสร้าง  Flow accumulation

4.ลำดับของลำน้ำ (Stream order)
เป็นการกำหนดลำดับให้กับโครงข่ายลำน้ำในลุ่มน้ำด้วยหมายเลข โดยใช้หลักการจำแนกและจัดกลุ่มประเภทของลำน้ำ
ลำน้ำลำดับที่ 1 จะถูกควบคุมโดยนาที่ไหลบนพื้นผิว เนื่องจากล้านาล้าดับ ที่ 1 นี้จะไม่มีต้นนาเป็นตัวควบคุม บริเวณส่วนนี้จึงไวต่อการปนเปื้อนของมลพิษ ในขณะเดียวกันก็สามารถ ใช้ประโยชน์จากบริเวณนี้ได้มากกว่าลุ่มน้ำส่วนอื่น
การจัดลำดับของลำน้ำมี 2 ลักษณะ (Strahler, 1957 and Shreve,1966) ได้แก่
Strahler เป็นการจำแนกลำน้ำออกเป็นลำดับ โดยกำหนด ลำน้ำสายเล็กที่ไหลมาจากสันปันน้ำเป็นล้าดับที่ 1 (First order stream)
ถ้าลำน้ำลำดับที่ 1 สองสายมารวมกันจะเกิดเป็นลำดับที่ 2 และ ล้ำน้ำลำดับที่ 2 สองสายมารวมกันจะเกิดเป็นล้ำน้ำลำดับที่ 3 นั่นคือ ลำน้ำดับเดียวกันไหลมารวมกันจะเกิดเป็นลำน้ำนลำดับสูงกว่า
Shreve เป็นการจำแนกลำน้ำออกเป็นลำดับ โดยกำหนด  ลำน้ำสายเล็กที่ไหลมาจากสันปันน้ำเป็นลำดับที่ 1 (First order stream)
ถ้าลำน้ำลำดับที่ 1 สองสายมารวมกันจะเกิดเป็นลำดับที่ 2 และ ลำน้ำลำดับที่ 2 ไหลมารวมกับลำน้ำลำดับที่ 1 จะเกิดเป็นลำธารลำดับที่ 3 หากลำน้ำลำดับที่ 3 ไหลรวมกับลำน้ำลำที่ 1 กลายเป็นลำน้ำลำดับที่ 4
ไปที่ ArcToolbox แล้วเปิดเครื่องมือ Stream order ขึ้นมา  แล้วเลือกวิธีการจัดลำดับของลำน้ำ เป็นแบบ Strahler 

ผลลัพธ์ที่ได้จากการจัดลำดับของลำน้ำ เป็นแบบ Strahler 

ไปที่ ArcToolbox แล้วเปิดเครื่องมือ Stream order ขึ้นมา  แล้วเลือกวิธีการจัดลำดับของลำน้ำ เป็นแบบ Shreve

ทำการเซตค่าข้อมูล

ผลลัพธ์ที่ได้จากการจัดลำดับของลำน้ำ เป็นแบบ Shreve

การสร้าง Stream to Feature
ไปที่ ArcToolbox แล้วเปิดเครื่องมือ Stream to Feature ขึ้นมา  แล้วทำการเซตค่าข้อมูล จากนั้นแล้วกด ok

  ผลลัพธ์ที่ได้จากการจัดลำดับของลำน้ำ รูปแบบ Stream to Feature

กด Zoom in เข้าไปจะทำให้เห็นลักษณะของข้อมูลชัดเจนขึ้น

ทำการ Open Attribute Table ของข้อมูลขึ้นมา

การนำเอาข้อมูลการจัดลำดับของลำน้ำออกไปใช้ ไปที่ Data >> Export Data

 เลือกรูปแบบที่เราต้องการจะ Export  จากนั้น แล้วกด Ok เป็นการสิ้นสุดสำหรับขั้นตอน การวิเคราะห์แบบจำลองทาง

                                                                 
                                                                       วีดีโอการทำงาน

                                                                                 

การสร้างข้อมูลเพื่อการวิเคราะห์พื้นผิว (Surface analysis)

การสร้างข้อมูลเพื่อการวิเคราะห์พื้นผิว (Surface analysis)

การวิเคราะห์พื้นผิว (Surface analysis) เป็นการวิเคราะห์การกระจาย ของค่าตัวแปรหนึ่งซึ่งเปรียบเสมือนเป็นมิติที่ 3 ของข้อมูลเชิงพื้นที่
โดยข้อมูลเชิงพื้นที่มีค่าพิกัดตามแนวแกน X และ Y ส่วนตัวแปรที่น ามา วิเคราะห์เป็นค่า Z ที่มีการกระจายตัวครอบคลุมทั้งพื้นที่
ตัวอย่างของค่า Z ได้แก่ ข้อมูลความสูงของพื้นที่ ความเข้มข้นของ สารเคมี ปริมาณน้ าฝน และอุณหภูมิ เป็นต้น
ผลจากการวิเคราะห์พื้นผิวสามารถแสดงเป็นภาพ 3 มิติให้เห็นถึงความ แปรผันของข้อมูลด้วยลักษณะสูงต่ำของพื้นผิวนั้นการแสดงข้อมูลพื้นผิวสามารถใช้โครงสร้างข้อมูลแบบเวคเตอร์โดยการใช้
Triangulated Irregular Network (TINs) หรือ
โครงสร้างแบบแรสเตอร์โดยการใช้

Digital Elevation Model (DEM)

1. การสร้าง Contour line

Contour line หรือ เส้นชั้นความสูง

หมายถึง เส้นจิตนาการของระดับที่คงที่บนพื้นดิน ซึ่งได้จากการลากเส้นคงที่ผ่านจุดต่าง ๆ บนพื้นดินที่มีค่าระดับเท่ากัน หรือในบางครั้งอาจเป็นค่าอื่น ๆ ก็ได้ เช่น ปริมาณน้ำฝน หรือระดับความ ลึกของน้ำ เป็นต้น

เปิดข้อมูลที่ผ่านการทำ IDW ขึ้นมา

เปิดเครื่องมือ  3D  Analysis ขึ้นมา

จากนั้นเลือกคำสั่ง Create Contour   

สร้างเส้น Contour โดยลากเม้าส์ คุมไปที่ตำแหน่งที่ต้องการ

หากต้องการที่จะลบ ให้ใช้เม้าส์คลิกที่เส้นชั้นความสูง แล้วกด delete

การสร้าง Contour line ควบคุมทั้งหมดในแผนที่ไปที่ Arc Toolbox >> Raster surface >> Contour

นำเข้าข้อมูลที่จะนำมาสร้างเส้น  Contour

การเปลี่ยนสีเส้น  Contour  เพื่อความแตกต่างของเส้น ตามความสูง

ผลลัพธ์ที่ได้จะการสร้าง  Contour Line

2. การสร้างแนวการมองเห็น (Line of sight)
แนวการมองเห็น ใช้สำหรับวิเคราะห์การมองเห็นว่าพื้นที่ใดสามารถ มองเห็นได้บนพื้นผิวจากตำแหน่งต่าง ๆ
ใช้ประโยชน์ในงานด้านต่าง ๆ เช่น การประเมินพื้นที่เพื่อวางแผนตั้ง กองกำลังทหาร การสร้างหอคอย และการสร้างหอสื่อสาร เป็นต้น
สีของเส้นจะบอกตำแหน่งพื้นผิวที่สามารถมองเห็นได้ (สีเขียว) และ ไม่สามารถมองเห็น (สีแดง)เส้นสีแดง และเส้นสีเขียวแทน
เส้นสีแดง (Obstructed area) บริเวณที่ถูกกีดขวางจากจุดสังเกต
เส้นสีเขียว (Visible area) บริเวณที่สามารถมองเห็นจากสุดสังเกต
จุดสีดำ สีน้ำเงิน และสีแดงแทน
จุดสีดำ (Observer location) ตำแหน่งจุดสังเกต
จุดสีน้ำเงิน (Obstruction point) ตำแหน่งที่ถูกกีดขวางจากตำแหน่งจุดสังเกตไปยังตำแหน่งเป้าหมาย
จุดสีแดง (Target location) ตำแหน่งเป้าหมาย
ไปที่เครื่องมือ  3D  Analysis เลือก Create Line of Sight

จากนั้นทำการลากเส้นลงในตัวแผนที่

- ถ้าบริเวณที่เป็นเส้นสีแดง แสดงว่า เราจะไม่สามารถมองเห็นได้จากจุดสังเกตการณ์

- แต่ถ้าบริเวณนั้นเป็นเส้นสีเขียว แสดงว่า เราจะสามารถมองเห็นได้จากจุดสังเกตการณ์

3. ทิศทางการไหล (Steepest path)
เป็นการประเมินรูปแบบการกลิ้ง (Runoff patterns) ของวัตถุจากแบบจำลองพื้นผิว
โดยจะดูทิศทางการไหลของวัตถุที่ถูกปล่อยจากจุดที่กำหนดไปตาม ลักษณะของพื้นที่ โดยจะมีเส้นทางการไหลไปจนถึงบริเวณที่มีความลาดชันมากที่สุด
ไปที่เครื่องมือ  3D  Analysis เลือก  Create Steepest path

คลิกหนึ่งคลิกที่พื้นที่เราต้องการปล่อยทิศทางการไหลของวัตถุ

จะสังเกตได้ว่าวัตถุจะไหลลงจากที่สูงลงไปหาที่ต่ำ

4. ภาพตัดขวาง (Profile)
ภาพตัดขวาง เป็นการแสดงระดับความสูงของพื้นผิวตามแนวเส้นที่กำหนด
ภาพตัดขวางสามารถช่วยในการประเมินความยากง่ายของเส้นทาง หรือ ประเมินความเป็นไปได้ในการสร้างถนน หรือทางรถไฟในบริเวณที่กำหนด เป็นต้น ไปที่เครื่องมือ  3D  Analysis เลือก  Interpolate Line

ลากเส้นลงในแผนที่ตามที่ต้องการ

จากนั้นไปที่เครื่องมือ  3D  Analysis เลือก  Create Profile Graph

เราจะได้กราฟที่แสดงความสูงต่ำของพื้นที่ ที่เราได้ลากเส้นเอาไว้

ลากเส้นเพิ่มขึ้นมากอีกหนึ่งเส้น เพื่อดูความแตกต่างระหว่างความสูงต่ำของพื้นที่ทั้งสอง

กราฟแสดงการเปรียบเทียบความสูงต่ำของพื้นที่ทั้งสอง

5. ความลาดชัน (Slope)
ความลาดชัน เป็นการคำนวณอัตราการเปลี่ยนแปลงค่าความสูงจากเซลล์ หนึ่งไปยังเซลล์ใกล้เคียง

ความลาดชันสามารถคำนวณและวัดได้ 2 ประเภท ได้แก่
- เปอร์เซ็นต์ (Percent rise)
- องศา (Degree)
ความลาดชันเป็นเปอร์เซ็นต์ (Percent rise) คำนวณได้จากด้านตรงข้ามมุม (rise) หารด้วยด้านประชิดมุม (run) และคูณด้วย 100 ดังสมการ
Slope (percent rise) = (rise/run)*100
ความลาดชันเป็นองศาคำนวณ ได้จาก

Slope (degree) =θ tanθ= rise/run

 ไปที่ Arc Toolbox >> Raster surface >> Slope

ทำการเลือกข้อมูลที่จะใช้สร้าง Slope โดยคำนวณความลาดชันเป็นหน่วยขององศา (Degree)

ผลลัพธ์ที่ได้

ทำการเลือกข้อมูลที่จะใช้สร้าง Slope โดยคำนวณความลาดชันเป็นหน่วยของ เปอร์เซ็นต์ (Percent rise)

ผลลัพธ์ที่ได้

6. ทิศทางการหันเหของความลาดชัน (Aspect)

Aspect เป็นการกำหนดความลาดชันที่จะรับแสง
Aspect จะวัดตามเข็มนาฬิกาจาก 0-360 องศา ค่าของทุกเซลล์จะบ่งบอกทิศทางการหันเหของ ความลาดชัน
โดยพื้นที่ที่เป็น Flat slope จะไม่มีทิศทาง และมีค่าเป็น -1 เสมอ
Aspect สามารถนำไปประยุกต์กับการสร้างแบบจำลองต่าง ๆ ได้ หลากหลาย เช่น

- แบบจำลองการเจริญเติบโตของพืช

- การประมาณการละลายของหิมะ

- การกำหนดพื้นที่เพื่อติดตั้งเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์

   ไปที่ Arc Toolbox >> Raster surface >>  Aspect

ทำการเลือกข้อมูลที่จะนำมาทำ  Aspect  จากนั้นกด ok

ผลลัพธ์ที่ได้จะการสร้าง  Aspect

ค่าพิกเซลล์แต่ล่ะจุด จะมีค่าที่ต่างกัน

7. การตกกระทบของแสง (Hillshade)
เป็นรูปแบบความสว่างและความมืดที่พื้นผิวจะได้รับเมื่อให้แสงสว่างจากมุมที่กำหนดในการคำนวณการตกกระทบของแสงต้องกำหนดตำแหน่งแหล่งกำเนิด แสงก่อน และจากนั้นจึงคำนวณค่าของแสงในแต่ละเซลล์
ค่าของแสงที่ตกกระทบจะมีค่าอยู่ระหว่าง 0-255 ซึ่งแทนด้วยระดับสีเทา จากสีดำจนถึงสีขาวตามลำดับ

ไปที่ Arc Toolbox >> Raster surface >> Hillshade

เลือกข้อมูลที่จะนำมาทำ Hillshade

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทำ  Hillshade

ค่าพิกเซลล์แต่ล่ะจุด จะมีค่าที่ต่างกัน
โดยพิกเซลล์ที่มีสีเข้มมากๆ แสดงว่าพื้นที่นั้น มีค่า Hillshade น้อย

ทำการนำเข้าชั้นข้อมูล Amphoe ที่เป็นข้อมูลไฟล์ Polygon ขึ้นมา เพื่อที่จะได้ทำการซ้อนทับข้อมูล ทำให้สามารถเห็นความแตกต่างของพื้นที่มากขึ้น
ทำให้ของมูล Amphoe มีความโปร่งใส

8. พื้นที่การมองเห็น (Viewshed)
เป็นพื้นที่บนพื้นผิวที่สามารถมองเห็นได้จากจุดสังเกตุสำหรับตำแหน่งที่ มองเห็นได้ สามารถหาได้ว่ามีผู้สังเกตุกี่คนที่สามารถมองเห็นตำแหน่งนั้นได้ รวมถึงกำหนดค่าความสูงของผู้สังเกตุ จำกัดความห่าง ความสูง และ ทิศทางที่จะมอง
การหาตำแหน่งที่สามารถมองเห็นได้นั้นสามารถหาได้จากหนึ่งหรือหลาย จุดสังเกตุ หรืออาจเป็นแนวเส้นสังเกตก็ได้
ผลลัพธ์ที่ได้จากการวิเคราะห์แสดงออกมาเป็นค่า 0 และ 1 คือ

                          0 แทนพื้นที่ที่ไม่สามารถมองเห็น

                          1 แทนพื้นที่ที่สามารถมองเห็นได้
Viewshed สามารถนำไปใช้ในการหาพื้นที่สำหรับการสร้างหอบังคับการ หอควบคุมไฟป่า หรือที่ตั้งของแทงก์น้ำ เป็นต้น

ก่อนอื่นต้องสร้าง Shapefile ขึ้นมาก่อน

ไปที่ Arc Toolbox >> Raster surface >> Viewshedเลือกข้อมูลที่จะนำมาสร้าง Viewshed 

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทำ Viewshed
โดยที่สีเขียวคือบริเวณที่เราสามารถมองเห็นวิวได้

9.การประมาณปริมาตรในการขุดและถมที่ (Cut-and-Fill)  เป็นการประมาณการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่หรือปริมาตรจากการขุดหรือถมพื้นผิว หรือเรียกว่า สิ่งที่สูญเสีย (Net loss) และสิ่งที่ได้มา (Net gain) ในพื้นที่              โดยใช้หลักการเปรียบเทียบข้อมูล 2 พื้นผิว หรือ 2 ช่วงเวลา ได้แก่ พื้นผิว ก่อนการเปลี่ยนแปลง (Before surface) และหลังการเปลี่ยนแปลง (After surface)

ไปที่ Arc Toolbox >> Raster surface >> Cut Fill >> ทำการเลือกข้อมูลที่จะนำมาทำ Cut Fill 

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทำ Cut Fill

วีดีโอการทำงาน