Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. A GEOINFORMATIKA ALKALMAZÁSA A KÖRNYEZETI VÁLTOZÁSOK KVANTITATÍV ÉRTÉKELÉSÉBEN Rakonczai János 1 Bódis Katalin 2 A geoinformatika módszerek földrajzi alkalmazásait hosszú ideig kétkedéssel vegyült kíváncsisággal, fenntartásokkal kísérték sokan, gyakran merült fel az a kérdés: földrajzinak tekinthetők-e az ilyen kutatások? A módszerek fejlődése egyre inkább lehetőséget adnak arra, hogy a fenntartások csökkenjenek. Jelen előadásban azt szeretnénk bemutatni, hogy megfelelően megfogalmazott geoinformatikai kutatásokkal egyértelműen földrajzi, földtudományi eredményeket kaphatunk, alkalmazásukkal mód nyílik arra, hogy a korábban csak tendenciájában felismert változásokat számszerűsítsük (például mennyiségileg is térképezni tudjuk), de felhasználhatók olyan gyakorlati feladatok megoldásához is, amelyek elsősorban geográfus alapismereteket igényelnek. Előadásunkban három különböző típusú példát mutatunk be az alkalmazásokra. 1. Geomorfológiai alkalmazás A geomorfológai folyamatok pontos mérésének komoly problémája, hogy a változások mértéke egy vizsgálati időszakban a mérési pontosság határának közelében van, ezért jelentős bizonytalanságot jelent elfogadásuk. Ilyen esetben két elméleti lehetőség adódik a mérések megbízhatóságának javítására: vagy a mérési pontosság javítása (ami nagyrészt műszerfüggő), vagy a mérési időszak meghosszabbítása. Kutatásunk során egy módszertani jelentőségű vizsgálattal a geoinformatikai lehetőségeit kihasználva, inkább az utóbbit előtérbe helyezve jelentősen sikerült bővítenünk az értékelés időintervallumát, így már mértékében is értékelhető változásokat kaptunk. Konkrétan a Kiskunsági Nemzeti Park egyik geomorfológiailag érdekes területén az Akasztó melletti Mikla-pusztán (1. ábra) a padkás felszínek pusztulásának mértékét tudtuk meghatározni. Már a terepbejárások során nyilvánvaló volt számunkra, hogy egy tipikus erózió által kialakított padkás felszínt láthatunk, ahol az eredeti felszínt gondolatban elképzelve és a változások hozzávetőleges intervallumát megbecsülve jelentős lepusztulási ütemmel számolhattunk (1. kép). Éppen ezért kétfajta vizsgálati módszerrel kezdtünk a kutatásnak. Egyrészt a jól azonosítható formákra alapozva régi térképek adatait felhasználva jelentősen sikerült a vizsgálat időtávját kibővítenünk, másrészt a GPS mérési pontosságát kihasználva egy hosszabb mérési folyamatot indítottunk el (2. kép). Jelentős munkával sikerült egységes rendszerbe rendezni az I. (1783), a II. (1852) és a III. katonai felmérés (1882) térképeit a jelenleg is használatos topográfiai térképekkel (1961 és 1981), kiegészítve mindezeket légifotókkal és részben űrfelvételekkel (ennek technikai hátteréről és a kutatás részleteiről, valamint a padkásodási folyamatról külön cikkben számolunk be lásd Kovács F. - Rakonczai J. 2001. jelen anyagban). 1 Dr. Rakonczai János a földrajztudomány kandidátusa, egyetemi docens, Szegedi Tudományegyetem Természeti Földrajzi Tanszék, rjanos@earth.geo.u-szeged.hu 2 Bódis Katalin egyetemi tanársegéd, Szegedi Tudományegyetem Természeti Földrajzi Tanszék, bodis@earth.geo.u-szeged.hu 1
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása 1. ábra: A vizsgált terület földrajzi elhelyezkedése 1. kép: Pusztuló padkaperemek Mikla-pusztán 2
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 2. ábra: Megbízható pontosságú felszínpusztulás mértéke Mikla-pusztán (Kovács F. 2001) Érdekes módon már az I. katonai felmérés (vélhetően pontatlanabb) adatai is megerősítik a felszínpusztulások fő irányait és mértékét (és ezeket felhasználva több mint kétszáz éves adatsorra támaszkodhatnánk), mégis értékelésünkhöz most egy megbízható pontosságú adatokat szolgáltató időintervallumot (1882-1961) választottunk. Megállapítható volt az, hogy a 80 év alatt a padkahátrálás átlagértékének kapott mintegy 20 méter már szignifikánsnak tekinthető (2. ábra). A részletes elemzésbe bevont 516,88 hektárnyi területen 1882 és 1961 között 25,38 hektár, azaz a felszín közel 5%-a pusztult le. Ez csupán 50 cm-es átlagos padkamagasságot feltételezve is mintegy 127 ezer m 3 (!) anyag 3
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása lepusztulásával járt, ami évi mintegy 1600 m 3 -nek, illetve mintegy 3 m 3 /év/ha értéknek felel meg. 2. kép: Padkás erózió mérése GPS-szel a Dél-Tiszántúlon Úgy véljük, hogy a fenti példa meggyőzően bizonyítja, hogy egy ilyen jellegű geomorfológiai változást jól lehet geoinformatikai módszerekkel mennyiségileg is értékelni. 2. A Duna-Tisza közi talajvízszint változások tér- és időbeli értékelése (1970-2000) A globális éghajlati változások hazai következményeként számon tartott szárazodási folyamat mintaterületének számít a Duna-Tisza közén felismert regionális léptékű talajvízszint-süllyedés. Ennek komplex értékelése is ismert (Pálfai I. 1994), azonban ezek a vizsgálatok rögzítették vízszintcsökkenés mértékét és hozzávetőleges arányokat mondtak a feltételezhető okokra vonatkozóan, de foglalkoztak annak térbeli és időbeli alakulásával. Éppen ezért kutatást indítottunk annak kimutatására, hogy hol, és hozzávetőlegesen mikor kezdődött ez a folyamat, miként alakult ennek térbeli lefutása, milyen módon és mértékben valósult meg a visszapótlódási folyamat az 1990-es évek második felében, stb. A vizsgálathoz 84 teljes adatsorral rendelkező talajvízkút (3. ábra) közel 30 éves adatsorát (1971.01. 1999.12.) használtuk/juk fel. Térbeli vizsgálatok elvégzéséhez a kutak méter pontosságú koordinátái és a kutak vízállásadatai alapján az Arc/Info GIS-ben felületeket hoztunk létre, így az egyes pontokban mért adatok és a bekövetkező változások nem csak egyes kutak grafikonjaival, hanem térben is szemléltethetőek. (Az így végzett kiértékelésben azonban óvatosnak kell lennünk, mivel az első lépésben alkalmazott felületalkotó eljárásnál csupán a talajvízszintek térbeli elhelyezkedését (x,y,z koordináták) vettük figyelembe. A további esetleges külső módosító hatásokat és finomabb geostatisztikai eredményeket (pl. anizotrópia) ebben a lépésben figyelmen kívül hagytuk.) Az értékelésnél valamennyi kút esetében a havi átlagos vízszinteket vettük alapadatnak, ebből képeztük az alábbi adatsorokat: Ε8 talajvízszint változás (4-6. ábra), Ε8 a talajvízszint eltérése az átlagtól (az első öt év adatait használva átlagként) (7-10. ábra), Ε8 az átlagtól való eltérés változása. 4
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. Ez utóbbi matematikailag az alábbit jelenti: V i = (T i+1 A i+1 ) (T i A i ), ahol V i az i-edik időszak átlagtól való eltérésének változása, T i és T i+1 az adott és az azt követő időszak (hónap) talajvízállása, A i és A i+1 az adott időszakokra kiszámolt átlagok. 3. ábra A talajvízszint értékeléséhez felhasznált kutak területi eloszlása Ez az általunk már régen (1975) kidolgozott számítási mód teremt arra lehetőséget, hogy az átlagostól (bármilyen irányban) eltérő talajvízállás rendellenességet kimutassuk. A fenti módon előállított három adatsort (a geodéziai adatok ismeretében) térbelileg az Arc/info geoinformatikai programmal dolgoztuk fel, és így két szemléletes térképsorozatot 3 kaptunk, melyeket az előadás során filmszerűen kívánunk bemutatni. A jelenlegi terjedelmi korlátok miatt csak három tipikus kút viselkedését mutattuk be az 4-6. ábrán. Ezeken jól látható a talajvíz süllyedésének eltérő tendenciája a domborzati helyzetüktől függően. Feltűnő, hogy a legmagasabb domborzati helyzetben levő kútban a süllyedés mértéke 25 év alatt a 6 métert is meghaladja (6. ábra). 3 A térképekről tudjuk, hogy azok csak a mérési pontokban hitelesek. A kúthálózat egyenetlen elhelyezkedése, a kutak jelentős távolságai és a legkülönbözőbb antropogén hatások miatt az interpolációk vitathatóak. Mégis csak így lehet módunk arra, hogy a változásokat legalább virtuálisan megjelenítsük. 5
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása 4 ábra: Jellegzetes talajvízállás a Duna-Tisza közén az adott kútra meghatározott éves átlagos vízállással összevetve (1971-1999) 5. ábra: Jellegzetes talajvízállás a Duna-Tisza közén az adott kútra meghatározott éves átlagos vízállással összevetve (1971-1999) 6
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 6. ábra: Jellegzetes talajvízállás a Duna-Tisza közén az adott kútra meghatározott éves átlagos vízállással összevetve (1971-1999) A példaként bemutatott eredménytérképek (7-10. ábrák) megerősítik azt az előzetes feltételezést, hogy a domborzatilag legmagasabb helyzetben levő hátsági területek a legérzékenyebbek a változásokra: egy tartósan vízhiányos időszakban ugyanis itt nincs lehetőség a felszín alatti oldalirányú utánpótlódásra, sőt vélhetően az innen történő elszivárgás csak fokozza ezen területek vízveszteségét. 3. Geomorfológiával támogatott geoinformatika a belvíz-kiértékelésben Az alföldi területeket sújtó belvízelöntések nagyságának, pontos területi meghatározásának problémája fontos gazdasági kérdés. A felmérés célját szolgáló módszerek (terepi adatgyűjtés, légifényképek kiértékelése, űrfelvételek alkalmazása) összevetése, földrajzi szempontok figyelembevétele sokat javíthat az eddigi egyoldalú adatgyűjtésen. Ennek bizonyítására két különböző példát mutatunk be. Izgalmas és gyakorlat számára sokszor meghatározó jelentőségű kérdés azonban az, hogy mikor milyen típusú értékelés a megbízhatóbb, mennyire lehet ezeket a védekezésben vagy a kárbecslésben felhasználni. Egy általunk kapott feladat ennek megválaszolására volt hivatott, de ugyanakkor több szakmai tanulsággal is járt. A különböző távérzékelési eljárások objektív lehetőséget adnak a belvízelöntések időbeli változásának regisztrálására (akár utólagos értékelésére is), s a választott felvétel típus függvényében biztosítják a szükséges területi pontosságot, lehetővé tehetik akár az operatív védekezés segítését is, sőt kedvező esetben akár a részleges előrejelzésre is alkalmasak lehetnek. Jelenleg a műholdas (LANDSAT felvételeken alapuló, FÖMI által készített) kiértékelés, a rendelkezésünkre bocsátott (az ARGOS Stúdió által 1999-ben és 2000-ben készített) légi felvételezés illetve a Vízügyi Igazgatóságoktól származó terepi adatgyűjtés adatait vetettük össze. (A módszertani kérdéseket és az eredményeket külön tanulmányban a 7
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása konferencián egy poszteren mutatjuk be. Lásd Rakonczai János Mucsi László Szatmári József Kovács Ferenc Csató Szilvia 2001). 7. ábra: A talajvízállás eltérése az átlagostól a Duna-Tisza közén 1977. március 8
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 8. ábra: A talajvízállás eltérése az átlagostól a Duna-Tisza közén 1984. március 9
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása 9. ábra: A talajvízállás eltérése az átlagostól a Duna-Tisza közén 1995. március 10
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 10. ábra: A talajvízállás eltérése az átlagostól a Duna-Tisza közén 1997. március 11
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása A Tiszántúlon hat, különböző felszíni adottságú terület összehasonlító vizsgálatát végeztük el 1999. tavaszának nagy belvízborítású időszakában. Az azonos vetületi rendszerbe és méretarányra transzformált adatforrások már részletes összevetési lehetőséggel szolgálhattak a különböző eljárások lehetőségeiről, korlátairól. Területenként általában 4 térképet készítettünk: a légifotók összemozaikolt képe (fototérkép), illetve erre illesztve a vízügy igazgatóságok terepi felméréseinek adatai, az előbbi fototérkép alapján irányított osztályozással készült belvízelöntési térkép, a FÖMI által műholdfelvételek alapján készített belvizes minősítés, a légi- és űrfelvételek alapján készült értékelés térképi összevetése. Ezek közül jelenleg egy területre vonatkozó 3 feldolgozást mutatunk be (11-13. ábra). A képi adatokat statisztikai elemzésekkel egészítettük ki. A feldolgozás során módszertani fontosságú megjegyzéseket tettünk az adatgyűjtés folyamatára és a továbbfejlesztés módozataira. Jelen esetben azonban ezek közül csak két közvetlenül a témához kapcsolódót emelünk ki: A légi- és űrfelvételek jól kiegészítik egymás adatait, s többé-kevésbé az elméletileg is várható eltérések tapasztalhatók a kiértékelések során. A műholdfelvételek pontossága jelentősen romlik (a gyengébb felbontás miatt) azokon a területeken, ahol a felszín geomorfológiai okok miatt változatos, vagy a felszínborítottság a területhasználat miatt gyorsan változik! Azaz a geomorfológia jelentős összefüggésben van nem csak a tényleges belvízborítással (ld. 3. kép), hanem meghatározza azt is, milyen módszerrel kaphatunk valós adatot az elöntött területekről! 3. kép: A belvízborítás nyomai a mezőgazdasági táblákban a Sárréten 2000 nyarán (fotó: Karancsi Z.) 12
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. A másik példa a hidrometeorológiai, a hidrogeológiai és a geomorfológiai helyzet belvízképződésben játszott együttes szerepének értékelésre irányítja a figyelmet. A belvízképződés folyamatában általában kevésbé számolunk a távolabbi területek kedvezőtlen hatásira, s a hidometeorológia előzményeket is legtöbbször a kedvezőtlenre fordulástól szoktuk értékelni, holott a jelenség időnként csak tágabb összefüggésben érthető meg. Azt, hogy az önmagukban nem veszélyes hidrometeorológiai és hidrogeológiai helyzetek összekapcsolódása súlyos belvízproblémákat okozhatnak jól érzékeltetheti egy jellemző Ε a szakirodalomban még nem elemzett Ε példa, amely 1998-1999-ben a Békés megyei Hunya és Kondoros községekben alakult ki. 1998, de különösen 1999 tavaszán a Maros-hordalékúp északi peremén elhelyezkedő két, a vizek által csak ritkábban veszélyeztetett, településben jelentős belvíz pusztított, miközben a délebbi, gyakrabban károsított településen nem, vagy alig jelentkezett a káresemény. A látszólag titokzatos esemény magyarázatát a terület geomorfológiája és az eseményeket megelőző telek meteorológiai helyzete adja. Mindkét évben a tél eleje aránylag csapadékos és ezzel egyidejűleg enyhe is volt, amit utána szárazabb és hideg időszak követett. Az enyhe időszak azonban lehetővé tette, hogy a téli csapadék szinte késleltetés nélkül elérje a talajvizet, s ennek következtében a talajvíz maximuma a szokásosnál 1-2 hónappal korábban alakulhatott ki. Ennek következtében a Maros hordalékkúp magasabb részein tavasszal száraz helyzet alakult, miközben a felszín alatt vélhetően egy talajvízhullám indult el az alacsonyabb területek felé. A hordalékkúpon a talajvíztartó rétegekben egyébként is a terület geomorfológiája miatt az alacsonyabban levő peremi részek felé szivárog a víz (a felszínen ma is jól látható egykori folyómedrek durvább üledékei, pl. a Kondoros-völgy megkönnyítik ezt). Ez a sajátos felszín alatti vízszállítás az oka a területen föld árjaként ismert jelenségnek. A tavaszi nedves, belvízre hajlamos időszakban Ε az altalajvízi helyzetben levő településeken Ε ezt a felszín alatt haladó talajvíztöbbletet az egyébként felszíni csapadékkal is telített talaj már nem tudta befogadni, a beépített felszíni mélyedések pedig nem tudták továbbszállítani. A téli rendkívüli beszivárgás tehát lehetővé tette a hordalékkúp magasabb részeiről a talajvíz egy részének megszökését, s míg ott a szokásos helyzethez viszonyítva inkább vízhiány alakult ki, másutt kárt okozott. Így fordulhatott elő, hogy a belvizes területtől távoli (50-60 km-re) és a kritikus időszakot hónapokkal megelőző események jelentősen befolyásolták a káresemények mértékét. Jól mutatja ezt a fordított helyzetet a Békés megyéről (Landsat felvételek alapján) készített belvízelöntési térkép (14. ábra): ezen ugyanis látszik, hogy az egyébként belvízgyakoriság alapján belvízveszélyesnek tekintett Maros hordalékkúp gyakorlatilag mentes a vízborításoktól, ugyanakkor annak peremén jelentős károkat okozott. (A felszín alatti talajvízhullám néhány elemét GPS-es mérésekkel is rögzítettük, s a későbbiek folyamán ezt a kutatási vonalat is biztatónak tartjuk.) 13
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása 11. ábra: A belvízborítás meghatározására készített légifotó mozaik a Sárrét egy területéről (1999. március) (Készítette: Kovács F.) 14
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 12. ábra: A FÖMI Landsat műholdfelvétel alapján elkészített belvízborítottsági értékelése a mintaterületről (1999. március) 15
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása 13. ábra: Az általunk készített, légifényképekre alapozott belvízborítottsági kiértékelés a területről (Készítette: Kovács F.) 16
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 14. ábra: Landsat felvételek alapján a FÖMI által az 1999-es belvízborításról készített kiértékelés egy Békés megyei részlete Úgy véljük, hogy a bemutatott példák meggyőzően igazolják, hogy a geoinformatikai módszerek használatával hitelesebben lehet bizonyos földrajzi folyamatokat értékelni, az így szerezhető mennyiségi adatok sokkal hitelesebbé teszik a minőségi értékeléseket, és ugyanakkor a gyakorlat számára is jól hasznosítható eredményeket szolgáltatnak. (A kutatás az OTKA T-03284 nyilvántartási számú program támogatásával készült.) 17
Rakonczai János Bódis Katalin A geoinformatika alkalmazása Irodalom Kovács F. 1999: Térinformatikai módszerek lehetőségei egy táj állapotváltozásának vizsgálatában. OTDK dolgozat. Pálfai I. (szerk.) 1992: A Duna-Tisza közi hátság vízgazdálkodási problémái. A Nagyalföld Alapítvány Kötetei 3. 126 old. Békéscsaba Rakonczai J. 1975: Adatok a Dél-Tiszántúl talajvízjárásának sajátosságaihoz. Egyetemi doktori értekezés. 116. old. Rakonczai J. 2000: Antropogén hatásra bekövetkező tájváltozások az Alföldön. In: Schweitzer F. Tiner T. (szerk.): Tájkutatási irányzatok Magyarországon 37-53. Rakonczai, J. Kovács, F.2000: Possibilities provided by GIS in the evaluation of landscape changes on plain territories Acta Geographica Szegediensis. Tomus XXXVII. Rakonczai J. Csató Sz. Kovács F. Mucsi L. Szatmári J. 2000: Belvizes területek elhatárolásának módszertani lehetőségei Az ATIVIZIG megbízásából készült tanulmány. 18