Biblická potopa Česka: Jak bychom dopadli, kdyby nás zatopil oceán

Biblická potopa Česka krok za krokem

České úřady začaly v posledních letech větší měrou uvolňovat svoje data pod svobodnou licencí. Nejsou samozřejmě prvními svého druhu. K těm nejosvícenějším v tomto směru už desetiletí patří Spojené státy americké, jejichž federální instituce nabízejí zcela zdarma terabajty informací.

Šmírování kamerami Googlu: Koukněte, co nového se zase objevilo na Street View

A to nejen pro své vlastní daňové poplatníky, ale pro kohokoliv na celém světě s vírou, že široká dostupnost vědění prospěje společnosti jako celku. Díky tomuto přístupu dnes můžeme zcela zdarma používat GPS, stahovat fotky z unikátních archivů NASA, anebo si třeba skrze webovou aplikaci EarthExplorer americké geologické agentury USGS stáhnout nejrůznější satelitní údaje pro libovolné místo na Zemi.

No dobrá, ale co si s takovými open daty počne běžný smrtelník? Tomu bych se rád věnoval v několika příštích článcích, ve kterých poněkud netradiční formou představím několik typů dat z Česka i zahraničí.

ČÚZK otevřel mapová data Česka. Vývojáři a gisaři si mohou začít hrát

Biblická potopa Česka

Dnes si pomocí otevřených dat vytvoříme biblickou potopu, díky které naše nížiny zalijí od Děčína a Ostravy chladné vody Severního moře a Baltu a z jihovýchodu pak rozvodněná Dunaj a Černé moře. Novým hlavním městem Českého souostroví se nejspíše stane vysoko položená Jihlava, jejíž obyvatelé budou na letní odpočinek vyrážet na pobřeží Maďarského moře, které při severozápadním okraji v místech někdejšího Brna vytvoří desítky romantických zátočin a ostrovů jako na Jadranu

Přes svoji zeměpisnou šířku bude tato oblast díky relativně mělkému moři příhodnou destinací pro tisíce oblázkových pláží a nových hotelových rezortů.

Tak, dost úvodní omáčky, pojďme vytvořit potopu Česka a jeho bezprostředního okolí nad výškovým modelem země. V první části článku si ukážeme samotnou přírodní katastrofu. V dalších kapitolách si pak vysvětlíme základní principy práce s programy pro kartografii/GIS a nakonec i přesný postup toho, jak jsem vlastně vytvořil samotnou potopu.

V předvečer katastrofy

Níže vidíte počáteční stav, jak jej známe dodnes. Pro přehlednost do mapy nevkládám žádné další rušivé prvky. Jen základní terén a města nad 25 000 obyvatel.

Celý svět je zatím v pořádku (hladina oceánů: 0 m n.m.)

V neděli 14. dubna 2019 podvečer začalo pršet. Nebyla to však ledajaká jarní přeháňka, když se totiž Češi druhý den ráno probudili, hřenskými soutěskami se skrze kaňon Labe valila do republiky povodňová vlna.

Hladina oceánů: +150 metrů

Dopoledne stoupla po záhadném dešti hladina světových oceánů už o 150 metrů. V korytu Labe při ústí do Německa vzniká jezero s hloubkou okolo 20 metrů a na jihovýchodním okraji země se do okolí začínají pomalu rozlévat také vody Moravy. Slováci evakuují Bratislavu.

Hladina oceánů: 150 m n.m.

Hladina oceánů: +200 metrů

Okolo oběda se postupně odmlčuje okolní civilizace. Voda stoupla o dalších 50 metrů a v Polabí se rozlévá České jezero s maximální hloubkou 70 metrů. Pražané mají poslední minuty na evakuaci.

Hladina oceánů: 200 m n.m.

Na jihovýchodě vzniká podobné Moravské jezero – zátoka nově utvořeného Maďarského moře. Rozprostírá se od Vídně po Brno a rozlévá se také údolím Moravy na Hanou téměř až k Olomouci. Pod vodou je Břeclav i Strážnice, domov našich kolegů z Computeru, kteří před vodami utíkají na Velkou Javořinu (970 m n.m.) v Bílých Karpatech.

Detailní pohled na České, Moravské a Slezské jezero

Hladina oceánů: +250 metrů

Déšť nepolevuje a hladina stále roste. V pondělí odpoledne dosahuje 250 metrů a pod vodou je už většina světových aglomerací. Níže položené části Prahy jsou pod vodou. Stejně tak Brno. České jezero dosahuje v Hřensku hloubky přes 100 metrů a okolo Ostravy se začíná rozlévat třetí Slezské jezero.

Hladina oceánů: 250 m n.m.

Detailní pohled na tři velká jezera na území ČR dává tušit, že již brzy dojde k jejich propojení. Bez potřeby výstavby bizarního umělého kanálu.

Tři česká jezera v detailu

Hladina oceánů: +350 metrů

Pojďme to trošku zrychlit. Namísto dalších padesáti metrů přidám rovnou 100. Světový oceán tedy nyní sahá o celých 350 metrů výše. České jezero s hloubkou okolo 200 metrů sahá od Krušných hor po Orlické hory. Praha přestává existovat a zajímavé jezero se začíná formovat také v údolí Plzně.

Hladina oceánů: 350 m n.m.

Zatímco uzavřené České jezero nadále napájí vodou jen úzký Hřenský průliv, který by byl za jiných okolností stejnou turistickou senzací jako turecký Bospor, Moravské a Slezské jezero již tvoří mělkou integrální součást Atlantického a nového Středozemního oceánu plnou ostrovů, souostroví a hlubokých krasových zátočin.

Tři velká jezera v detailu

Na druhém listu ještě přidáme další vodu a naše tři rostoucí jezera se konečně propojí.

Hladina oceánů: +450 metrů

Tak se to nakonec přece jen podařilo! Zvýšil jsem hladinu o dalších sto metrů a naše tři rostoucí jezera se konečně propojila. Vodní systém Dunaj-Labe-Odra nyní na území Česka tvoří docela zajímavé těleso.

Hladina oceánů: 450 m n.m.

Téměř všechna krajská města jsou pod vodou. Jako poslední vodnímu živlu odolává Jihlava, která se právem stává novým hlavním městem toho, co ještě před pár desítkami hodin bývalo Českou republikou.

Plzeňské jezero s hlubokými zátokami, sopečné souostroví Českého středohoří a ostrov Krkonoše, který se stal útočištěm Poláků

Průliv Miloše Zemana propojil České jezero s Moravským. Dvacet kilometrů široký Hranický průliv pak Moravské jezero s tím Slezským. Z okolí Brna se stal rezort pro milovníky koupání. Brzy zde vyrostou plážové hotely.

Hlavním městem se stává Jihlava, kterou s Moravským jezerem spojuje Třebíčská zátoka. Šumava včetně Lipna odolává, obsadili ji ale Bavoři. Relativně klidným místem zůstává Karlovarsko s mělkým minerálním jezerem.

Pražský příkop s hloubkou okolo 300 metrů bude v příštích desítkách let lákat hledače pokladů. Pokud tedy přežili potopu.

A co kdybychom ještě pár metrů přidali?

Tak fajn, pojďme tedy udělat radost Kevinu Costnerovi a stvořit pro něj opravdový český Vodní svět. Zvýšíme hladinu oceánů o celý kilometr! Česko zmizí. Zůstane po něm jen pár malých souostroví, které dlouhodobě uživí snad desítky nebo stovky lidí, jejichž základní způsob života se pravděpodobně vrátí zpět do středověku...

Vodní svět (hladina oceánů: 1 000 m n.m.)

Nejvyšším ostrovem zůstávají asi třicetikilometrové Krkonoše. Pro život se však mnohem více hodí 135 námořních mil vzdálený padesátikilometrový ostrov Šumava. Novým centrem civilizace této části Evropy se stává Kvilda, která byla přes veškerou snahu všeho ušetřena.

Šumavské souostroví a ostrov Krkonoše

Prudké svahy souostroví Hrubý Jeseník a zbytky někdejších Beskyd

Dokonáno jest.

V dalších kapitolách se dozvíte, jak jsem potopu vlastně vytvořil a co jsem k tomu všechno potřeboval.

Vektorová data ČÚZK a QGIS

Celou dnešní simulaci jsem provedl pomocí licenčně svobodných a zdarma dostupných geografických dat a v open-source softwaru pro GIS a kartografii. V dalších kapitolách se podrobněji podíváme, jak se s takovými daty pracuje, co je to digitální výškový model nebo třeba kartografická projekce.

Vrstevnice a další data od ČÚZK

Fajn, katastrofickou vizi bychom ve hrubých rysech měli, ale jak ji tedy pomocí otevřených dat vytvořit alespoň na monitoru počítače? V prvé řadě budeme potřebovat výškový model terénu, čili data, která nám řeknou, jaká je nadmořská výška v libovolné místě ČR. Podle těchto dat bychom pak mohli softwarově zvýšit hladinu oceánů třeba o dalších 150 metrů a sledovat, jak se zatopí kaňon Labe mezi Hřenskem a Ústí nad Labem.

Výškový model může mít různou podobu a už jste se s ním setkali, pokud jste v životě otevřeli jakoukoliv turistickou mapu. Mohly by to být třeba vrstevnice – izolinie, které spojují místa se stejnou nadmořskou výškou.

Před pár týdny je ve formě vektorové databáze a zcela zdarma uvolnil Český úřad zeměměřický a katastrální v průběžně aktualizovaných balících Data50 a Data200, přičemž číslo na konci znázorňuje měřítko a tedy míru mapového detailu 1:50 000, respektive 1:200 000.

Výškový model Česka od ČÚZK ve formě vrstevnic s rozestupem 10 metrů

Souřadnice jsou součástí balíku Reliéf, který si stáhnete jako ZIP. Uvnitř je hromada souborů v jednom z dnes již standardních kartografických formátů SHP (Esri Shapefile), který otevřeme v některém z komplexních kartografických/GIS programů.

Začátečník udělá nejlépe, když si stáhne bezplatný a multiplatformní QGIS, který podobná data nejen zobrazí, ale obsahuje také desítky a stovky analytických funkcí. Tomu odpovídá i jeho velikost v řádu stovek MB.

Aby měla vrstevnice funkci výškového modelu, musíme znát, jakou výšku opravdu představuje. SHP soubor proto doprovází ještě její databázový soubor DBF s tabulkou. V tomto případě jsem vybral jeden z úseků vrstevnice a z tabulky se dozvěděl, že pole ELEVATION má hodnotu 200 m n.m.

Než se vrhneme dál, musíme si ještě oprášit znalosti středoškolského zeměpisu a alespoň v naprostém základu si vyjasnit, co je to kartografická projekce, protože se napříč dostupnými daty často liší a nemohli bychom nad sebou snadno zobrazit třeba satelitní snímek NASA s projekcí WGS 84 a české souřadnice výše, které používají odlišnou tuzemskou projekci.

Co je to kartografická projekce, se dočtete v další kapitole.

Kartografická projekce

Zveřejněná data ČÚZK pro volné použití jsou daty mapovými, což sebou nese ještě jednu klíčovou vlastnost: jejich kartografickou projekci.

Zatímco tradiční mapu zobrazujeme na rovině, zeměkoule je všemožně zprohýbaný útvar, který kouli připomíná jen z dálky. Když tedy chceme obraz z takového zakulaceného šišoidu převést na dokonalou rovinu (kterou je třeba váš monitor), musíme jej do této roviny promítnout, což sebou nese určité deformace. Něco se roztáhne, něco se pokřiví atp.

Grónsko není větší než Evropa

Jelikož svět ve svém celku všichni vnímáme právě skrze zdeformované mapy (omlouvám se astronautům mezi čtenáři Živě.cz), považujeme je už za normální. Když se tedy podíváte na obrázek níže z projekce Mapy.cz, připadne vám v pořádku, ačkoliv má hromadu chyb.

Projekce koule na válec a z toho plynoucí deformace

Stručně řečeno, Grónsko opravdu není větší než Evropa. Ve skutečnosti je se svými 2,16 mil. km² skoro pětkrát menší. Tento typ projekce tedy deformuje severní a jižní okraje, což nám ale v praxi tak nevadí a ledním medvědům nejspíše také ne.

Projekcí je celá řada a z historických důvodů se uplatňuje i hromada těch lokálních, kdy si jednotlivé země začaly budovat svoje úřední mapová díla. V posledních desetiletích se nicméně stále více prosazuje dostatečně univerzální projekce a její souřadnicový systém WGS 84, který používají jak satelitní navigační systémy (GPS a další), tak NASA, Google a další. Je to takový mapový Unicode.

S-JTSK / Krovak East North (EPSG 5514)

České úřední mapy a mapové systémy včetně těch volně dostupných od ČÚZK pro změnu používají prvorepublikové Křovákovo zobrazení, které bylo ve své době velmi příhodné díky docela atypickému protáhlému tvaru Československa od Aše po Užhorod. Právě v této projekci měla mapa relativně malou deformaci.

Pro laika bude zvláštní i tuzemský souřadnicový systém S-JTSK, který namísto stupňů používá metry a jeho výchozí bod (0,0) se nachází uprostřed Finského zálivu.

Křovákovo zobrazení a jeho souřadnicový systém v metrech (Zdroj: Herigona, CC BY-SA 4.0)

Všechny pokročilé programy pro kartografii a GIS proto musí tyto různé projekce brát v úvahu a musí je umět v reálném čase přepočítávat. Informace o projekci pak musí být obsažena už v samotných geografických datech, nebo na webu poskytovatele.

V případě nedávno zveřejněných dat ČÚZK se jedná o jednu z variant S-JTSK s označením S-JTSK / Krovak East North, která má univerzální kód EPSG 5514. V geografickém softwaru pak stačí pro konkrétní vrstvu (nebo celý projekt) nastavit právě tento způsob zobrazení a souřadnicový systém, načež se vše zobrazí tak, jak má. Pokud bychom totiž data zobrazili v často výchozí projekci WGS 84 (GPS, Google, NASA, USA, svět...), data od ČÚZK by byla přinejmenším zdeformovaná.

Nastavení správné projekce/souřadnicového systému v QGIS. V případě ČÚZK se jedná o EPSG 5514 a jednu z variant Křovákova zobrazení.

Tak, základní teorii, jak korektně zobrazit mapová data podle jejich projekce, už známe. Jen doplním, že kdybychom chtěli nad takovými daty zobrazit třeba fotku z vlastního dronu, museli bychom nejprve provést její georeferenci (připojit souřadnice a některou z projekcí), což QGIS samozřejmě také zvládne (hlavní menu Rastr → Georeferencér).

V další kapitole se podíváme, co je to rastrový výškový model. Jeden takový od NASA totiž použijeme k samotnému výpočtu potopy,

Rastrový výškový model

Ačkoliv můžeme výšková data vyčíst z vektorové vrstvy souřadnic od ČÚZK, v praxi se dnes používají spíše rastrové výškové modely, se kterými dokážou analytické funkce počítat mnohem rychleji, jejich princip fungování je totiž vlastně velmi jednoduchý.

GeoTIFF

Stručně řečeno, výškovým modelem je v tomto případě obrázek zpravidla v odstínech šedi, kdy každému odstínu odpovídá nějaká konkrétní nadmořská výška.

Rastrový výškový model. Každému odstínu odpovídá konkrétní nadmořská výška.

Čím vyšší rozpětí odstínů, tím i větší výšková přesnost, přičemž v praxi se používá rastrový formát TIFF s různou barevnou hloubkou (8bit, 16bit, 32bit), bez ztrátové komprese, která by tato data znehodnotila, a zároveň s možností uložit k obrazovým datům i kartografické informace. Takovému geografickému TIFFu pak říkáme GeoTIFF a vedle SHP je to další standardní formát kartografů a gisařů – tentokrát pro rastrová data.

Americké satelitní výškové modely

Fajn, kde ale takové rastrové modely získat a ideálně zdarma? Opět poděkujme USA a skvělé webové aplikaci USGS EarthExplorer, ve které si polygonem, podle přesných souřadnic nebo i stáří vyberete libovolné místo na světě a vyhledávač zobrazí všechna volně dostupná mapová díla, která si můžete stáhnout (ve formě dlaždic zahrnujících určitou výseč planety).

Vybral jsem území, které mě zajímá a EarthExplorer mi dohledal dostupné a bezplatné výškové modely ve formě jednotlivých dlaždic ve formátu GeoTIFF

Najdete zde i hromadu rastrových výškových modelů a to s globálním pokrytím, přičemž k těm nejlepším (uvážíme-li, že jsou zdarma), patří několikrát aktualizovaný americký model SRTM a americko-japonský ASTER GLOBAL DEM, který vznikl satelitním radarovým snímkováním celé planety. Oba jsou k dispozici v projekci WGS 84.

Vertikální a horizontální rozlišení těchto modelů se pohybuje v řádu desítek metrů, což by mělo naši celorepublikové simulaci bohatě stačit. Ale pozor, je třeba mít na paměti, že podobné základní modely zpravidla nemají odečtenou vegetaci a budovy. Radarový paprsek se jednoduše odrazil od první překážky, ať už to byla skutečná země, nebo koruny stromů. Proto se může přesnost lišit právě podle aktuálního povrchu.

Nejprve složíme výškový model Česka a okolí

Stáhl jsem všechny potřebné dlaždice výškového modelu (vyzkoušel jsem jak ASTER GDEM, tak SRTM v nejnovější verzi) a v QGIS je vyskládal vedle sebe pod vektorovou vrstvu s hranicí Česka. Zatímco vektory mám v české projekci, výškový model je v univerzálním WGS 84.

Jako výchozí systém tedy nastavím český S-JTSK (EPSG 5514, viz pravý spodní okraj okna). Česko bude opět vypadat tak, jak jej známe a dlaždice výškového modelu za mě QGIS korektně pootočí, aby vše odpovídalo.

Načtené dlaždice výškového modelu SRTM a vektor českých hranic pro kontrolu

V dalším kroku složím dílčí dlaždice do jednoho obrovského rastru (Rastr → Různé → Sloučit), aby se mi s ním lépe pracovalo. Nutno podotknout, že výsledkem může být při těchto rozměrech TIFF o velikosti i několika set MB.

Teď výškový model obarvíme

Pro lepší představu o nadmořské výšce bych ještě mohl změnit paletu barev. Na původní šedý rozsah mohu namapovat v podstatě cokoliv. Vytvořil jsem tedy přirozený přechod od zelené přes žlutou po hnědou, který známe ze školních atlasů.

Konečně to vypadá jako naše rodná hrouda

Model má pro naše účely skvělou přesnost

Ačkoliv se nyní výškový model jeví jako prachsprostý obrázek, každý odstín barvy skutečně odpovídá konkrétní nadmořské výšce. Když zvolím identifikační kurzor a klepnu kamkoliv na mapu, v panelu s metadaty mohu odečíst metry nad mořem.

S identifikačním kurzorem mohu klepnout kamkoliv do rastru. Z odstínu šedi se spočítá nadmořská výška. V případě vrcholu Sněžky to činí pouhých 5 metrů, což je skvělý výsledek!

Jakmile mám k dispozici výškový model, mohu s jeho daty provádět libovolné analýzy. QGIS by z něj mohl například vypočítat vektorové izolinie – vrstevnice. Ty už ale máme díky datům ČÚZK.

Nebo bych mohl vytvářet výškové profily. QGIS lze rozšířit o stovky doplňků a jedním z nich je Profile Tool, který jej zpracuje, aniž bych musel používat složitější analytickou funkci pro podobný výpočet.

QGIS nabízí rozšíření o stovky pluginů. Jeden z nich umí vytvářet výškové profily

Tisíce analýz pomocí otevřených dat a svobodného softwaru GIS

K čemu ještě využít výškový model? Třeba k analýze sklonů svahů. Kdybych tento údaj převedl na vektory komunikací, mohu si třeba vyrobit cyklistickou mapu se znázorněním úseků cest, které jsou příliš prudké pro moji fyzičku. Zatímco výškový model dodá NASA, vektory komunikací ČÚZK.

Podobná data by ocenili také vinaři, které budou zajímat jižní svahy, no a pokud plánujete nákup chalupy kdesi v horách, s výškovým modelem můžete spočítat i to, jestli náhodou nebude nemovitost celé léto ve stínu okolních hřebenů.

Toto všechno a tisíce dalších scénářů umožňují analytické geografické nástroje jako QGIS, GRASS, GDAL a otevřená data. Raději to ještě jednou připomenu: vše, o čemu tu byla doposud řeč, je zdarma a pod svobodnou licencí, která nejen že umožňuje tvorbu odvozených děl, ale i komerčních.

Ještě přidáme pár vektorů a spustíme potopu

Analogicky jako vektor hranic Česka můžeme nad výškový model nahrát další vektorové vrstvy od ČÚZK a v QGIS se pomalu začne objevovat topografická mapa.

Stavíme krok za krokem. Každou mapu nakonec tvoří její kartografický jazyk – symboly, barvy atp. Zatímco Mapy.cz používají tradiční český jazyk, Google spíše americký styl. Základní jazyk QGIS je slabší, ale jako demonstrace to stačí.

Tak, už víme, jak pracovat v QGIS s vektory i rastry. V poslední kapitole si tedy konečně vyzkoušíme jednu ze stovek analytických funkcí, která vytvoří potopu.

Analýza r.lake

Ačkoliv se tu celou dobu bavíme o programu QGIS, do jisté míry je to pouze základní grafické rozhraní pro další integrované programy. Především pro balíky nástrojů GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) a mocný GRASS GIS, což je ucelený a samostatný kartografický software s vlastním GUI.

Prostředí GRASS GIS ale může být pro začátečníka nepříjemně složité, a tak jej překrývá právě QGIS se standardním ovládacím prostředím.

Většina analytických funkcí GRASS GIS je dostupná přímo z QGIS

R.lake vytvoří jezero potopy

My na data výškového modelu SRTM aplikujeme jednu z rastrových funkcí GRASS GIS jménem r.lake. Jak už název napovídá, funkce vytvoří novou rastrovou vrstvu, která bude odpovídat jezeru s hladinou ve stanovené výšce nad mořem. Vše níže položené zalije virtuální voda.

Pokud bychom měli mnohem přesnější lokální výškový model třeba obce, ve které žijeme, pomocí r.lake si můžeme spočítat jednoduchý povodňový model. Tedy kam se asi rozlije rozvodněný potok, pokud jeho hladina stoupne třeba o tři metry. Nutno podotknout, že GRASS nabízí hromadu dalších specializovaných hydrologických analytických funkcí právě pro povodně, záplavové vlny, odtok vody ze svahů atp.

Grafický dialog funkce r.lake v QGIS. Stačí zvolit vstupní výškový model a cílovou výšku hladiny jezera. Výpočet bude trvat desítky sekund až minuty podle velikosti modelu.

Vytvořená rastrová vrstva jezera si v sobě nese opět všechny výškové informace, takže tentokrát známe její hloubku a funkce r.lake při výpočtu spočítá také rozlohu jezera a jeho objem. V našem případě to nemá příliš smysl, naše obří jezera totiž budou propojená do světových oceánů.

Vygenerovaný hloubkový model jezera s hladinou ve 150 m n.m. v odstínech šedi

Výpočet jezera pro celou republiku při tomto rozlišení výškového modelu zabere na laptopu s novější verzí Intel Core i5 nejvýše několik málo minut a výsledkem bude opět vrstva v odstínech šedi, kterou můžeme dodatečně obarvit vlastní paletou barev.

Na odstíny šedi jezera namapujeme vlastní paletu a k Česku se rázem blíží povodňová vlna

Zbytek je už pouze na našem vkusu, takže hotovou mapu můžeme obarvit, připojit k ní další vektorové vrstvy ČÚZK – třeba několik největších českých obcí (nad vrstvami samozřejmě můžeme provádět SQL dotazy a vybírat jen ty body, které potřebujeme) a tak dále.

Dnes jsme si tedy ukázali poněkud exotickou, ale snad o to atraktivnější geografickou analýzu s využitím otevřených amerických i českých dat. Příště si vyzkoušíme zase další, český stát i samospráva jich totiž nabízejí stále více.