Zastosowanie krigingu zwyczajnego do rekonstrukcji i wizualizacji reliefu w miejscach odkrywkowej eksploatacji piasku

• Autorzy: Zarychta R. , Zarychta A.

Warianty tytułu

EN

Application of ordinary kriging to reconstruct and visualise the relief in the location of an open pit sand mine

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W niniejszym artykule zaprezentowano jeden ze sposobów odtwarzania rzeźby (sprzed rozpoczęcia eksploatacji piasku na cele podsadzkowe) czterech pól piaskowych dawnego wyrobiska „Siemonia”. Morfologia analizowanego terenu została zwizualizowana w oparciu o archiwalną mapę geologiczną (arkusz Wojkowice) z zastosowaniem metod geostatystycznych, w tym m.in. krigingu zwyczajnego. Jest to jedna ze znanych technik estymacji (szacowania), nazywana B.L.U.E. (best linear unbiased estimator). Zgodność dopasowania matematycznych modeli sferycznych do wariogramu empirycznego potwierdzono w procedurze kross-walidacji. Uzyskane wartości błędów (błąd średni, błąd średni kwadratowy oraz błąd średni kwadratowy standaryzowany) są w znacznym stopniu zgodne z notowanymi w literaturze naukowej. Wygenerowana rzeźba badanego terenu pod postacią modelu trójwymiarowgo w wyniku przeprowadzonej pełnej analizy geostatystycznej jest dość mocno uwydatniona w porównaniu do modelu otrzymanego bez zastosowania analizy strukturalnej i kross-walidacji.

EN

Extraction of mineral resources, including rocks, usually causes some significant changes of the landscape. Transformation of the relief which character and scale can be analysed by means of cartographic materials seems to be the most interesting. Reconstruction of the relief of the period prior to the exploitation is a starting point for such investigation. It can be done basing on archival cartographic materials which are difficult to obtain. However, too varied morphological material of the area can lead to erroneous conclusions which suggests interpretation of three-dimensional models of the relief. Hence, the paper deals with reconstruction and visualisation of the relief (in the period before the exploitation) of four sand fields of the old sand mine excavation “Siemonia”. A geological map of Poland (Wojkowice sheet) has been used for the purpose. A geostatical analysis by means of the programmes Surfer 8. and ArcGIS 10.1. has been performed on the map. An estimation method called ordinary kriging, which is related to B.L.U.E. (best linear unbiased estimator), where the condition of the lack of weight of the measurement (the sum of weight is equal to 1) is fulfilled, has been applied. The calculated values of errors (mean error, mean squared error and mean squared standardised error) obtained as a result of application of the cross-validation procedure are, to a large extent, in agreement with predetermined values of errors given by numerous authors in the scientific literature. It confirms proper “manual” adjustment of two mathematical models of spherical variograms and empirical variograms. The generated contour map of the investigated area (based on estimated points of sampling in nodes of the interpolation grid) together with its three-dimensional digital model are more adequate (due to significant marking of the relief) to the previous state of the investigated area than the two other presented types of cartographic visualisations made without application of the geostatistical methods. Hence, the graphic presentation of results, mentioned as the last one, can be only applied to visualise the relief without any detailed geomorphological interpretations due to its inaccuracy. It seems to be obvious that detailed analyses can be performed basing on a digital model of the terrain accompanied by its contour map obtained when reconstruction of the relief is made by means of geostatistical methods (especially ordinary kriging).

Słowa kluczowe

PL

geostatystyka; kriging zwyczajny; relief; Wyżyna Śląska; piaskownia

EN

geostatistics; ordinary kriging; relief; Silesian Upland; sand mine

• Wydawca: Zarząd Główny Stowarzyszenia Geodetów Polskich
• Czasopismo: Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. Spec.
• Strony: 133--146
• Opis fizyczny: Bibliogr. 47 poz.

Twórcy

autor

Zarychta R.

• Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego, Katedra Geomorfologii

autor

Zarychta A.

• Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego, Katedra Geologii Stosowanej

Bibliografia

• Badura H., Zawadzki J., Fabijańczyk P., 2012. Kriging blokowy oraz metody GIS w eostatystycznym szacownaiu metalonośności w kopalniach węgla kamiennego. Roczniki Geomatyki, Polskie Towarzystwo Informacji Przestrzennej, X, 3(53), s. 17-26.
• Bąkowski Z., 2000. Zastosowanie numerycznych charakterystyk urzeźbienia terenu. Geodezja w systemach geoinformacyjnych, XVII Jesienna Szkoła Geodezji, Polanica-Zdrój, 11-14 października 2000, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, s. 43-50.
• Biernat S., 1955. Mapa Geologiczna Polski w skali 1:50 000, arkusz Wojkowice. Wyd. Geologiczne, Warszawa.
• Bostan P.A., Heuvelink G.B.M., Akyurek S.Z., 2012. Comparison of regression and kriging techniques for mapping the average annual precipitation of Turkey. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, Vol. 19, s. 115–126.
• Ciepiela B., 2008., Zagłębiowskie kopalnie węgla w czasopismach naukowo-technicznych. Stowarzyszenie Artystów Polskich. Oddział: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa Koło "Zagłębie", Będzin, s. 19-23.
• Czylok A., Rahmonov O., 1996. Unikatowe układy fitocenotyczne w wyrobiskach wschodniej części województwa katowickiego. Kształtowanie środowiska geograficznego i ochrona przyrody na obszarach uprzemysłowionych i zurbanizowanych., 23, s. 27-31.
• Davis J., 2002. Statistics and data analysis in geology. John Wiley & Sons, New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, s. 638.
• Dulias R., 2010. Landscape planning in areas of sand extraction in the Silesian Upland, Poland. Landscape and Urban Planning, 95(3), s. 91–104.
• Flis A., 1998. Trójwymiarowa wizualizacja zmian użytkowania ziemi na terenie letniskowej wsi Łupawsko i w jej najbliższym otoczeniu (park krajobrazowy „Dolina Słupi”). Problemy Ekologii Krajobrazu, 4, s. 109-113.
• Ganas A., Pavlides S., Karastathis V., 2005. DEM-based morphometry of range-front escarpments in Attica, central Greece, and its relation to fault slip rates. Geomorphology, 65, s. 301–319.
• Gawryś J., 2008. Ocena wytrzymałości pakietów skał stropowych pokładów węgla metodą geostatystyczną. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, 4, s. 5-16.
• Hengl T., Minasny B., Gould M., 2009. Variogram interpretation and modeling. Mathematical Geology, 33 (91), s. 507-534.
• Isaaks E.H., Srivastava R.M., 1989. Applied geostatistics. An Introduction. Oxford University Press, New York, s. 1-551.
• James A., Hodgson M.E., Ghoshal S., Latiolais M.M., 2012. Geomorphic change detection using historic maps and DEM differencing: The temporal dimension of geospatial analysis. Geomorphology, 137, s. 181–198.
• Kokesz Z., 2006. Trudności i ograniczenia w geostatystycznym modelowaniu zmienności złóż i szacowaniu zasobów metodą krigingu. Gospodarka surowcami mineralnymi, 22(3), s. 5-20.
• Kokesz Z., 2010. Uwarunkowania stosowania krigingu zwyczajnego do sporządzania map zioliniowych. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 439, s. 403-408.
• Kondracki J., 2000. Geografia regionalna Polski. PWN, Warszawa, s. 243-248.
• Kriege D.G., 1951. A statistical approach to some mine valuation and allied problems at the Witwatersrand. Master's thesis. University of Witwatersrand, Witwatersrand, South Africa.
• Kühni, A., Pfiffner, O.A., 2001. The relief of the Swiss Alps and adjacent areas and its relation to lithology and structure: topographic analysis from a 250-m DEM, Geomorphology, Vol. 41, 4, s. 285-307.
• Kumar S., Lal R., Liu D., 2012. A geographically weighted regression kriging approach for mapping soil organic carbon stock. Geoderma, Vol. 189-190, s. 627-634.
• Lin Y-P. , Chang T-K. ,Shih Ch-W., Tseng Ch-H., 2002. Factorial and indicator kriging methods using a geographic information system to delineate spatial variation and pollution sources of soil heavy metals. Environmental Geology, 42(8), s. 900-909.
• Magnuszewski A., 1999. GIS w geografii fizycznej. PWN, Warszawa, s. 187..
• Mapa Topograficzna Polski w skali 1:10 000, ark. Psary. 1995a. OPGiK, Kraków, Białystok.
• Mapa Topograficzna Polski w skali 1:10 000, ark. Rogoźnik. 1995b. OPGiK, Kraków, Białystok.
• Marmol U., 2002. Modelowanie reprezentacji powierzchni topograficznej z wykorzystaniem metody geostatystycznej. Geodezja, 8(2), s. 259-270.
• Matheron G., 1962. Traité de Géostatistique Appliquée. Editions Technip. Paris.
• Matías J. M., Vaamonde A., Taboada J., González-Manteiga W., 2004. Comparison of Kriging and Neural Networks With Application to the Exploitation of a Slate Mine. Mathematical Geology. 36(4), s. 463-486.
• Mucha J., Kotliński R., Wasilewska-Błaszczyk M., 2011. Metodyka szacowania parametrów zasobowych złóż konkrecji polimetalicznych w obszarze Interoceanmetal na Pacyfiku. Zeszyty Naukowe instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, 81, s. 137-145.
• Mucha J., Wasilewska M., 2006. Nieparametryczne geostatystyczne metody interpolacji parametrów wybranych złóż. Przegląd Górniczy, 62(1), s. 24-31.
• Namysłowska-Wilczyńska B., 2006. Geostatystyka. Teoria i zastosowania. OWPW, Wrocław, s. 356.
• Nita J., Małolepszy Z., Chybiorz R., 2007. Zastosowanie numerycznego modelu terenu do wizualizacji rzeźby terenu i interpretacji budowy geologicznej. Przegląd geologiczny, 55(6), s. 511-520.
• Schiefer E., Gilbert R., 2007. Reconstructing morphometric change in a proglacial landscape using historical aerial photography and automated DEM generation. Geomorphology, Vol. 88, 1–2, s. 167–178.
• Szubert M., 2003. Cyfrowy model wysokości powierzchni podczwartorzędowej na Wyżynie Woźnicko-Wieluńskiej. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Materiały Ogólnopolskiego Sympozjum Geoinformacji „Geoinformacja zintegrowanym narzędziem badań przestrzennych” Wrocław – Polanica Zdrój, 15-17 września 2003 r., Vol. 13 A, s. 233-242.
• Szubert M., 2007. Geoinformatyka w geomorfologii na przykładzie badań geomorfologicznych na Wyżynie Wieluńskiej i Częstochowskiej. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 17b, s. 759-768.
• Szymczyk A., 1999. Significance of karst water outflows to spontaneous regeneration of biocenosis on the basis in Siemonia sandpit. Poland. Acta Universitatis Szegethensis, Acta Geographica, 36, s. 78-84.
• Szymczyk A., Rahmonov O., 2010. Szata roślinna antropogenicznych cieków i stref wypływów wód w piaskowni „Siemonia”. Kształtowanie środowiska geograficznego i ochrona przyrody na obszarach uprzemysłowionych i zurbanizowanych, 42, s. 80–87.
• Usowicz B., Usowicz Ł., 2004. Punktowe pomiary wilgotności gleby a jej przestrzenny rozkład na polach uprawnych. Acta Agrophysica. 4 (2), s. 573-588.
• Wackernagel H., 2003. Multivariate geostatostics. An introduction with applications. Third, completely revised edition. Springer-Verlag, Heidelberg, s. 1-387.
• Zarychta A., Zarychta R., 2012. Paleogleby jako źródło rekonstrukcji reliefu „polskiej Sahary”. Rocznik Świętokrzyski Ser. B – Nauki Przyrodnicze, 33, s. 139-154.
• Zarychta R., Zarychta A., 2011. Przemiany w krajobrazie wyrobiska plejstoceńskich piasków wodnolodowcowych w granicach gminy Kobiele Wielkie. Z badań nad wpływem antropopresji na środowisko, 12, s. 117-129.
• Zarychta R., Zarychta A., 2012a. Numeryczny model terenu jako forma prezentacji zrekonstruowanej rzeźby terenów odkształconych antropogenicznie. „Stare i nowe” problemy badawcze w geografii społecznoekonomicznej. PTG Oddział Katowicki, Uniwersytet Ślaski WNoZ, Sosnowiec, 3, s. 111-122.
• Zarychta R., Zarychta A., 2012b. Górnictwo „towarzyszące” eksploatacji węgla kamiennego na przykładzie Kopalni Piasków Podsadzkowych „Siemonia”. Creative Science – Monografia 2012. Nowe trendy w naukach przyrodniczych, 1, s. 142-151.
• Zawadzki J., 2002. Badania korelacji przestrzennych zawartości wybranych pierwiastków śladowych w glebach Warszawy i okolic. Ochrona Środowiska, 24 (4), s. 17-26.
• Zawadzki J., 2011. Metody geostatystyczne dla kierunków przyrodniczych i technicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, s. 132.
• Żyszkowska W., 1980. The application of numerical model for quantitative analysis of relief. 10th International Conference of the International Cartographic Association, August 25 – September 1, Tokyo, Japan, s. 32-34.
• Żyszkowska W., 1982. Analiza charakterystycznych cech rzeźby na podstawie numerycznych modeli terenu. Dokumentacja Geograficzna, 6, s. 34-36.
• GoldenSoftware. 2013: www.surfer.net.pl