Vorlesung 7 Themen: Geoinformationssysteme in der Wasserwirtschaft Grundlagen Digitale Geländemodellierung (DGM) Fließwegeermittlung Einzugsgebietsgenerierung Ausweisung von Überschwemmungsflächen

Lehrziele der Veranstaltung erschaffen bewerten analysieren anwenden verstehen Sie verstehen die Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Überschwemmungsflächen. erinnern Sie verstehen die Vorgehensweise bei der GIS-gestützten Ermittlung von Fließwegen und Einzugsgebieten und beschreiben diese eigenständig.

Geo-Informationen in der Wasserwirtschaft: Einleitung Vektordaten Punkt x,y Linie x1,y1 x2,y2 x3,y3 Fläche x1,y1 x2,y2 x3,y3 x4,y4 x5,y5 Attribute Nr. Name Baujahr dBase-Datei 1 2 Müller Schmi.. 1982 1999 Nr. Name Baujahr Datenbanktabelle 1 2 Müller Schmi.. 1982 1999 Rasterdaten topografische Karte (TIF) Geländemodell

Grundlagen Rasterdaten 1 Zellengröße [m] Zeilenanzahl Jede Zelle ein Wert, z.B.: 0 oder 1 (bei TIFF-S/W) Geländehöhe Ursprung ( 𝑥 0 , 𝑦 0 ) Spaltenanzahl

Grundlagen Rasterdaten 2 ASCII-Grid-Format Spaltenanzahl Zeilenanzahl Zellengröße Ursprung ( 𝑥 0 , 𝑦 0 ) ncols 201 nrows 201 xllcenter 2582000.00 yllcenter 5780000.00 cellsize 10.00 nodata_value -9999 5248 5269 5290 5298 5300 5299 5295 5301 ...

Digitale Geländemodelle (DGM, DHM, DEM) 1 Zellwert = Geländehöhe in mNN Beispiel Nordrhein-Westfalen Rasterweite Höhengenauigkeit DGM1 1 m ± 5 cm DGM5 10 m ± 50 cm DGM25 50 m ± 5 m

Digitale Geländemodelle 2 Topografische Karte (TK25) Geländemodell (DGM5)

Digitale Geländemodelle 3 Mathematische Operationen (Addition, Multiplikation, ...) Logische Operationen (größer als, kleiner als, ...) 4.3 6.2 7.4 8.8 7.5 14.1 16.2 13.7 7.6 11.6 13.2 10.6 3.3 6.4 14.3 4.3 6.2 7.4 8.8 7.5 14.1 16.2 13.7 7.6 11.6 13.2 10.6 3.3 6.4 14.3 Multiplikation mit 10 Neigung < 10 Grad ? 43 62 74 88 75 141 162 137 76 116 132 106 33 64 143 1

Digitale Geländemodelle 4 Bildzitat: www.eurosense.com Erfassung Digitalisierung vorhandener Höhenlinien Luftbildfotografie Laserscanning (Höhengenauigkeit ca. 0,1 m)

Digitale Geländemodelle 5 Beispiel Nordrhein-Westfalen Rasterweite Höhengenauigkeit Kosten DGM5 10 m ± 0,5 m max. 30 €/km² DGM25 50 m ± 5 m max. 1,5 €/km² Laserscanning ab 1 m 0,1 m ab 1.000 €/km² Bildzitat: Bezug über die Landesvermessungsämter

Digitale Geländemodelle 6 Erfassung und Berücksichtigung des Bewuchses (Wald) Hochauflösende 3D-Stadtmodelle (Funknetzplanung) Bildzitat: Topscan Bildzitat: Optech

Digitale Geländemodelle 7 Rasterweite 1 m 120 Mio. Punkte Höhengenauigkeit 0,1 m (Darstellung 10fach überhöht) 6 km Gewässer Altarme Straßen Abraumhalde

Höhenlinien Geländemodell

Gefälle (slope) Digitales Geländemodell (Höhen in dm) 67 56 49 46 50 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 34 12 11 17 Gefälleraster (in %) 2,4 - 1,9 10 0,050 = 2,4 - 1,6 14,142 0,056 = 0,056

Teileinzugsgebiete - Überblick Digitales Geländemodell Fließrichtung Wohin fließt die Zelle ? Fließakkumulation Wie viel fließt in die Zelle ? Gewässernetz Wann ist eine Zelle ein Gewässer ? Teileinzugsgebiete Wie viel fließt in ein Gewässer ?

Schritt 1 von 4: Fließrichtung (flow direction) Digitales Geländemodell (Höhen in dm) 67 56 49 46 50 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 34 12 11 17 Fließrichtung-Raster (grafisch) Fließrichtung-Raster (numerisch) 2 4 8 1 128 16 32 64 128 16 1 8 4 2

Schritt 2 von 4: Fließakkumulation (flow accumulation) Wie viele Zellen fließen in jede Zelle ? Fließakkumulation-Raster (numerisch) Fließrichtung-Raster (grafisch) 3 2 11 1 15 5 24 2

Schritt 3 von 4: Gerinnenetz (stream network) 3 2 11 1 15 5 24 Fließakkumulation-Raster (numerisch) Gerinnenetz-Raster (grafisch) 1 Zellwert > Schwellenwert (hier: 1)

Schritt 4 von 4: Teilgebiete (watersheds) Gerinnenetz-Raster (grafisch) Einzugsgebiete-Raster (grafisch) Alle Zellen oberhalb eines Zusammenflusses sind Teilgebietsausgänge => alle Zellen die dort hineinfließen bilden ein Teilgebiet

Thiessen-Polygon-Verfahren 1. Schritt: Verbinden der Stationen Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche 3.304 ha

Thiessen-Polygon-Verfahren 1. Schritt: Verbinden der Stationen 2. Schritt: Mittelsenkrechte der Verbindungslinien Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche 3.304 ha

Thiessen-Polygon-Verfahren 1. Schritt: Verbinden der Stationen 2. Schritt: Mittelsenkrechte der Verbindungslinien 3. Schritt: Mittelsenkrechten sinnvoll kürzen Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche 3.304 ha

Thiessen-Polygon-Verfahren 1. Schritt: Verbinden der Stationen 2. Schritt: Mittelsenkrechte der Verbindungslinien 3. Schritt: Mittelsenkrechten sinnvoll kürzen 4. Schritt: Flächen manuell zuordnen Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche 3.304 ha

Automatische Ermittlung von Überflutungsbereichen Methode zur Ermittlung von Überflutungsbereichen bei eindimensionalen, stationär-ungleichförmigen hydraulischen Modellen Ausgangsdaten Digitales Geländemodell (Raster) Lage der Querprofile mit berechneten Wasserständen (Linien) Gewässer (Linien) Schnittpunkte Querprofile/Gewässer (Punkte) In ArcView: aktives Thema: STATIONEN Menue Analyse/Gebietszuweisung aktives Thema: FLÄCHEN Menue Analyse/Zonen zusammenfassen Beide Tabellen verknüpfen, Thema FLÄCHEN als Einzelwert mit „Majority“ darstellen

Überflutungsbereiche 2. Konstruktion eines Wasserstandsrasters: Interpolation einer Oberfläche durch alle Schnittpunkte, Methode IDW (Inverse Distance Weighted). 28 32 63,40 63,80 W 𝑊= ( 𝑤 𝑖 𝑒 𝑖 ) ( 1 𝑒 𝑖 ) 𝑊= 63,4 28 + 63,8 32 1 28 + 1 32 =63,59 In ArcView: aktives Thema: STATIONEN Menue Analyse/Gebietszuweisung aktives Thema: FLÄCHEN Menue Analyse/Zonen zusammenfassen Beide Tabellen verknüpfen, Thema FLÄCHEN als Einzelwert mit „Majority“ darstellen

Überflutungsbereiche 3. Konstruktion eines Wassertiefenrasters: Differenz zwischen Wasserstandsraster und Geländehöhe In ArcView: aktives Thema: STATIONEN Menue Analyse/Gebietszuweisung aktives Thema: FLÄCHEN Menue Analyse/Zonen zusammenfassen Beide Tabellen verknüpfen, Thema FLÄCHEN als Einzelwert mit „Majority“ darstellen

Überflutungsbereiche Dort wo der Wasserstand über dem Gelände liegt, gibt es Überflutungen; d.h. Wassertiefenraster > 0 5. Probleme: Im DGM sind künstliche Geländeformen (Bahn- und Straßendämme) teilweise nicht vorhanden. Rückstau kann bei der hier vorgestellten Methode nicht berücksichtigt werden. In ArcView: aktives Thema: STATIONEN Menue Analyse/Gebietszuweisung aktives Thema: FLÄCHEN Menue Analyse/Zonen zusammenfassen Beide Tabellen verknüpfen, Thema FLÄCHEN als Einzelwert mit „Majority“ darstellen

Creative Commons Lizenz 4.0