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

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

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 - Angebote 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 - Operationen 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 - Erstellung Bildzitat: www.eurosense.com Erfassung Digitalisierung vorhandener Höhenlinien Luftbildfotografie Laserscanning (Höhengenauigkeit ca. 0,1 m)

Digitale Geländemodelle - Kosten 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

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

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

Gefälleermittlung 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

Automatische Generierung von Teileinzugsgebiete 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 (numerisch) Fließrichtung-Raster (grafisch) 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 ? Fließrichtung-Raster (grafisch) Fließakkumulation-Raster (numerisch) 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

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

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