Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 7 Geoinformationssysteme in der Wasserwirtschaft Grundlagen Digitale Geländemodellierung (DGM) Fließwegeermittlung Einzugsgebietsgenerierung Ausweisung von Überschwemmungsflächen

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

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vektordaten Attribute Rasterdaten Punkt x,y Linie x1,y1 x2,y2 x3,y3 Fläche x1,y1 x2,y2 x3,y3 x4,y4 x5,y5 Nr.NameBaujahr dBase-Datei 1 2 Müller Schmi Nr.NameBaujahr Datenbanktabelle 1 2 Müller Schmi topografische Karte (TIF)Geländemodell Geo-Informationen in der Wasserwirtschaft: Einleitung

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

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ncols 201 nrows 201 xllcenter yllcenter cellsize nodata_value ASCII-Grid-Format Spaltenanzahl Zeilenanzahl Zellengröße Ursprung (x 0,y 0 ) Grundlagen Rasterdaten 2

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Zellwert = Geländehöhe in mNN Digitale Geländemodelle (DGM, DHM, DEM) 1 DGM5 Beispiel Nordrhein- Westfalen DGM25 10 m 50 m ± 50 cm ± 5 m RasterweiteHöhen- genauigkeit DGM11 m± 5 cm

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Topografische Karte (TK25) Geländemodell (DGM5) Digitale Geländemodelle 2

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Mathematische Operationen (Addition, Multiplikation,...) Logische Operationen (größer als, kleiner als,...) Multiplikation mit Neigung < 10 Grad ? Digitale Geländemodelle 3

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Erfassung Digitalisierung vorhandener Höhenlinien Luftbildfotografie Laserscanning (Höhengenauigkeit ca. 0,1 m) Digitale Geländemodelle 4

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken DGM510 m± 0,5 mmax. 30 €/km²DGM2550 m± 5 m max. 1,5 €/km² Bezug über die Landesvermessungsämter ab 1 m0,1 mab €/km²Laserscanning Beispiel Nordrhein- Westfalen RasterweiteHöhen- genauigkeit Kosten Digitale Geländemodelle 5

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Erfassung und Berücksichtigung des Bewuchses (Wald) Hochauflösende 3D-Stadtmodelle (Funknetzplanung) Digitale Geländemodelle 6

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Gewässer StraßenAbraumhalde 6 km Altarme Rasterweite 1 m 120 Mio. Punkte Höhengenauigkeit 0,1 m (Darstellung 10fach überhöht) Digitale Geländemodelle 7

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Geländemodell Höhenlinien

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 0,056 Gefälleraster (in %) Digitales Geländemodell (Höhen in dm) ,4 - 1,9 10 0,050 = 2,4 - 1,6 14,142 0,056 = Gefälle (slope)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Digitales Geländemodell Fließrichtung Fließakkumulation Gewässernetz Teileinzugsgebiete Teilschritte Wohin fließt die Zelle ? Wie viel fließt in die Zelle ? Wann ist eine Zelle ein Gewässer ? Wie viel fließt in ein Gewässer ? Teileinzugsgebiete - Überblick

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Digitales Geländemodell (Höhen in dm) Fließrichtung-Raster (numerisch) Fließrichtung-Raster (grafisch) Schritt 1 von 4: Fließrichtung (flow direction)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Fließrichtung-Raster (grafisch) Wie viele Zellen fließen in jede Zelle ? Fließakkumulation-Raster (numerisch) Schritt 2 von 4: Fließakkumulation (flow accumulation)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Zellwert > Schwellenwert (hier: 1) Gerinnenetz-Raster (grafisch) Fließakkumulation-Raster (numerisch) Schritt 3 von 4: Gerinnenetz (stream network)

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

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen Stadt Aachen (Ausschnitt ) Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche ha 1. Schritt: Verbinden der Stationen Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen 1. Schritt: Verbinden der Stationen 2. Schritt: Mittelsenkrechte der Verbindungslinien Stadt Aachen (Ausschnitt ) Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche ha Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 3. Schritt: Mittelsenkrechten sinnvoll kürzen Stadt Aachen (Ausschnitt ) Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche ha Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen 1. Schritt: Verbinden der Stationen 2. Schritt: Mittelsenkrechte der Verbindungslinien Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 4. Schritt: Flächen manuell zuordnen Stadt Aachen (Ausschnitt ) Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche ha 3. Schritt: Mittelsenkrechten sinnvoll kürzen Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen 1. Schritt: Verbinden der Stationen 2. Schritt: Mittelsenkrechte der Verbindungslinien Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 1. Schritt: Raster erstellen (Wert der Rasterzelle = nächstgelegene Niederschlagsstation 2. Schritt: Statistische Auswertung aller Rasterzellen für jedes Teilgebiet Thiessen-Polygone, Verfahren mit GIS

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ausgangsdaten Methode zur Ermittlung von Überflutungsbereichen bei eindimensionalen, stationär-ungleichförmigen hydraulischen Modelle 1. Digitales Geländemodell (Raster) Lage der Querprofile mit berechneten Wasserständen (Linien) Gewässer (Linien) Schnittpunkte Querprofile/Gewässer (Punkte) Überflutungsbereiche

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Konstruktion eines Wasserstandsrasters: Interpolation einer Oberfläche durch alle Schnittpunkte, Methode IDW (Inverse Distance Weighted) ,40 63,80 W W = w i e i 1 e i 63, , = 63,59 Überflutungsbereiche

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Konstruktion eines Wassertiefenrasters: Differenz zwischen Wasserstandsraster und Geländehöhe 3. Überflutungsbereiche

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Überflutungsbereiche: Dort wo der Wasserstand über dem Gelände liegt, gibt es Überflutungen d.h. Wassertiefenraster > 0 4. Probleme: im DGM sind künstliche Geländeformen (Bahn- und Straßendämme) teilweise nicht vorhanden Digitale Geländemodelle sind ungenau Rückstau wird bei der hier vorgestellten Methode nicht berücksichtigt 5. Überflutungsbereiche