Vorlesung 7 Themen: Geoinformationssysteme in der Wasserwirtschaft

Präsentation zum Thema: "Vorlesung 7 Themen: Geoinformationssysteme in der Wasserwirtschaft"—  Präsentation transkript:

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

2 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.

3 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

4 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

5 Grundlagen Rasterdaten 2
ASCII-Grid-Format Spaltenanzahl Zeilenanzahl Zellengröße Ursprung ( 𝑥 0 , 𝑦 0 ) ncols 201 nrows 201 xllcenter yllcenter cellsize 10.00 nodata_value -9999

6 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

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

8 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

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

10 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 €/km² Bildzitat: Bezug über die Landesvermessungsämter

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

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

13 Höhenlinien Geländemodell

14 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

15 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 ?

16 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

17 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

18 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)

19 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

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

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

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

23 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 ) Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche ha

24 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

25 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, , =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

26 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

27 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

28 Creative Commons Lizenz 4.0