Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Präsentation zum Thema: "Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I"—  Präsentation transkript:

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

2 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

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 - 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

7 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

8 Digitale Geländemodelle - Erstellung
Bildzitat: Erfassung Digitalisierung vorhandener Höhenlinien Luftbildfotografie Laserscanning (Höhengenauigkeit ca. 0,1 m)

9 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 €/km²

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

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

12 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

13 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 ?

14 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

15 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

16 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)

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 Creative Commons Lizenz 4.0