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

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Vektordaten

Attribute

Rasterdaten

Punkt

x,y

Linie

x1,y1x2,y2

x3,y3

Fläche

x1,y1

x2,y2 x3,y3

x4,y4x5,y5

Nr. Name Baujahr

dBase-Datei

12

MüllerSchmi..

19821999

Nr. Name Baujahr

Datenbanktabelle

12

MüllerSchmi..

19821999

topografische Karte (TIF) Geländemodell

Geo-Informationen in der Wasserwirtschaft: Einleitung

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Spaltenanzahl

Zei

lena

nzah

l

Zellengröße [m]

Ursprung (x0 , y

0 )

Jede Zelle ein Wert, z.B.:· 0 oder 1 (bei TIFF-S/W)· Geländehöhe

Grundlagen Rasterdaten 1

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ncols 201nrows 201xllcenter 2582000.00yllcenter 5780000.00cellsize 10.00nodata_value -99995248 5269 5290 5298 5300 5299 5295 5301 ...

ASCII-Grid-Format

Spaltenanzahl

Zei

lena

nzah

l

Zellengröße

Ursprung (x0 ,y 0 )

Grundlagen Rasterdaten 2

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Zellwert = Geländehöhe in mNN

67 56 49 46 50

53 44 37 38 48

58 55 22 31 24

61 47 21 16 19

53 34 12 11 17

Digitale Geländemodelle (DGM, DHM, DEM) 1

DGM5

Beispiel Nordrhein- Westfalen

DGM25

10 m

50 m

± 50 cm

± 5 m

Rasterweite Höhen-genauigkeit

DGM1 1 m ± 5 cm

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Topografische Karte (TK25) Geländemodell (DGM5)

Digitale Geländemodelle 2

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Mathematische Operationen (Addition, Multiplikation, ...)Logische Operationen (größer als, kleiner als, ...)

4.3 6.2 7.4 8.87.5 14.1 16.2 13.7

7.6 11.6 13.2 10.63.3 6.4 13.7 14.3

Multiplikation mit 10

43 62 74 8875 141 162 137

76 116 132 10633 64 137 143

4.3 6.2 7.4 8.87.5 14.1 16.2 13.7

7.6 11.6 13.2 10.63.3 6.4 13.7 14.3

1 1 1 11 0 0

1 0 0 01 1 0 0

0

Neigung < 10 Grad ?

Digitale Geländemodelle 3

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Erfassung

www.eurosense.com

Digitalisierung vorhandener Höhenlinien

Luftbildfotografie

Laserscanning (Höhengenauigkeit ca. 0,1 m)

Digitale Geländemodelle 4

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DGM5 10 m ± 0,5 m max. 30 €/km²

DGM25 50 m ± 5 m max. 1,5 €/km²

Bezug über dieLandesvermessungsämter

ab 1 m 0,1 m ab 1.000 €/km²Laserscanning

Beispiel Nordrhein-Westfalen

Rasterweite Höhen-genauigkeit

Kosten

Digitale Geländemodelle 5

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Erfassung und Berücksichtigung des Bewuchses (Wald)

Hochauflösende 3D-Stadtmodelle (Funknetzplanung)

www.optech.on.ca

www.topscan.de

Digitale Geländemodelle 6

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Gewässer

StraßenAbraumhalde

6 km

Altarme

Rasterweite 1 m120 Mio. Punkte

Höhengenauigkeit 0,1 m(Darstellung 10fach

überhöht)

Digitale Geländemodelle 7

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Geländemodell

Höhenlinien

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0,056

Gefälleraster (in %)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

53 34 12 11 17

2,4 - 1,9

100,050 =

2,4 - 1,6

14,1420,056 =

Gefälle (slope)

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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

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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

53 34 12 11 17

32 64 128

16 1

8 4 2

Fließrichtung-Raster (numerisch)

2 2 4 4 8

1 2 4 8 4

128 1 2 4 8

2 1 4 4 8

1 1 1 16

Fließrichtung-Raster (grafisch)

Schritt 1 von 4: Fließrichtung (flow direction)

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2

0 0 0 0 0

0 3 2 2 0

0 0 11 0 1

0 0 1 15 0

0 2 5 24 0

Fließrichtung-Raster (grafisch)

Wie viele Zellen fließen in jede Zelle ?

Fließakkumulation-Raster (numerisch)

Schritt 2 von 4: Fließakkumulation (flow accumulation)

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Zellwert>

Schwellenwert(hier: 1)

Gerinnenetz-Raster (grafisch)

0 0 0 0 0

0 3 2 2 0

0 0 11 0 1

0 0 1 15 0

0 2 5 24 0

Fließakkumulation-Raster (numerisch)

0 0 0 0 0

0 1 1 0

0 0 1 0 0

0 0 0 1 0

0 1 1 1 0

1

Schritt 3 von 4: Gerinnenetz (stream network)

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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)

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Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen

Stadt Aachen (Ausschnitt )

10.147 Teilgebiete20 Niederschlagsstationen

Fläche 3.304 ha

1. Schritt:Verbinden der Stationen

Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

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Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen

1. Schritt:Verbinden der Stationen

2. Schritt:Mittelsenkrechte der Verbindungslinien

Stadt Aachen (Ausschnitt )

10.147 Teilgebiete20 Niederschlagsstationen

Fläche 3.304 ha

Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

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3. Schritt:Mittelsenkrechten sinnvoll kürzen

Stadt Aachen (Ausschnitt )

10.147 Teilgebiete20 Niederschlagsstationen

Fläche 3.304 ha

Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen

1. Schritt:Verbinden der Stationen

2. Schritt:Mittelsenkrechte der Verbindungslinien

Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren

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4. Schritt:Flächen manuell zuordnen

Stadt Aachen (Ausschnitt )

10.147 Teilgebiete20 Niederschlagsstationen

Fläche 3.304 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

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1. Schritt:Raster erstellen(Wert der Rasterzelle = nächstgelegene Niederschlagsstation

2. Schritt:Statistische Auswertung aller Rasterzellen für jedes Teilgebiet

Thiessen-Polygone, Verfahren mit GIS

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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

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Konstruktion eines Wasserstandsrasters:

Interpolation einer Oberfläche durch alle Schnittpunkte, Methode IDW (Inverse Distance Weighted)

2.

28

32

63,40

63,80

W

W =

wi

ei

1

ei

W =

63,4

28+

63,8

32

1

28+

1

32

= 63,59

Überflutungsbereiche

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Konstruktion eines Wassertiefenrasters:

Differenz zwischen Wasserstandsraster und Geländehöhe

3.

Überflutungsbereiche

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Überflutungsbereiche:Dort wo der Wasserstand über dem Gelände liegt, gibt es Überflutungend.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