rwth aachen ingenieurhydrologie - vorlesung hydrologie i: fliesswegeermittlung
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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
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
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, ...)
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Geländemodell
Höhenlinien
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
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 )
10.147 Teilgebiete20 Niederschlagsstationen
Fläche 3.304 ha
Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
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
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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
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