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RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Fliesswegeermittlung

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RWTH Aachen - Ingenieurhydrologie
Vorlesung Hydrologie I
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RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Fliesswegeermittlung

  1. 1. 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
  2. 2. 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. Name Baujahr dBase-Datei 1 2 Müller Schmi.. 1982 1999 Nr. Name Baujahr Datenbanktabelle 1 2 Müller Schmi.. 1982 1999 topografische Karte (TIF) Geländemodell Geo-Informationen in der Wasserwirtschaft: Einleitung
  3. 3. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Spaltenanzahl Zeilenanzahl Zellengröße [m] Ursprung (x0 , y0 ) Jede Zelle ein Wert, z.B.: 0 oder 1 (bei TIFF-S/W) Geländehöhe Grundlagen Rasterdaten 1
  4. 4. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ncols 201 nrows 201 xllcenter 2582000.00 yllcenter 5780000.00 cellsize 10.00 nodata_value -9999 5248 5269 5290 5298 5300 5299 5295 5301 ... ASCII-Grid-Format Spaltenanzahl Zeilenanzahl Zellengröße Ursprung (x0 ,y0 ) Grundlagen Rasterdaten 2
  5. 5. 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
  6. 6. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Topografische Karte (TK25) Geländemodell (DGM5) Digitale Geländemodelle 2
  7. 7. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 13.7 14.3 Multiplikation mit 10 43 62 74 88 75 141 162 137 76 116 132 106 33 64 137 143 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 13.7 14.3 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 Neigung < 10 Grad ? Digitale Geländemodelle 3
  8. 8. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Erfassung www.eurosense.com Digitalisierung vorhandener Höhenlinien Luftbildfotografie Laserscanning (Höhengenauigkeit ca. 0,1 m) Digitale Geländemodelle 4
  9. 9. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken DGM5 10 m ± 0,5 m max. 30 €/km² DGM25 50 m ± 5 m max. 1,5 €/km² Bezug über die Landesvermessungsämter ab 1 m 0,1 m ab 1.000 €/km²Laserscanning Beispiel Nordrhein- Westfalen Rasterweite Höhen- genauigkeit Kosten Digitale Geländemodelle 5
  10. 10. 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
  11. 11. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Gewässer Straßen Abraumhalde 6 km Altarme Rasterweite 1 m 120 Mio. Punkte Höhengenauigkeit 0,1 m (Darstellung 10fach überhöht) Digitale Geländemodelle 7
  12. 12. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Geländemodell Höhenlinien
  13. 13. 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 10 0,050 = 2,4 - 1,6 14,142 0,056 = Gefälle (slope)
  14. 14. 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
  15. 15. 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)
  16. 16. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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)
  17. 17. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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)
  18. 18. 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)
  19. 19. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Thiessen-Polygone: Methode zur Zuordnung von Teilgebieten zu Niederschlagsstationen Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche 3.304 ha 1. Schritt: Verbinden der Stationen Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren
  20. 20. 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 Teilgebiete 20 Niederschlagsstationen Fläche 3.304 ha Thiessen-Polygone, grafisches Verfahren
  21. 21. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 3. Schritt: Mittelsenkrechten sinnvoll kürzen Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 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
  22. 22. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 4. Schritt: Flächen manuell zuordnen Stadt Aachen (Ausschnitt ) 10.147 Teilgebiete 20 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
  23. 23. 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
  24. 24. 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
  25. 25. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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
  26. 26. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Konstruktion eines Wassertiefenrasters: Differenz zwischen Wasserstandsraster und Geländehöhe 3. Überflutungsbereiche
  27. 27. 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

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