Möglichkeiten der Visualisierung von Geländehöhen und Topographie
Eine für vielfältige Fragestellungen sinnvolle Anwendung ist die Visualisierung des Reliefs und der Höhenverhältnisse. Zu den vielen topographischen Elementen die wasserwirtschaftlich von Bedeutung sind zählen z. B.
– Talwege und Gerinnenetze,
– Gelände- / Bruchkanten,
– Hangbereiche, Geländeneigung,
– Deiche, Dämme, Böschungen und
– Hohlformen (Senken).
Hochauflösende digitale Geländemodelle, die von Geoinformationsbehörden oder durch andere Einrichtungen generiert werden, sind für deren Visualisierung hervorragend geeignet. Ausgehend von DGM können zusätzlich Höhenlinien, Schatten- bzw. Beleuchtungsmodelle und weitere Datensätze abgeleitet werden, die unterstützend für Reliefdarstellungen herangezogen werden können. Für die Datenbearbeitung verwende ich SAGA GIS, für die Kartenvisualisierung QGIS. Die Abbildung weiter unten zeigt einige gängige Varianten der Höhen- und Reliefdarstellung. Die Parameterwerte in Klammern beziehen sich auf die Einstellungen die für diese Darstellungen verwendet wurden.
Höhenlinien oder Isohypsen gehören zur Familie der Isolinien. Identische Werte sind durch Linien miteinander verbunden. Sie können durch Überlagerung in Verbindung mit Luftbildern eingesetzt werden. Dadurch kann der Betrachter neben der Landnutzung gleichzeitig die Oberflächengestalt erahnen. Üblich ist bei dieser Darstellungsvariante auch die Angabe der Höheninformation an jeder Höhenlinie. In der Präzisionslandwirtschaft können vektorisierte Höhenlinien als Pflugtrajektorien genutzt werden. Diese Maßnahme wirkt im geneigten Gelände der Erosion durch Oberflächenabfluss entgegen und fördert die Versickerung. In SAGA GIS empfiehlt sich für die Generation von Höhenlinien das Modul Contour Lines from Grid.
– GRID SYSTEM
– GRID: Eingabe Geländemodell
– CONTOUR LINES: Ausgabe der Höhenlinien [create]
– MIN und MAX Contour Value: Legt das Höhenintervall fest, in welchem Höhenlinien generiert werden sollen. In Bereichen mit negativen Höhenwerten sollte der Minimum-Wert entsprechend angepasst werden [70-105]
– EQUIDISTANCE: Mit welchem Höhenabstand sollen Höhenwerte gezeichnet werden (ausgehend vom festgelegten MIN Höhenlinienwert) [5]
Für die Visualisierung in Karten bietet sich ggf. die Hervorhebung durch höhere Strichstärken von Index-Höhenlinien an, die z. B. Höhendifferenzen in 10 m Abständen markieren. Alle dazwischenliegenden Höhenlinien werden mit geringer Stärke gezeichnet.
Die Höhenwerte des DGM’s enthalten natürlich selbst bereits Informationen über die Oberflächengestalt. Besser geeignet für die Untersuchung des Reliefs ist allerdings ein Beleuchtungsmodell (auch oft als Schummerung oder Hillshade bezeichnet). Die Funktion die dahintersteckt gehört mittlerweile in jedem GIS zur Standardausrüstung. Man wählt in den Parametereinstellungen die Position einer fiktiven Lichtquelle die auf das Geländemodell gerichtet ist und entsprechend des Reliefs Schattenwurf erzeugt. In SAGA GIS erfüllt das Modul Analytical Hillshading die Funktion zur Berechnung der Schummerung. Für Reliefdarstellungen können die Standardeinstellungen übernommen werden, z. B. bei
der Shading Methode Standard:
-GRID SYSTEM: Auswahl des GRID Systems
-ELEVATION: Eingabe Geländemodell
-ANALYTICAL HILLSHADING: Ausgabe Schummerungsraster [create]
-SHADING METHOD: [Standard]
-SUN’S POSITION: [azimuth and height]
-AZIMUTH: Richtung aus der die Lichtquelle strahlt [315° = Nordwest]
-HEIGHT: Höhe / Winkel über dem Horizont [45°]
-EXAGGERATION: Überhöhungsfaktor / Kontrastverstärkung [4]
-UNIT: [degree]
Interessante Möglichkeiten bietet auch die ‚Ray Tracing Methode‘, bei der auch der Schattenwurf niedrig über dem Horizont stehender Lichtquellen, realitätsnah simuliert wird. Die Lichtverhältnisse während Sonnenauf- und -untergang lassen sich mit Hilfe dieser Einstellung visualisieren. Einen höheren Informationsgehalt erhält ein Schummerungsraster durch Überlagerung eines farblich geeigneten und transparenten DGM’s.
Der Einsatz von Schummerungsrastern ist weit verbreitet und in den meisten Fällen auch eine gute Wahl. Gerade für hydrologische Fragestellungen kann jedoch die Berechnung des Visible Sky-Wertes eine bessere Visualisierungsoption sein. Die Herangehensweise der Schummerungsfunktion liefert – je nach Lage eines Gerinnes zur Lichtquelle – eine beschattete und eine beleuchtete Böschungsseite. Der Visible Sky-Wert drückt den prozentualen Anteil des Himmels aus, der von einem Pixel aus sichtbar ist. Dies führt meinem Empfinden nach zu einer eindeutigeren Repräsentation von Gerinneverläufen, da morphologisch gleichartige Gerinneböschungen in gleicher Weise visualisiert werden. Das Skyview- bzw. Visible Sky-Raster kann in SAGA GIS über das Modul Sky View Factor generiert werden, wobei die Einstellungen abhängig vom betrachteten Gebietsausschnitt und der räumlichen Auflösung angepasst werden müssen:
-GRID SYSTEM: Auswahl des GRID Systems
-ELEVATION: Eingabe Geländemodell
-VISIBLE SKY: Ausgabe Visible Sky-Wert, Visible Sky in Prozent für jedes Pixel [create]
-MAXIMUM SEARCH RADIUS [100]
-NUMBER OF SECTORS [8]
-METHOD [multi-scale]
-MULTI SCALE FACTOR [3]
Datenquellen:
Orthofoto: WMS DOP 10 @Geobasis NRW
Geländemodell: DGM1 Kachel 32314_5640, Datei-Server Bezirksregierung Köln – veröffentlicht unter der Lizenz „dl-de/by-2-0″ (Lizenztext auf https://www.govdata.de/dl-de/by-2-0)
Verwendete Software:
SAGA GIS 6.4.0 (Conrad, O., Bechtel, B., Bock, M., Dietrich, H., Fischer, E., Gerlitz, L., Wehberg, J., Wichmann, V., and Boehner, J. (2015): System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) v. 2.1.4. Geosci. Model Dev., 8, 1991-2007, doi:10.5194/gmd-8-1991-2015. )
QGIS 2.18