Berechnung von Volumen und Statistiken für Senken anhand von Geländemodellen
Künstliche oder natürliche Senken bzw. geschlossene Hohlformen treten in allen Landschaftstypen auf. Künstliche Senken sind beispielsweise Bergbauschächte (Pingen) oder Tagebaue. Zu natürlichen Senken zählen u. a. Sölle und Dolinen. Aufgrund ihres Rückhaltepotenzials sind Senken bedeutende Reliefelemente bei der Regulierung des Oberflächenabflusses. Auch bei der digitalen Analyse des Abflussverhaltens, mit Hilfe von digitalen Höhenmodellen, kommen Senken eine besondere Bedeutung zu. Denn Routingalgorithmen, welche die Art und Weise der Abflussübergabe von einer Zelle zur nächsten Zelle steuern, werden nicht fortgesetzt sofern sich keine niedriger gelegene Zelle in der unmittelbaren Nachbarschaft befindet. Dies spiegelt im Fall von Dolinen möglicherweise das tatsächliche Abflussverhalten wieder, wenn ein Gewässer in den verkarsteten Untergrund abfließt. Doch in den meisten Situationen wird eine Fortsetzung des Routingalgorithmus gewünscht sein, da das Wasser nach Durchquerung der Senke weiterfließt. Darum müssen digitale Höhenmodelle vor der Verwendung für hydrologische Anwendungen von Senken befreit werden um kontinuierliche Berechnungen sicherzustellen.
GIS-Funktionen die diesen Vorverarbeitungsschritt übernehmen, modifizieren die Höhe von Hohlformzellen bis in ihrer Nachbarschaft keine tiefergelegenen Zellen mehr präsent sind. Zusätzlich bieten einige Funktionen (z. B. von Planchon & Darboux 2001) ein Kriterium für die minimale Neigung. Dies bewahrt den Anwender vor flachen Arealen mit identischem Höhenniveau, in denen Routingalgorithmus keine sinnvollen Ergebnisse liefern würden. Das Modul Fill Sinks in SAGA GIS generiert senkenlose Höhenmodelle:
– GRID SYSTEM: Auswahl des GRID Systems
– ELEVATION: Eingabe Geländemodell
– Filled DEM: Ausgabe senkenloses Geländemodell [create]
– MINIMUM SLOPE [degree] [0.001]
In der oben gezeigten Abbildung sind die Hohlformen durch den gelb-roten Farbverlauf gekennzeichnet. Die maximale Senkentiefe beträgt im Ausschnitt 1.5 m. Ersichtlich wird der blockierende Effekt der häufig durch Straßenböschungen hervorgerufen wird. Entlang dieser künstlichen Dämme entstehen Hohlformen die u. U. in der Simulation des Abflussverhaltens eine besondere Betrachtung erfahren sollten. Denn häufig werden diese Bereiche durch unterirdische Rohrleitungen entwässert, die im unbearbeiteten Geländemodell nicht erfassbar sind. Zudem sind im Ausschnitt zwei Profillinien enthalten, welche die Höhenveränderungen nach der Modifikation hervorheben sollen. An einigen Stellen, an denen bei Betrachtung des Profils eine Anhebung der Oberfläche durch den fill sinks-Algorithmus vermutet werden würde, ist dies nicht der Fall. Dort verläuft ein potenzieller Abflusspfad, der für die digitale Entwässerung dieser Zellen sorgt.
Sind Senken in einen Fließgewässerverlauf eingebunden dienen sie als Feuchtgebiete und wie bereits angedeutet als Rückhalteräume. Hier wird der Abfluss temporär zwischengespeichert, ggf. wird Oberflächenwasser durch Versickerung dem Grundwasser zugeleitet. Das Fassungsvermögen bzw. Volumen einer Senke kann ebenfalls mit dem oben beschriebenen Werkzeug ermittelt werden. Dafür wählt man für die minimale Neigung 0 Grad, da im Folgenden kein Routingalgorithmus angewendet wird und so die Modifikation der Höhenwerte auf den Senkenbereich begrenzt wird. Zunächst berechnet man ein Differenzraster aus dem ursprünglichen DGM und dem senkenlosen DGM. Dieses beinhaltet die Tiefe der Senke an jeder Pixelposition. Für die Berechnung des Senkenvolumens werden dann zunächst alle relevanten Tiefenbeträge des Differenzrasters summiert und anschließend mit der Pixelfläche multipliziert.
Das Beispiel in der unteren Abbildung zeigt für eine Senke einige einfache Maßzahlen, mit denen die Form geometrisch beschrieben werden kann. Addiert man die Tiefenwerte aller Pixel, erhält man die kumulierte Tiefe. Da das vorliegende Raster eine räumliche Auflösung von 1 m² besitzt, lässt sich hier das Senkenvolumen von 265 m³ einfach ermitteln. Die vorliegenden Senkenfläche lassen sich z. B. in Polygone umwandeln um damit weiterführende räumliche Abfragen durchzuführen. Zudem können für Senken weitere Merkmale bezüglich Tiefe, Gestalt oder der räumlichen Verbreitung im Einzugsgebiet berechnet werden, die für die Abflusssituation von Bedeutung sind. Im oben gezeigten Beispiel quantifiziert der Shape-Index wie stark die Fläche von einer quadratischen Fläche abweicht. Je näher der Wert bei 1 liegt, des quadratischer ist die Fläche. Die Fraktale Dimension bezieht sich auf die Komplexität der Flächengrenze und nimmt Werte im Intervall zwischen [1;2] ein. Diese weiterführenden Strukturmaße helfen bei der präzisen Charakterisierung von Senken und jeglichen anderen Landschaftselementen.
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