Verknüpfung von Höhenmodellen und Verkehrsnetzen zur Emissionsmodellierung

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1 Verknüpfung von Höhenmodellen und Verkehrsnetzen zur Emissionsmodellierung Meinhard LEMKE, Carsten SCHÜRMANN und Klaus SPIEKERMANN Dieser Beitrag wurde nach Begutachtung durch das Programmkomitee als reviewed paper angenommen. Zusammenfassung Das Projekt INTERNAT des 4. Rahmenprogramms für Forschung und Technologieentwicklung der Europäischen Kommission hatte das Ziel, die Entwicklung einer integrierten Methode zur strategische Umweltbewertungen (Strategic Environment Assessment - SEA) europäischer Verkehrsprojekte voranzutreiben. Ein Teilbereich dieser Untersuchung diente der Verbesserung der Datengrundlagen zur verkehrlichen Emissionsmodellierung. Hierbei sollte festgestellt werden, welche digitalen Geländemodelle geeignet sind, die Steigung einzelner Streckenabschnitte der transeuropäischen Netze hinreichend genau abzubilden, um schon auf einer strategischen Ebene Abschätzungen zu den voraussichtlich zu erwartenden Emissionen treffen zu können. Der Beitrag stellt nach einer kurzen Diskussion der Bedeutung von Steigungs- und Gefällstrecken bei der Emissionsberechnung die auf europäischer Ebene verfügbaren digitalen Höhenmodelle kurz vor. Am Beispiel der deutschen Autobahn A45 (Sauerlandlinie) werden mit diesen Höhenmodellen Straßenprofile modelliert und mit den realen Steigungsverläufen verglichen. Anhand von Gütemaßen werden schließlich Empfehlungen gegeben, welche Auflösungen der Höhenmodelle für eine strategische Umweltbewertung auf europäischer Ebene geeignet sind. 1 Einleitung Die Neigung von Straßen bildet einen wichtigen, vielfach ignorierten Faktor des Schadstoffausstoßes von Fahrzeugen. Erhöhte Emissionen an Steigungen werden nicht durch einen entsprechend verringerten Ausstoß an Gefällstrecken ausgeglichen. Zur Modellierung von Emissionen wird daher die Einführung geschwindigkeits- und fahrzeugabhängiger Steigungsfaktoren vorgeschlagen. HASSEL und WEBER (1997) haben auf empirischen Messreihen basierend solche Faktoren entwickelt. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Steigungsfaktoren für NO x. Demnach können bei Steigungen, verglichen mit einer steigungsfreien Strecke, die Emissionen bis zum Faktor 3 zunehmen, sie verringern sich bei Gefälle aber nur bis zum Faktor von 0,4. Während die empirische Bestimmung solcher Faktoren weit fortgeschritten ist, existieren aber noch Probleme bei der Integration von Steigungsinformation in die Emissionsmodellierung, die durch Einsatz von GIS gelöst werden sollen (COMMUTE, 1998).

2 Meinhard Lemke, Carsten Schürmann und Klaus Spiekermann Abb. 1: Beispiel für Steigungsfaktoren für verschiedene Steigungsklassen nach HASSEL und WEBER (1997). 2 Verfügbarkeit digitaler Höhenmodelle Für Europa existieren eine Reihe digitaler Höhenmodelle unterschiedlicher Formate und Auflösungen. Diese lassen sich unterteilen in solche, die sich nur auf einzelne Regionen oder Staaten erstrecken, und solche, die den ganzen europäischen Kontinent abbilden. Auf regionaler oder Länderebene existiert eine Vielzahl an Modellen unterschiedlichster Genauigkeit (z.b. 20 m Raster in Italien und Portugal bis hin zu einem 200 m Raster in Spanien), die hier allerdings nicht weiter betrachtet worden sind, da der Ansatz auf europaweite Verfügbarkeit fokussierte. Europaweite digitale Höhenmodelle werden in Tabelle 1 zusammengefaßt. Die sechs Höhenmodelle unterscheiden sich deutlich hinsichtlich des Datenmodells (Konturlinien oder Raster), der Auflösung und der Kosten.

3 Verknüpfung von Höhenmodellen und Verkehrsnetzen zur Emissionsmodellierung Tab. 1: Europaweite digitale Höhenmodelle Name Datenmodell Auflösung Kosten Anbieter Digital Chart of the World (DCW) Hypsography Konturlinien plus Höhenpunkte 1: (1,000 feet contour lines) Bartholomews Konturlinien 1: Euro pro Land GTOPO30 Grid 30 kostenlos (ca. 1 km) GETECH - Europe DTM 2.5 GISCO - DTM Pan- Europe 20 Million GISCO - DTM Pan- Europe 3 Million Grid 2,5 (4 km) Grid 5 (1: ) 130 Euro Chadwyck-Healey Ltd., Cambridge, UK; bzw. auch mit ESRI-Produkten Bartholomews Data Sales Support, Glasgow, UK U.S. Geological Survey s Eros Data Center, Xioux Falls, USA Euro Geophysical Exploration Technology (GETECH), University of Leeds, UK nur in Verbindung mit GISCO Data Sets (2.500 Euro) Grid 1: beschränkter Zugriff EUROSTAT EUROSTAT (Quellen: ESRI, 1997; Gittings, 1997; MIMAS, 1997; Eurostat, 1999; GETECH, 1999; USGA, 1999) 3 Bewertung der Güte unterschiedlicher Höhenmodelle zur Emissionsmodellierung 3.1 Methodische Anmerkungen Die Güte verschiedener Höhenmodelle für die Emissionsmodellierung ist im Rahmen einer Fallstudie ermittelt worden. Hierzu diente ein in einer Mittelgebirgslandschaft liegender, 54 km langer Abschnitt der A45 zwischen Hagen und dem Autobahnkreuz Olpe in Nordrhein- Westfalen. Das Ziel war die Prüfung der Genauigkeit bei der Verknüpfung verschiedener Geländemodelle unterschiedlicher Auflösungen mit verschiedenen Straßenabbildungen. Zu diesem Zwecke sind durch Überlagerung beider Datensätze die Höhe der Straße in 100m Intervallen und anschließend die Gradienten für diese Segmente berechnet worden. Durch einen Abgleich mit Referenzdaten des Landesstraßenbauamtes NRW wurden die Abweichungen der tatsächlichen von den berechneten Höhen und Steigungen ermittelt. Zwei verschiedene Darstellungen der Autobahn sind benutzt worden: eine für diese Studie erstellte hochauflösende Abbildung sowie eine etwas geringere aus der Eurostat GISCO Straßendatenbank (EUROSTAT, 1999, s.a. IRPUD, 2001) (Tabelle 2). Für die Darstellung des Geländes sind fünf verschiedene digitale Höhenmodelle untersucht worden (Tabelle 3).

4 Meinhard Lemke, Carsten Schürmann und Klaus Spiekermann Tab. 2: Untersuchte digitale Autobahndarstellungen Code Maßstab Erläuterung A 1: Hochauflösende Netzdarstellung (IRPUD) B 1: Mittlere Auflösung des Netzes (GISCO) Tab. 3: Untersuchte digitale Höhenmodelle Code Typ Auflösung Erläuterung A Grid 50 x 50 m Dt. Standardhöhenmodell 1: B Grid 600 x 900 m GTOPO30, 30 arc seconds C Grid x m GISCO Höhenmodell 1: D Konturen 1: Höhenmodell DCW E Grid x m GISCO Höhenmodell 1: Sämtliche Kombinationen der Verknüpfung beider Datengruppen sind mit Standardbefehlen von ArcInfo erzeugt worden (SURFACEPROFILE Befehl u.a.), um Höheninformationen in 100 m Intervallen zu erhalten. Abbildung 2 stellt beispielhaft die Lage der A45 in zwei Reliefs unterschiedlicher Auflösung dar. Nach einem visuellen Plausibilitätstest ist Höhenmodell E von weiteren Analysen ausgeschlossen worden. 3.2 Modellierte Höhenpunkte und Steigungsgradienten Tabelle 4 stellt die Genauigkeit der modellierten Höhenpunkte und Steigungsgradienten dar. Auf Basis der 100 m Autobahnsegmente ist der Root Mean Square Error (RMSE) für Höhe und Steigung berechnet worden. Dabei zeigt sich, dass nur das hoch auflösende Höhenmodell A in Kombination mit der hochauflösenden Straßendarstellung A gute Ergebnisse erzielt. Alle anderen Kombinationen führen zu durchschnittlichen Abweichungen von 25 bis 35 Metern. Bei der Steigungsgenauigkeit kommt erwartungsgemäß Kombination A/A der Realität am nächsten. Hier ist der Fehler für die Höhenmodelle B und C jedoch weitaus niedriger ist als bei den Höhenpunkten. Schließlich wurden die berechneten Steigungen zu sieben Steigungsklassen aggregiert, wie sie von den Emissionsmodellen nach HASSEL und WEBER (1997) benötigt werden, und wiederum mit den Referenzdaten verglichen. Die hochauflösende Kombination A/A reproduziert die jeweiligen Prozentanteile der Referenzsteigungsklassen fast perfekt (s. Tabelle 4).

5 Verknüpfung von Höhenmodellen und Verkehrsnetzen zur Emissionsmodellierung Abb. 2: Untersuchungsabschnitt der A45 mit Reliefdarstellung von Höhenmodell A (links) und B (rechts).

6 Meinhard Lemke, Carsten Schürmann und Klaus Spiekermann Tab. 4: Genauigkeit der modellierten Höhen und Steigungen Höhenmodell Straße Höhe, RMSE (Meter) Steigungen, RMSE (% Gefälle) Steigungsklassen, Korrelation mit Referenzfall (r 2 ) A A 0,69 0,64 0,99 B A 25,00 3,29 0,48 C A 27,13 2,78 0,86 D A 33,34 11,14 0,10 A B 12,70 7,71 0,00 B B 24,65 3,56 0,69 C B 27,40 2,89 0,85 D B 33,61 11,45 0,11 Die Kombination A/B ergibt keine Übereinstimmung mit den Referenzdaten, da bei der Überlagerung der beiden Datensätze die ungenaueren Straßenzüge oftmals direkt über Bergkuppen führen anstatt durch Täler oder über Brücken. Trotzdem liefern fast alle Kombinationen mit den Höhenmodellen B und C einigermaßen befriedigende Ergebnisse. Dies bedeutet, dass die Höhenmodelle B und C die generelle Charakteristik des Höhenprofils abbilden, jedoch Abweichungen in der exakten Position der Höhenpunkte und Steigungen aufweisen, wie die schlechteren RMSE-Werte zeigen. Die Güte des Höhenmodels D ist demgegenüber nicht befriedigend. 3.3 Modellierte Steigungsfaktoren Zur Einbindung der Steigungsinformationen in die Emissionsmodellierung bestehen zwei Möglichkeiten. Entweder wird ein einziger, durchschnittlicher Steigungsfaktor für das Autobahnteilstück berechnet oder es werden kurze Segmente einzeln betrachtet. In beiden Fällen werden die Ergebnisse nach der Fahrtrichtung unterschieden. Tabelle 5 präsentiert die aggregierten Steigungsfaktoren für den gesamten Untersuchungsabschnitt der A45 am Beispiel ausgewählter Fahrzeugtypen. Der Faktor für den Referenzfall in Nord-Süd-Fahrtrichtung bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 100 km/h beträgt 1,22, d.h. die Zuschläge für Steigungen übertreffen die Abschläge. Der Faktor in entgegengesetzter Richtung beträgt 0,98 und zeigt, dass trotz vieler Gefällstrecken aufgrund der dazwischen liegenden Steigungen der Emissionsausstoß im Vergleich zu ebenerdigen Strecken nicht reduziert werden kann. Der Vergleich der Korrelationen der verschiedenen Kombinationen mit dem Referenzfall zeigt, dass die Kombination A/A zu fast perfekt modellierten Steigungsfaktoren führt, und dass die Kombinationen C/A bzw. C/B zu guten Ergebnissen für die aggregierte Betrachtung führen.

7 Verknüpfung von Höhenmodellen und Verkehrsnetzen zur Emissionsmodellierung Tab. 5: Steigungsfaktoren (NO x ) für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge mit geregeltem Katalysator bei 100 km/h sowie Korrelationen mit Referenzfall über alle v. Höhenmodell Straße Nord-Süd-Richtung Süd-Nord-Richtung Steigungsfaktor Korrelation (r 2 ) Steigungsfaktor Korrelation (r 2 ) Referenz Referenz 1,22 1,00 0,98 1,00 A A 1,23 1,00 0,98 1,00 B A 1,30 0,84 1,07 0,78 C A 1,25 0,93 1,06 0,92 D A 1,10 0,67 1,03 0,63 A B 1,30 0,81 1,14 0,77 B B 1,30 0,86 1,06 0,92 C B 1,26 0,93 1,06 0,92 D B 1,09 0,66 1,02 0,68 Die Ergebnisse werden in Abbildung 3 bestätigt, die für die gleichen Fahrzeugklassen die Steigungsfaktoren für unterschiedliche Geschwindigkeiten zeigt. Die Kombination A/A zeigt eine volle Übereinstimmung mit dem Referenzfall, während alle Kombinationen mit dem Höhenmodell C leicht höhere Steigungsfaktoren aufweisen. Alle anderen Kombinationen schneiden schlechter ab; insbesondere Kombinationen mit dem auf Höhenlinien basierenden Modell D, aber auch alle Kombinationen hoch auflösender Höhenmodelle mit niedrig auflösenden Straßenabbildungen führen zu sehr stark verzerrten und daher fehlerhaften Ergebnissen. Abb. 3: Steigungsfaktoren N-S-Richtung. in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v, Im Gegensatz zu dieser über den gesamten Streckenabschnitt aggregierten Berechnung zeigt Abbildung 4 lokalisierte Steigungsfaktoren für 100 m lange Segmente der A45 für die verschiedenen Kombinationen der Höhenmodelle mit den Straßendarstellungen in Nord- Süd-Richtung.

8 Meinhard Lemke, Carsten Schürmann und Klaus Spiekermann Abb. 4: Lokalisierte Steigungsfaktoren für verschiedene Kombinationen von Höhenmodell und Straßenabbildung (Pkw u. leichte Nutzfahrzeuge, Nord-Süd-Richtung). Der visuelle Vergleich der in Abbildung 4 dargestellten Steigungsfaktoren zeigt klar die hohe Genauigkeit der Kombination A/A mit dem Referenzfall sowie die Abweichungen aller anderen Kombinationen hiervon. Kombinationen mit den Höhenmodellen B und C zeigen an vielen Stellen positive wie negative Abweichungen der Steigungsfaktoren. Vom Höhenmodell D wird die Autobahn fast durchweg als ebenerdig angesehen, d.h. ein Faktor von 1 wurde ermittelt. Ebenso sind die Auswirkung nicht übereinstimmender Auflösungen von Höhenmodell und Straßenabbildung sichtbar. So stimmen beispielsweise bei einer Kombination eines hochauflösenden Höhenmodells mit einer ungenauer abgebildeten Autobahn (Kombination A/B) die räumlich verorteten Steigungsfaktoren kaum mit dem Referenzfall überein.

9 Verknüpfung von Höhenmodellen und Verkehrsnetzen zur Emissionsmodellierung Da einzig die Kombination A/A hohe Korrelationen mit dem Referenzfall zeigt, während die Korrelationen aller anderen Kombinationen sehr niedrig sind, können letztere nicht als geeignet zur Bestimmung lokalisierter Steigungsfaktoren angesehen werden. 4 Schlussfolgerungen Auf Grundlage dieser Analyse des Zusammenhanges zwischen Höhenmodellen, transeuropäischen Verkehrsnetzen und Emissionsmodellierung können einige Schlussfolgerungen für die sinnvolle Einbettung und Kombination von Höhenmodellen und Straßennetzabbildungen in eine integrierte Methode zur strategischen Umweltbewertung (SEA) gezogen werden (Spiekermann et al., 2000). Die Auswahl der geeigneten Kombination von Höhenmodell und Straßenabbildung richtet sich vor allem nach dem Zweck und der räumlichen Bezugsebene der SEA, und steht natürlich im Spannungsfeld mit den Anforderungen an Speicherplatz und Rechenzeit: - Europäische Ebene. Liegt der Fokus der Untersuchung auf einer europaweiten Emissionsmodellierung, dann sollten Höhenmodelle und Netzdarstellungen mittlerer Auflösung verwendet werden. Es wurde gezeigt, dass beispielsweise die beiden bei Eurostat verfügbaren Datensätze (GISCO Digital Terrain Model Pan-Europe 3 Million, GISCO Transport Network) zu befriedigenden Resultaten auf der strategischen Ebene führen. Trotz Abweichungen im Detail stimmen die hiermit für längere Streckenabschnitte ermittelten durchschnittlichen Steigungsfaktoren mit dem Referenzfall weitgehend überein. - Regionale Ebene. Für diese räumliche Ebene ist es nur schwer möglich, eine eindeutige Empfehlung für die eine oder andere Kombination abzugeben, da keines der verwendeten Höhenmodelle einen entsprechenden Maßstab aufweist. Dennoch lassen sich in Abhängigkeit vom Untersuchungszweck folgende Empfehlungen geben: Liegt das Ziel der Analyse einzig in der Modellierung von Emissionen, dann ist wie auf europäischer Ebene eine Kombination mit mittlerer Auflösung ausreichend und führt zu guten Ergebnissen. Soll jedoch ein regionales Schadstoffausbreitungsmodell mit entsprechenden Eingangsdaten gefüttert werden, dann sollten höher auflösende Darstellungen wie auf der Korridorebene benutzt werden. - Korridorebene. Liegt der Fokus der Analyse auf einer Korridoruntersuchung, insbesondere im Fall der Verbindung mit Schadstoffausbreitungsmodellen, dann kann auf einer möglichst genauen und einwandfreien Identifizierung der Emissionen und somit der Steigungsfaktoren nicht verzichtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass ein Höhenmodell basierend auf regelmäßigen Höhenpunkten im 50 m Abstand in Kombination mit einer hoch auflösenden Darstellung der Verkehrsnetze zu einer sehr präzisen Abbildung des Höhenprofils der Straße und damit der Steigungsfaktoren für die Emissionsmodellierung führt.

10 Meinhard Lemke, Carsten Schürmann und Klaus Spiekermann 5 Literatur COMMUTE (1998): Methodology Report. Volume 3: COMMUTE Tool. Deliverable 2. Köln: TÜV Rheinland Sicherheit und Umweltschutz GmbH. ESRI (1997): Data Dictionary. The Digital Chart of the World for Use with ArcInfo. Redflands: Environmental Systems Research Institute. Eurostat (1999): Eurostat GISCO CD-ROM. Edition July Description Version 1/99. Luxemburg: Eurostat. GETECH (1999): Digital Terrain Models (DTMs). dtms.htm. Revised: 30-Jun Leeds: Geophysical Exploration Technology. GITTINGS, B.M. (1997): Catalogue of Digital Elevation Data. geoinfo /dem.send. Last updated: 23-Jun HASSEL, D. & WEBER, F.-J. (1997): Gradient influence on emission and consumption behaviour of light and heavy duty vehicles. MEET Project Methodologies for estimating air pollutant emissions from transport, Deliverable 9. Köln: TÜV Rheinland Sicherheit und Umweltschutz GmbH. IRPUD (2001): European Transport Networks. Dortmund: Institut für Raumplanung Universität Dortmund (IRPUD). MIMAS (1997): Bartholomew Digital Map Data. 1.html. Last modified: 4-Feb SPIEKERMANN, K., LEMKE, M. & SCHÜRMANN, C. (2000): Trans-European Transport Networks, Digital Elevation Models and Emission Modelling. INTERNAT Working Paper, Activity 5.4: Improvement of GIS layers representing the TEN-T. Dortmund: Institut für Raumplanung Universität Dortmund (IRPUD). USGS (1999): GTOPO30 Documentation. /readme.html. Last update: 3-Jun-1999: U.S. Geological Survey, U.S. Department of the Interior.

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