Um die Querprofilinformationen mit der beschriebenen Methodik zu erstellen, sind folgende Daten notwendig:

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1 1.0 EINLEITUNG Im Zuge des Projektes Integrierte Gewässermengenbewirtschaftung (InGE) wurde das Büro Golder Associates GmbH durch das Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie (LUNG) Mecklenburg- Vorpommern beauftragt, als Pilotprojekt die Ermittlung der Gewässergeometrien für hydraulische Modellierungen durch verschiedene Methoden durchzuführen und zu vergleichen. Im Verlauf der Projektbearbeitung stellte sich heraus, dass die Ergebnisse, aufgrund unterschiedlicher Beschränkungen in den Methoden, erhebliche Abweichungen voneinander zeigten [2]. Daraufhin wurde eine Methode entwickelt, bei welcher Daten aus der Fließgewässerstrukturgütekartierung (FGSK) mit Vermessungsdaten modifiziert und mit digitalem Geländemodell (DGM) kombiniert wurden. Die Ergebnisse dieser Methode zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Referenzprofile. Aufgrund der guten Übereinstimmung der Ergebnisse, sowie der guten Datenverfügbarkeit und des vergleichsweise geringeren Kostenaufwandes dieser Methode im Vergleich zu den anderen Methoden, wurde diese Methode als am geeignetsten für eine landesweite Ermittlung von Querprofildaten befunden. Dieser Bericht stellt die Handlungsempfehlung zu der entwickelten Methode der Querprofilermittlung dar und soll es Dritten ermöglichen, die Methode an anderen Gewässern in Mecklenburg Vorpommern anzuwenden. 2.0 GRUNDLAGEDATEN Um die Querprofilinformationen mit der beschriebenen Methodik zu erstellen, sind folgende Daten notwendig: Vermessungsdaten (natürliche Profile oder Bauwerksprofile) ca. alle 500 m mit mindestens einer z- Koordinate zur Interpolation der Sohltiefe. Die Vermessungsdaten können aus schon vorhandenen Erhebungen übernommen werden. Sind Vermessungsdaten nicht vorhanden, sollten eigene Erhebungen durchgeführt werden. FGSK-Daten für das betreffende Gewässer (Shapedatei oder Feature Class) mit Informationen zu Sohlenbreite, Wasserspiegelbreite und Wassertiefe (verfügbar über das LUNG M-V). Klassifizierte Bodenpunkte des Airborne Laserscanning des LaiV M-V (Landesamt für innere Verwaltung Mecklenburg-Vorpommern) zur Erstellung des DGM, welches zur Bestimmung der Böschungspunkte notwendig ist Zur Bearbeitung der Daten nach der beschriebenen Methodik ist die Software ArcGIS 10 von ESRI mit den Erweiterungen 3D Analyst und Spatial Analyst Voraussetzung. 3.0 DATENAUFBEREITUNG 3.1 Aufbereitung Vermessungsdaten Bei den zu verwendenden Vermessungsdaten sollten generell nur die relevanten Punkte von Gewässer- oder Bauwerksprofilen selektiert werden. Hierbei eignen sich z.b. Brückenprofile, welche an vielen Gewässern bereits vorhanden sind und grundsätzlich den Höhenwert der Sohle enthalten. Sind in einem Abschnitt von wesentlich mehr als 500 m keine Bauwerke verfügbar, sollte auf Vermessungsdaten von Projektnummer /15

2 natürlichen Profilen zurückgegriffen werden. Hierbei ist ebenfalls der Höhenwert des tiefsten Sohlpunktes für die spätere Interpolation der Sohlhöhe sowie relevante Vermessungspunkte des Gewässerprofils ausschlaggebend. Andere Vermessungspunkte (Straßen, Gelände, Weg, ) sind für die weitere Bearbeitung nicht notwendig. Aus den Profilpunkten der Vermessung werden die Querprofillinien erstellt (Tabelle 1, /1/), wobei für die Umwandlung der Punkte in eine Linie mindestens zwei Punkte notwendig sind, oder alternativ die Erzeugung einer neuen Querprofillinie ausgehend von einzelnen bekannten Sohlpunkten lotrecht zur Gewässerachse. Zusätzlich sollten mit Hilfe von GIS weitere Profillinien entlang des Gewässers erstellt werden (Tabelle 1, /15/), da Querprofile für die hydraulische Modellierung (zu Beginn ohne Sohlhöhe) meist in geringeren Abständen als 500 m benötigt werden. Die benötigten Abstände der Querprofile für die hydraulische Modellierung sollten daher mit dem Auftraggeber vor der Erstellung besprochen werden. Die Querprofile sollten eine eindeutige Profil-ID besitzen bzw. zugeordnet bekommen, um in der weiteren Profilerstellung aber auch in der späteren hydraulischen Modellierung eine eindeutige Identifizierung der Profile zu gewährleisten. Über eine räumliche Verbindung (Spatial Join) werden die Stationierungen (siehe auch Kapitel 4.1) den Querprofilen zugewiesen (Tabelle 1, /2/). 3.2 Aufbereitung FGSK-Daten Die FGSK-Daten sollten in einer Shape-Datei bzw. einer Feature-Class als Polylinie für das betreffende Gewässer vorliegen. In der Attributtabelle dieser Datei sind alle während der Kartierung erhobenen Informationen zusammengefasst (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Attribute FGSK-Daten [1] Für die weitere Bearbeitung sind vor allem die Sohlenbreite, die Wasserspiegelbreite sowie die Wassertiefe aus den FGSK-Daten wichtig. Dabei handelt es sich um die Spalten SBREITE, WSBREITE und WTIEFE in der Attributtabelle. 3.3 Aufbereitung DGM Für den Aufbau des DGM stehen in Mecklenburg-Vorpommern klassifizierte Bodenpunkte des Airborne Laserscanning vom LaiV M-V zur Verfügung. Diese Daten werden im LAS-Dateiformat und in TXT-Dateien als Punktdaten mit zugehöriger Höheninformation geliefert. Die LAS-Dateien werden in eine Punktdatei umgewandelt (siehe Tabelle 1, /3/ und Abbildung 2) und über eine Interpolation nach der Natural Neighbor- Methodik zu einem Raster berechnet (siehe Tabelle 1,/4/ und Abbildung 3 ). Projektnummer /15

3 Abbildung 2: klassifizierte Bodenpunkte Abbildung 3: DGM 4.0 PROFILAUFBAU Die Profile werden beginnend mit der Sohltiefe schrittweise von unten nach oben aufgebaut (Abbildung 4). Wichtigste Parameter sind hierbei die Sohltiefe, die Sohlbreite, die Wasserspiegelbreite, die Wassertiefe und die Böschungspunkte. Die Erstellung der einzelnen Punkte wird in den nachfolgenden Kapiteln beschrieben. Abbildung 4: Abfolge des Profilaufbaus [2] Projektnummer /15

4 4.1 Sohltiefe Zunächst sind aus den Vermessungsdaten die Punkte mit der Sohlhöhe zu selektieren. Hierbei sollten Sohlpunkte in einem Abstand von 500 m ausgewählt und separat als Punktshapefile gespeichert werden. Der nächste Schritt besteht in der Aufteilung der einzelnen Segmente der FGSK-Linie (Tabelle 1, /5/), so dass die Sohlpunkte jeweils den Start- bzw. Endpunkt eines Segmentes bilden. Nun erhält die Attributtabelle dieser modifizierten FGSK-Linie zwei neue Spalten, welche die Sohlhöhe des Startpunktes und in der zweiten Spalte die Sohlhöhe des Endpunktes des jeweiligen Segmentes darstellen. Anhand dieser zwei Werte kann die Sohlhöhe für dazwischenliegende Bereiche basierend auf der Neigung der Linie interpoliert werden (Abbildung 5, Tabelle 1, /6/). Abbildung 5: Interpolation der Sohlhoehe Bei der resultierenden Linie handelt es sich um eine Polylinie Z, welche die Sohlhöhe als Information trägt. Um den Wert der Sohlhöhe an den Querprofilen abgreifen zu können, werden an den Kreuzungspunkten der Querprofile mit der FGSK-Linie Punkte erstellt (Abbildung 6, Tabelle 1, /7/) und die Höhe des Sohlwertes abgegriffen (Tabelle 1, /8/). Projektnummer /15

5 Abbildung 6: Erstellung der Schnittpunkte von Querprofilen und FGSK Linie Entlang der FGSK-Polylinie werden Stationierungspunkte erstellt (Abbildung 7, Tabelle 1, /9/) und diese den Sohlpunkten als Attribute zugeordnet (Abbildung 8, Tabelle 1, /2/) Abbildung 7: Erstellung der Stationierungspunkte Projektnummer /15

6 Abbildung 8: Zuordnung der Stationierungen zu den Sohlpunkten Stationierung und Profilnummer sind für die Identifikation der Profilpunkte zu den Profilen notwendig, sowie für die Aufbereitung der Daten gemäß den Standards für hydraulische Modellierungen in Mecklenburg- Vorpommern (siehe Kapitel 5.0). 4.2 Sohlbreite Um die Punkte der Sohlbreite aus den FGSK-Daten zu erstellen, wird um die FGSK-Linie ein Puffer basierend auf der Hälfte des Attributes Sohlbreite an der jeweiligen Stelle erstellt (Abbildung 9, Tabelle 1, /10/). Projektnummer /15

7 Abbildung 9: Erstellung eines Puffers basierend auf der Sohlbreite An der Schnittstelle der Querprofile mit dem Puffer wird nun eine neue Punktdatei erstellt (Abbildung 10, Tabelle 1, /7/), welche die Lage der Sohlbreitepunkte darstellt. Diese Punkte bekommen den Wert der Sohltiefe zugewiesen (Tabelle 1, /2/). Die Sohlbreitepunkte bekommen die Kennung Feste Sohle in einer extra Attributsspalte. Abbildung 10: Erstellung der Schnittpunkte von Querprofilen und Sohlbreite Projektnummer /15

8 4.3 Wasserspiegelbreite Für die Erstellung der Wasserspiegelbreitepunkte wird um die FGSK-Linie ein Puffer basierend auf der Hälfte des Wertes des Attributes Wasserspiegelbreite aus den FGSK Daten erstellt (Abbildung 11, Tabelle 1, /10/). Abbildung 11: Erstellung eines Puffers basierend auf der Wasserspiegelbreite An den Schnittstellen der Querprofillinien mit dem Puffer wird eine Punktdatei erzeugt (Abbildung 12, Tabelle 1, /7/). Projektnummer /15

9 Abbildung 12: Erstellung der Schnittpunkte von Querprofilen und Wasserspiegelbreite Diesen Punkten werden ebenfalls die Attribute der jeweiligen FGSK-Abschnitte zugewiesen (Tabelle 1, /2/). Die Wasserspiegelbreitepunkte bekommen die Kennung Wasserspiegel in einer neuen Attributsspalte. 4.4 Wasserspiegel Zur Berechnung des Höhenwertes des Wasserspiegels werden den Wasserspiegelbreitepunkten die Sohlhöhen an den jeweiligen Profilen zugewiesen (Abbildung 13, Tabelle 1, /2/). In einer neuen Spalte wird mit Hilfe der Field Calculators über die Addition der Wassertiefe und der Sohlhöhe die Höhe des Wasserspiegels berechnet (Abbildung 14). Projektnummer /15

10 Abbildung 13: Zuordnung der Sohlhöhe Abbildung 14: Berechnung der Wassertiefe 4.5 Böschungspunkte Die Böschungspunkte werden mit Hilfe der Querprofillinien und des DGMs erstellt. Zunächst sollten die Knotenpunkte, welche die Querprofilinien aufbauen, zu einem 1 m Abstand verdichtet werden (Abbildung 15, Tabelle 1, /12/). Abbildung 15: Verdichtung der Knotenpunkte der Querprofile Projektnummer /15

11 Danach werden die Querprofillinien über das DGM interpoliert und zu einer 3D-Linie erstellt (Abbildung 16, Tabelle 1, /13/). Mit Hilfe des 3D-Analysten kann nun für jede 3D-Querprofillinie ein Geländeprofil erstellt werden (Abbildung 17). Abbildung 16: Erstellung der 3D Linien der Querprofile Projektnummer /15

12 Abbildung 17: Geländeprofil mit Hilfe des 3D-Analysten erstellt Über das Geländeprofil und das Identifizierungstool für Geländeprofile in GIS können nun sehr gut die Böschungspunkte in der Karte identifiziert und in einem neuen Punktshape digitalisiert werden. In der Feature Class der Böschungspunkte wird eine neue Spalte der Attributtabelle hinzugefügt. Über den 3D-Analyst wird der jeweilige Höhenwert jedes Böschungspunktes aus dem DGM abgegriffen und die Werte dieser Spalte hinzugefügt (Abbildung 18, Tabelle 1, /14/). Abbildung 18: Zuweisung der Höhenwerte aus dem DGM zu den Böschungspunkten Projektnummer /15

13 4.6 Gesamtprofil Nachdem alle relevanten Profilpunkte (Sohlhöhe, Wasserspiegelbreite und Böschungspunkte) erstellt wurden, werden die Punktdaten in einer Shape-Datei zusammengefügt (Tabelle 1, /11/), welche die finale Profil-Datei darstellt. 5.0 DATENAUFBEREITUNG GEMÄß DEN DATENSTANDARDS FÜR HYDRAULISCHE MODELLIERUNGEN IN MECKLENBURG- VORPOMMERN Die finale Punktdatei mit den erstellten Profilpunkten wird entsprechend den Vorgaben aus den Datenstandards für hydraulische Modellierungen in Mecklenburg-Vorpommern [2] aufbereitet. Dazu werden alle nicht benötigten Attribute aus der Attributtabelle entfernt und neue Spalten mit der benötigten Information erstellt. Dazu gehören: Stationierung ID Y (Abstand vom Bezugspunkt) Z (Geländehöhe) KZ (Kennzeichnung der Geometrie aber auch hydraulisch relevante Inhalte) RK (Rauheitsklasse) BK (Bewuchsklasse) HW (Hochwert) RW (Rechtswert) HyK (Hydraulisch relevante Inhalte Abbildung 5: Attributtabelle nach Datenstandards für hydraulische Modellierungen in Mecklenburg Vorpommern Projektnummer /15

14 6.0 AUTOMATISIERUNG Einige Schritte für die Erstellung der Querprofile können über den Modelbuilder in ArcGIS automatisiert werden, um die Bearbeitung effektiver und schneller zu gestalten. Die Möglichkeiten der Bearbeitung mit Hilfe des Modelbuilders (Erstellung einer Toolbox) werden im Folgenden kurz erläutert. Die Schritte zur Erstellung der Sohlbreitepunkte, der Wasserspiegelpunkte mit Berechnung der Wassertiefe als auch die Schritte zur Erstellung des DGMs und der Böschungspunkte könnten mit Hilfe des Modelbuilders in einem Tool zusammengefasst werden. Damit könnte der zeitliche Aufwand insbesondere aber auch die Fehleranfälligkeit bei der händischen Bearbeitung minimiert werden. Es liegt derzeit keine Toolbox vor. 7.0 GRENZEN DER METHODIK Grundsätzlich ist die Methodik sehr gut geeignet, natürliche Profile für schmale Gewässer (1 bis 5 m) zu erstellen. Hier ist durch die vereinfachte Darstellung die Größe der Fläche des durchflossenen Querschnitts nicht wesentlich kleiner als im Vergleich zum realen Querschnitt. Vergrößert sich die Breite des Fließgewässers (größer 5 m), kann die Sohlhöhe an einem Profil über die Breite stark variieren. In den Vermessungsdaten sind dann meist mehrere Werte für die Sohlhöhe über die Profilbreite angegeben. Diese Verhältnisse können aufgrund der Vereinfachung des Vorgehens mit dieser Methodik nicht abgebildet werden und zu ungenaueren Ergebnissen in der Modellierung führen. Das Verfahren beschreibt die Erstellung natürlicher Profile. Vorhandene Bauwerke, die ggf. erheblichen Einfluss auf die hydraulischen Verhältnisse haben, bleiben dabei unberücksichtigt, sie müssen mit den üblichen Methoden aufgemessen und anschließend in das hydraulische Modell integriert werden. 8.0 LITERATURVERZEICHNIS [1] Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie Mecklenburg-Vorpommern (LUNG M-V) (2011): Fließgewässerstrukturgütekartierung in Mecklenburg-Vorpommern [2] Datenstandards für die hydraulische Modellierung gemäß Anlage 3 der Leistungsbeschreibung [3] Gewinnung von Quer- und Längsprofilinformationen für Gewässer Hydraulische Modellierungen Methodenvergleich. Integriertes Gewässer- und Einzelgebietsmanagement (InGE) Pilotprojekt Gewässergeometrien. Golder 2013 Projektnummer /15

15 9.0 TABELLE VERWENDETER WERKZEUGE Tabelle 1: Verwendete Werkzeuge Nummer Werkzeug in ArcGIS Benötigte Erweiterung in ArcGIS /1/ Punkte in Linie - /2/ Räumliche Verbindung - /3/ LAS zu Multipoint 3D Analyst /4/ Natural Neighbor 3D Analyst /5/ Editor: Zusammenfügen und Teilen - /6/ Feature zu 3D nach Attribut 3D Analyst /7/ Überschneiden - /8/ Oberflächeninformation hinzufügen 3D Analyst /9/ Create Stationpoints /10/ Puffer - /11/ Zusammenführen - /12/ Densify /13/ Shape interpolieren 3D Analyst /14/ Oberflächeninformationen hinzufügen 3D Analyst /15/ Create Stationlines ET Geowizard (frei verfügbar im Internet: ET Geowizard (frei verfügbar im Internet: ET Geowizard (frei verfügbar im Internet: Projektnummer /15