Zielorientierte Datenbearbeitung: Berechnung Kiesabbau Inhaltsverzeichnis

Transkript

1 Einführung GIS & FE BA 28 Übung 5 Mag. Thomas Payer Zielorientierte Datenbearbeitung: Berechnung Kiesabbau Arbeiten mit dem Modelmaker, ein Modell erstellen, Umgang mit der Toolbox, Datenauswahl über Definition-Querry, Aggregieren von Polygonen (Dissolve), konvertieren von Polygonen in Polylinien, erzeugen von 3D Polylines, Erstellen eines TIN, Umwandeln TIN--> Raster, rechnen mit Rasterdaten, reklassifizieren, statistische Daten von Rasterdaten (Zonal Statistik as Table) Inhaltsverzeichnis 1 Überblick verschaffen Aufgabenstellung Step by Step Anleitung Eine Toolbox und ein neues Modell erstellen Grundstücke zusammenfassen Umgrenzung der Abbaufläche erstellen (Buffer) Abschätzung der maximalen Tiefe der Kiesgrube Ermittlung des HGW - Wasserstandes Erstellen der Abbausohle Erstellen der Abbauoberkante Erstellen der Abbaugeometrie (TIN) Umwandeln der Geometrie in Rasterdaten Berechnung der Kieskubatur...28 Leitstungsnachweis:

2 Zum Berechnen der abbaubaren Kieskubaturen wird folgendes Szenario angenommen: Ein Grundstücksbesitzer hat auf dem Gebiet aus Übung 4 mehrere Grundstücke. Dort möchte er Kies abbauen da in der Nähe eine Straße errichtet wird. Er möchte folgendes von uns wissen: Wieviel Kies kann auf seinen Grundstücken abgebaut werden? Wie tief kann darf die Kiesgrube sein? Lohnt sich der Zukauf von Fremdgrundstücken? Der Besitzer hat 4 Grundstücke. Drei Grundstücke grenzen aneinander, eines wird durch Fremdgrund getrennt. Um dem Auftraggeber Grundlagen für seine Entscheidungsfindung zu geben müssen wir ihm dazu die notwendigen Daten liefern. Wie das Szenario erahnen lässt, werden mehrere Berechnungen und Auswertungen notwendig sein. Um für uns den Arbeitsaufwand zu minimieren werden wir eine besonders hilfreiche Funktion in ArcGIS nutzen: Den Modelbuilder. Der Modelbuilder ist ein grafisches Programmierwerkzeug bei dem wir unsere Arbeitsschritte Step by Step eingeben können. Das Modell kann abgespeichert und modifiziert werden, sodass dieselben Arbeitsschritte mit unterschiedlichen Eingangsdaten automatisiert ausgeführt werden können. 1 Überblick verschaffen Wir öffnen die Karte ModelBuilder im Übungsordner U5 und labeln beim Layer Grundstuecke das Feld Gr Nummer und den Namen der Grundwassermessstelle: Die

3 Grundstücke 615, 619 und 773 sind Straßen, die Grundstücke 274 bis 280 sind Felder. Unserem Besitzer gehören die Grundstücke 276, 277, 278 und 280. Das Grundstück 279 gehört seinem Nachbarn. 2 Aufgabenstellung Es soll eine einzige Zahl erzeugt werden: Die Kieskubatur, die Abgebaut werden kann, in m³ Die Kieskubatur soll für zwei Szenarien berechnet werden: a) für einen Kiesabbau nur auf den Grundstücken 276, 277 und 278 b) für einen Kiesabbau auf den Grundstücken 276 bis 280 (falls der Nachbar das Grundstück 279 verkaufen sollte ) Rahmenbedingungen: 1. Es darf kein Nassabbau erfolgen: Das heißt: Die Kiesgrube darf das Grundwasser nicht erreichen, sie muss also im trockenen bleiben (Trockenabbau). Dafür muss die Sohle Grube 1,5 m über dem höchsten Grundwasserstand (HGW) liegen. Das ist für uns die maximale Tiefe (Abbausohle) der Grube. 2. Die Grube darf erst 5 m von der Grundstücksgrenze beginnen, damit die Nachbargrundstücke nicht beeinträchtigt werden. 3. Die Grube kann und darf nicht senkrecht abgebaut werden. Es ist eine Böschungsneigung der Grube von 2:1 einzuhalten.

4 Zur Bearbeitung werden zahlreiche Arbeitsschritte notwendig sein. Dies händisch durchzuführen und dann alle Arbeitsschritte für das nächste Szenario zu wiederholen, und zu wiederholen, und zu wiederholen ist nicht effektiv. Abgesehen davon ändern Auftraggeber sehr oft ihre Meinung und alle Berechnungen müssen dann nochmals durchgeführt werden :-) Daher wird beim ersten Durchgang ein Modell erstellt und kann bei allen weiteren Berechnungen mit geänderten Eingangsdaten wieder verwendet werden. Vorbereitung: In unserem Übungsordner wird eine File-Geodatabase mit dem Namen Output erzeugt: Hier werden alle zwischenschritte des Modells abgespeichert: ArcCatalog am rechten Bildschirmrand öffnen Zum Ordner U5 wechseln Dort mit rechtem Mausklick New FileGeodatabase wählen

5 3 Step by Step Anleitung 3.1 Eine Toolbox und ein neues Modell erstellen Wir öffnen die ArcToolbox Erstellen einer neuen Toolbox mit dem Namen MeineToolbox (Rechtsklick auf ArcToolbox ganz oben) Dann gehen wir in unseren Übungsordner U5 Dann klick ganz rechts oben im Fenster auf New Toolbox Anschließend rechtsklick auf unsere neue Toolbox und erstellen ein neues Modell:

6 Es öffnet sich ein neues, leeres Fenster: Wir gehen auf die Model Properties und geben dem Modell einen Namen: Model Model Properties Name = Kiesabbau, Label = Kiesabbau Dann das Model speichern! In unserer Toolbox findet sich nun ein Tool : Kiesabbau

7 3.2 Grundstücke zusammenfassen 1. Wir ziehen den Layer Grundstuecke aus Arc Map in unser Modell - Fenster Das blaue Oval kennzeichnet dort einen Datensatz 2. Aus der Toolbox ziehen wir das Tool Generalisation Dissolve in unser Model Data Management Tools

8 3. verbinden den Datensatz Grundstücke mit dem Tool Dissolve. Dazu verwenden wir den Button Add Connection : Wir haben nun ein erstes Modell mit Input (blau), Bearbeitung (gelb) und Output (grün) erstellt. Der Datensatz Grundstücke wird Dissolved (Zusammengefasst) und das Ergebnis als neuer Output (neues Shapefile bzw. in unserer Geodatenbank Output ) erstellt. Input Datenbearbeitung Output

9 4. Einstellen der Dissolve-Operation durch Doppelklick auf das Tool Dissolve Das Ergebnis soll in unserer File-Geodatabase Output als Grundstuecke_Dissolve gespeichert werden. 4. Auswahl der Grundstücke In ArcMap gehen wir auf die Properties des Layers Grundstuecke und gehen nach: Layer Properties Definition Query Query Builder und selektieren über eine Datenbankabfrage zusammengefasst werden sollen: diejenigen Grundstücke aus, die Dies wird mit der logischen Operation OR (=oder) erreicht. "GR_Nummer" = 276 or "GR_Nummer" = 277 or "GR_Nummer" = 278 TIPP: Mit dem Button Verify kann die eingegebene Abfrage überprüft werden. Wird keine Fehlermeldung oder ein leeres Abfrageergebnis angezeigt, kann davon ausgegangen werden, dass alles passt.

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11 Am Bildschirm bleiben nur noch diese Grundstücke sichtbar: 5. Ausführen des Dissolve Prozesses Rechtsklick auf Dissolve Run

12 6. Ergebnis anzeigen lassen: Rechtsklick auf Grundstuecke_Disso Add to Display Ergebnis: Wir erhalten nun ein einziges Polygon, das aus den Grundstücken 276, 277 und 278 aggregiert wurde.

13 3.3 Umgrenzung der Abbaufläche erstellen (Buffer) Der Abbau darf erst mit einem Abstand von 5 m zur Grundstücksgrenze beginnen. Dazu verwenden wir das Tool Buffer: Wir fügen das Tool ArcToolbox Analysis Tools Buffer in unser Modell und Verbinden unser letztes Ergebnis Grundstuecke_Disso mit dem Tool Buffer.

14 Einstellungen für die Buffer-Operation Ergebnis ist ein kleineres Polygon, das einen Abstand von 5 m zum Eingangsdatensatz hat. Diese kleinere Fläche ist die Fläche des Kiesabbaues an der Oberfläche:

15 3.4 Abschätzung der maximalen Tiefe der Kiesgrube Um die Böschungsneigung von 2:1 einhalten zu können, benötigen wir eine Abschätzung der Tiefe der Abbausohle. Wir fragen in ArcMap die dafür notwendigen Werte ab ( i Button in der Mitte des Abbaufeldes). i Die Geländeoberkante (GOK) in der Mitte des Abbaufeldes liegt auf rund 175 m üa. Das Grundwasser (GW_muA) auf rund 159 m üa. Daher kann der Abbau maximal eine Tiefe von rund 175 m 159 m = 16 m erreichen. Daher werden wir erneut einen Buffer berechnen der uns ein Polygon mit einem Abstand von 2x16m = 35 m (aufgerundet, sicher ist sicher) erzeugt: Ergebnis:

16 Einstellung der zweiten Buffer-Operation Damit haben wir die Flächen (Oberkante und Unterkante) des Kiesabbaus ermittelt.

17 3.5 Ermittlung des HGW - Wasserstandes Um einen Trockenabbau zu gewährleisten darf nur bis in eine Tiefe abgebaut werden, die über dem höchsten Grundwasserstand (Plus einem Sicherheitsabstand) liegt. Dazu dienen die Informationen einer nahegelegenen Grundwassermessstelle. Die Auswertung der Messstelle ergab folgende Eckdaten: Niedrigster Grundwasserstand: 157,40 m üa (2002) Mittlerer Grundwasserstand: 157,83 m üa Höchster Grundwasserstand: 158,26 m üa (2008) Der Kiesabbau soll in unserem Fall 1,5 m über dem höchsten, gemessenen Grundwasserstand liegen. Das Grundwasser in unserem Modell fließt +- von West nach Ost. Wir fragen die notwendigen Daten wieder aus ArcMap mit dem i-button ab, an der Position mit dem grünen Punkt:

18 Das interpolierte Grundwasser aus der vorhergehenden Übung liegt hier auf rund 159,50 m üa. Wie ermitteln wir das HGW an diesem Punkt? Als Unterkante des Abbaus wollen wir unseren Interpolierten Grundwasserstand aus der letzten Übung verwenden. Er entspricht einem mittleren Grundwasserstand und muss erhöht werden. Der mittlere GW der Messstelle beträgt 157,83 m üa. Also folgende Überlegung: Messstelle unser Standort HGW 158,26 159,50 + 0,43 = MGW 157,83 159,50 Differenz: 0,43m 0,43 m 159,93 Mit Sicherheit von 1,5 m muss unser GW-Stand auf 159,93 + 1,5 = 161,43 m gebracht werden und erhöhen ihn so, dass er an dem grünen Punkt auf 161,43 m liegt. ALSO: 161,43-159,50 = 1,93 m muss erhöht werden Umsetzung im Modell: 1. Hinzufügen des Rasterdatasets GW_muA in das Modell 2. Hinzufügen Toolbox 3D Analyst Tools Raster Math Plus 3. Verbinden GW_muA und PLUS mit Add Connection

19 Einstellungen Plus Operation Diese Operation hat vorerst nichts mit dem bereits erstellten Ablauf zu tun, ist also nicht verbunden. 3.6 Erstellen der Abbausohle Um die Abbausohle zu erhalten, benötigen wir nur noch eine Operation: Toolbox Spatial Analyst Tools Exctraction Extract by Mask Wir verbinden zuerst den Raster Plus_GW als Input Rasterdataset und dann Buffer2 (dies ist ja die Fläche der Abbausohle) als feature mask data. Als Output Raster wählen wir UK_Kiesabbau im Übungsordner.

20 Einstellungen der Extract by Mask Operation

21 3.7 Erstellen der Abbauoberkante Ähnlich erstellen wir die Abbauoberkante. Hierzu können wir gleich die Geländeoberkante verwenden: Toolbox 3D Analyst Tools Exctraction Extract by Mask Wir verbinden zuerst den Raster GOK als Input Rasterdataset und dann Buffer (2) als feature mask data. Als Output Raster wählen wir OK_Kiesabbau in der Output.gdb Einstellungen der Extract by Mask (2) Operation

22 Ergebnis: Wir erhalten jeweils ein Stück eines 2.5-D Rasterdatasets: Einmal für die Oberkante (grau), einmal für die Sohle (bunt) des Kiesabbaus. 3D Ansicht: In der 3D-Ansicht liegt ganz unten das Grundwasser (blau), darüber die Sohle des Kiesabbaus, darüber die Kiesoberkante (gelb) und ganz oben die Oberfläche des Kiesabbaus. Was fehlt noch? Die Seiten der Kiesgrube.

23 3.7 Erstellen der Abbaugeometrie (TIN) Dies gelingt uns nicht mit Rasterdaten, wir benötigen ein TIN. 1. Erzeugen einer 3D-Polylinie der Oberkante Zunächst die Umwandlung eines Polygons in eine Polylinie: ArcToolbox Data Management Tools Features Feature to Line Input ist Buffer (2) Dann: Die

24 Umwandlung in ein 3D-Shape: ArcToolbox 3D Analyst Tools Funktional Surface Interpolate Shape Input Surface = GOK_muA / Input Feature=Buffer_to_Line

25 Analog gehen wir für die Unterkante vor, statt der Geländeoberkante wird unsere erhöhte Grundwasseroberfläche Plus_GW1.img verwendet. Als Output wird UK_3e gewählt Wir haben nun zwei 3d-Linien: einmal von der Abbauoberkante, einmal von der Abbausohle. Daraus kann nun ein TIN erstellt werden: 1. Zunächst wird ein leerer TIN Datensatz mit ArcToolbox 3D Analyst Tools TIN Creation Create TIN erzeugt

26 2. Mit ArcToolbox 3D Analyst Tools TIN Creation Edit TIN verbinden wir unsere beiden 3d-Linien: TIN in ArcScene:

27 3.8 Umwandeln der Geometrie in Rasterdaten Das TIN kann mit ArcToolbox 3D Analyst Tools Conversion From TIN TIN to Raster umgewandelt werden: ACHTUNG: bei der Sampling Distance die voreingestellte Werte lassen! Ergebnis in ArcScene: Die Grube als Rasterdatensatz.

28 3.9 Berechnung der Kieskubatur Wir berechnen zunächst die Mächtigkeit des Kieses innerhalb der Grube: Dazu wird von der Oberkante (=Kiesoberfläche) die Unterkante (=Grube) abgezogen: ArcToolbox 3D Analyst Tools Math Minus Wir ziehen Schotter_OK in das Modell und verknüpfen es als Input raster Value 1 mit dem Tool, dann grube_tinras als Input Raster Value 2. Die Minus-Operation folgt diesem Schema: Input 1 Input2 = Output

29 Anschließend müssen wir das Ergebnis reklassifizieren, da negative Mächtigkeiten vorkommen. Wir benötigen jedoch nur die positiven Mächtigkeiten: ArcToolbox 3D Analyst Tools Reclass Reclassify 2 Klassen: Die negativen Klassen werden NoData Negative Bereiche Ausschneiden Toolbox Spatial Analyst Tools Exctraction Extract by Mask Der Mächtigkeits-Rasterdatensatz wird mit unserer Maske (Reclass_Minu1) ausgeschnitten:

30 Das Ergebnis in ArcScene: Die Schotteroberkante mit der Farbverteilung der Mächtigkeit (rot: mächtig, grün: geringmächtig). Berechnung der Kubatur Toolbox Spatial Analyst Tools Zonal Zonal Statistics as Table

31 Das Ergebnis wird als Datei in den ausgewählten Ordner geschrieben und kann mit Excel geöffnet werden: Die Kubatur errechnet sich aus der Fläche (AREA in m²) mal der mittleren Mächtigkeit (MEAN in m): Rund m³ Kies Leitstungsnachweis: Wieviel m³ Kies könnten abgebaut werden, wenn der Nachbar sein Grundstück mit der Grundstücksnummer 279 verkauft? Das Ergebnis an mit einem Screenshot einer 3D Ansicht mailen.