Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur
Die Organisation der Datenflüsse zwischen den einzelnen Modellkomponenten, die Modellparameterermittlung aus raumbezogenen Informationen wie auch die Verwaltung der raumbezogenen Modellergebnisse erfolgen GIS-gestützt.
Grundlage für die Anwendung der beschriebenen Modellierungskonzeption ist die GIS-gestützte Aufbereitung der raumbezogenen Eingangsinformationen. In deren Ergebnis entsteht eine definierte Datenstruktur, die alle raumbezogenen Informationen für die hydrologische Modellierung enthält.
Zur Beschreibung der Mengenflüsse zwischen diesen Modellierungsebenen werden die räumlichen Zuordnungen der einzelnen Modellierungseinheiten zueinander ermittelt. Eine Übersicht über den gegenwärtigen Stand der je nach Anwendung zu erstellenden GIS-Datenbasis gibt Tabelle 4.1‑1.
Tabelle 4.1‑1: Informationsebenen der GIS-Datenbasis
| Bezeichnung | Geometrie | Inhalt | Bemerkungen |
| METSTAT | Punkt | Lagekoordinaten der meteorol. Stationen | obligatorisch für Übertragung der Werte auf die Modellierungsflächen |
| METGEB | Fläche | meteorol. Teilgebiete | fakultativ (noch nicht integriert) |
| EFL | Fläche | Elementarflächen | obligatorisch |
| TG | Fläche | Teilgebiete | obligatorisch nur für NA-Modellierung |
| KASEG | Fläche | Kaskadensegmente | fakultativ |
| FGW | Linien | Gewässerabschnitte | fakultativ |
| GWP | Punkte | besondere Gewässerknoten (Sonderbauwerke) | Fakultativ (s. Kapitel Bauwerke) |
| HYD_STAT | Punkte | Lage von Pegeln, Einleitungen und Entnahmen | fakultativ |
Die GIS-Datenbasis besteht aus Geometrien, die in Coverages verwaltet werden. Flächengeometrien sind vorzugsweise Polygone, es können aber auch Raster bzw. Grids sein. Den Geometrien sind Attribute über Zeiger bzw. Verweise zugeordnet. Diese Attribute werden in Attribut-Tabellen (PAT für Punkt- und Polygon-Attribute, AAT für Arc-Attribute) oder Relate-Tabellen verwaltet.
Tabelle 4.1‑2 gibt einen Überblick über die Modellierungscoverages, ihre Verweise aufeinander und auf Relate-Tabellen. Diese Coverages werden durch verschiedene GIS-Operationen, in erster Linie Verschneidungen erzeugt. Für alle Punktcoverages und die Elementarflächen werden die X/Y-Koordinaten der Geometrien auf Basis eines planimetrischen Koordinatensystems (z.B. Gauß-Krüger, UTM) benötigt. Diese werden für die Polygongeometrien als Koordinaten des Flächenschwerpunktes den Attribut-Tabellen angefügt.
Tabelle 4.1‑2: Übersicht über die GIS-Datenbasis und ihre Verknüpfungen
| Coverage | Inhalt | Verweis auf | ||
| Coverage | Relate-Tab. | Inhalt | ||
| TG | Teileinzugsgebiete | |||
| FGW | Fließgewässerabschnitte | TG | ||
| PROFIL | Gewässerprofile[1] | |||
| FGW_TYP | Gewässertyp und Ausbaugrad | |||
| Gewässerknoten | x,y,z-Koordinaten | |||
| KASEG | Kaskadensegmente | TG | ||
| FGW | ||||
| EFL | Elementarflächen | TG | ||
| KASEG | ||||
| BODEN | Bodeninformationen | |||
| LNTZ | Landnutzungsdaten | |||
| FLURAB | Grundwasserflurabstände | |||
| GEF | Geländegefälle | |||
Zeiger auf Relate-Tabellen, die nicht im Zuge der Verschneidung von den Ausgangskarten übernommen werden können, müssen manuell angefügt werden.
Die Relate-Tabellen beinhalten, nach inhaltlichen Gesichtspunkten geordnet, Eigenschaften bzw. Attribute der Geometrien der Coverage, auf die über Verweise oder Schlüssel zugegriffen werden kann. Rein formal hätten die in den Relate-Tabellen verwalteten Eigenschaften auch direkt in den Attribut-Tabellen des Coverage gespeichert werden können. Da aber zwischen vielen Attributen und den Coverages „one to many“-Beziehungen existieren, sind Relate-Tabellen zur Vermeidung von Redundanz eine effektivere Form der Verwaltung. Welches Attribut in welchem hydrologischen Modul verwendet wird, ist in den einzelnen Moduldokumentationen (siehe Teil II der Dokumentation) verzeichnet.
Die Vorgehensweise zur Erzeugung und die Form der Datenschnittstelle ist in Abbildung 4.1‑1 schematisch dargestellt.
Abbildung 4.1‑1: GIS-gestützte Datenaufbereitung und hydrologisches Programmsystem
Die Datenbasis kann je nach vorliegenden Datengrundlagen in verschiedenen Formaten eingelesen werden. Möglich sind ASCII-, DBASE- oder INFO- Dateien. Es muss lediglich beachtet werden, dass das Format in der entsprechenden Strukturdefinitionsdatei (Bsp. TG.sdf) angegeben und der entsprechende Speicherort verwendet wird (siehe Abbildung 4.1‑2 und Tabelle 4.1‑3).
TG.SDF
###### Attribut-Tabelle ###############
*TG_PAT INFO tg.pat
TG_PAT DBASE tg.dbf
*TG_PAT ASCII tg.tab
TG_FLAECHE AREA
TG_IDENTIFIKATION TG_ID
TG_UNTERLIEGER Ulieger
*TG_NAME NAME
Abbildung 4.1‑2: Strukturdefinitionsdatei TG.sdf
Tabelle 4.1‑3: Übersicht über die Strukturdefinitionsformate
| Format | Programm | Speicherort | Datenbasis |
| DBASE | ArcVIEW / ArcGIS | D:\Projekt\GIS | EFL.dbf |
| ASCII | Alle | D:\Projekt\GIS\ascii.rel | EFL.tab / EFL.Txt |
| INFO | ARC/INFO | D:\Projekt\GIS\ascii.rel | EFL.pat |
Im Folgenden wird allgemein von Datenbasis (.DB) gesprochen, gemeint ist damit die Datenbasis unabhängig vom Datenformat. Für die Beispieldateien wird das derzeit gängigste Format (.dbf) verwendet, es könnte hier aber auch jedes andere der oben beschriebenen Formate eingesetzt werden.
Die beiden Modellierungs-Cover TG und EFL stellen das notwendige Minimum geometriebezogener Informationen für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung dar. Für eine reine Wasserhaushaltsmodellierung wird lediglich das Elementarflächen-Cover benötigt. Allen Modellierungs-Covern sind, wie in Tabelle 4.1‑2 und Abbildung 4.1‑3 dargestellt, Attributtabellen zugeordnet, welche die eigentlichen, für die Modellierung relevanten Informationen beinhalten.
Abbildung 4.1‑3: Geometriebezüge der Attributdaten in der GIS-Schnittstelle
Welche Informationen in den Attribut- und Relate-Tabellen benötigt werden, ist abhängig vom Informationsbedarf der aktivierten Module der Modellbibliothek. In den folgenden Beschreibungen dieser Tabellen werden die obligatorischen Attribute, die das Informationsminimum darstellen, gesondert gekennzeichnet.
Das hydrologische Modell nutzt nur die Informationen dieser Attributtabellen und kann deshalb geometriefrei und somit sehr effektiv abgearbeitet werden. Werden die Modellergebnisse wiederum in Attributtabellen oder Relate-Tabellen gespeichert, stehen sie nach der Modellrechnung sofort im GIS für die Visualisierung und analytische Auswertung zur Verfügung. Abbildung 4.1‑4 skizziert das Datenmodell.
Abbildung 4.1‑4: Ausschnitt aus dem Datenmodell der GIS-Schnittstelle
Für die Verarbeitung der Informationen in den Attribut- und Relate-Tabellen der GIS-Datenbasis wurde eine Schnittstelle geschaffen, in der eine Programmkomponente für jedes Coverage zur Verfügung steht. Einen Überblick über die Struktur der GIS-Schnittstelle gibt Abbildung 4.1‑5. Diesen Komponenten ist gemeinsam, dass sie den Zugriff auf Tabellen im INFO- oder ASCII-Format gestatten.
Abbildung 4.1‑5: Struktur und Komponenten der GIS-Schnittstelle
Die Tabellen können variabel strukturiert sein bzgl. Spaltenanzahl, Spalten- bzw. Attributbezeichner, Zahlenformaten und Zeilenanzahl.
Die jeweils aktuelle Tabellenstruktur wird den Modulen über beschreibende Steuerdateien mitgeteilt, da sie sich immer auf konkrete Datenstrukturen beziehen. Es ist erforderlich, dass alle GIS-Daten eines Projektes gemeinsam mit den Steuerdateien im GIS-Verzeichnis des aktuellen Projektes gespeichert sind, wobei sich die Steuerdateien im Verzeichnis DESCRIBE befinden.
Alle Anweisungsblöcke innerhalb dieser Steuerdateien beziehen sich jeweils auf genau eine Attribut- bzw. Relate-Tabelle. Jeder Block beginnt mit einem Schlüsselwort als Kennung der Tabelle, gefolgt vom Tabellenformat (ASCII oder INFO) und der Dateibezeichnung. Die folgenden Zeilen beinhalten i.d.R. Angaben zu den Attributen innerhalb der Tabelle bzw. den Spaltenbezeichnern. Nach einem Schlüsselwort zur verbalen Kennzeichnung der Art des Attributes erfolgt die in der konkreten Tabelle verwendete Attributbezeichnung. Datentyp und Speicherformat sind ohne Belang, da programmintern eine sehr variable Zuweisung der Tabellendaten auf Programmvariablen erfolgt.
Durch Anpassung der Steuerdateien auf die konkreten Tabellen kann mit unterschiedlichsten Tabellenstrukturen gearbeitet werden. Es kann aber auch schon während der Erstellung der GIS-Datenbasis gewährleistet werden, dass die Tabellenstrukturen den im Weiteren angegebenen Beispielen entsprechen, so dass die Steuerdateien ohne Änderungen genutzt werden können.
Das Modellierungsgebiet kann räumlich unterschiedlich stark unterteilt werden. Dabei gliedert sich das Gesamtgebiet (GEB) in Teileinzugsgebiete (TG) die wiederum in Kaskaden aufgeteilt werden können (KAS). Teileinzugsgebiet und Kaskaden sind aus Hydrotopen zusammengesetzt, die ihrerseits aus Elementarflächen mit ähnlichen Eigenschaften gebildet werden. Sowohl für die Berechnungen als auch für die Ergebnisausgabe können unterschiedliche Raumbezüge gewählt werden, die in der Hauptsteuerdatei ArcEGMO.ste festgelegt werden (siehe Abbildung 4.1-6). Durch die Wahlmöglichkeit des Raumbezuges und damit der benötigten räumlichen Differenziertheit der Ergebnisse einerseits und der Zusammenfassung ähnlicher Gebiete zur Verringerungen des numerischen Aufwands andererseits, eignet sich das Modell für die multiskalige Anwendung.
Auszug aus der ArcEGMO.ste
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RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG
METEOR HYD /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL */
ABFLUSSBILDUNG TG /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL */
ABFLUSSKONZENTRATION_RD TG /*GEB, TG, KAS, REG */
ABFLUSSKONZENTRATION_GW TG /*GEB, TG, KAS, REG, EFL */
GESAMTABFLUSS FGW /*GEB, TG, FGW, REG */
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RAUMBEZUEGE_ERGEBNISSE
METEOR HYD /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL*/
ABFLUSSBILDUNG HYD /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL*/
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Abbildung 4.1‑6: Wahl der Raumbezüge für die Modellierung und Ergebnisausgabe
Beispiele für die Raumgliederung sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Je höher die räumliche Diskretisierung ist, desto länger sind aber auch die Rechenzeiten, weil für jede der Raumeinheiten der Wasserhaushalt mindestens in Tagesschrittweite berechnet wird.
In den folgenden Kapiteln werden die verschiedenen Raumgliederungen ausführlich beschrieben.
Abbildung 4.1‑7: Raumgliederung (GEBIET=1 Fläche, TEILGEBIET=18 Flächen, HYDROTOPE=352 Flächen, ELEMENTARFLÄCHEN=6661 Flächen)
[1] nur für hydraulische Modellierung – derzeit nicht integriert.