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G. Mandlburger:
"Topographische Modelle für Anwendungen in Hydraulik und Hydrologie";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): N. Pfeifer, H. Habersack; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2006; Rigorosum: 30.11.2006.

Das Thema Gefahrenzonenplanung ist durch die Hochwasserereignisse der jüngsten Zeit in den Blickpunkt des öffentlichen und medialen Interesses gerückt. Die Festlegung gesetzlicher Überschwemmungsgrenzen erfolgt dabei auf Basis von numerischen Modellen aus dem Bereich der Hydraulik und der Hydrologie. Die wesentlichste Eingangsgröße für diese Modelle ist die Topographie in Form eines digitalen Geländemodells des Wasserlaufs (DGM-W), bestehend aus Gewässerbett und Flussvorland. Die rasante Entwicklung im Bereich der Sensortechnik ermöglicht eine immer genauere und detailliertere Erfassung der Erdoberfläche und der Flusssohle. Das dabei entstehende Datenvolumen macht einen direkten Einsatz des hochauflösenden DGM-W in den komplexen physikalischen Rechenmodellen unmöglich. Zur Bewältigung der Datenmenge wird in der Praxis zu sehr einfachen Methoden der Datenreduktion gegriffen, bei welchen der wesentliche geometrische Inhalt oft verloren geht.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt daher einerseits auf einer, zunächst möglichst präzisen, Beschreibung der Topographie des Flusslaufes und seiner Umgebung, und andererseits auf einer qualifizierten Reduktion und fachgerechten Aufbereitung der Geometrie. Letztlich besteht das Ziel darin, eine optimale geometrische Datenbasis hinsichtlich Datenanordnung und Datenvolumen für die weiterführende Anwendung in den Modellen der Hydraulik und Hydrologie zu schaffen. Diese einleitenden Gedanken unterstreichen den interdisziplinären Charakter der Arbeit zwischen Geodäsie und Hydrologie bzw.\ Hydraulik. Zu Beginn werden daher die grundlegenden Begriffe und Konzepte der Geländemodellierung, wie auch der numerischen Modellierung in Hydrologie und Hydraulik, vorgestellt. Dem Spezialisten einer Fachrichtung soll dadurch ein Einblick in das jeweils fachfremde Gebiet gegeben werden.

Schwerpunktmäßig wird anschließend der Aufbau eines möglichst genauen DGM-W erläutert. Teilaspekte sind dabei die Ableitung der Wasser-Land-Grenze zur Trennung der Vermessungsdaten des Vorlandes und des Gewässerbereiches, die Modellierung der Gewässersohle, der Aufbau eines digitalen Geländemodells der Wasseroberfläche und die Ableitung hydraulisch relevanter Geländekanten. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei auf die Generierung des DGM-W auf Basis der derzeit gebräuchlichsten Erfassungsmethoden - Airborne Laser Scanning sowie Digitale Photogrammetrie für das Vorland und Echolot für das Gewässerbett - gelegt. Darüber hinaus wird auch auf die Problematik der Datenzusammenführung und des Datenmanagements eingegangen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird zunächst ein allgemeiner Rahmen zur Datenreduktion dichter Geländemodelle vorgestellt. Der grundlegende Ansatz ist dabei, dass, ausgehend von einer initialen Approximation der Fläche, solange zusätzliche Punkte eingefügt werden, bis die geforderte maximale Höhentoleranz eingehalten wird. Die Verfeinerung kann prinzipiell entweder durch Analyse der lokalen Geländekrümmung und -neigung, oder durch adaptive Verdichtung eines Dreiecksnetzes erfolgen. Darauf aufbauend wird anschließend ein Konzept zur fachgerechten Datenaufbereitung von Geometriedaten für die Anwendung in der hydro"-dynamisch"=numerischen (HN-)"-Modellierung präsentiert. Dieses Konzept besteht einerseits in einer differenzierten Datendichte, wobei die für die HN"=Modellierung wichtigen Bereiche entsprechend detaillierter abgebildet sind. Andererseits kommt im Bereich des Gewässerbettes einer an die Fließrichtung angepassten Datenaufbereitung besondere Bedeutung zu.

Mittels derart aufbereiteter Geometriedaten werden abschließend konkrete Beispiele hydro"-dynamisch"-numerischer Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse kritisch diskutiert. Es stellt sich dabei heraus, dass durch die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze eine detaillierte Berücksichtigung der Geometrie in den numerischen Modellen der Hydraulik und Hydrologie gelingt. Dieses Ergebnis wird als Anstoß für eine weitere vertiefte Zusammenarbeit zwischen Hydrologen, Hydraulikern und Geodäten verstanden.

Due to recent flood events, risk assessment has become a topic of highest public interest. The definition of endangered or vulnerable areas is based on numerical models of the water flow. The most influential input for such models is the topography provided as a digital terrain model of the watercourse (DTM-W). A DTM-W basically consists of the river bed and the inundation area. The rapid development in the area of sensor technology enables an ever more precise and more detailed description of the earth's surface. The higher resolution comes along with an increased amount of data. Thus, a direct use of the DTM-W as the geometric basis for numerical flow models is impossible. To deal with the high amount of data often very simple methods of data reduction are applied, resulting in a poor geometric quality.

Thus, the work described in this thesis focuses on the one hand on a precise modeling of the DTM-W comprising all available data and on the other hand on a high quality data reduction and a professional conditioning of the geometry data. The final goal is to achieve a good geometric basis concerning data distribution and an amount of data for the subsequent hydraulic or hydrological modeling. In that sense the thesis has to be regarded as interdisciplinary between the fields of geodesy, hydrology and hydraulics. Therefore the basic terms and concepts of DTM modeling as well as hydrologic and hydraulic modeling are presented first.

Subsequently the generation of a precise watercourse DTM is focused on. This involves several aspects like determination of the water-land-boundary, modeling of the river bed, deduction of a digital model of the water surface and modeling of relevant break lines. Emphasis is laid on the process of DTM-W generation on the basis of the currently most commonly used methods for data capturing. These are Airborne Laser Scanning or Digital Photogrammetry for describing the inundation area and echo sounder profiling for acquiring the river bed. Additionally, the relevant aspects concerning data fusion and data management are explained.

The second part of the work deals with data reduction and data preparation of dense digital terrain models. Basically a mesh refinement approach is used to densify an initially coarse surface approximation by iteratively inserting additional points until a certain height tolerance is kept. The refinement is either based on the analysis of local curvature and slope measures or an adaptive TIN-densification. Subsequently, concepts for a professional conditioning of geometry data to be applied in Computational Fluid Dynamic (CFD) models are presented. The basic idea is to provide a spatially adaptive data density, where the terrain parts being important for the CFD model are mapped with more details than parts of minor importance. Within the river bed, however, a data distribution aligned to the flow direction matters and is being considered.

At the end practical results of CFD models based on different geometry variants are presented and discussed. It will be be shown that a detailed description of the topography can indeed be established in CDF models very well. This result should be the initiation of a deepening collaboration between geodesists and hydrologists.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_120539.pdf