Bei einem DHM handelt es sich um eine Datei zur Beschreibung der räumlichen Formen der Erdoberfläche, bestehend aus drei Positionsangaben mit x (Rechtswert), y (Hochwert) und z (Höhenangabe in m).
Das Digitale Höhenmodell des Landesvermessungsamtes Schleswig-Holstein mit 12.5 m Maschenweite liegt für das gesamte Untersuchungsgebiet, mit Ausnahme des Gebietes der DGK5 Trappenkamp, als digitale Punktkarte oder als ASCII-Datei in der oben beschriebenen Form vor. Es beruht auf der punktuellen photogrammetrischen Messung aus Luftbildern und der digitalen Erfassung der in der DGK5 abgebildeten Isohypsen. Diese Daten werden durch zusätzlich tachimetrisch aufgenommene Geländekanten erg&a uml;nzt und anschließend im Programm HIFI zum Höhenraster verarbeitet. In diesem Programm werden die genaueren Daten der photogrammetrischen Messung stärker gewichtet als die quantitativ überwiegenden Höhenlinienpunkte (FLEISCHMANN 1992).
In bezug auf die Genauigkeit gilt die Fehlervorschrift für den DGK5-Erlaß mit einem mittleren tolerierbaren Fehler von +/- 0.4 m als Richtlinie. Auf Ackerflächen ist die Genauigkeit mit einem Fehler von +/- 0.3 m höher.
In dieser Arbeit wird das DHM zur Reliefanalyse genutzt. Es findet eine Definition von Hängen und hydrologischen Senken statt. Darüber hinaus werden Teileinzugsgebiete, Hangneigungen, Abflußrichtungen und Hanglängen extrahiert, die für die Erosionsmodellierung und für die Rechnungen mit dem Simulationsmodell WASMOD & STOMOD benötigt werden.
Das Digitale Höhenmodell wird in dieser Arbeit mit dem FORTRAN-Programm TOPNEWP2 ausgewertet (REICHE & MEYER i.p.). Das FORTRAN-Programm TOPNEWP2 dient der Auswertung und Analyse von einem oder mehreren Höhenrastern. Es liest die Reliefdaten im ASCII-Format ein. Alternativ zu diesem Programm bietet das GIS ARC/INFO Tools zur Reliefanalyse an. Die Möglichkeiten der DHM-Auswertung mit ARC/INFO GRID werden in dem Kapitel 4.3.4 vorgestellt. Die Ermittlung der Hanglänge aus einem DHM wird im Zusammenhang mit der Berechnung des LS-Faktors der USLE-Gleichung in Kapitel 7 aufgezeigt.
Alle Rasterzellen (Pixel) des eingelesenen DHMs werden nacheinander abgearbeitet. Die Höhen der Daten im Rasterformat können mit den 8 Nachbarzellen verglichen werden. Es wird geprüft, in welcher Richtung die größte vertikale Differenz zu einer Nachbarzelle besteht. Die ermittelte Richtung wird als Richtung des maximalen Gefälles (maximalen Gradienten) definiert und in einer Variablen abgespeichert (Abb. 4-10). Wird ein Rasterpunkt einmal gekennzeichnet, scheidet er aus dem Zuo rdnungsverfahren aus. Ein eventuell stärkerer Gradient in anderer Richtung kann nicht mehr berücksichtigt werden.
Die Berechnung der Hangneigung (NEIG) erfolgt unter Berücksichtigung der unterschiedlichen horizontalen Distanz zwischen dem Zentralpunkt und den Nachbarpunkten:
Abb. 4-11 : Karte der Hangneigungen im Untersuchungsgebiet (Ausschnitt)
In einem nächsten Arbeitsschritt sortiert das Programm alle identifizierten lokalen Senken nach aufsteigender Höhe. Bei der niedrigsten Senke beginnend, ermittelt TOPNEWP2 alle Raster, die hydrologisch gesehen "upstream" vom betrachteten lokalen Minimum liegen. Unter der Annahme, daß das Oberflächenwasser in Richtung des maximalen Gefälles abfließt, werden alle Flächen gekennzeichnet, deren Exposition dem Zentralpunkt oder einem dem Zentralpunkt bereits zugeordneten Raster zugewandt ist. Jeder Punkt repräsentiert eine Zelle der Größe 156.25 m2. Durch die Summe aller Raster, die mit einer lokalen Senke als hydrologisch verbunden angesehen werden, wird die Größe des Teileinzugsgebiets bestimmt. In der dafür vorgesehenen Variablen (EZG) wird die Nummer des Teileinzugsgebiets abgespeichert. Mit dem ARC/INFO Modul GRID kann das codierte Raster eingelesen und nach Vektorisierung als Teileinzugsgebietskarte ausgedruckt werden. Mit dem ARC/INFO Modul TIN ist dies in äquivalenter Weise möglich (ESRI 1994b, FLEISCHMANN 1992).
Das Programm TOPNEWP2 zur DHM-Verarbeitung kann das Relief in Senken, Hänge und sonstige Flächen (Normalflächen) differenzieren. Dies ist für die spätere Erstellung von Reliefkarten und zur Bestimmung der Hanglänge für die Erosionsberechnung notwendig. Unter sonstigen Flächen sind alle Rasterflächen subsumiert, die nicht unter die noch zu erläuternde Senken- oder Hangdefinition fallen, z.B. ebene Flächen oder Kuppen.
Senkenterm
Bei der Definition von Senken werden den identifizierten lokalen Minima Flächen zugeordnet, die dann zusammen als Senkenfläche ausgewiesen werden. Die Flächenzuweisung erfolgt über eine interaktiv einzugebende Grenzhöhendifferenz. Alle umliegenden Pixel, deren Höhendifferenz zur lokalen Senke die Grenzhöhendifferenz unterschreitet (Gl. 4-3) und gleichzeitig in dem selben Teileinzugsgebiet liegen, werden der Senkenfläche zugeordnet. Alle Flächen, die einmal als S enkenfläche definiert worden sind, scheiden aus der Flächenaggregierung aus und können keiner anderen Fläche mehr zugewiesen werden.
Im Standardprogrammlauf entspricht HD mit 0.4 m dem mittleren tolerierbaren Fehler des DHM.
Hangterm
Für die Identifikation von Hängen dienen zwei Kriterien. Zum einen muß ein Mindestgefälle von 2% erreicht sein, zum anderen müssen mehrere Rasterflächen in Gefällerichtung hintereinandergeschaltet sein, um die interaktiv festgelegte Mindesthanglänge zu erfüllen. Im Standardmodellauf wird eine Mindesthanglänge von 25 m gefordert. Beide Kriterien sind in das Programm integriert, um eine zu starke Gliederung der Fläche zu vermeiden. Eine kleinräumige Zergliederung des Reliefs ist im Hinblick auf eine Reduzierung der aggregierten Flächen im Untersuchungsgebiet zu vermeiden. Unter Berücksichtigung des Arbeitsmaßstabs und der damit verbundenen Zielgenauigkeit der Ergebnisse ist eine zu hohe Anzahl an Flächen aus inhaltlichen Gründen nicht notwendig und unter DV-technischen Gesichtspunkten hinderlich. TOPNEWP2 ermittelt alle Flächen, die die Hangkriterien erfüllen und kennzeichnet sie. Fließen im Verlauf der Kaskadierung zwei Hänge ineinander, werden sie zu einem Hang zusammengefaßt. Neben der allgemeinen Hangkennung erhalten alle Hangflächen eine eindeutige HANG-ID, die eine spätere Identifizierung von Einzelhängen ermöglicht. Darüber hinaus wird bei jedem Hangraster in einer dafür vorgesehenen Variablen die Anzahl der vorgeschalteten, d.h. upstream gelegenen Pixel gespeichert.
Alle im Verlauf der Hang- und Senkenidentifikation bisher nicht gekennzeichneten Rasterflächen, werden als sog. Normalflächen codiert.
Das Modul GRID von ARC/INFO bietet einige Methoden zur Ableitung von Reliefparametern an. Datengrundlage ist dabei ein "FLOATING-POINT-Grid" als DHM. GRID verwaltet und bearbeitet die Daten in einer x-, y-Rastermatrix; die Rasterhöhe (z) ist als VALUE (Gridvariable) abgespeichert. Die jeweiligen Rechenalgorithmen unterscheiden sich teilweise von denen, die TOPNEWP2 zugrundeliegen. Die Hangneigung wird in GRID mit dem Befehl SLOPE ermittelt. Dabei wird allerdings nicht die maximale Neigung in Fließ richtung berechnet, sondern das maximale Gefälle einer 3*3 Zellenmatrix ("average maximum technique") (ESRI 1994a, HICKEY et al. 1994). Die Abbildung 4-12 zeigt die Möglichkeiten der Reliefanalyse in GRID und den Ablauf. Die GRID-Befehle sind in Großbuchstaben geschrieben. Abb. 4-12 : Schematischer Ablauf der Reliefanalyse in ARC/INFO GRID (aus: ESRI 1994a, verändert)
