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Die Wunder der Computertechnologie: Wie lässt sich die Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten mithilfe digitaler Höhenmodelle automatisieren?
Einzugsgebietsabgrenzung ist der Prozess der Identifizierung der Grenzen eines Einzugsgebiets, das üblicherweise auch als Einzugsgebiet, Einzugsgebiet oder Flussbecken bezeichnet wird. Dies ist ein wichtiger Schritt in vielen Bereichen der Umweltwissenschaften, -technik und -management, beispielsweise bei der Untersuchung von Überschwemmungen, aquatischen Lebensräumen oder Wasserverschmutzung. In der Vergangenheit wurde die Abgrenzung des Einzugsgebiets von Geographen, Wissenschaftlern und Ingenieuren manuell auf topografischen Papierkarten vorgenommen. Durch den Einsatz von Computern und elektronischen Daten wurden jedoch seit den 1980er Jahren schrittweise automatisierte Methoden zur Abgrenzung von Einzugsgebieten entwickelt, die heute weit verbreitet sind.
Ein Einzugsgebiet ist eine grundlegende geografische Einheit in der Hydrologie, dem Studium der Bewegung, Verteilung und Bewirtschaftung von Wasser auf der Erde.
Aktuelle automatisierte Einzugsgebietsabgrenzungsmethoden verwenden hauptsächlich digitale Höhenmodelle (DEMs), bei denen es sich um Datensätze handelt, die die Höhe der Erdoberfläche darstellen. Die digitale Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten erfolgt mithilfe spezieller hydrologischer Modellsoftware wie WMS oder Software für geografische Informationssysteme (GIS) wie ArcGIS oder QGIS oder sogar mithilfe von Programmiersprachen wie Python oder R, was die Effizienz erheblich verbessert.
Die Geschichte der künstlichen Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten
Traditionelle Methoden zur Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten werden normalerweise von Hand auf topografischen Papierkarten oder mithilfe transparenter Überlagerungen gezeichnet. Forscher verwenden Messgeräte, um Einzugsgebiete abzuschätzen oder die Ergebnisse zu digitalisieren, um sie mit Kartierungssoftware zu verwenden. Selbst im digitalen Zeitalter bleibt die manuelle Abgrenzung von Einzugsgebieten eine nützliche Fähigkeit, um zu bestätigen, dass softwaregenerierte Einzugsgebietsgrenzen korrekt sind. Nach Angaben des U.S. Geological Survey gibt es fünf Schritte zur Abgrenzung künstlicher Wassereinzugsgebiete:
- Suchen Sie auf der Karte den Punkt von Interesse entlang des Flusses, der als „Einzugsgebietsentwässerungspunkt“ bezeichnet wird.
- Stellen Sie sich Wasserlinien vor, die vom steilen Hang der Geländekontur nach unten zeigen.
- Markieren Sie die topografischen Höhepunkte (Gipfel) rund um den Fluss.
- Markieren Sie Punkte (Kämme) entlang der Konturlinien, die die Strömungsrichtung teilen.
- Verbinden Sie Markierungen, um Wassereinzugsgebiete abzugrenzen.
Bei diesem Verfahren sollten die Grenzen des Einzugsgebiets senkrecht zu den vorbeiziehenden Konturen verlaufen und Flüsse außer an Entwässerungspunkten nicht kreuzen. Obwohl manuelle Methoden genauer sind, unterliegen sie der Beurteilung durch den Analysten und erfordern in einigen Fällen möglicherweise Besuche vor Ort, um Geländemerkmale zu bestätigen.
Vorteile der automatisierten Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten
Der Einsatz von Computersoftware zur Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten ist viel schneller als herkömmliche manuelle Methoden und die Ergebnisse sind konsistenter, da Subjektivität eliminiert wird. Automatisierte Methoden zur Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten werden seit den 1980er Jahren in Wissenschaft und Technik häufig eingesetzt. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mithilfe von Computermethoden sogar auf dem Mars Wassereinzugsgebiete abgegrenzt.
Automatisierte Wassereinzugsgebietsabgrenzung nutzt digitale Geländedaten, um die Wasserflussrichtung und den kumulativen Fluss mithilfe digitaler Höhenmodelle (DEMs) zu berechnen.
Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, digitale Höhenmodelle zu erhalten. Die erste Möglichkeit bestand darin, topografische Papierkarten zu scannen und zu digitalisieren. Heutzutage werden häufiger Luft- oder Satellitenfernerkundungstechnologien eingesetzt. Um zuverlässige Ergebnisse zur Einzugsgebietsabgrenzung zu erhalten, muss das digitale Höhenmodell zunächst verarbeitet oder „abgestimmt“ werden, um Senken auszufüllen und die Fließrichtung sowie die kumulierten Abflüsse zu berechnen.
Entwicklung von Softwaretools
Spezialisierte Software zur Abgrenzung von Einzugsgebieten begann mit FORTRAN, beispielsweise CATCH und DEDNM. Durch den Einsatz von geografischen Informationssystemen (GIS) und hydrologischer Modellierungssoftware wurden Werkzeuge zur Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten in viele gängige GIS-Software wie ArcGIS, QGIS und GRASS GIS integriert. Es gibt auch unabhängige Programme zur Abgrenzung von Einzugsgebieten wie TauDEM sowie eine Reihe regionalspezifischer Website-Tools, die zusätzliche Funktionen wie Durchflussstatistiken und Wasserqualitätsanalysen bieten.
Im Automatisierungsprozess, beispielsweise bei Durchflussberechnungsalgorithmen wie D8 und D∞, wirkt sich die Wahl zwischen verschiedenen Algorithmen auch auf die Genauigkeit der Ergebnisse aus.
Trotz der bemerkenswerten Effizienz der elektronischen Abgrenzung von Wassereinzugsgebieten sind diese Methoden nicht immer korrekt, da Fehler aufgrund von Problemen wie der Genauigkeit und Auflösung der digitalen Geländedaten auftreten können. Darüber hinaus betonen viele Institutionen immer noch, dass automatisierte Ergebnisse überprüft werden müssen, um ihre Richtigkeit zu überprüfen.
Wie stellen wir auf dem Weg in eine automatisierte Zukunft sicher, dass die gewonnenen Informationen für uns im Umweltmanagement tatsächlich von Nutzen sind
