Geländeanalysen 2.0

Oberflächenanalysen sind für viele verschiedene Einsatzgebiete interessant. Je nach Verwendungszweck kann man den Wert einer Analyse deutlich verbessern, wenn man einige Punkten Beachtung schenkt.

Mit Geoinformationssysteme können bekanntlich Vektor- und Rasterdaten analysiert werden. Letzere verwenden wir oft für die Modellierung des Geländes mit digitalen Höhenmodellen (DHM). Mit den Methoden der sogenannten Geomorphometrie und einem DHM können wir Geländeformen quantitativ beschreiben.

Anwendungen für Geländeanalysen

Analysen von Geländeformen sind für unsere Kundinnen und Kunden für verschiedene Einsatzzwecke nützlich. Beispielsweise lassen sich damit Aussagen machen zur:

  • Lagegüte von Land, Grundstücken und Gebäuden: exponiert versus ‚versteckt‘, Südhang versus Nordhang, Seesicht, Bergsicht, in einer Mulde, in einem Geländeeinschnitt, relativ ‚hoch‘ oder ‚tief gelegen‘, …
  • Ausprägung von physikalischen Prozessen wie Naturgefahren (Sturzgefahren, Lawinen, etc.), Schneedecke bzw. Schneeschmelze, Erosion, Versickerung, …
  • Eignung für den Abbau oder die Ablagerung von Material: Kiesgruben, Sandgruben, Mulden, Deponien, …
  • idealen Planung von Infrastruktur, so dass diese möglichst nicht das Landschaftsbild stört. Beispiele sind Strassen, Stromleitungen oder Bauten.

Die Auflösung bestimmt, was wir finden

Das Problem fast aller Analysen von Geländeformen mit Geoinformationssystemen besteht darin, dass die Auflösung (also die Zellengrösse) des verwendeten DHM direkt die Auflösung der Analyse bestimmt und damit auch, was wir in unserer Untersuchung überhaupt finden können. Dies aus folgendem Grund: Bei der Berechnung von Grössen wie Hangneigung und Wölbungen (Kurvaturen) für einen bestimmten Ort untersuchen die meisten Geoinformationssysteme die 9 nächsten Rasterzellen im DHM (manchmal auch nur 4!). Anschliessend wird in diesem 3×3-Ausschnitt des DHMs (gelb-grün) eine mathematische Oberfläche (türkis) eingepasst:

Anpassen einer Oberfläche an DHM-Rasterzellen (Quelle: Esri)

Für die Berechnung von Kurvaturen wird eine gewölbte Oberfläche verwendet. Für die Berechnung der Hangneigung kann die Oberfläche je nach verwendetem Algorithmus auch plan sein.

Wenn wir Hangneigung und Kurvaturen auf diese klassische Art berechnen, erfassen wir nur jene Geländeformen, die ungefähr im Skalenbereich von 3×3 DHM-Rasterzellen liegen. Wenn wir für unsere Berechnungen swissALTI3D mit 2 Metern Auflösung verwenden, finden wir also Formen von ungefähr 6 Metern Grösse. Verwenden wir DHM25, beschreiben wir Geländeformen von ungefähr 75 Metern Auflösung.

Aber es gibt einen Ausweg

Dass wir uns von der DHM-Auflösung die Resultate der Analyse diktieren lassen, ist unhaltbar. Die Auflösung des DHM zu mindern, ist aber aus diversen Gründen auch keine Lösung. Stattdessen setzen wir bei EBP für knifflige Fragestellungen Spezialsoftware ein, die es uns erlaubt, Geländeformen auf mehreren Skalenebenen zu analysieren. Statt nur eine 3×3-Umgebung zu verwenden, können wir beliebig grosse Umgebungen (zum Beispiel 5×5, 11×11, 21×21) definieren, die dann für die Berechnung von zum Beispiel Hangneigung und Kurvaturen benutzt werden. Zudem erlaubt uns das Tool deutlich mehr und aussagekräftigere Parameter zu berechnen als Standard-Geoinformationssysteme.

Es folgen einige Beispiele zur Veranschaulichung. Wo nicht anders beschrieben, sind die folgenden Resultate gemittelte Werte von 3×3-, 5×5-, 7×7-, 9×9- und 11×11-Umgebungen. Damit lassen sich also Geländeformen von circa 75 bis circa 275 Metern Grösse identifizieren:

Maximalkurvatur, über 3×3 bis 11×11 Rasterzellen berechnet. Dieser Parameter betont Grate (Formen, die zumindest in eine Richtung stark konvex sind) in violett und Mulden oder Trichter (Formen, die in alle Richtungen betrachtet konkav sind) in grün.

Minimalkurvatur, über 3×3 bis 11×11 Rasterzellen berechnet. Dieser Parameter betont Geländeeinschnitte im Skalenbereich 75-225 Meter (Formen, die zumindest in eine Richtung stark konkav sind) in grün und Kuppen oder Gipfel (Formen, die in alle Richtungen betrachtet stark konvex sind) in braun.

Longitudinalkurvatur, über 3×3 bis 11×11 Rasterzellen berechnet. Dieser Parameter betont Hangfüsse und Täler im Skalenbereich 75-225 Meter (Formen, die in Richtung der Fall- bzw. Fliesslinie konkav sind) in blau und obere Hangenden oder Grate (Formen, die in Fliessrichtung betrachtet konvex sind) in rot.

Wiederum Darstellung der Longitudinalkurvatur, hier aber über 3×3 bis 21×21 Rasterzellen berechnet (statt „nur“ bis 11×11 Rasterzellen). Man sieht, wie diese Analyse im Vergleich zur vorherigen grössere Geländeformen betont.

Mit den richtigen Werkzeugen können aus DHM und anderen Oberflächendaten sehr viel mehr Erkenntnisse gezogen werden als mit den weitum bekannten Standard-Tools. Sollten Sie im Zusammenhang mit Oberflächen mal auf knifflige Fragen stossen, dürfen Sie sich natürlich gerne unverbindlich bei uns melden.

 

Ralph Straumann

Ralph Straumann

Ralph Straumann (Dr. sc. nat.) hat an der Universität Zürich Geographie mit Vertiefung in GIS, Wirtschaftsgeographie und Politologie studiert.

Seit 2010 arbeitet er im Tätigkeitsfeld Systemberatung + Analytik von EBP Informatik als Senior Consultant.

Er berät Kunden bei strategischen Fragen, zu Geschäftsprozessen und Organisation sowie bezüglich Quellen, Modellierung, Workflows und Analyse mit verschiedenartigen Daten im Schnittbereich zwischen IT/GIS und Anwendungsfeldern wie Verkehr und Raumplanung.

Mail: ralph.straumann@ebp.ch

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