Hydro-Flattening ist der Prozess der Nivellierung von Gewässern in Höhenmodellen. Dabei wird sichergestellt, dass sich Seen und Staubecken in konstanter Höhe befinden und Flüsse zwischen den Ufern auf gleicher Höhe liegen, während sie gleichzeitig bei gleichbleibender Neigung abwärts fließen. Hydro-Flattening kann sowohl für Analyse- als auch für kartografische Zwecke durchgeführt werden. Damit kann die Strömungsmodellierung verbessert und sichergestellt werden, dass Gewässer in abgeleiteten Schummerungen eben erscheinen, Konturlinien sich nicht über der Mitte von Seen kreuzen und Konturlinien Flüsse sauber und nahezu rechtwinklig zur Fließrichtung kreuzen.
Obwohl es möglich ist, Hydro-Flattening an einem vorhandenen digitalen Höhenmodell (Digital Elevation Model, DEM) als Nachbearbeitung durchzuführen, ist es im Allgemeinen besser, dies beim Interpolieren des DEM anhand der als Quelle verwendeten Vektordaten durchzuführen. Der Grund dafür ist, dass es etwas einfacher ist, die Übergangszone zwischen Boden und Wasser so zu kontrollieren, dass keine abrupten Unterbrechungen oder Unstetigkeiten entstehen. Im nachfolgend beschriebenen Workflow erfolgt das Hydro-Flattening als Teil der Erstellung eines DEM unter Verwendung eines LAS-Datasets.
Voraussetzungen
Um DEMs mit Gewässern mit Hydro-Flattening erstellen zu können, benötigen Sie LIDAR-Luftbilddaten und Wasseruferlinien für Seen, Staubecken und Flüsse, die als Polygone dargestellt werden. Generell werden Seen und Staubecken, die größer als 0,8 Hektar sind, und Flüsse, die durchschnittlich mindestens 30 Meter breit sind, damit behandelt. Kleinere Features werden in der Regel übersprungen. Einzelne Flüsse werden durch einzelne Polygone modelliert. Flussnetze können auch mit einzelnen Polygonen dargestellt werden, obwohl ihre Form komplexer ist. Für Flüsse benötigen Sie auch Fließrichtungslinien, mit deren Hilfe die primären Positionen der Zu- und Abflüsse angegeben werden. Diese Linien können bereits in den vorhandenen Wasserlaufdaten verfügbar sein (siehe Abschnitt "Ressourcen" weiter unten). Wenn dies nicht der Fall ist, dann können sie manuell erstellt werden.
Erstellen eines LAS-Datasets mit klassifiziertem Boden und Wasser
Zuerst sollten Sie aus Ihren LIDAR-Luftbilddaten ein LAS-Dataset erstellen. Wenn in Ihren LIDAR-Daten der Boden noch klassifiziert werden muss, dann können Sie das Werkzeug Boden aus LAS klassifizieren verwenden.
Wasserpunkte müssen auch klassifiziert werden. Wenn die LIDAR-Klassifizierung bereits Wasser beinhaltet, dann sind die richtigen Wasser-Polygone, die als Quelle in einem späteren Workflow benötigt werden, die Polygone, die für den Prozess der Klassifizierung von Wasser verwendet wurden. Überprüfen Sie die Bruchkantendaten, die mit dem LIDAR-Projekt verknüpft sind, auf diese Polygone. Wenn Wasser nicht klassifiziert wurde, dann suchen Sie in einer zuverlässigen Quelle nach Wasser-Polygonen, und verwenden Sie diese im Geoverarbeitungswerkzeug LAS-Klassencodes mithilfe von Features festlegen mit als Boden gefilterten Punkten, um die Punkte der Klasse 2 innerhalb der Polygone als Wasser der Klasse 9 zuzuweisen. Eine mögliche Quelle für Wasser-Polygone in den Vereinigten Staaten ist NHDPlus. Die Polygone können auch manuell aus Orthobildern erfasst werden.
Arbeiten mit Seen und Staubecken
Seen und Staubecken werden mit Hydro-Flattening bearbeitet, indem Polygone konstanter Höhe als Einschränkungen im LAS-Dataset erzwungen werden. Das Erzwingen dieser Einschränkungen erfolgt in dem Interpolationsprozess, mit dem das LAS-Dataset in ein Raster-DEM konvertiert wird.
Wenn die Informationen zur Wasserhöhe für die Polygone nicht vorhanden sind, dann können Sie sie aus den LIDAR-Daten extrahieren. Filtern Sie dazu das LAS-Dataset als Boden, und verwenden Sie dann das Geoverarbeitungswerkzeug Shape interpolieren mit Ihren Polygonen und dem auf Nächstgelegenen Z-Wert abrufen festgelegten Parameter Methode. Dadurch wird die Bodenhöhe den Stützpunkten am Umfang jedes Polygons zugewiesen. Das Ergebnis wird wahrscheinlich eine Linie mit Aufwärts- und Abwärtswellen nachzeichnen. Sie wird jedenfalls nicht vollkommen eben sein. Jetzt müssen Sie die minimale Bodenhöhe am Polygon finden und als Uferlinienhöhe für das Polygon verwenden. Verwenden Sie das Geoverarbeitungswerkzeug Z-Informationen hinzufügen, um den niedrigsten Z-Wert für jedes Polygon als Attribut hinzuzufügen. Danach können Sie das Geoverarbeitungswerkzeug Features kopieren mit deaktiviertem Z-Wert in der Umgebungseinstellung für das Werkzeug verwenden, um die Z-Werte der Stützpunkte zu entfernen, während das Attribut Min Z erhalten bleibt.
Fügen Sie die Gewässer-Polygone, die jetzt mit Höhe versehen sind, mit dem Geoverarbeitungswerkzeug Dateien zu LAS-Dataset hinzufügen als Oberflächeneinschränkungen mit dem Attribut Min Z als Wert für das Höhenfeld und hardline als Wert für den Oberflächen-Feature-Typ dem LAS-Dataset hinzu. Der Wert hardreplace kann auch verwendet werden, ist aber hinsichtlich der Performance ungünstiger. Wenn innerhalb der Polygone keine Bodenpunkte vorhanden sind und Wasserpunkte bei der Interpolation ausgeschlossen sind, reicht der Typ hardline völlig aus.
Arbeiten mit Flüssen
Flüsse werden mit Hydro-Flattening bearbeitet, indem dafür gesorgt wird, dass sie zwischen den Ufern auf gleicher Höhe liegen, während sie weiterhin abwärts fließen, und sie als Einschränkungen im LAS-Dataset erzwungen werden. Das Erzwingen dieser Einschränkungen erfolgt in dem Interpolationsprozess, mit dem das LAS-Dataset in ein Raster-DEM konvertiert wird. Die richtige Definition der Flusshöhen als Bedingungen ist komplizierter als für Polygone konstanter Höhe.
Wenn die Informationen zur Wasserhöhe für die Polygone nicht vorhanden sind, dann können Sie sie aus den LIDAR-Daten extrahieren. Filtern Sie dazu das LAS-Dataset als Boden, und verwenden Sie dann das Geoverarbeitungswerkzeug Shape interpolieren mit Ihren Polygonen und dem auf Nächstgelegenen Z-Wert abrufen festgelegten Parameter Methode. Dadurch wird die Bodenhöhe den Stützpunkten am Umfang jedes Polygons zugewiesen. Es werden wahrscheinlich unerwünschte Unebenheiten, wie zum Beispiel Wellenlinien, vorhanden sein. Wahrscheinlich verlaufen sie aufwärts und abwärts und liegen nicht auf gleicher Höhe zwischen den Ufern. Verwenden Sie das Geoverarbeitungswerkzeug Flussmonotonie erzwingen, um Höhenanpassungen vorzunehmen, damit die notwendigen Bedingungen erfüllt sind. Für dieses Werkzeug sind Fließrichtungslinien zusätzlich zu den Polygonen erforderlich.
Fließrichtungslinien sind 2D-Features, mit deren Hilfe die richtige Fließrichtung für das Werkzeug Flussmonotonie erzwingen angegeben wird. Der Teil des Polygons, der den Anfang des Flusses darstellt, muss von einer Fließlinie berührt werden. Da diese Linie auch in der richtigen Fließrichtung orientiert sein muss, muss ihr letzter Stützpunkt der Stützpunkt sein, der mit dem Polygon verbunden ist. Die Position des Polygons, die das Ende des Flusses darstellt, muss ebenfalls von einer Fließlinie berührt werden, die in der richtigen Richtung orientiert sein muss und deren erster Punkt der Punkt ist, der das Polygon berührt. Zu jedem Fluss muss es mindestens zwei Fließrichtungslinien geben, eine Linie, die den Zufluss, und eine Linie, die den Abfluss definiert. Diese Fließrichtungslinien können kurz oder lang sein und viele oder auch wenige Stützpunkte enthalten. Sie müssen die Fluss-Polygon-Grenzen berühren und richtig orientiert sein. Um sicherzustellen, dass sie sich berühren, verwenden Sie die Funktion "Fangen" im Feature-Editor. Mit der Symbolisierung können Sie die Linienrichtung visuell bestätigen. Dazu dienen Symbole, mit denen Linien mit Pfeilen gezeichnet werden.
Nachdem die Bodenhöhe an den Fluss-Polygonen definiert wurde und die Fließrichtungslinien erstellt wurden, verwenden Sie das Werkzeug Flussmonotonie erzwingen, um die Höhe anzupassen und sicherzustellen, dass der Fluss bergab fließt und zwischen den Ufern auf gleicher Höhe liegt. Der Fluss kann streckenweise waagerecht verlaufen, darf aber niemals nach oben fließen. Die Ausgabe dieses Werkzeugs ist eine Sammlung mehrerer 3D-Polylinien. Das Werkzeug gibt keine Polygone aus, da es effizienter ist, eine Sammlung mehrerer Linien begrenzter Größe zu erzwingen und in die Oberfläche zu verlängern, als große Polygone auszugeben, die eine große Ausdehnung mit vielen Stützpunkten haben können.
Die Ausgabe des Werkzeugs Flussmonotonie erzwingen wird mit dem Geoverarbeitungswerkzeug Dateien zu LAS-Dataset hinzufügen als Oberflächeneinschränkungen mit dem Attribut Shape.Z als Wert für das Höhenfeld und hardline als Wert für den Oberflächen-Feature-Typ dem LAS-Dataset hinzugefügt. Damit diese Einschränkungen beim Erstellen eines DEM oder eines digitalen Terrainmodells (DTM) ordnungsgemäß funktionieren, müssen Sie sicherstellen, dass innerhalb des Flusses keine Bodenpunkte vorhanden sind und Wasserpunkte bei der Interpolation ausgeschlossen sind.
Arbeiten mit Flussnetzen
Flussnetze werden ähnlich wie Flüsse behandelt. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei Flussnetzen eine Sammlung verbundener Flüsse mit einem einzelnen Polygon modelliert wird.
Jede primäre Position der Zu- und Abflüsse muss mit Fließrichtungslinien dargestellt werden. Wenn zum Beispiel mehrere Nebenflüsse in einen größeren Fluss fließen, dann muss es eine Zufluss-Fließlinie oben an jedem Nebenfluss und eine einzelne Ausgabe-Fließlinie unten an dem größeren Fluss, in den sie münden, geben.
Wie bei Flüssen wird die Ausgabe des Werkzeugs Flussmonotonie erzwingen mit dem Werkzeug Dateien zu LAS-Dataset hinzufügen als Oberflächeneinschränkungen mit dem Attribut Shape.Z als Wert für das Höhenfeld und hardline als Wert für den Oberflächen-Feature-Typ dem LAS-Dataset hinzugefügt.
Uferlinienübergang
Einige LIDAR-Bodenpunkte können mit Wasser-Polygon-Grenzen nahezu lagegleich sein. Dadurch können unerwünschte abrupte Unterbrechungen oder Unstetigkeiten an der Land-/Wasser-Schnittstelle entstehen. Um dem zu begegnen, sollten Sie die Wasser-Polygone mit einer kurzen Entfernung (zum Beispiel 0,3 Meter) puffern und die gepufferten Polygone verwenden, um die Bodenpunkte als Punkte der Klasse 20 zu reklassifizieren, bei denen es sich gemäß LAS-Klassifizierungsstandards um ignorierte Bodenpunkte handelt. Da diese beim Interpolieren eines Raster-DEM ausgeschlossen sind, entsteht ein geschmeidigerer Übergang vom Boden zum Wasser.
Um die Bodenpunkte nahe der Uferlinie zu reklassifizieren, filtern Sie die Punkte als Boden und verwenden dann das Geoverarbeitungswerkzeug LAS-Klassencodes mithilfe von Features festlegen, um die Bodenpunkte als ignorierte Bodenpunkte (Klasse 20) neu reklassifizieren.
Erstellen des DEM
Sie können das DEM erstellen, wenn die folgenden Voraussetzungen erfüllt sind:
- Boden- und Wasserpunkte wurden klassifiziert.
- Bei Wasser-Polygonen wurden die Höhen geschätzt und als Bedingungen definiert.
- Wasser-Polygone wurden dem LAS-Dataset als Einschränkungen des Typs "Harte Linie" hinzugefügt.
Verwenden Sie die Layer-Eigenschaften des LAS-Datasets, um die Punkte als Boden zu filtern und die Oberflächeneinschränkungen zu aktivieren. Führen Sie dann das Werkzeug LAS-Dataset in Raster mit einer für die Daten und die Anwendung geeigneten Zellengröße aus. Wählen Sie für die Erstellung des DEM die Option Triangulation als Interpolationstyp aus und nicht die Option Binning (Diskretisierung). Die Option Natürliche Nachbarn für die Interpolationsmethode ist besser geeignet als die Option Linear. Allerdings dauert die Berechnung länger. Wenn Sie die Option Natürliche Nachbarn verwenden, dann benötigen Sie eine Ausschneideeinschränkung, wenn die Datengrenze nicht konvex geformt ist. Andernfalls kann die Ausführung des Werkzeugs viel Zeit in Anspruch nehmen.
Ressourcen
Weitere Informationen finden Sie in den folgenden Ressourcen: