GRASS-HRU

Revision as of 08:48, 11 January 2011

thumb|rechts|GRASS-HRU The complete process chain for the HRU derivation was implemented according to a service-oriented application in GRASS-GIS. The execution enironment is strictly separated from the operating environment by using a preconfigured, virtual machine which is in charge of data preparation and the calculation of HRUs in GRASS-GIS. A plug-in developed for QGIS creates an intuitive, wizard-driven and transparent environment for the execution of the process chain.

Download and Installation of GRASS-HRU

Download hard disk image (Virtual Appliance) and QGIS-Plugin

The following files should be downloaded from http://www.geoinf.uni-jena.de:

• grass-hru.mf
• grass-hru.ovf
• grass-hrus.vmdk

Together they create a so-called Virtual Appliance which will be required in the following section. In addition, the QGIS plug-in for HRU derivation should be downloaded from the same website:

• hruwps.zip

Install VirtualBox

thumb|links|Installation von VirtualBox The derivation of HRUS with GRASS-GIS, which will be explained below, requires a virtualization software which hosts a linux system and all software and scripts needed. Die im folgenden beschriebene Ableitung von HRUs mit GRASS-GIS setzt eine Virtualisierungssoftware voraus, die ein Linux-System und sämtliche benötigte Software und Skripte hostet. Es wird VirtualBox verwendet - die aktuelle Version 3.2.10 ist unter http://www.virtualbox.org/wiki/Downloads zu beziehen. Der Wizard führt durch die einzelnen Schritte der Installation, wobei auf folgendes hingewiesen sei:

• das kurzzeitige Deaktivieren der Netzwerkverbindung ist normal und erforderlich
• der Installation benötigter Treiber sollte zugestimmt werden

Im Anschluss an eine erfolgreiche Installation kann VirtualBox gestartet und mit dem Import des vorkonfigurierten Festplattenabbilds begonnen werden:

1. Datei -> Appliance importieren
2. Unter Auswählen die Appliance (siehe oben) laden (Datei grass-hru.ovf)
   Bild:Import_app.jpg
   
   
3. Die aufgeführte, importierte Konfiguration der Appliance übernehmen und Import-Vorgang mit Abschließen beenden
   Bild:Import_app_2.jpg
   
   
4. Die Appliance wird importiert...
   Bild:Import_app_3.jpg
   
   
5. ...und ist anschließend über einen Eintrag im VirtualBox-Hauptfenster erreichbar (GRASS-HRU 1.0)
   Bild:Import_app_4.jpg
   
   

QuantumGIS installieren

thumb|links|Installation von QunatumGISDie aktuelle Version von QuantumGIS kann von http://www.qgis.org/wiki/Download bezogen werden. Es ist der Standalone Installer zu empfehlen - für die Version 1.6 lautet die Download-Adresse http://qgis.org/downloads/QGIS-OSGeo4W-1.6.0-14615-Setup.exe. Hinweis: Das GRASS-Plugin für QuantumGIS ist zur Ausführung der HRU-Ableitung nicht erforderlich, aber im Installer der Version 1.6 enthalten. Als Alternative kann der Installer der Version 1.4 von QuantumGIS verwendet werden, welcher kein GRASS-Plugin installiert und folglich die Dateigröße zum Download kleiner ausfällt. (http://qgis.org/downloads/QGIS-1.4.0-1-No-GrassSetup.exe)

Plugin installieren

Um das eigentliche Plugin zur HRU-Ableitung in QuantumGIS zu installieren, sind die folgenden Schritte durchzuführen:

1. Das bereits heruntergeladene ZIP-Archiv hruwps.zip (siehe oben) in den Plugin-Ordner von QuantumGIS entpacken. Je nach QuantumGIS-Version handelt es sich um das Verzeichnis
   • ../QuantumGIS/python/plugins oder
   • ../QuantumGIS/apps/qgis/python/plugins
2. QuantumGIS starten
3. Plugins -> Plugins verwalten
   Bild:Qgis_plugin_2.jpg
   
   
4. Im QGIS Plugin Manager nach HRU WPS-Client suchen, aktivieren und mit Ok bestätigen
   Bild:Qgis_plugin.jpg
   
   
5. Das Tool zur HRU-Ableitung kann nun über einen separaten Button in der Menüleiste gestartet werden
   Bild:Qgis_plugin_3.jpg
   
   

Vorbereitung

Bevor mit der HRU-Ableitung begonnen werden kann, muss sichergestellt sein, dass folgende Punkte abgearbeitet wurden:

1. Start der neu angelegten Virtual Appliance mit dem Namen "GRASS-HRU 1.0" durch Doppelklick auf den entsprechenden Eintrag im VirtualBox-Fenster (bzw. Schaltfläche "Starten"). Der darauf startende Boot-Vorgang im separaten Fenster sollte abgewartet werden und kann bei Erscheinen des Login-Prompts minimiert werden (nicht schließen!). Die virtuelle Maschine läuft während der gesamten HRU-Ableitung im Hintergrund.
   Bild:Start_app_1.jpg
   Hinweis: Durch Eingabe von http://localhost in die Adresszeile eines Internetbrowsers kann überprüft werden, ob die virtuelle Maschine erfolgreich gestartet werden konnte und eine Verbindung zu ihr möglich ist. Eine Internetseite mit dem Schriftzug "It works!" sollte geladen werden.
2. Im Windows-Dateiexplorer auf Extras -> Netzlaufwerk verbinden klicken und als Ordner http://localhost/in eintragen. Außerdem einen freien Laufwerksbuchstaben auswählen, z.B. Z:
   Bild:Start_app_2.jpg
   
   In diesem Ordner sind nun alle Eingangsdaten abzulegen. Das bereits existierende Unterverzeichnis /gehlberg enthält Beispieldaten sowohl für Eingangs- als auch Ergebnislayer. In dem neuen Netzwerkordner können nach Belieben eigene Unterordner für die benötigten Eingangsdaten angelegt werden.
3. Jetzt kann das Plugin aus QuantumGIS heraus gestartet werden. Hierfür QuantumGIS starten und auf das GRASS-HRU-Icon (siehe oben) klicken - das Plugin für die HRU-Ableitung wird geöffnet. Ein Klick auf das Lupen-Icon rechts neben der Adresszeile sollte eine erfolgreichen Meldung über die Verbindung liefern.
   Bild:Grass_hru_1.jpg
   
   

Details zur HRU-Ableitung unter Verwendung des Wizards

Schritt 0: Setup

• Auswahl des digitalen Geländemodells (DGM) im GeoTiff-Format sowie eines Pegeldatensatzes im Shapefile-Format, jeweils über den Datei-Button neben dem Eingabefeld.
• Auswahl zusätzlicher Datenlayer (Landnutzung, Boden, Geologie) durch den Hinzufügen-Button rechts neben der Data Layer Tabelle.
• Aufziehen einer Bounding-Box (erster Links-Klick: Eckpunkt links oben, zweiter Links-Klick: Eckpunkt rechts unten, Rechtsklick: Bounding-Box löschen). Die entstandene Bounding-Box sollte das komplette, zu untersuchende Einzugsgebiet umschließen.

Bild:Grass_hru_2.jpg

Schritt 1: Preparation

• Es besteht die Möglichkeit, lokale Senken im DGM zu entfernen. Falls das vorliegende DGM noch nicht gefüllt wurde, ist default filling aus der Methodenliste auszuwählen.
• Für die zu berechnende Hangneigung und Hangausrichtung sind keine weiteren Eingaben nötig.

Bild:Grass_hru_3.jpg

Schritt 2: Reclass

• Über die verschiedenen Reiter (DEM, Slope und Aspect) erfolgt die Klassifikation der entsprechenden Karte.
• Die Standardbereiche bzw. -werte können jeweils übernommen oder angepasst werden. Im Falle einer Modifizierung ist darauf zu achten, dass die jeweiligen Minima und Maxima nicht unter- bzw. überschritten werden.
• Soll ein Datensatz nicht in HRU-Ausweisung einfließen, so kann dieser abgewählt werden (Checkbox not required).

Bild:Grass_hru_4.jpg

Schritt 3: Waterflow

• Zur Ableitung des Gewässernetzes, der Fließakkumulation und -richtung sowie der Teileinzugsgebiete ist die Eingabe eines Schwellenwerts Minimum Size Of Basins erforderlich.
• Dieser Parameter bestimmt u.a. den Detailgrad des Gewässernetzes bzw. die Anzahl der Teileinzugsgebiete. Der Schwellenwert legt die Größe des kleinsten, abzuleitenden Teileinzugsgebiets fest und ist in Zellen (Pixelanzahl) anzugeben.
• Beispiel: Ein Wert von 1500 (und eine angenommene Auflösung von 25m) führt zur Ausweisung von Teileinzugsgebieten größer als (1500*25*25)/1000000 = 0.9375km² ~ 1km².

Bild:Grass_hru_5.jpg

Schritt 4: Outlet Watersheds

• Folgende Teilschritte sind für die Berechnung einer Karte der an Pegeln abgeleiteten Teileinzugsgebiete notwendig:
  1. Pegel- und Gewässernetzkarte ganz nach oben in der Legende verschieben, so dass beide Datensätze sichtbar werden.
  2. Mit dem Zoom-Werkzeug überprüfen, ob die einzelnen Pegel exakt auf dem abgeleiteten Gewässernetz liegen. Falls nicht, mit Hilfe des Werkzeugs zum Verschieben von Vektorpunkten den Pegel-Layer so abändern, dass alle Pegel im Einzugsgebiet auf den Gewässerabschnitten liegen. Dafür wie folgt vorgehen:
     1. Pegel-Layer in der Legende markieren und Vektor-Bearbeitungsmodus 30px von QuantumGIS aktivieren
     2. Tool zum Verschieben von Vektorpunkten 30px starten und Pegel auf die entsprechenden Gewässerabschnitte verlegen
     3. Zum Abschluß den Bearbeitungsmodus durch erneutes Klicken auf 30px verlassen und das Speichern der Änderungen bestätigen
  3. Haben alle Pegel im Einzugsgebiet die korrekte Position auf dem Gewässernetz, müssen die für die Berechnung relevanten Pegel schließlich markiert werden - hierfür das Markierungs-Werkzeug 30px verwenden.
• In der Auswahlliste Name of corresponding attribute (ID) die Bezeichnung des Shapefile-Attributes wählen, welches eine eindeutige Kennziffer (ganzzahlig und > 0, z.B. Pegel-ID) für jeden Pegel repräsentiert.

Bild:Grass_hru_6.jpg

Schritt 5: Overlay

• Bei der Verschneidung aller Datenlayer (bestimmte Layer können durch Abwählen auch unberücksichtigt bleiben) entstehen Kleinstflächen, welche als HRUs ungeeignet sind und deswegen eliminiert werden sollten.
• Zu diesem Zweck wird ein Schwellenwert definiert (Size of smallest area to remove), welcher die Minimumgröße einer HRU (in Zellen) festlegt.
• Beispiel: Ein Wert von 8 (und eine angenommene Auflösung von 25m) führt zur Ausweisung von HRUs, welche größer als (8*25*25) = 5000m² =0.5ha sind.

Bild:Grass_hru_7.jpg

Schritt 6: Topology

• Für die Bestimmung der topologischen Verknüpfung von HRUs (und Gewässersegmenten) ist keine gesonderte Parametereingabe erforderlich.
• Das Modul berechnet
  • die N:1 Topologie (HRUs können in nur eine benachbarte HRU/einen Gewässerabschnitt entwässern)
  • die N:M Topologie (HRUs können in mehrere benachbarte HRUs/Gewässerabschnitte entwässern)
  • die Gewässertopologie (topologische Verknüpfung aller Gewässersegmente)
• Die Option Enable discrete reaches ist eine Erweiterung des Verfahrens zur Topologie-Ableitung und momentan in der Entwicklung noch nicht abgeschlossen.

Bild:Grass_hru_8.jpg

Schritt 7: Statistics

• Die bis hierher im Rasterformat vorliegende HRU-Karte (GeoTiff) wird in diesem Schritt in ein Shapefile konvertiert, wobei ausgewählt werden kann, welche zusätzlichen Eigenschaften einer einzelnen HRU in die Attributtabelle übernommen bzw. berechnet werden sollen.

Bild:Grass_hru_9.jpg