GRASS-HRU
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.
Contents |
Download and Installation of GRASS-HRU
Downloading the 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
Installing the 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. VirtualBox should be used - the current version 3.2.10 can be downloaded at http://www.virtualbox.org/wiki/Downloads. The wizard leads you through the steps of the installation process. It should be noted that:
- a temporary deactivation of the network connection is necessary and therefore not unusual
- all necessary drivers should be installed
After a successful installation VirtualBox can be launched and the import of a preconfigured hard disk image can start:
- Datei -> Appliance importieren
- Load the Appliance under Auswählen (see above) (file grass-hru.ovf)
Bild:Import_app.jpg
- Apply the imported configuration of the Appliance and end the import process with Abschließen
Bild:Import_app_2.jpg
- The appliance is being imported...
Bild:Import_app_3.jpg
- ...and will be available through an entry in the VirtualBox main window (GRASS-HRU 1.0)
Bild:Import_app_4.jpg
Installing QuantumGIS
thumb|links|Installation von QunatumGISThe current version of QuantumGIS is available at http://www.qgis.org/wiki/Download. The Standalone Installer is recommended - the download address for version 1.6 is http://qgis.org/downloads/QGIS-OSGeo4W-1.6.0-14615-Setup.exe. Please note: For the HRU derivation the GRASS plug-in for QuantumGIS is not required but it is included in the installer version 1.6. As an alternative, the installer version 1.4 of QuantumGIS can be used, which does not install a GRASS plug-in and therefore reduces the filesize. (http://qgis.org/downloads/QGIS-1.4.0-1-No-GrassSetup.exe)
Installing the Plug-in
To install the actual plug-in for HRU derivation in QuantumGIS the following steps have to be followed:
- Unzip the zip archive hruwps.zip, which has been dowloaded (see above), into the plug-in file of QuantumGIS. According to the QuantumGIS version the folder is called
- ../QuantumGIS/python/plugins or
- ../QuantumGIS/apps/qgis/python/plugins
- start QuantumGIS
- Plugins -> Plugins verwalten
Bild:Qgis_plugin_2.jpg
- Search for HRU WPS-Client in the QGIS Plugin Manager, activate it and confirm with Ok
Bild:Qgis_plugin.jpg
- The tool for HRU derivation can be started by using a separate button in the menu bar
Bild:Qgis_plugin_3.jpg
Preparation
Before starting the HRU derivation, the following steps have to be completed:
- Run the newly created Virtual Appliance with the name "GRASS-HRU 1.0" by double-clicking on the corresponding entry on the VirtualBox window (or the button "Starten"). The following boot process in a separate window has to be carried out completely and can be minimized when the login prompt appears (donot close!). The virtual machine is working in the background during the whole HRU derivation process.
Bild:Start_app_1.jpg
Please note: By entering http://localhost in the address bar of the internet browser you can check if the virtual machine has been successfully started and if a connection with the machine is possible. A website containing the words "It works!" should appear. - Click on Extras -> Netzlaufwerk verbinden in the Windows explorer and enter it as file http://localhost/in. Additionally, you can choose a free hard disk letter, e.g. Z:
Bild:Start_app_2.jpg
All input data should now be stored in this folder. The existing subfolder /gehlberg contains example data for input and result layers. New subfolders for the required input data can be created in the new network folder. - Now the plug-in can be started from QuantumGIS. In order to do so, start QuantumGIS and click on the GRASS-HRU-Icon (see above) - the plug-in for HRU derivation opens. By clicking on the magnifying glass to the right of the address bar a message on successful connection should appear.
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.
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.
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).
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.
Schritt 4: Outlet Watersheds
- Folgende Teilschritte sind für die Berechnung einer Karte der an Pegeln abgeleiteten Teileinzugsgebiete notwendig:
- Pegel- und Gewässernetzkarte ganz nach oben in der Legende verschieben, so dass beide Datensätze sichtbar werden.
- 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:
- Pegel-Layer in der Legende markieren und Vektor-Bearbeitungsmodus 30px von QuantumGIS aktivieren
- Tool zum Verschieben von Vektorpunkten 30px starten und Pegel auf die entsprechenden Gewässerabschnitte verlegen
- Zum Abschluß den Bearbeitungsmodus durch erneutes Klicken auf 30px verlassen und das Speichern der Änderungen bestätigen
- 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.
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.
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.
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.
