In der Arbeit werden Möglichkeiten des Einsatzes von Digitalen Geländemodellen (DGM) im Kontext des Hochwasserrisikomanagements aufgezeigt, wobei die Anwendung hochauflösender Laserscandaten im Fokus steht. Zunächst wird die Notwendigkeit der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit Hochwassergefahren hervorgehoben. Dies schließt die Betrachtung der Bedeutung von Geodaten (insbesondere DGM) im Hochwasserrisikomanagement ein. Es folgt eine Darstellung der verwendeten Daten, begleitet von einer Zusammenstellung von Methoden zur großflächigen Erfassung des Georeliefs und einer kurzen Einführung in die Hochwassermodellierung. Die wissenschaftlichen Arbeitsziele werden im Kontext eines interdisziplinären Projektes zur Hochwasserrisikoforschung definiert, in welchem DGM erstmals auch als dynamische Komponente des Risikosystems aufgefaßt werden. Die Arbeitsziele umfassen in diesem Zusammenhang die Entwicklung von automatisierten Methoden zur Gewinnung von Informationen über Deiche, insbesondere über deren genaue Lage und Höhe, und zur Modellierung von Deichgeometrien. Nach der Umsetzung und Erprobung der Verfahren in einem Geoinformationssystem wird der Prototyp einer Softwareanwendung vorgestellt, der eine automationsgestützte und nutzerfreundliche Realisierung der entwickelten Methoden erlaubt. Der Teil Deichmodellierung in Digitalen Geländemodellen beschreibt theoretische Grundlagen zur Realisierung eines speziell auf Hochwasserschutzdeiche ausgerichteten Geoinformationssystems. Es wird der Begriff des Digitalen Deichmodells (DDM) eingeführt und dessen Modellstruktur sowie Möglichkeiten zu Datenerfassung und -pflege mittels hochauflösender Laserscan-DGM erläutert. Weiterhin werden bestehende Methoden der Objekterkennung in DGM zum Zweck der Deichdetektion und -extraktion adaptiert und ein neues Verfahren entwickelt, das speziell die geometrischen Spezifika von Deichen berücksichtigt. Mit den vorgestellten Verfahren wird deren weitgehend automatisierte Erfassung und Kartierung ermöglicht. Das DDM wird derart konzipiert, daß sowohl Rückbau, Verlegung als auch die Erhöhung von Deichen im Modell umsetzbar sind. Damit wird letztlich die Simulationsfähigkeit bzw. Veränderlichkeit eines DGM als Basis für Hochwassersimulationen realisiert. Im Kapitel Vereinfachte GIS-basierte Überflutungssimulationen wird ein Konzept zur vereinfachten GIS-basierten Folgenabschätzung von Deichbrüchen vorgestellt. Dafür werden bestimmte Modellannahmen getroffen und zur Überflutungsmodellierung herangezogen. Die Ergebnisse werden im Rahmen der Modellannahmen kritisch als Möglichkeit der Abschätzung von im Extremfall zu erwartenden Wasserständen in Überschwemmungsgebieten bewertet. Nach der Dokumentation der praktischen Umsetzung der vorgestellten Verfahren werden die Ergebnisse diskutiert und Ausblicke zur nötigen bzw. möglichen weiteren Forschungsarbeiten gegeben. Der Anhang der Arbeit enthält Karten und eine Dokumentation des Programms Diketools, das als Prototyp einer Deichmodellierungssoftware implementiert wurde. / This study examines possibilities of using Digital Terrain Models (DTM) in the context of flood risk management. Thereby the focus lies on the application of high-resolution laserscan data. First the necessity of the scientific examination of flood hazards is underlined which implies the consideration of geodata (especially DTM). This is followed by an overview of methods of large-area data acquisition of the earth surface as well as a short introduction into flood modelling. The scientific objectives of this study are defined within the context of a multidisciplinary research project which for the first time considers DTM as a dynamic component in the flood risk system. The objectives resulting from this point of view comprise the development of automated methods of acquiring information on dikes. Here the exact locations of dikelines and their crest levels are of special interest. The modelling of new dike geometries and their implementiation into existing DTM data is also included. Chapter 4 (Deichmodellierung in Digitalen Geländemodellen, engl.: Dike Modelling in Digital Terrain Models) describes the theoretical fundamentals of the realisation of an information system focused on flood protection dikes. Here the term Digital Dike Model (DDM) is introduced. Accordingly its model structure is defined and possibilities of data retrieval and data management by means of high-resolution laserscan terrain models are shown. The detection and extraction of dikes is accomplished by the adaption of existing object-extraction methods. Also a new procedure has been developed which accounts for dike-specific geometrical characterisations. The presented methods enable the automated identification and mapping of dikes. The Digital Dike Model has been designed to allow the removal and relocation of dikes as well as their heightening within the model. Hereby the desired changeability of Digital Terrain Models is realised as a basis for flood simulations. In Chapter 5 (GIS-basierte Überflutungssimulationen, engl.: Simplified GIS-based Flood Modelling) a concept for a simplified estimation of dike-breach induced floodings by means of GIS-based procedures is presented. This implies the definition of certain model assumptions which are adopted when performing flood simulations. The results are discussed and the use of this method for estimating maximum flood impacts is evaluated. These parts of the thesis are followed by the discussion of the results. In the end an outlook for further research is given. The appendix of this work includes maps and a documentation of the Diketools which has been implemented as a prototype of a dike-modelling software.

In der Arbeit werden Möglichkeiten des Einsatzes von Digitalen Geländemodellen (DGM) im Kontext des Hochwasserrisikomanagements aufgezeigt, wobei die Anwendung hochauflösender Laserscandaten im Fokus steht. Zunächst wird die Notwendigkeit der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit Hochwassergefahren hervorgehoben. Dies schließt die Betrachtung der Bedeutung von Geodaten (insbesondere DGM) im Hochwasserrisikomanagement ein. Es folgt eine Darstellung der verwendeten Daten, begleitet von einer Zusammenstellung von Methoden zur großflächigen Erfassung des Georeliefs und einer kurzen Einführung in die Hochwassermodellierung. Die wissenschaftlichen Arbeitsziele werden im Kontext eines interdisziplinären Projektes zur Hochwasserrisikoforschung definiert, in welchem DGM erstmals auch als dynamische Komponente des Risikosystems aufgefaßt werden. Die Arbeitsziele umfassen in diesem Zusammenhang die Entwicklung von automatisierten Methoden zur Gewinnung von Informationen über Deiche, insbesondere über deren genaue Lage und Höhe, und zur Modellierung von Deichgeometrien. Nach der Umsetzung und Erprobung der Verfahren in einem Geoinformationssystem wird der Prototyp einer Softwareanwendung vorgestellt, der eine automationsgestützte und nutzerfreundliche Realisierung der entwickelten Methoden erlaubt. Der Teil Deichmodellierung in Digitalen Geländemodellen beschreibt theoretische Grundlagen zur Realisierung eines speziell auf Hochwasserschutzdeiche ausgerichteten Geoinformationssystems. Es wird der Begriff des Digitalen Deichmodells (DDM) eingeführt und dessen Modellstruktur sowie Möglichkeiten zu Datenerfassung und -pflege mittels hochauflösender Laserscan-DGM erläutert. Weiterhin werden bestehende Methoden der Objekterkennung in DGM zum Zweck der Deichdetektion und -extraktion adaptiert und ein neues Verfahren entwickelt, das speziell die geometrischen Spezifika von Deichen berücksichtigt. Mit den vorgestellten Verfahren wird deren weitgehend automatisierte Erfassung und Kartierung ermöglicht. Das DDM wird derart konzipiert, daß sowohl Rückbau, Verlegung als auch die Erhöhung von Deichen im Modell umsetzbar sind. Damit wird letztlich die Simulationsfähigkeit bzw. Veränderlichkeit eines DGM als Basis für Hochwassersimulationen realisiert. Im Kapitel Vereinfachte GIS-basierte Überflutungssimulationen wird ein Konzept zur vereinfachten GIS-basierten Folgenabschätzung von Deichbrüchen vorgestellt. Dafür werden bestimmte Modellannahmen getroffen und zur Überflutungsmodellierung herangezogen. Die Ergebnisse werden im Rahmen der Modellannahmen kritisch als Möglichkeit der Abschätzung von im Extremfall zu erwartenden Wasserständen in Überschwemmungsgebieten bewertet. Nach der Dokumentation der praktischen Umsetzung der vorgestellten Verfahren werden die Ergebnisse diskutiert und Ausblicke zur nötigen bzw. möglichen weiteren Forschungsarbeiten gegeben. Der Anhang der Arbeit enthält Karten und eine Dokumentation des Programms Diketools, das als Prototyp einer Deichmodellierungssoftware implementiert wurde. / This study examines possibilities of using Digital Terrain Models (DTM) in the context of flood risk management. Thereby the focus lies on the application of high-resolution laserscan data. First the necessity of the scientific examination of flood hazards is underlined which implies the consideration of geodata (especially DTM). This is followed by an overview of methods of large-area data acquisition of the earth surface as well as a short introduction into flood modelling. The scientific objectives of this study are defined within the context of a multidisciplinary research project which for the first time considers DTM as a dynamic component in the flood risk system. The objectives resulting from this point of view comprise the development of automated methods of acquiring information on dikes. Here the exact locations of dikelines and their crest levels are of special interest. The modelling of new dike geometries and their implementiation into existing DTM data is also included. Chapter 4 (Deichmodellierung in Digitalen Geländemodellen, engl.: Dike Modelling in Digital Terrain Models) describes the theoretical fundamentals of the realisation of an information system focused on flood protection dikes. Here the term Digital Dike Model (DDM) is introduced. Accordingly its model structure is defined and possibilities of data retrieval and data management by means of high-resolution laserscan terrain models are shown. The detection and extraction of dikes is accomplished by the adaption of existing object-extraction methods. Also a new procedure has been developed which accounts for dike-specific geometrical characterisations. The presented methods enable the automated identification and mapping of dikes. The Digital Dike Model has been designed to allow the removal and relocation of dikes as well as their heightening within the model. Hereby the desired changeability of Digital Terrain Models is realised as a basis for flood simulations. In Chapter 5 (GIS-basierte Überflutungssimulationen, engl.: Simplified GIS-based Flood Modelling) a concept for a simplified estimation of dike-breach induced floodings by means of GIS-based procedures is presented. This implies the definition of certain model assumptions which are adopted when performing flood simulations. The results are discussed and the use of this method for estimating maximum flood impacts is evaluated. These parts of the thesis are followed by the discussion of the results. In the end an outlook for further research is given. The appendix of this work includes maps and a documentation of the Diketools which has been implemented as a prototype of a dike-modelling software.

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Das aride Tarim-Becken im Nordwesten Chinas unterliegt Umweltveränderungen, die durch rapide Ausbreitung bewässerter Landwirtschaft sowie Klimawandel angetrieben sind. Während im Oberlauf in den letzten 50 Jahren ein Abflussanstieg beobachtet wurde, haben landwirtschaftliche Aktivitäten im Mittel- und Unterlauf zur Wasserknappheit und der drastischen Verkürzung des endorheischen Flusses geführt. Der Abfluss des Tarim, dessen Hauptzufluss der in Kirgistan entspringende Aksu-Fluss darstellt, wird zu einem großen Teil aus Schnee- und Gletscherschmelze in den oberen Gebirgseinzugsgebieten des Tien Shan gespeist. Da die Unterlieger von dem Wasser des Tarim zur Bewässerung in der Landwirtschaft abhängig sind, sind das Wissen über den Beitrag der Gletscherschmelze zum Abfluss sowie das Wissen über mögliche zukünftige Änderungen der Gletschermasse von großer Relevanz. Zahlreiche Studien beschränken sich oftmals nur auf die Betrachtung der Gletscherfläche, deren Änderung jedoch keine direkten Rückschlüsse auf etwaige Massenänderungen zulässt und zudem nur ein indirektes Signal für Klimaänderungen darstellt. Weiterführende Studien, welche zusätzlich Gletschermassenänderungen im Aksu-Einzugsgebiet untersuchen, haben häufig nur lokalen Charakter. Regionale Studien zu Massenänderungen, welche ganze Einzugsgebiete und Gebirgsketten umfassen, finden sich mehrheitlich für die letzte Dekade durch die Verfügbarkeit laseraltimetrischer Höhendaten und gravimetrischer Messungen, wobei letztere durch hohe Unsicherheiten gekennzeichnet sind. Um jedoch Aussagen hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung der Gletscher treffen zu können, widmet sich die Arbeit insbesondere der Untersuchung von Gletschermassenveränderungen seit den 1970er Jahren unter Verwendung deklassifizierter amerikanischer Satellitenbilddaten, SRTM-Daten sowie SPOT-5-Stereodaten. Zur Ableitung geodätischer Gletschermassenbilanzen wurden Daten der Mapping Camera (MC) des Hexagon-Satelliten aus den Jahren 1973–1976 stereoskopisch ausgewertet und mit Daten der SRTM-Mission aus dem Jahr 2000 und SPOT-5-Stereodaten aus dem Jahr 2009 verglichen. Die Ableitung geodätischer Massenbilanzen aus multi-temporalen Geländemodellen erforderte deren Co-Registrierung auf das als SRTM gewählte Master-Modell. In einem zweistufigen Verfahren wurden Verkippungen über eine globale Trendfläche und horizontale Lagefehler über eine analytische Beziehung zwischen Oberflächenneigung, Orientierung und der entsprechenden Höhendifferenz unter Einbeziehung nicht-glazialer Pixel minimiert. Die Eindringtiefe des SRTM-C-Bands wurde mittels ICESat-Daten mit 2,2 m abgeschätzt und bei der Differenzbildung berücksichtigt. Zur Bereinigung der Differenzbilder zwischen den Geländemodellen wurde ein höhenbasierter Ansatz entwickelt, welcher eine abnehmende Varianz der Höhendifferenzwerte vom Ablations- zum Akkumulationsgebiet annimmt. Dieser Ansatz stellt eine deutlich realistischere Annahme im Vergleich zur oftmals verwendeten Nullannahme dar, welche von keinen Veränderungen in den Akkumulationsgebieten ausgeht. Die Gletscher im Aksu-Einzugsgebiet zeigten im Ergebnis einen Massenverlust von 0,35±0,34 m w.e./a im Zeitraum 1975–1999, was dem globalen Durchschnitt für diese Periode entspricht. In den Jahren 1999 bis 2009 wurde indes eine Abnahme des Massenverlusts (0,23±0,19 m w.e./a) festgestellt, was möglicherweise auf eine Zunahme des Niederschlags in der letzten Dekade zurückzuführen ist. Zudem zeigte sich, dass schuttbedeckte Gletscher, deren Schuttauflage ab einer Dicke von etwa 2 cm einen hemmenden Einfluss auf die Abschmelzrate hat, signifikant an Masse verloren haben bei gleichzeitig nur relativ geringer Flächenabnahme. Insgesamt wies die räumliche Verteilung der Massenänderungen eine starke Heterogenität auf, mit zunehmender Tendenz von Osten nach Westen und von den Innen- zu den Außenbereichen des Zentralen Tien Shan. Zusätzlich konnten zahlreiche, zuvor in der Literatur nicht benannte, surgende Gletscher identifiziert werden. Der durch Eismassenverlust induzierte Anteil am Gesamtabfluss des Aksu wurde im Ergebnis mit circa 20% ermittelt. Neben der Oberflächenneigung sind, in einfachen Modellen zur Eisdickenabschätzung, die basale Scherspannung und der Anteil basalen Gleitens an der Oberflächengeschwindigkeit Haupteinflussfaktoren. Anhand gemessener Eisdicken, fernerkundlich abgeleiteter Gletscherfließgeschwindigkeiten und der Oberflächenneigung, als Näherung der Neigung des Gletscherbetts, konnte ein empirischer Zusammenhang zur Abschätzung des Anteils basalen Gleitens abgeleitet werden. Die Eisdickenabschätzung für die vier größten Gletscher des Zentralen Tien Shan erfolgte im weiteren Verlauf durch Anwendung von Glen’s Fließgesetz, unter Annahme laminaren Fließens. Die Ergebnisse weisen für die betrachteten Gletscher mittlere Dicken von 70 m bis 140 m für deren schuttbedeckte Gletscherzungen auf. Diese Werte liegen teilweise deutlich unter denen bisheriger Studien, welche von einer globalen Scherspannung für den gesamten Gletscher oder einem konstanten Anteil basalen Gleitens ausgehen. Im Vergleich zu vorhandenen Eisdickenmessungen konnte durch die lokale Abschätzung der basalen Geschwindigkeit die mittlere Abweichung von zuvor mehr als 200 m auf etwa 50 m reduziert werden. Durch Einbeziehung der in der Arbeit ermittelten geodätischen Gletschermassenbilanzen wurde der relative Volumenverlust seit den 1970er Jahren mit 6% bis 28% quantifiziert, welcher deutlich unter dem schuttfreier Gletscher innerhalb Hochasiens liegt.

Das aride Tarim-Becken im Nordwesten Chinas unterliegt Umweltveränderungen, die durch rapide Ausbreitung bewässerter Landwirtschaft sowie Klimawandel angetrieben sind. Während im Oberlauf in den letzten 50 Jahren ein Abflussanstieg beobachtet wurde, haben landwirtschaftliche Aktivitäten im Mittel- und Unterlauf zur Wasserknappheit und der drastischen Verkürzung des endorheischen Flusses geführt. Der Abfluss des Tarim, dessen Hauptzufluss der in Kirgistan entspringende Aksu-Fluss darstellt, wird zu einem großen Teil aus Schnee- und Gletscherschmelze in den oberen Gebirgseinzugsgebieten des Tien Shan gespeist. Da die Unterlieger von dem Wasser des Tarim zur Bewässerung in der Landwirtschaft abhängig sind, sind das Wissen über den Beitrag der Gletscherschmelze zum Abfluss sowie das Wissen über mögliche zukünftige Änderungen der Gletschermasse von großer Relevanz. Zahlreiche Studien beschränken sich oftmals nur auf die Betrachtung der Gletscherfläche, deren Änderung jedoch keine direkten Rückschlüsse auf etwaige Massenänderungen zulässt und zudem nur ein indirektes Signal für Klimaänderungen darstellt. Weiterführende Studien, welche zusätzlich Gletschermassenänderungen im Aksu-Einzugsgebiet untersuchen, haben häufig nur lokalen Charakter. Regionale Studien zu Massenänderungen, welche ganze Einzugsgebiete und Gebirgsketten umfassen, finden sich mehrheitlich für die letzte Dekade durch die Verfügbarkeit laseraltimetrischer Höhendaten und gravimetrischer Messungen, wobei letztere durch hohe Unsicherheiten gekennzeichnet sind. Um jedoch Aussagen hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung der Gletscher treffen zu können, widmet sich die Arbeit insbesondere der Untersuchung von Gletschermassenveränderungen seit den 1970er Jahren unter Verwendung deklassifizierter amerikanischer Satellitenbilddaten, SRTM-Daten sowie SPOT-5-Stereodaten. Zur Ableitung geodätischer Gletschermassenbilanzen wurden Daten der Mapping Camera (MC) des Hexagon-Satelliten aus den Jahren 1973–1976 stereoskopisch ausgewertet und mit Daten der SRTM-Mission aus dem Jahr 2000 und SPOT-5-Stereodaten aus dem Jahr 2009 verglichen. Die Ableitung geodätischer Massenbilanzen aus multi-temporalen Geländemodellen erforderte deren Co-Registrierung auf das als SRTM gewählte Master-Modell. In einem zweistufigen Verfahren wurden Verkippungen über eine globale Trendfläche und horizontale Lagefehler über eine analytische Beziehung zwischen Oberflächenneigung, Orientierung und der entsprechenden Höhendifferenz unter Einbeziehung nicht-glazialer Pixel minimiert. Die Eindringtiefe des SRTM-C-Bands wurde mittels ICESat-Daten mit 2,2 m abgeschätzt und bei der Differenzbildung berücksichtigt. Zur Bereinigung der Differenzbilder zwischen den Geländemodellen wurde ein höhenbasierter Ansatz entwickelt, welcher eine abnehmende Varianz der Höhendifferenzwerte vom Ablations- zum Akkumulationsgebiet annimmt. Dieser Ansatz stellt eine deutlich realistischere Annahme im Vergleich zur oftmals verwendeten Nullannahme dar, welche von keinen Veränderungen in den Akkumulationsgebieten ausgeht. Die Gletscher im Aksu-Einzugsgebiet zeigten im Ergebnis einen Massenverlust von 0,35±0,34 m w.e./a im Zeitraum 1975–1999, was dem globalen Durchschnitt für diese Periode entspricht. In den Jahren 1999 bis 2009 wurde indes eine Abnahme des Massenverlusts (0,23±0,19 m w.e./a) festgestellt, was möglicherweise auf eine Zunahme des Niederschlags in der letzten Dekade zurückzuführen ist. Zudem zeigte sich, dass schuttbedeckte Gletscher, deren Schuttauflage ab einer Dicke von etwa 2 cm einen hemmenden Einfluss auf die Abschmelzrate hat, signifikant an Masse verloren haben bei gleichzeitig nur relativ geringer Flächenabnahme. Insgesamt wies die räumliche Verteilung der Massenänderungen eine starke Heterogenität auf, mit zunehmender Tendenz von Osten nach Westen und von den Innen- zu den Außenbereichen des Zentralen Tien Shan. Zusätzlich konnten zahlreiche, zuvor in der Literatur nicht benannte, surgende Gletscher identifiziert werden. Der durch Eismassenverlust induzierte Anteil am Gesamtabfluss des Aksu wurde im Ergebnis mit circa 20% ermittelt. Neben der Oberflächenneigung sind, in einfachen Modellen zur Eisdickenabschätzung, die basale Scherspannung und der Anteil basalen Gleitens an der Oberflächengeschwindigkeit Haupteinflussfaktoren. Anhand gemessener Eisdicken, fernerkundlich abgeleiteter Gletscherfließgeschwindigkeiten und der Oberflächenneigung, als Näherung der Neigung des Gletscherbetts, konnte ein empirischer Zusammenhang zur Abschätzung des Anteils basalen Gleitens abgeleitet werden. Die Eisdickenabschätzung für die vier größten Gletscher des Zentralen Tien Shan erfolgte im weiteren Verlauf durch Anwendung von Glen’s Fließgesetz, unter Annahme laminaren Fließens. Die Ergebnisse weisen für die betrachteten Gletscher mittlere Dicken von 70 m bis 140 m für deren schuttbedeckte Gletscherzungen auf. Diese Werte liegen teilweise deutlich unter denen bisheriger Studien, welche von einer globalen Scherspannung für den gesamten Gletscher oder einem konstanten Anteil basalen Gleitens ausgehen. Im Vergleich zu vorhandenen Eisdickenmessungen konnte durch die lokale Abschätzung der basalen Geschwindigkeit die mittlere Abweichung von zuvor mehr als 200 m auf etwa 50 m reduziert werden. Durch Einbeziehung der in der Arbeit ermittelten geodätischen Gletschermassenbilanzen wurde der relative Volumenverlust seit den 1970er Jahren mit 6% bis 28% quantifiziert, welcher deutlich unter dem schuttfreier Gletscher innerhalb Hochasiens liegt.