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Hochwasserbedingungen analysieren

In der vorherigen Lektion haben Sie eine 3D-Karte von Venedig erstellt und festgestellt, dass die Stadt extrem niedrig gelegen ist. In dieser Lektion berechnen Sie den Prozentsatz des unter Hochwasserbedingungen überschwemmten Stadtgebietes und stellen das Überflutungsszenario in 3D dar.

Zunächst erstellen Sie ein Raster, das überschwemmte Bereiche der Stadt darstellt. Danach berechnen Sie den betroffenen Bereich. Abschließend visualisieren Sie die Überschwemmung anhand Ihrer eigenen Szene aus der vorherigen Lektion.

Einen Überschwemmungs-Raster-Layer erstellen

Um ein Raster der überschwemmten Teile von Venedig zu erstellen, benötigen Sie zwei Werte: die Höhe des Geländes und die Höhe des Hochwasserpegels über dem Meeresspiegel. Das Gelände – das Raster "Venice 1m" – liegt bereits aus der vorherigen Lektion vor. Als Wasserstand verwenden Sie eine Höhe von 1,4 Metern, was laut Definition der Stadt Venedig außergewöhnlich hoch ist. In der Vergangenheit kam es etwa alle vier Jahre zu einem solch außergewöhnlich hohen Wasserstand. Zwischen 2008 und 2014 wurden sechs außergewöhnlich hohe Wasserstände aufgezeichnet, d. h. einer pro Jahr.

Mit diesen Werten verwenden Sie einen mathematischen Ausdruck, um einen Raster-Layer mit überschwemmten und nicht überschwemmten Gebieten zu erstellen. Anschließend entfernen Sie die nicht überschwemmten Gebiete, sodass ein Layer entsteht, der lediglich die überschwemmten Gebiete enthält.

  1. Öffnen Sie bei Bedarf das Projekt Venice Acqua Alta in ArcGIS Pro.
  2. Klicken Sie auf die Registerkarte Map, um zu Ihrer 2D-Karte zurückzukehren.

    Die Registerkarte "Map"

    Um Ihren Überschwemmungs-Layer zu erstellen und dessen Fläche zu berechnen, erstellen Sie weitere Layer als erste Schritte auf dem Weg zum endgültigen Produkt. Um zu vermeiden, dass Ihre Szene durch die Layer unübersichtlich wird, können Sie in Ihrer 2D-Karte arbeiten.

  3. Klicken Sie auf der Registerkarte Analyse in der Gruppe Geoverarbeitung auf Werkzeuge.

    Schaltfläche "Werkzeuge"

  4. Geben Sie im Suchfeld des Bereichs "Geoverarbeitung" Raster berechnen ein. Klicken Sie auf Raster berechnen (Spatial Analyst Tools).

    "Raster berechnen" suchen

    Das Werkzeug "Raster berechnen" wendet einen mathematischen Ausdruck auf ein vorhandenes Raster an, um ein neues Raster zu erstellen. Sie wenden einen Ausdruck auf das Raster "Venice 1m" an, um die Überflutungsfläche zu bestimmen.

  5. Erstellen Sie im Ausdrucksfeld Map Algebra den Ausdruck Venice 1m < 1.4. Um "Venice 1m" zu dem Ausdruck hinzuzufügen, doppelklicken Sie unter Raster auf Venice 1m.
    Hinweis:

    Der Wasserstand in Ihrer Analyse beträgt 1,4 Meter. Hierbei handelt es sich um einen typischen jährlichen Wasserstand der vergangenen Jahre, der zwar ungewöhnlich hoch ist, auf den die Gemeindebehörden jedoch vorbereitet sein sollten. Sie können den Wasserpegel in Ihrer Analyse ändern, indem Sie den Wert in diesem Ausdruck ändern.

    Map Algebra

    Anhand des Ausdrucks wird festgelegt, ob die einzelnen Pixelwerte im Raster "Venice 1m" kleiner als 1,4 (ein Pixelwert, der niedriger ist als der Wasserpegel) oder größer als 1,4 (ein Pixelwert, der höher ist als der Wasserpegel) sind, und wird jedem Pixel der Wert 1 oder 0 zugewiesen.

    Ein Pixel im Raster "Venice 1m" hat beispielsweise einen Wert von 1,2 Metern. Da dieser Wert kleiner ist als 1,4, ist der Ausdruck "wahr" und dem Pixel wird der willkürliche Wert 1 für "wahr" zugewiesen. Wenn der Pixelwert 1,6 Meter beträgt, ist der Ausdruck "falsch" und dem Pixel wird der Wert 0 für "falsch" zugewiesen.

  6. Ändern Sie den Namen des Ausgabe-Rasters in Flood_Calculation und klicken Sie auf Ausführen.

    Der Layer wird der Karte hinzugefügt.

    Hinweis:

    Die Farben des Layers werden nach dem Zufallsprinzip zugewiesen. Die Farben können durch Klicken auf die Symbole unter dem Layer-Namen im Bereich "Inhalt" geändert werden.

  7. Deaktivieren Sie alle Layer, ausgenommen "Flood_Calculation" und die Grundkarte.

    Berechnung für Überschwemmungen

    Pixel im neuen Raster mit dem Wert 1 stellen überschwemmte Regionen dar, während Pixel mit dem Wert 0 Regionen bezeichnen, die nicht überflutet sind. Für Ihre Analyse sind nur überschwemmte Regionen von Bedeutung. Als Nächstes entfernen Sie die Werte für nicht überschwemmte Regionen aus dem Raster, da sie für die Analyse nicht relevant sind.

  8. Klicken Sie im Bereich Geoverarbeitung auf die Schaltfläche Zurück, um zum Suchfeld zurückzukehren.

    Schaltfläche "Zurück"

  9. Löschen Sie die vorhandene Suche und geben Sie Auf NULL setzen ein. Klicken Sie auf Auf NULL setzen (Spatial Analyst Tools).

    "Auf NULL setzen" suchen

    Das Werkzeug "Auf NULL setzen" ändert Pixelwerte in NoData-Werte, die während der Analyse ignoriert werden.

  10. Wählen Sie in den Parametern für Auf NULL setzen unter Eingabe-Bedingungs-Raster Flood_Calculation aus.
  11. Klicken Sie unter Ausdruck auf Klausel hinzufügen.

    Daraufhin wird ein Feld geöffnet, in dem Sie einen Ausdruck erstellen können, um festzulegen, welche Werte durch NULL-Werte ersetzt werden sollen. Sie möchten NULL-Werte entfernen, d. h. Werte, die nicht überschwemmte Gebiete bezeichnen.

  12. Erstellen Sie den Ausdruck Value ist gleich 0 und klicken Sie auf Hinzufügen.

    Abfrage für "Auf NULL setzen"

  13. Wählen Sie unter Eingabe-Raster oder Eingabe-Wert, wenn Bedingung FALSCH Flood_Calculation aus.

    Parameter für "Auf NULL setzen"

    Durch diesen Parameter bleiben Werte, die nicht 0 (in diesem Fall der Wert 1) sind, unverändert.

  14. Ändern Sie den Namen des Ausgabe-Rasters in Flood_Region und klicken Sie auf Ausführen.

    Das Raster wird zu der Karte hinzugefügt.

  15. Deaktivieren Sie im Bereich Inhalt Flood_Calculation, um den Layer auszublenden.

    Überschwemmungsregion

    Dieses Raster weist nur einen Wert auf, der die Regionen angibt, die bei einem Wasserstand von 1,4 Metern überschwemmt sind. Wie viel von Venedig ist also überschwemmt? Offensichtlich ein großer Teil; Sie müssen jedoch zusätzliche Analysen durchführen, um die Fläche zu quantifizieren.

Die überschwemmte Fläche berechnen

Die überschwemmte Fläche entspricht der Zellengröße (ein Quadratmeter) multipliziert mit der Anzahl der Zellen im Raster mit dem Wert 1. Sie können diese Berechnung anhand eines Werkzeugs namens "Zonale Geometrie" ausführen. Mit dem Werkzeug "Zonale Geometrie" wird die Fläche für jede Zone eines Rasters berechnet, wobei eine Zone als Zellen mit demselben Wert definiert ist. Da Sie nur über einen Wert verfügen, gibt es nur eine Zone.

  1. Klicken Sie im Bereich Geoverarbeitung auf die Schaltfläche Zurück, um zum Suchfeld zurückzukehren. Löschen Sie die vorhandene Suche, und geben Sie Zonale Geometrie ein. Klicken Sie auf Zonale Geometrie (Spatial Analyst Tools).

    "Zonale Geometrie" suchen

  2. Wählen Sie in den Parametern für Zonale Geometrie unter Eingabe-Raster- oder -Feature-Zonen-Daten Flood_Region aus.
  3. Ändern Sie den Ausgabe-Raster-Namen in Flood_Statistics, und lassen Sie die anderen Parameter unverändert. Überprüfen Sie, ob Ihre Parameter in etwa wie in folgender Grafik aussehen:

    Parameter für "Zonale Geometrie"

  4. Klicken Sie auf Ausführen.

    Das Raster wird zu der Karte hinzugefügt.

    Der Layer "Zonale Geometrie"

  5. Klicken Sie an einer beliebigen Stelle auf den Layer "Flood_Statistics", um dessen Pop-up anzuzeigen.

    Das Pop-up für Überschwemmungsflächen

    Der Pixelwert gibt die Gesamtfläche der Überschwemmungszone (jedes Pixel hat denselben Wert) an. Der Wert beträgt ca. 7,4 Mio. Quadratmeter bzw. ca. 7,4 Quadratkilometer.

  6. Schließen Sie das Pop-up und speichern Sie das Projekt.

    Die Gesamtfläche von Venedig beträgt etwa 12,9 Quadratkilometer. Wenn Hochwasserstände 1,4 Meter erreichen, stehen ca. drei Fünftel der Stadt (57,3 Prozent) unter Wasser.

Den Layer "Floodwater" erstellen

Sie haben analysiert, welche Fläche von Venedig bei einem bestimmten Wasserstand überschwemmt ist. Als Nächstes modellieren Sie diese Überschwemmung in Ihrer 3D-Karte, um Ihre Analyse mit einer visuellen Komponente zu kombinieren.

  1. Klicken Sie auf die Registerkarte Map_3D, um zu Ihrer Szene zurückzukehren.

    Die Registerkarte "Map_3D"

    In Ihrer Szene wird keiner der Raster-Layer, die Sie in den vorherigen Abschnitten erstellt haben, angezeigt, da Sie sie in der 2D-Karte erstellt und nicht konvertiert haben. Sie werden ohnehin nicht benötigt. Um Wasserstände in 3D zu modellieren, erstellen Sie einen Polygon-Layer und extrudieren ihn.

  2. Klicken Sie im Bereich Geoverarbeitung auf die Schaltfläche Zurück, um zum Suchfeld zurückzukehren. Löschen Sie die vorhandene Suche und geben Sie Raster in Polygon ein. Klicken Sie auf Raster in Polygon (Conversion Tools).

    "Raster in Polygon" suchen

    Mit "Raster in Polygon" wird ein Raster-Layer in einen Polygon-Layer konvertiert, wodurch Ihr Überschwemmungs-Raster in ein Format umgewandelt wird, das extrudiert werden kann.

  3. Klicken Sie in den Parametern für Raster in Polygon auf die Schaltfläche Durchsuchen neben dem Eingabe-Raster.

    Da sich Ihr Überschwemmungs-Raster nicht im Bereich Inhalt befindet, suchen Sie danach, statt es aus einer Liste auszuwählen.

  4. Klicken Sie im linken Bereich des Browserfensters unter Projekt auf Datenbanken. Doppelklicken Sie auf die Datenbank, die denselben Namen hat wie Ihr Projekt (Venice Acqua Alta). Klicken Sie auf den Raster-Layer Flood_Region und dann auf OK.

    Raster suchen

  5. Ändern Sie den Ausgabenamen in Floodwater. Lassen Sie alle anderen Parameter unverändert.

    Parameter für "Raster in Polygon"

  6. Klicken Sie auf Ausführen.

    Der Polygon-Layer wird der Karte hinzugefügt.

    Der Layer "Floodwater"

  7. Speichern Sie das Projekt.

Höhenattributdaten für den Layer "Floodwater" hinzufügen

Der neue Polygon-Layer weist kein Attribut zur Darstellung des Wasserstands auf, das Sie benötigen, um den Layer ordnungsgemäß zu extrudieren. Sie fügen ein neues Attribut zu der Tabelle hinzu, und weisen ihm den richtigen Wert zu.

  1. Klicken Sie im Bereich Inhalt mit der rechten Maustaste auf Floodwater und wählen Sie Attributtabelle aus.

    Attributtabelle

    Der Layer "Floodwater" verfügt über Tausende von Features, die jedes Polygon in dem Layer darstellen.

  2. Klicken Sie oben in der Attributtabelle auf die Schaltfläche Feld hinzufügen.

    Feld hinzufügen

    Die Ansicht Felder wird geöffnet. Hier können Sie die Parameter vorhandener oder neuer Felder bearbeiten.

  3. Geben Sie in das leere Feld am Ende der Liste unter Feldname Height ein. Doppelklicken Sie unter Datentyp auf den vorhandenen Wert und wählen Sie Float aus, um Dezimalstellen für Daten zuzulassen. Lassen Sie die übrigen Parameter unverändert.

    Parameter für "Neues Feld"

  4. Klicken Sie auf dem Menüband auf der Registerkarte Felder auf Speichern.

    Schaltfläche "Speichern"

    Die Änderungen werden gespeichert und das Feld wird zur Tabelle hinzugefügt.

  5. Schließen Sie die Ansicht Felder, um zur Attributtabelle zurückzukehren.

    Das Feld "Height"

    Hinweis:

    Das Feld "Height" kann an einer anderen Stelle in der Tabelle als in der Abbildung oben eingefügt werden.

    Der Layer "Floodwater" verfügt nun über ein Feld zum Speichern der Höhendaten, die Werte sind jedoch NULL. Sie müssen die Werte bearbeiten.

  6. Klicken Sie oben in der Attributtabelle auf die Schaltfläche Feld berechnen.

    Feld berechnen

    Der Bereich Geoverarbeitung wird in dem Werkzeug "Feld berechnen" geöffnet.

  7. Wählen Sie in den Parametern für Feld berechnen unter Feldname den Eintrag Height aus. Geben Sie unter Height = den Wert 1,4 ein.

    Parameter für "Feld berechnen"

  8. Klicken Sie auf Ausführen.

    Die Werte in der Spalte "Höhe" der Attributtabelle werden in 1,4 geändert.

  9. Schließen Sie den Bereich Geoverarbeitung und die Attributtabelle.

Den Layer "Floodwater" extrudieren

Der Layer "Floodwater" verfügt nun über Höhendaten, die extrudiert werden können. Er ist derzeit dennoch ein 2D-Layer, dessen Höhe der Bodenoberfläche statt dem Meeresspiegel entspricht. Da der Wasserstand in Metern über dem Meeresspiegel gemessen wird, müssen Sie diese Einstellung ändern.

  1. Ziehen Sie Floodwater im Bereich Inhalt von 2D Layer in 3D Layer, indem Sie den Layer unter Landmarks platzieren.

    "Floodwater" in 3D

  2. Klicken Sie im Bereich Inhalt mit der rechten Maustaste auf Floodwater und wählen Sie Eigenschaften aus.

    Daraufhin wird das Fenster Layer-Eigenschaften: Floodwater geöffnet.

  3. Klicken Sie im linken Bereich des Fensters auf Höhe. Wählen Sie für Features sind den Eintrag Mit einer absoluten Höhe aus.

    Mit einer absoluten Höhe

    Da der Standardwert für absolute Höhe 0 Meter ist bzw. dem Meeresspiegel entspricht, lassen Sie die anderen Werte unverändert.

  4. Klicken Sie auf OK.

    Nun können Sie die Features für "Floodwater" extrudieren.

  5. Klicken Sie auf der Registerkarte Aussehen in der Gruppe Extrusion auf Typ und wählen Sie Maximale Höhe aus. Wählen Sie im Dropdown-Feld neben Typ den Eintrag Height aus. Lassen Sie den Parameter Einheit unverändert.

    Extrusion

    Der Layer "Floodwater" wird auf die Höhe von 1,4 Meter extrudiert.

Den Layer "Floodwater" symbolisieren

Die Symbolisierung des Layers "Floodwater" ist möglicherweise nicht sehr ansprechend. Sie können dies anpassen und dann Ihre Szene erkunden.

  1. Klicken Sie im Bereich Inhalt auf das Symbol unter Floodwater, um den Bereich Symbolisierung zu öffnen.
  2. Geben Sie im Suchfeld Galerie Wasser ein und drücken Sie die Eingabetaste.

    Der Bereich "Symbolisierung"

    Die Suche gibt mehrere Wassersymbole zurück.

  3. Wählen Sie das Symbol Wasser (Fläche) aus, das Ihnen am besten zusagt.

    Symbolisierte Überschwemmung

  4. Schließen Sie den Bereich Symbolisierung.
  5. Stellen Sie auf der Registerkarte Aussehen in der Gruppe Effekte den Schieberegler Layer-Transparenz auf 50,0 % ein.

    Transparenz

    Durch die Transparenz wird verhindert, dass die anderen Layer vom Layer "Floodwater" überlagert werden.

  6. Erkunden Sie Ihre Szene. Vergrößern Sie die Ansicht und zeigen Sie die mit Wasser überfluteten Strukturen an, z. B. die des Markusplatzes.

    Markusplatz

    Die Stellen, an denen der transparente Überschwemmungs-Layer die Seiten der Strukturen berührt, geben das Überschwemmungsgebiet an. Durch Erkunden der Landmarks und umliegenden Gebiete können Sie mehrere Standorte mit potenziellen Schäden an der Architektur erkennen.

    Beispielsweise der Riva degli Schiavoni:

    Riva degli Schiavoni

    Der Campo Santi Giovanni e Paolo:

    Campo Santi Giovanni e Paolo

    Und die Santa Maria della Salute:

    Santa Maria della Salute

    Hinweis:

    Wenn die extrudierten Strukturen vergrößert werden, sind einige der Landmarks möglicherweise schwer zu erkennen. Sie können den Layer "Structures" deaktivieren oder auf transparent festlegen, um die Navigation zu vereinfachen.

    Welche Landmarks sind nicht von der Überschwemmung betroffen? Welche sind am wenigsten betroffen? Gibt es welche, die gar nicht betroffen sind? Diese Antworten lassen sich anhand Ihrer Szene beantworten.

    Das Modellieren von Überschwemmungen hat viele praktische Aspekte. Zu wissen, wo Strukturen überschwemmt sind, kann Sanierungsmaßnahmen sowie die Minimierung oder Vermeidung von Wasserschäden an historischen Strukturen von Venedig unterstützen. Es kann außerdem Behörden die erforderlichen Informationen liefern, um Fußgängerbrücken zu bauen und einen reibungslosen Verkehr um die Stadt zu gewährleisten. In Kombination mit den analytischen Daten, die Sie zusammengestellt haben, kann Ihre 3D-Karte als wertvolle Hilfe für Anleitungen und Städteplanung fungieren, die Venedig bei der Vorbereitung auf die Hochwasserbedingungen unterstützt, von denen es häufig betroffen ist.

  7. Speichern Sie das Projekt.

In dieser Lektion haben Sie Geoverarbeitungswerkzeuge zum Erstellen eines Überschwemmungs-Rasters verwendet und den Prozentsatz der Fläche von Venedig berechnet, die von der Überschwemmung betroffenen ist. Anschließend haben Sie Ihr Raster in ein Polygon konvertiert, um das potenzielle Ausmaß des durch die Überschwemmung verursachten Schadens aufzuzeigen.

In der nächsten Lektion verleihen Sie Ihrer Szene ein realistischeres Aussehen.