Kategorie: Preisträger 2015

Zusammenfassung der Arbeit zum B.Sc. Umweltingenieurwesen

„Abschätzung der Wirksamkeit dezentraler Kleinrückhaltebecken
in Oberbayern“

Durch zunehmende ökologische Bedenken im Hochwasserschutz haben dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen an Bedeutung gewonnen, da sie schwerwiegende Eingriffe in die Umwelt vermeiden und verloren gegangenes Rückhaltevermögen der Landschaft wiederherstellen können. Eine besonders effektive Maßnahme sind dezentrale Kleinrückhaltebecken: Ungesteuerte Hochwasserrückhaltebecken an kleinen Gewässern mit einem Beckenvolumen von bis zu 50000 m3. Während bisherige Untersuchungen sich auf das Potential von dezentralen Kleinrückhaltebecken in bestimmten Einzugsgebieten konzentriert haben, ist das Ziel dieser Arbeit die Untersuchung der Wirksamkeit bereits umgesetzter dezentraler Kleinrückhaltebecken in Oberbayern. Zur Quantifizierung ihrer Wirksamkeit wurde ein Rechenmodell entwickelt mit dem sich unterschiedliche Hochwasserereignisse in den Becken simulieren lassen. Die benötigten Eingangsdaten wurden aus Datenbanken, Befragungen zuständiger Behörden und Ingenieurbüros sowie mittels Geoinformationssoftware gewonnen. Die Ergebnisse zur Wirksamkeit der Becken wurden schließlich auf ihre Korrelation mit Kenngrößen des Einzugsgebiets untersucht, wodurch grundlegende Informationen zu geeigneten Standorten gewonnen werden können. Weiterhin beinhaltet die Arbeit eine Literaturrecherche zur Ausführung, Bemessung und Wirkungsweise dezentraler Kleinrückhaltebecken sowie zum aktuellen Forschungsstand.
Verwendetes Rechenmodell
Das Rechenmodell erlaubt die Simulation der Verformung einer Hochwasserwelle beim Passieren eines Kleinrückhaltebeckens. Grundlage für das Rechenmodell bildet die diskretisierte Speichergleichung, welche die zeitliche Änderung des Speichervolumens in Abhängigkeit von Zu- und Abfluss beschreibt. Um die Gleichung iterativ lösen zu können müssen neben der Zuflussganglinie des Hochwasserereignisses auch die Speicherinhaltslinie und die Ausflussbeziehung als beckenspezifische Eigenschaften bekannt sein.
Erhebung der Eingangsdaten
Zur Modellierung der Hochwasserzuflüsse wurden zunächst auf Grundlage eines digitalen Geländemodells die Einzugsgebiete der einzelnen Beckens mithilfe der Geoinformationssoftware ArcMap berechnet. Aus den Gradienten zwischen Nachbarzellen der Rasterdatei kann die Fließrichtung des Wassers bestimmt werden, woraus sich schließlich die Einzugsgebiete der einzelnen Becken ableiten lassen. Die Hochwasserzuflüsse wurden daraufhin aus flächendetailliert vorliegenden
Hochwasserquantilen über das Verhältnis der Einzugsgebietsgrößen errechnet. Zur Anwendung kamen das HQ5, HQ10, HQ50 und HQ100 sowie das HQ100 zuzüglich des in Bayern üblichen Klimafaktors von 15 %, um eventuell steigende Extremniederschläge infolge des Klimawandels zu berücksichtigen. Zur vollständigen Zuflussganglinie sind weiterhin der aus naheliegenden Pegeldaten abgeleitete Basisabfluss und der zeitliche Verlauf der Welle nötig, für den eine dreiecksförmige Ganglinie angenommen wurde. Zur Berechnung der An- und Ablaufzeiten der Ganglinie diente die für Bayern angepasste Kirpich-Formel, welche die maximale Fließlänge sowie die mittlere Steigung des Einzugsgebiets berücksichtigt.
Der Abfluss über den Grundablass ist abhängig vom Wasserstand im Becken und kann mit der hydraulischen Formel nach Torricelli berechnet werden. Dazu wird die Speicherinhaltslinie benötigt, welche die Beziehung zwischen Wasserstand und Speicherinhalt im Becken beschreibt. Aus den bekannten Größen des Beckenvolumens, der Höhe des Absperrbauwerks sowie des Freibords wurde die Speicherinhaltslinie mittels einer Standardform hergeleitet.
Beckenoptimierung
Die Berechnungen mit den vorhandenen Beckeneigenschaften wurden für die Hochwasserereignisse HQ10 und HQ100+Klimafaktor durch weitere Rechenläufe mit optimiertem Grundablass ergänzt. Durch die Anpassung des Grundablasses an das jeweilige Hochwasserereignis lässt sich die maximal mögliche Wirksamkeit der Becken erreichen.
Ergebnisse
Die Wirksamkeit eines Beckens kann durch die Scheitelabminderung ausgedrückt werden, welche die durch das Becken erreichte prozentuale Reduzierung der Abflussspitze angibt. Die Ergebnisse zahlreicher untersuchter Becken deuten dabei auf eine Überdimensionierung sowohl des Beckenvolumens als auch des Grundablasses hin. Eine Unterschätzung der Hochwasserzuflüsse durch die verwendeten Hochwasserquantile konnte durch den Vergleich mit Pegeldaten als mögliche Ursache ausgeschlossen werden. Jedoch führt die Verwendung der Kirpich-Formel zu Hochwasserereignissen mit für konvektive Ereignisse typische geringe Abflussvolumina. Eine direkte Übertragbarkeit der Ergebnisse auf advektive Hochwasserereignisse ist daher nicht gegeben.
Der Zusammenhang zwischen der Wirksamkeit von Becken und Eigenschaften ihrer Einzugsgebiete wurde mithilfe des Korrelationskoeffizienten nach Pearson untersucht. Es konnte eine Korrelation zwischen dem spezifischen Volumen (Verhältnis von Beckenvolumen zu Einzugsgebietsgröße) und der Wirksamkeit der Becken nachgewiesen werden. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem mittleren Gefälle des Einzugsgebiets und der Wirksamkeit der Becken konnte in dieser Arbeit nicht bestätigt werden.

Summary of the Master Thesis

“The Costs of Bus Unreliability”

for M.Sc. transport and logistic

This work deals with the estimation of the costs that passengers experience from travel time unreliability, and extends the methodology to evaluate benefits passengers would experience from improvements in travel time reliability. Absence of such estimate means that it is problematic to include reliability as a factor in an assessment of any public transport improvement proposal. Consequently, the reliability improvement may be delayed or disregarded due to the lack of justification for the costs.

The challenge in measuring and obtaining the value of reliability is largely due to the discrepancies between perception of reliability by passengers and planners. Passenger experience of unreliability includes several ways the reliability translates to their travel components: waiting time, variability of travel time, as well as earliness and lateness at the trip destination. They value improvements in reliability as increased punctuality at work or school. However, such indicators are difficult to use as performance guidance for operators due to the inability to measure and monitor them. Typically, the operators would measure and present reliability by statistics of headway distribution, such as mean headway and variance of headway.

This work aims to translate the change of operational indicators of reliability to change in travel components for passengers like their experienced waiting time, earliness and lateness. To enable this transition, headway data of Singapore buses had to be studied for the goodness-of-fit of statistical distributions. This was successfully accomplished, and best fitting distribution implemented in the translation framework. Having this transition model in place, it is possible to estimate the passenger benefit from improvements of operational indicators, if passenger valuation of travel components is known. The output of this model is condensed in two indicators: Value of Service Headway and Value of Service Reliability, which stand for the passenger benefit from improvements in mean headway and standard deviation of headway respectively. If desired, the indicators can be expressed in monetary terms.

Thus, this work reduces a major obstacle in quantifying and including reliability improvements in project pre-assessment. The framework built in this work can be used to estimate passenger benefits from bus service improvement proposals such as introducing more buses and improving the stability and reducing variability of headways.

Scope: This work addresses the translation process of passenger valuations to operationally useful indicators. It does not include implementation of the methodology, because that would require obtaining passenger valuations of travel components. This goal will be pursued in future work. The adjustment of the framework is done for Singapore bus services, and bus headway distribution is tested in morning peak hours.

Objective: Research objective is development of framework to translate passenger valuations of unreliability into operational indicators. This objective can be separated in two sub-objectives – the choice of utility function for the valuation of reliability from the passenger’s perspective, and the interpretation of the components of the utility function in terms of indicators commonly used in practice.

Approach: The first sub-objective could be addressed by literature research and comparison of existing utility functions for reliability measurement. The second objective required a practical part of distribution testing. Smart card data were used to obtain data about bus headways and statistical methodology was used to test the fit of the data to several distributions, which were selected based on recommendations about suitable distributions for headways from literature. Implementation of the best distribution, as well as sensitivity analysis of results was performed.

Zusammenfassung der Dissertation zum Dr. Ing.

„Reconstruction of Urban Surface Models from Multi-Aspect and Multi-Baseline Interferometric SAR“

Schon seit vielen Jahren wird die SAR-Interferometrie dazu verwendet, die dreidimen-sionale Topographie der Erdoberfläche unabhängig von Wolkenbedeckung und Tages-zeit zu erfassen. Sie gilt deshalb als wertvolles Werkzeug für schnelle Geodatenakquise vor allem in zeitkritischen Szenarien, z.B. bei der zeitnahen Kartierung von Katastro-phenereignissen. Die seitwärtsblickende SAR-Abbildungsgeometrie  führt jedoch insbe-sondere in urbanen Gebieten, wo typischerweise viele erhabene Objekte (z.B. Gebäude oder Bäume) vorhanden sind, zu den störenden Effekten Überlagerung und Radar-schatten: Während vom Überlagerungseffekt betroffene Beobachtungen die Phasen-messungen einzelner Streuer als nicht ohne weiteres auflösbare Signalmischung auftre-ten lassen, enthalten im Radarschatten liegende Auflösungszellen keinerlei brauchbare Phaseninformationen. Dies führt bei der Rekonstruktion von städtischer Topographie zu Ungenauigkeiten, Fehlern und Datenlücken, denen bislang nur mit über längere Zeit-räume gesammelten, großen Stapeln von Satelliten-SAR-Aufnahmen begegnet wird. Dadurch geht natürlich die zeitnahe Datenverfügbarkeit verloren.
Mit dem Ziel, diese Nachteile aufzulösen, ohne auf Zeitreihen multi-temporaler SAR-Daten zurückzugreifen, untersucht die Arbeit „Reconstruction of Urban Surface Models from Multi-Aspect and Multi-Baseline Interferometric SAR“ innovative InSAR-Prozessierungsstrategien zur Rekonstruktion urbaner Oberflächenmodelle unter Ver-wendung von Daten mehrerer Blickrichtungen sowie Basislinien, aufgenommen wäh-rend eines einzigen Überflugs von flugzeuggetragenem SAR.
Der erste Schritt in der Prozessierungskette der Mehrfachbasislinien-SAR-Interferometrie ist typischerweise die Schätzung der komplexen Kovarianzmatrizen aller Pixel im Stapel der koregistrierten kohärenten SAR-Bilder, da diese Matrizen die voll-ständige interferometrische Information der jeweils zugehörigen Auflösungszelle bein-halten. Deshalb ist der erste Beitrag der Doktorarbeit die Vorstellung zweier neuer adap-tiver Verfahren zur Kovarianzmatrix-Schätzung, die speziell für Single-Pass-InSAR-Stapel mit nur wenigen Aufnahmen entworfen wurden, wie sie häufig von flugzeugge-tragenen Sensoren bereit gestellt werden.
Als zweiter Schritt wird ein neuartiger Algorithmus zur SAR-Tomographie beschrieben, der darauf abstellt, überlagerte Streuer zu trennen und die Fokussierung dünnbesetzter dreidimensionaler SAR-Bilder zu ermöglichen.
Als dritter Beitrag wird die Fusion von Multi-Aspekt-InSAR-Daten untersucht. Dabei ist das Ziel Informationen dort aufzufüllen, wo sie in einzelnen Aspekten von Radarschat-ten verdeckt wurden. Dazu wird ein neues Maximum-Likelihood-Schätzverfahren entwi-ckelt, das verwendet wird, um InSAR-Daten mehrerer Aspekte und Basislinien simultan zu fusionieren, um schließlich ein flächendeckendes 2,5D-Höhenmodell zu generieren. Analog dazu wird eine Voxelraum-basierte Fusion von 3D-Punktwolken, welche durch SAR-Tomographie gewonnen wurden, vorgeschlagen.
Alle in der Arbeit beschriebenen Methoden werden mit Hilfe von experimentellen SAR-Daten des flugzeuggetragenen Millimeterwellen-Sensors MEMPHIS untersucht. Sie bestehen aus Single-Pass-Mehrfachbasislinien-InSAR-Stapeln vier komplementärer Blickrichtungen, die jeweils wiederum vier koregistrierte Aufnahmen enthalten. Der Testdatensatz zeigt die Innenstadt von München und dient als Beispiel für komplexe urbane Szenen. Er ist zusammengesetzt aus dichten Gebäudeblocks, isolierten großen Gebäuden, Straßen und vielen Stadtbäumen.
Indem die mit den unterschiedlichen Ansätzen erzielten Rekonstruktionsergebnisse mit einer dichten Laser-Punktwolke abgeglichen werden, kann gezeigt werden, dass mit den entwickelten Methoden eine flächendeckende Rekonstruktion von urbanen Gebie-ten mit Genauigkeiten im Meter- und sogar Submeterbereich möglich ist. Obwohl mittels klassischer Photogrammetrie und Laserscanning noch genauere Ergebnisse möglich sind, konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass auch in Stadtgebieten die Gewinnung von detaillierten 3D Geodaten auf Basis einer interferometrischen Auswertung von SAR-Daten möglich ist, ohne auf Zeitreihen multi-temporaler Aufnahmen zurückzugreifen zu müssen.