Algorithms for surface water networks and their catchments

Netzwerkanalysetools gehören heute zum Standardwerkzeug vieler Geografischer Informationssysteme. Ihr Einsatz erstreckt sich über viele Bereiche. Auch in der Hydrologie, Hydrometrie und im Rahmen der Einzugsgebietebewirtschaftung sowie weiteren verwandten Bereichen bietet sich ihr Einsatz zur Bearbeitung und Analyse von Fluss- und Einzugsgebietsnetzwerken an. Für Auswertungen, wie sie z.B. im Umfeld der EU-Wasserrahmenrichtlinie benötigt werden, sind allerdings noch nicht ausreichend abgestimmte Algorithmen geschaffen oder implementiert worden. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit diesen, auf Fragestellungen der Wasserrahmenrichtlinie abgestimmten Algorithmen. Nach einem einleitenden theoretischen Teil, in dem grundlegende Begriffe erklärt und eine umfassende Erläuterung der Bestandteile eines Fließgewässernetzwerkes inklusive der digitalen Speichermöglichkeiten von Netzwerkstrukturen gegeben wird, folgt ein Abschnitt der sich mit den Fragestellungen an digitale Flussnetzwerke (inkl. deren Einzugsgebiete), wie sie für die Auswertungen für die EU-Wasserrahmenrichtlinie benötigt werden, beschäftigt. Anhand der in diesem Abschnitt erstellten Schlussfolgerungen wurde gezielt nach bereits existierenden GIS-Werkzeugen und Algorithmen gesucht, bzw. versucht fehlende Algorithmen zu ergänzen. In einem weiteren Schritt wurden exemplarisch Algorithmen zur Netzwerkaufbereitung, zur Berechnung von Flussordnungen und zur Datenaggregierung für die verwendete GIS-Software ArcMap mit Hilfe der frei zur Verfügung stehenden Endwicklungsumgebung Eclipse in Form von Java Add-Ins implementiert, welche zukünftige Arbeiten für die Datenaufbereitung und Analyse im Umfeld der EU-Wasserrahmenrichtlinie erleichtern sollen. Dabei wurde besonders darauf geachtet, möglichst lineare Laufzeiten zu erzielen, um mit den großen Datenmengen, wie sie in großen Flussnetzen anfallen, in sinnvoller Zeit Berechnungen durchführen zu können. Als besonders geeigneter Ansatz für die Berechnungen zeigte sich dabei die Tiefensuche (DSF). Anhand eines konkreten Beispiels kann sogar gezeigt werden, dass ein neuer, auf diesem DSF-Ansatz basierender Algorithmus signifikant verbesserte Laufzeiten gegenüber einem in ein bestehendes Werkzeug integrierten Algorithmus erzielt.Network analysis tools belong today among the standard tools in many Geographical Information Systems. Their use has expanded into many areas. In hydrology, hydrometry, in the frame of river basin management and other closely related fields the tools are used for the processing and analysis of river and catchment networks. For evaluations such as for example those that have to be made for reporting and planning purposes in the context of the EU Water Framework Directive (WFD), there are not always sufficiently tuned algorithms created or widely implemented as I could see during my work in this field. This thesis deals with these algorithms that are specially attuned to the problems of the WFD. After an introductory theoretical part, where basic concepts are explained and a comprehensive explanation of the components of a river network, including the digital storage options of network structures is given, there follows a a section which deals with the questions regarding digital river networks (including their catchment areas), as they are needed for the evaluations for the EU Water framework Directive. Based on the conclusions drawn in this section existing GIS tools and algorithms where sought, and it was tried to create still missing algorithms. In a further step algorithms for network processing, the calculation of river systems and data aggregation for the used GIS software ArcMap using the freely available IDE Eclipse [Eclipse 2012] in the form of Java [JAVA SE 6] Add-ins were implemented exemplaryly. They should facilitate future work for data preparation and analysis in the context of the EU Water framework Directive. Here, particular attention was given to achieve runtimes of linear orders, to perform reasonably well with the large amounts of data, as they exist in large river networks. The depth-first search (DSF) proved to be a particularly suitable approach for the calculations. In a concrete example it can even be shown that a new algorithm, based on this DSF approach, improves significantly the runtime when compared to an existing tool's algorithm