---
title: "hyd1d - Vignette (DE)"
author: "Arnd Weber, Marcus Hatz"
date: '`r strftime(Sys.time(), "%d.%m.%Y")`'
bibliography: ../inst/REFERENCES.bib
csl: apa_modified.csl
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output:
  html_vignette:
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    includes:
      in_header: latex/header_DE.tex
      before_body: latex/before_body_DE.tex
    pandoc_args: [
            "--biblatex"
        ]
vignette: |
  %\VignetteIndexEntry{hyd1d - Vignette (DE)} 
  %\VignetteEncoding{UTF-8} 
  %\VignetteEngine{knitr::rmarkdown} 
---
    
```{r setup, include = FALSE}
knitr::opts_chunk$set(
    collapse = TRUE, 
    comment = "#>", 
    fig.align="center", 
    fig.width = 7, 
    fig.height = 4, 
    root.dir = "vignettes"
)
```

<!-- Indent in html version TOC
     obtained from: 
     https://stackoverflow.com/questions/46201753/rmarkdown-indentation-of-toc-items-in-html-output

<script>
$(document).ready(function() {
  $items = $('div#TOC li');
  $items.each(function(idx) {
    num_ul = $(this).parentsUntil('#TOC').length;
    $(this).css({'padding-left': num_ul * 5px, 'box-shadow': none});
  });

});
</script>     -->

```{r language, eval = TRUE, include = FALSE}
# set german language
Sys.setlocale(category = "LC_MESSAGES", locale = "de_DE.UTF-8")
```

<!-- numbering for figures and tables-->
```{r captions, echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
library(hyd1d)
library(stringr)
library(yaml)
library(desc)

# Determine the output format of the document
outputFormat <- knitr::opts_knit$get("rmarkdown.pandoc.to")
if (outputFormat == "html") {
    is_html <- TRUE
} else {
    is_html <- FALSE
}

# Figure and Table Caption Numbering, for HTML do it manually
capTabNo <- 1
capFigNo <- 1

# Function to add the Table Number
capTab <- function(x) {
    if(outputFormat == 'html'){
        x <- paste0("**Tab. ", capTabNo, "**: ", x)
        capTabNo <<- capTabNo + 1
    } else if (outputFormat == 'latex'){
        y <- str_replace_all(x, '(^.*)(\\[.*\\])(\\(.*\\))(.*$)', 
                             '\\1\\\\href{\\3}{\\2}\\4')
        y <- gsub("{(", "{", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        y <- gsub("{[", "{", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        y <- gsub(")}", "}", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        y <- gsub("]}", "}", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        x <- gsub("_", "\\_", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
    }
    return(x)
}

# Function to add the Figure Number
capFig <- function(x) {
    if(outputFormat == 'html'){
        x <- paste0("**Abb. ", capFigNo, "**: ", x)
        capFigNo <<- capFigNo + 1
    } else if (outputFormat == 'latex'){
        y <- str_replace_all(x, '(^.*)(\\[.*\\])(\\(.*\\))(.*$)', 
                             '\\1\\\\href{\\3}{\\2}\\4')
        y <- gsub("{(", "{", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        y <- gsub("{[", "{", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        y <- gsub(")}", "}", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        y <- gsub("]}", "}", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
        x <- gsub("_", "\\_", y, fixed = TRUE, useBytes = TRUE)
    }
    return(x)
}

bf <- function(x) {
    if (outputFormat == 'html') {
        x <- paste0("**", x, "**")
    } else if (outputFormat == 'latex') {
        x <- paste0("\\textbf{", x, "}")
    }
    return(x)
}

href <- function(x, y) {
    if (outputFormat == 'html') {
        x <- paste0("[", x, "](", y, ")")
    } else if (outputFormat == 'latex') {
        x <- paste0("\\href{", y, "}{", x, "}")
    }
    return(x)
}

# Function to simplify linking to references/rd
lrd <- function(x, y) {
    # standard url
    url <- "https://hyd1d.bafg.de"
    
    # url from DESCRIPTION file
    if (file.exists("DESCRIPTION")) {
        url_desc <- description$new("DESCRIPTION")$get_urls()[1]
    }
    
    # url from pkgdown/_pkgdown.yml
    pwd <- Sys.getenv("PWD")
    if (pwd != "") {
        if (file.exists(paste0(pwd, "/pkgdown/_pkgdown.yml"))) {
            url_pkgdown <- yaml.load_file(
                paste0(pwd, "/pkgdown/_pkgdown.yml"))$url
        }
    }
    
    if (exists("url_desc")) {
        url <- url_desc
        if (exists("url_pkgdown")) {
            url <- url_pkgdown
        }
    }
    
    # outputformat latex
    if (knitr::is_latex_output()) {
        if (missing(y)) {
            if (endsWith(x, "()")) {
                x1 <- gsub("()", "", x, fixed = TRUE)
                str <- paste0("[", x, "](", url, "/reference/", x1, ".html)")
            } else {
                str <- paste0("[", x, "](", url, "/reference/", x, ".html)")
            }
        } else {
            str <- paste0("[", x, "](", url, "/reference/", y, ")")
        }
        return(str)
    }
    
    # outputformat html
    if (missing(y)) {
        if (endsWith(x, "()")) {
            # x1 <- gsub("()", "", x, fixed = TRUE)
            str <- paste0("`", x, "`")
        } else {
            str <- paste0("<code>[", x, "](", url, "/reference/", x, ".html)</",
                          "code>")
        }
    } else {
        str <- paste0("<code>[", x, "](", url, "/reference/", y, ")</code>")
    }
    
    return(str)
}
```

<BR>
\newpage

# Das Problem {#problem}

> Wie erhält man Wasserstandsinformationen für einen Punkt oder eine Strecke an
einer Bundeswasserstraße zu einem ausgewählten Zeitpunkt?

## PEGELONLINE {#problem_pegelonline}

Entlang der Bundeswasserstraßen Deutschlands gibt es eine Vielzahl von 
Pegelmessstellen. Diese Messstellen werden überwiegend von der Wasserstraßen- und 
Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) betrieben und liefern Wasserstandsmesswerte 
alle 15 Minuten, in tidebeinflussten Gewässern sogar alle Minute. Für die 
Öffentlichkeit werden die ungeprüften Messdaten zentral gesammelt und über eine 
Webseite bis 30 Tage rückwirkend veröffentlicht:

\begin{center}
\url{https://pegelonline.wsv.de/gast/start}
\end{center}

``` {r link-pegelonline, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;"><a href="https://pegelonline.wsv.de/gast/start" target="_blank">https://pegelonline.wsv.de/gast/start</a></p>')
```


Durch die manuelle Auswahl entsprechender Pegel von
[PEGELONLINE](https://pegelonline.wsv.de/gast/start) 
lassen sich näherungsweise, flussabschnittsbezogene Wasserstandsentwicklungen 
beobachten und bewerten, wie hier an den Pegeln 
[Rosslau](https://pegelonline.wsv.de/gast/stammdaten?pegelnr=501490) und 
[Dessau](https://pegelonline.wsv.de/gast/stammdaten?pegelnr=502000) zu sehen 
ist: 

```{r figure01, echo = FALSE, error = FALSE, fig.cap = capFig("Tagesgemittelte Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau."), fig.show = 'asis', message = FALSE, warning = FALSE}
library(hyd1d)
xlim_min <- 257
xlim_max <- 263
ylim_min <- 53.8
ylim_max <- 55.7
wldf <- WaterLevelDataFrame(river = "Elbe",
                            time = as.POSIXct("2016-12-21"),
                            station = seq(257, 262, 0.1))
wldf1 <- waterLevel(wldf, TRUE)
gs <- getGaugingStations(wldf1)
id <- gs$km_qps >= xlim_min & gs$km_qps <= xlim_max

{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), 
         ylim = c(ylim_min, ylim_max), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "n")
}
```

Exakte Informationen sind allerdings nur für die Pegelstandorte verfügbar, was 
dazu führt, dass beim Risikomanagement im Rahmen der Hochwasservorhersage immer 
Bezug auf relevante Pegelstände genommen wird, und die Rede ist von: 

> Ab einem Wasserstand von X am Pegel Y wird die Schifffahrt eingestellt, werden 
die Flutschutztore geschlossen, etc.

Wo die Wasserspiegellagen entlang der Gewässerachse - also zwischen den Pegeln - 
liegen, läßt sich mittels der lokalen Messdaten von
[PEGELONLINE](https://pegelonline.wsv.de/gast/start) nicht ermitteln. 

---
nocite: | 
  @wsv_pegelonline_2018
...

## FLYS3 {#problem_flys}

### Entwicklung {#problem_flys_entwicklung}

Um diese Informationslücke zu schließen und Wasserstandsinformationen für 
beliebige Orte entlang eines Gewässers zu generieren, wird an der 
[Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)](https://www.bafg.de) seit 1998 an der 
Flusshydrologische Software FLYS gearbeitet. Nach 15 Jahren Entwicklungsarbeit 
wurde im Jahr 2013 mit
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
ein web-basierter Fachdienst veröffentlicht, der es registrierten Nutzern
ermöglicht Wasserstände für beliebige Orte und Strecken für ausgewählte
Abflüsse, bzw. Wasserstände an Pegeln abzuleiten:

\begin{center}
\href{https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html}{FLYS – Flusshydrologischer Webdienst}
\end{center}

``` {r link-flys, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;"><a href="https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html" target="_blank">FLYS3 – Flusshydrologischer Webdienst</a></p>')
```

### Methodik {#problem_flys_methodik}

[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
ist kein hydraulisches Modell, sondern ein Werkzeug zur Verarbeitung und
Interpolation von bestehenden Modellergebnissen. Diese bestehenden
Modellergebnisse sind in der Regel Ergebnisse von 1-dimensionalen hydraulischen
Berechnungen mit dem Modell SOBEK [@deltares_sobek_2018], welche für die
meisten Bundeswasserstraßen bereits vorliegen. Für jeweils 30 stationäre
Abflusszustände, von extremen Niedrigwassern (0,5 * mittleres Niedrigwasser
(**0.5MNQ**)) bis zu extremen Hochwassern (500-jährliches Hochwasser
(**HQ500**)), decken diese Simulationen die gesamte Bandbreite möglicher
hydraulischer Zustände ab.

```{r figure02, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen an der Elbe bei Rosslau und Dessau."), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
flys3_water_levels <- c("0.5MNQ", "MNQ", "0.5MQ", "a", "0.75MQ", "b", "MQ", "c",
                        "2MQ", "3MQ", "d", "e", "MHQ", "HQ2", "f", "HQ5", "g", 
                        "h", "HQ10", "HQ15", "HQ20", "HQ25", "HQ50", "HQ75", 
                        "HQ100", "i", "HQ150", "HQ200", "HQ300", "HQ500")

{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), ylim = c(53, 62), 
         xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    for (a_wl in flys3_water_levels){
        wldf_temp <- waterLevelFlys3(wldf, a_wl)
        if (a_wl %in% c("0.5MNQ", "MNQ", "MQ", "MHQ", "HQ10", "HQ100", "HQ500")){
            lines(wldf_temp$station, wldf_temp$w, lty = 1, col = "darkblue")
            text(262.0, wldf_temp$w[nrow(wldf_temp)], a_wl, pos = 4, cex = 0.6)
        } else {
            lines(wldf_temp$station, wldf_temp$w, lty = 3, lwd = 0.2, 
                  col = "darkblue")
        }
    }
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 53.5, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 61.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 61.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
}
```

An Beispieldaten eines ausgesuchten Tages, dem 21.12.2016, umgeben drei stationäre
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen
die tagesgemittelten Pegelmesswerte von Rosslau und Dessau und lassen erste
visuelle Abschätzungen zu:

```{r figure03, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Ausgewählte stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), ", ", bf("a"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
mq_0.5 <- waterLevelFlys3(wldf, "0.5MQ")
a <- waterLevelFlys3(wldf, "a")
mq_0.75 <- waterLevelFlys3(wldf, "0.75MQ")
mq <- waterLevelFlys3(wldf, "MQ")

{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), 
         ylim = c(ylim_min, ylim_max), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # FLYS
    lines(mq_0.5$station, mq_0.5$w, col = "darkblue")
    lines(a$station, a$w, col = "darkblue")
    lines(mq_0.75$station, mq_0.75$w, col = "darkblue")
    text(262, min(mq_0.5$w), "0.5MQ", pos = 4, cex = 0.6)
    text(262, min(a$w), "a", pos = 4, cex = 0.6)
    text(262, min(mq_0.75$w), "0.75MQ", pos = 4, cex = 0.6)
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "n")
}
```

Für die Berechnung eines Wasserstandes entlang der Gewässerachse eines Flusses
mit Bezug zu einem Wasserstand an einem Pegel sind in der Weboberfläche von
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
mehrere Arbeitsschritte vorzunehmen. Am Beispiel der Elbe zwischen Rosslau und
Dessau für den Tag des 21.12.2016 sind dies:

1. Auswahl des Berechungsmoduls **W-INFO**
2. Auswahl des Gewässers **Elbe**
3. Auswahl der Berechnungsart **Wasserstand/Wasserspiegellage**
4. Festlegung der Berechnungsstrecke von Kilometer **257** bis **262** mit Werten alle **100** m
5. Auswahl des Bezugspegels **Wittenberg**
6. Eingabe des Bezugswasserstandes von **`r getGaugingDataW("WITTENBERG", as.Date("2016-12-21"))`** cm am Bezugspegel (Tagesmittelwert des 21.12.2016)

Diese Eingaben der genannten Daten liefern folgendes Ergebnis:

```{r figure04, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellage an der Elbe bei Rosslau und Dessau bei einem Wasserstand von 174 cm am Pegel Wittenberg (Tagesmittelwert des 21.12.2016)."), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
wldf2 <- waterLevelFlys3InterpolateY(wldf, "WITTENBERG", shiny = TRUE)
wldf3 <- waterLevelFlys3InterpolateY(wldf, "ROSSLAU", shiny = TRUE)
wldf4 <- waterLevelFlys3InterpolateY(wldf, "DESSAU", shiny = TRUE)

{
    plotShiny(wldf2, FALSE, FALSE, FALSE, xlim = c(xlim_min, xlim_max),
              ylim = c(ylim_min, ylim_max))
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "n")
    #text(262.5, 55.5, "Bezugs-\npegel", cex = 0.7)
    text(262, min(wldf2$w), "Bezugspegel\nWITTENBERG", pos = 4, cex = 0.6)
    #text(262, min(wldf3$w), "ROSSLAU", pos = 4, cex = 0.6)
    #text(262, min(wldf4$w), "DESSAU", pos = 4, cex = 0.6)
}
```

### Probleme durch die Auswahl des Bezugspegels {#problem_flys_bezugspegel}

Am Pegel Rosslau ist die Abweichung zwischen gemessenem Wasserstand(
`r getGaugingDataW("ROSSLAU", as.Date("2016-12-21"))` cm
$\widehat{=}$ `r round(gs$wl[2], 2)` m über NHN) und mittels
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
berechnetem Wasserstand (
`r round((wldf2$w[which(wldf2$station == gs$km_qps[2])] - gs$pnp[2]) * 100, 0)`
cm $\widehat{=}$ `r wldf2$w[which(wldf2$station == gs$km_qps[2])]` m über NHN)
gering und beträgt nur
`r - round((wldf2$w[which(wldf2$station == gs$km_qps[2])] - gs$pnp[2]) * 100, 0) + getGaugingDataW("ROSSLAU", as.Date("2016-12-21"))`
cm. Am Pegel Dessau, unterhalb der Mündung der Mulde, beträgt die Abweichung
zwischen gemessenem Wasserstand (
`r getGaugingDataW("DESSAU", as.Date("2016-12-21"))` cm $\widehat{=}$ `r round(gs$wl[3], 2)`
m über NHN)) und mittels [FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
berechnetem Wasserstand (
`r round((wldf2$w[which(wldf2$station == gs$km_qps[3])] - gs$pnp[3]) * 100, 0)`
cm $\widehat{=}$ `r wldf2$w[which(wldf2$station == gs$km_qps[3])]` m über NHN) 
aber bereits
`r - round((wldf2$w[which(wldf2$station == gs$km_qps[3])] - gs$pnp[3]) * 100, 0) + getGaugingDataW("DESSAU", as.Date("2016-12-21"))` cm.

Wendet man nun den
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Algorithmus
zur Interpolation der stationären Wasserspiegellagen mit den relevanten
Bezugspegeln Rosslau und Dessau an und fügt diese der Abbildung hinzu, so
ergibt sich folgendes Bild:

```{r figure05, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen an der Elbe bei Rosslau und Dessau berechnet mittels der Bezugspegel Wittenberg, Rosslau und Dessau."), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plotShiny(wldf2, FALSE, FALSE, FALSE, xlim = c(xlim_min, xlim_max),
              ylim = c(ylim_min, ylim_max))
    polygon(x = c(wldf3$station, rev(wldf4$station)),
            y = c(wldf3$w, rev(wldf4$w)), col = "grey95", border = NA)
    lines(wldf2$station, wldf2$w, lty = 1, col = "darkblue")
    lines(wldf3$station, wldf3$w, lty = 2, col = "darkblue")
    lines(wldf4$station, wldf4$w, lty = 3, col = "darkblue")
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "n")
    text(262.5, 54.7, "Bezugspegel", cex = 0.7)
    text(262, min(wldf2$w), "WITTENBERG", pos = 4, cex = 0.6)
    text(262, min(wldf3$w), "ROSSLAU", pos = 4, cex = 0.6)
    text(262, min(wldf4$w), "DESSAU", pos = 4, cex = 0.6)
}
```

Ganz offensichtlich hat die Wahl des Bezugspegels einen maßgeblichen Einfluss 
auf die Lage der resultierenden Wasserspiegellagen und die Differenzen zwischen 
der höchsten und der niedrigsten der drei Wasserspiegellagen betragen 
`r round(min(abs(wldf3$w - wldf4$w)) * 100, 0)` bis 
`r round(max(abs(wldf3$w - wldf4$w)) * 100, 0)` cm.

Bedingt durch die Stationarität der
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
zu Grunde liegenden SOBEK-Modelle, ist
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
gut geeignet zeitlich gemittelte, langfristige Daten zu verarbeiten. Bei
der Aufstellung der 30 stationären Abflussmodelle wurden Zuflüsse signifikanter 
Nebengewässer ebenso mit stationären, langfristig gemittelten Abflüssen als 
Randbedingungen integriert. In Situationen in denen Nebengewässer mit 
signifikanten Abflussvolumina jedoch stark vom Abflusszustand des 
Hauptgewässers abweichen, kommt die Wasserspiegellagenberechnung mittels
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html), 
die nur von einem Bezugspegel abhängt, an ihre Grenzen. Das wiederum führt zu 
starken Abweichungen im Bereich mehrerer Dezimeter zwischen berechneten 
Wasserspiegellagen und gemessenen Wasserständen.

Im verwendeten Beispiel liegt der Abfluss der Elbe am Pegel Rosslau knapp über 
**0.5MQ** (~200 m^3^/sec). Der Pegel Dessau-Brücke weist die Mulde einen 
relativ hohen Abfluss nahe eines **MQ** auf (~75 m^3^/sec), was unterhalb der 
Mündung dazu führt, dass die stationäre Wasserspiegellage **a** (~272 m^3^/sec) 
der Elbe überschritten wird. Der Wasserstand in Dessau ist somit ca. 30 cm 
höher, als die Wasserstandssituation in Rosslau erwarten ließ. Um derartige 
Effekte durch Instationaritäten aufzufangen und kontinuierliche 
Wasserspiegellagen berechnen zu können, sind also andere Berechnungsmethoden 
notwendig, welche im Folgenden präsentiert werden.

---
nocite: | 
  @bundesanstalt_fur_gewasserkunde_flys_2013; @bundesanstalt_fur_gewasserkunde_flys_2016
...

<BR>

# Die Lösung {#loesung}

Das R-Paket **hyd1d** wurde entwickelt, um die Instationaritäten, die bei der 
Verwendung von
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
Probleme bereiten, zu berücksichtigen und durchgehende, stetige
Wasserspiegellagen für lange Gewässerabschnitte zu berechnen. Dafür 
werden Pegeldaten, die über [PEGELONLINE](https://pegelonline.wsv.de/gast/start)
oder die 
[WISKI7](https://www.bafg.de/DE/3_Beraet/2_Exp_quantitaet/Hydrologie_M1/hydrologie_node.html#vt-sprg-3)-Datenbank
zur Verfügung stehen oder gestellt werden können, mit den stationären 
Wasserspiegellagen von
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
verrechnet.

## Grundlagen {#loesung_grundlagen}

Die grundlegenden Daten, die für die Berechnung von Wasserspiegellagen verwendet
werden, wurden in der Problembeschreibung bereits genannt und verwendet. Dabei 
handelt es sich einerseits um Pegeldaten, andererseits um die Wasserspiegellagen
von [FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html).

### Pegeldaten {#loesung_grundlagen_pegeldaten}

In den Funktionen des Paketes **hyd1d** werden zwei unterschiedliche 
Datenbestände von Pegeldaten verwendet und über Stammdaten verknüpft.

#### PEGELONLINE {#loesung_grundlagen_pegeldaten_pegelonline}

Das Portal [PEGELONLINE](https://pegelonline.wsv.de/gast/start) ermöglicht einen
Zugriff auf **unvalidierte** Pegelmesswerte aller Pegel, die von der
Wasserstraßen- und Schifffahrstverwaltung betrieben werden. Diese Daten sind 
jedoch nur 30 Tage rückwirkend vorhanden und werden dannach vom Server gelöscht.

Der Zugriff auf diese Daten innerhalb von **hyd1d** erfolgt online über die 
PEGELONLINE REST-Schnittstelle, die allen Entwicklern offen steht und gut 
dokumentiert ist:

\begin{center}
\url{https://www.pegelonline.wsv.de/webservice/dokuRestapi}
\end{center}

``` {r link-pegelonline-restapi, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;"><a href="https://www.pegelonline.wsv.de/webservice/dokuRestapi" target="_blank">https://www.pegelonline.wsv.de/webservice/dokuRestapi</a></p>')
```

Entsprechend kodierte Abfragen auf die PEGELONLINE REST-Schnittstelle werden mit
Objekten in JSON-Notation beantwortet, die paketintern weiter verarbeitet 
werden.

#### WISKI7 {#loesung_grundlagen_pegeldaten_wiski}

[WISKI7](https://www.bafg.de/DE/3_Beraet/2_Exp_quantitaet/Hydrologie_M1/hydrologie_node.html#vt-sprg-3), 
die gewässerkundliche Datenbank der WSV, wird durch die BfG betrieben und 
gepflegt. Diese Datenbank enthält **validierte**, teilweise auch historische
Wasserstands- und Abflussdaten für mehrere hundert Pegel der WSV und auch der
Bundesländer. Allerdings sind diese Datenbestände bisher nicht online verfügbar.
Daher wird innerhalb des Pakets **hyd1d** ein Auszug aus der 
[WISKI7](https://www.bafg.de/DE/3_Beraet/2_Exp_quantitaet/Hydrologie_M1/hydrologie_node.html#vt-sprg-3)-Datenbank
mitgeliefert.

Konkret handelt es sich dabei um tagesgemittelte Wasserstandswerte 
für die Pegel entlang des Rheins und der deutschen Binnenelbe seit dem 
01.01.1960. Diese Pegeldaten sind innerhalb des Paketes als `data.frame`-Objekt 
`r lrd("df.gauging_data")` eingebettet und werden paket-intern regelmäßig 
automatisiert aktualisiert (`r lrd("updateGaugingData()")`).

#### Stammdaten {#loesung_grundlagen_pegeldaten_stammdaten}

Um die Daten von [PEGELONLINE](https://pegelonline.wsv.de/gast/start) und aus der
[WISKI7](https://www.bafg.de/DE/3_Beraet/2_Exp_quantitaet/Hydrologie_M1/hydrologie_node.html#vt-sprg-3)-Datenbank
nebeneinander nutzen und verknüpfen zu können, sind Stammdaten notwendig.
Innerhalb des Pakets **hyd1d** ist ein eigener Stammdatensatz vorhanden
(`r lrd("df.gauging_station_data")`), der zentral gepflegt und aktualisiert
wird.

### FLYS3 Wasserspiegellagen {#loesung_grundlagen_flys}

Auch die stationären Wasserspiegellagen für Elbe und Rhein aus
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
sind in das Paket **hyd1d** integriert. Der paket-interne Datensatz
`r lrd("df.flys")` beinhaltet die 30 stationären Wasserspiegellagen für den
Rhein [@hkv_hydrokontor_erstellung_2014] und die Elbe [@busch_einheitliche_2009].
Die räumlichen Auflösung der Daten beträgt im Normalfall 200 m, was 
Wasserspiegellageninformationen an jedem gerade Hektometer entspricht. Alle 
Wasserspiegellageninformationen dazwischen müssen linear interpoliert werden 
(`r lrd("waterLevelFlys3InterpolateX()")`).

## Methodik {#loesung_methodik}

Während die bisher üblichen Verfahren der Abschätzung oder Berechnung von 
Wasserspiegellagen ([PEGELONLINE](#problem_pegelonline) und 
[FLYS3](#problem_flys)) nur einen Bezugspegel haben, verwendet **hyd1d** die 
verfügbaren Pegeldaten aller Pegel auf der zu berechnenden Strecke und die 
nächsten oberhalb und unterhalb gelegenen. An den Pegeln selbst entspricht der 
berechnete Wasserstand den Pegelmesswerten. Zwischen den Pegeln erfolgt eine 
entfernungsabhängige Interpolation anhand der Wasserspiegellagen von
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html).

Insgesamt gliedert sich die Berechnung in fünf Schritte, die im weiteren Verlauf
näher erläutert werden:

1. Bestimmung der relevanten Pegel für den Berechnungsort, bzw. die
Berechnungsstrecke
2. Berechnung der Wasserspiegellagen an den relevanten Pegeln für einen 
gewählten Zeitpunkt
3. Aufteilung der Berechnungsstrecke in Abschnitte, die von jeweils zwei Pegeln 
eingerahmt werden
4. Abschnittsweise Bestimmung, welche
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen
die Wasserspiegellagen an den beiden Pegeln einrahmen
5. Abschnittsweise, entfernungsabhängige Interpolation zwischen den einrahmenden
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen

### Auswahl streckenbezogener Bezugspegel

Für die ausgewählte exemplarische Berechnungsstrecke von Kilometer 257,0 bis 
262,0 an der Elbe sind vier Pegel relevant. Zwei Pegel liegen innerhalb der 
Berechnungsstrecke, nämlich Rosslau und Dessau. Der nächste Pegel stromauf der
Berechnungsstrecke ist Vockerode bei Kilometer 245,0. Der nächste Pegel stromab
der Berechnungsstrecke ist Aken bei Kilometer 274,8.

```{r figure06, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("Relevante Bezugspegel für die Berechnungsstrecke von Kilometer 257 bis 262 an der Elbe bei Rosslau und Dessau."), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(243, 276.8), 
         ylim = c(51, 58), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # berechnungsstrecke
    polygon(x = c(257, 262, 262, 257),
            y = c(50.8, 50.8, 58.2, 58.2),
            col = "grey95", border = NA)
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps, lty = 3, lwd = 0.5)
    text(gs$km_qps[1:2], c(52, 52), gs$gauging_station[1:2], cex = 0.7)
    text(gs$km_qps[3:4], c(57, 57), gs$gauging_station[3:4], cex = 0.7)
    
}
```

### Berechnung der Wasserspiegellagen an den Bezugspegeln

Im folgenden Schritt werden die Pegeldaten für einen gewählten Zeitpunkt 
ermittelt, was in diesem Beispiel der 21.12.2016 ist. Dafür werden die 
Wasserstandswerte (cm) durch 100 dividiert und zu dem jeweiligen Pegelnullpunkt
(PNP in m über Normalhöhennull (NHN)) addiert.

```{r figure07, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("Wasserstände an den relevanten Bezugspegeln für die Berechnungsstrecke von Kilometer 257 bis 262 an der Elbe bei Rosslau und Dessau."), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(243, 276.8), 
         ylim = c(51, 58), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # stretch
    polygon(x = c(257, 262, 262, 257),
            y = c(50.8, 50.8, 58.2, 58.2),
            col = "grey95", border = NA)
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps, lty = 3, lwd = 0.5)
    text(gs$km_qps[1:2], c(52, 52), gs$gauging_station[1:2], cex = 0.7)
    text(gs$km_qps[3:4], c(57, 57), gs$gauging_station[3:4], cex = 0.7)
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps, gs$wl, pch = 21, col = "darkblue", bg = "darkblue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "o", box.col = "white")
    box()
}
```

### Bestimmung der einrahmenden FLYS3-Wasserspiegellagen

Die weiteren Berechnungen erfolgen abschnittsweise, wobei die jeweiligen 
Berechnungsabschnitte jeweils von zwei benachbarten Pegeln eingerahmt werden. 

```{r figure08, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("Berechnungsabschnitte für die Berechnungsstrecke von Kilometer 257 bis 262 an der Elbe bei Rosslau und Dessau."), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(243, 276.8), 
         ylim = c(51, 58), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # stretch
    polygon(x = c(257, 262, 262, 257),
            y = c(50.8, 50.8, 58.2, 58.2),
            col = "grey95", border = NA)
    
    # sections
    for (i in 1:(nrow(gs) - 1)) {
        rect(gs$km_qps[i], 53, gs$km_qps[i + 1], 54, col = "lightblue", border = NA)
        text((gs$km_qps[i] + gs$km_qps[i + 1])/2, 53.5, i, font = 2)
        lines(rep(gs$km_qps[i], 2), c(53, 54), lwd = 2)
        lines(rep(gs$km_qps[i + 1], 2), c(53, 54), lwd = 2)
    }
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps, lty = 3, lwd = 0.5)
    text(gs$km_qps[1:2], c(52, 52), gs$gauging_station[1:2], cex = 0.7)
    text(gs$km_qps[3:4], c(57, 57), gs$gauging_station[3:4], cex = 0.7)
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps, gs$wl, pch = 21, col = "darkblue", bg = "darkblue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "o", box.col = "white")
    box()
}
```

Das bedeutet, dass die Beispielstrecke in drei Berechnungsabschnitte aufgeteilt 
wird:

1. VOCKERODE - ROSSLAU
2. ROSSLAU - DESSAU
3. DESSAU - AKEN

Anhand des zweiten Abschnitts von Rosslau bis Dessau erklärt sich dann auch die 
Selektion der einrahmenden
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen:

```{r figure09, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Ausgewählte stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), 
         ylim = c(ylim_min, ylim_max), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    for (a_wl in flys3_water_levels){
        wldf_temp <- waterLevelFlys3(wldf, a_wl)
        lines(wldf_temp$station, wldf_temp$w, lty = 3, lwd = 0.2, 
              col = "darkblue")
    }
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # FLYS
    i <- which(mq_0.5$station >= gs$km_qps[2] & mq_0.5$station <= gs$km_qps[3])
    lines(mq_0.5$station[i], mq_0.5$w[i], col = "darkblue")
    lines(mq_0.75$station[i], mq_0.75$w[i], col = "darkblue")
    text(261.2, min(mq_0.5$w[i]), "0.5MQ", pos = 4, cex = 0.6)
    text(261.2, min(a$w[i]), "a", pos = 4, cex = 0.6)
    text(261.2, min(mq_0.75$w[i]), "0.75MQ", pos = 4, cex = 0.6)
    
    # legend
    legend("topright", 
           pch = 21, col = "darkblue", pt.bg = "darkblue", pt.cex = 1,
           legend = "Wasserstand", cex = 0.7, bty = "n")
}
```

Die Wasserspiegellage **0.5MQ** ist die höchste
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellage,
die niedriger ist als die Wasserstände an den beiden Pegeln Rosslau und Dessau.
Die Wasserspiegellage **0.75MQ** ist die niedrigste
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellage,
die höher ist als die Wasserstände an den Pegeln. Die Wasserspiegellage **a**,
die zwischen den Wasserspiegellagen **0.5MQ** und **0.75MQ** liegt, wird am
Pegel Rosslau unterschritten, am Pegel Dessau aber überschritten und ist damit
für den folgenden Schritt der Interpolation ungeeignet.

### Interpolation zwischen den einrahmenden FLYS3-Wasserspiegellagen

In einem vorbereitenden Schritt wird nun die relative Lage der gemessenen 
Wasserstände an den Pegeln zu den einrahmenden
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen
**0.5MQ** und **0.75MQ** bestimmt. Die niedrigere Wasserspiegellage **0.5MQ**
erhält dabei das Gewicht 0, die höhere Wasserspiegellage **0.75MQ** das Gewicht 
1. Die Wasserstände an den Pegel liegen im Standardfall zwischen 0 und 1 (0 - 
1 x der Differenz von **0.75MQ** - **0.5MQ**). Nur in Situationen, in denen der 
Wasserstand an einem Pegel höher liegt als die höchste
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellage
HQ500, wird das realtive Gewicht größer als 1. In Situationen, in denen die 
niedrigste 
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellage
0.5MNQ an einem Pegel unterschritten wird, 
kann das relative Gewicht auch negativ werden.

```{r figure10, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Ausgewählte stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau und deren relative Lage zwischen den ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen.")), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), 
         ylim = c(ylim_min, ylim_max), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.52)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # weighting
    text(gs$km_qps[id][1], gs$wl[id][1], round(gs$weight_up[id][1], 2), pos = 4,
         font = 2, col = "darkblue")
    text(gs$km_qps[id][2], gs$wl[id][2], round(gs$weight_do[id][2], 2), pos = 2,
         font = 2, col = "darkblue")
    
    # FLYS
    i <- which(mq_0.5$station >= gs$km_qps[2] & mq_0.5$station <= gs$km_qps[3])
    lines(mq_0.5$station[i], mq_0.5$w[i])
    lines(mq_0.75$station[i], mq_0.75$w[i], col = "red")
    text(261.2, min(mq_0.5$w[i]), "0.5MQ", pos = 4, cex = 0.6)
    text(257.8, max(mq_0.5$w[i]), "0", pos = 2, font = 2)
    text(261.2, min(mq_0.75$w[i]), "0.75MQ", pos = 4, cex = 0.6, col = "red")
    text(257.8, max(mq_0.75$w[i]), "1", pos = 2, font = 2, col = "red")
    
    # legend
    legend("topright", 
           col = c("darkblue", "darkblue", "red", "black"), 
           pch = c(21, NA, NA, NA), 
           pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA), 
           pt.cex = c(1, NA, NA, NA), 
           lty = c(0, 0, 1, 1), 
           legend = c("Wasserstand", "Gewicht", "obere FLYS-WSL", 
                      "untere FLYS-WSL"), 
           text.font = c(1, 2, 1, 1), 
           text.col = c(1, "darkblue", 1, 1),
           cex = 0.7, bty = "n")
}
```

Diese relativen Gewichte an den Pegeln werden über die Strecke zwischen den 
Pegeln linear interpoliert.

```{r figure11, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Relatives Gewicht für die Interpolation der Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau zwischen den ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen ", bf("0.5MQ"), " und ", bf("0.75MQ"), ".")), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), 
         ylim = c(-0.1, 1.1), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "relatives Gewicht")
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], -0.05, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 1.05, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 1.05, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # weighting
    lines(x = c(gs$km_qps[id][1], gs$km_qps[id][2]),
          y = c(gs$weight_up[id][1], gs$weight_do[id][2]))
    points(gs$km_qps[id][1], gs$weight_up[id][1], pch = 21, col = 1, bg = 1)
    points(gs$km_qps[id][2], gs$weight_do[id][2], pch = 21, col = 1, bg = 1)
}
```

Kombiniert man nun die lineare Interpolation des Gewichts zwischen den 
einrahmenden
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen
**0.5MQ** und **0.75MQ** mit den Wasserständen über folgende mathematische
Beziehung:


``` {r formula-latex, eval = !is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('
\\begin{center}
$WSL = WSL_{0.5MQ} + Gewicht * (WSL_{0.75MQ} - WSL_{0.5MQ})$
\\end{center}
')
```

``` {r formula-html, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;">$WSL = WSL_{0.5MQ} + Gewicht * (WSL_{0.75MQ} - WSL_{0.5MQ})$</p>')
```

Dann erhält man für den 2. Abschnitt folgendes Produkt:

```{r figure12, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Interpolierte Wasserspiegellage, ausgewählte stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plot(1, 1, type = "n", xlim = c(xlim_min, xlim_max), 
         ylim = c(ylim_min, ylim_max), xlab = "Flusskilometer (km)", 
         ylab = "H\u00f6he (m \u00fcber NHN (DHHN92))")
    
    # landmarks
    abline(v = gs$km_qps[2:3], lty = 3, lwd = 0.5)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[2], 54, gs$gauging_station[2], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    hyd1d:::.boxed.labels(gs$km_qps[3], 55.5, gs$gauging_station[3], cex = 0.7,
                          border = FALSE)
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # gauging data
    points(gs$km_qps[id], gs$wl[id], pch = 21, col = "darkblue", 
           bg = "darkblue")
    
    # FLYS
    i <- which(mq_0.5$station >= gs$km_qps[2] & mq_0.5$station <= gs$km_qps[3])
    lines(mq_0.5$station[i], mq_0.5$w[i])
    lines(mq_0.75$station[i], mq_0.75$w[i], col = "red")
    lines(wldf1$station[i], wldf1$w[i], col = "darkblue", lwd = 2)
    text(261.2, min(mq_0.5$w[i]), "0.5MQ", pos = 4, cex = 0.6)
    text(261.2, min(mq_0.75$w[i]), "0.75MQ", pos = 4, cex = 0.6, col = "red")
    
    # weighting
    text(gs$km_qps[id][1], gs$wl[id][1], round(gs$weight_up[id][1], 2), pos = 2,
         cex = 0.6, font = 2, col = "darkblue")
    text(gs$km_qps[id][2], gs$wl[id][2], round(gs$weight_do[id][2], 2), pos = 4,
         cex = 0.6, font = 2, col = "darkblue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           col = c("darkblue", "darkblue", "darkblue", "red", "black"), 
           pch = c(21, NA, NA, NA, NA), 
           pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA, NA), 
           pt.cex = c(1, NA, NA, NA, NA), 
           lty = c(0, 0, 1, 1, 1), 
           lwd = c(0, 0, 2, 1, 1),
           legend = c("Wasserstand", "Gewicht", "waterLevel", "obere FLYS-WSL", 
                      "untere FLYS-WSL"), 
           text.col = c(1, "darkblue", 1, 1, 1),
           text.font = c(1, 2, 1, 1, 1),
           cex = 0.7, bty = "n")
}
```

Nach Kombination der Daten aller drei Berechungsabschnitte erhält man folgendes,
finales Produkt:

```{r figure13, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Interpolierte Wasserspiegellage, berechnungsrelevante stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), ", ", bf("a"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), echo = FALSE, error = FALSE, warning = FALSE, message = FALSE}
{
    plotShiny(wldf1, TRUE, TRUE, TRUE, xlim = c(xlim_min, xlim_max),
              ylim = c(ylim_min, ylim_max))
    
    # landmark
    abline(v = 259.6, lty = 3, lwd = 0.5, col = "blue")
    hyd1d:::.boxed.labels(259.6, 55.5, "MULDE", cex = 0.7, border = FALSE,
                          col = "blue")
    
    # legend
    legend("topright", 
           col = c("darkblue", "darkblue", "darkblue", "red", "black"), 
           pch = c(21, NA, NA, NA, NA), 
           pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA, NA), 
           pt.cex = c(1, NA, NA, NA, NA), 
           lty = c(0, 0, 1, 1, 1), 
           lwd = c(0, 0, 2, 1, 1),
           legend = c("Wasserstand", "Gewicht", "waterLevel", "obere FLYS-WSL", 
                      "untere FLYS-WSL"), 
           text.col = c(1, "darkblue", 1, 1, 1),
           cex = 0.7, bty = "n")
    box()
}
```

<BR>

# Anwendung

## Installation und Laden des Paketes

Das Paket **hyd1d** ist auf CRAN verfügbar. Um es zu installieren reicht ein:

```{r install-cran, eval = FALSE}
install.packages("hyd1d")
```

Um die aktuelle Entwicklungsversion von Github zu installieren, müssen folgende
Befehle ausgeführt werden:

```{r install-git, eval = FALSE}
install.packages("devtools")
library(devtools)
devtools::install_github("bafg-bund/hyd1d")
```

Dannach kann das Paket **hyd1d** wie jedes andere installierte R-Paket über 
folgenden Befehl geladen werden:

```{r library, eval = FALSE}
library(hyd1d)
```

## S4-Klasse WaterLevelDataFrame

Grundlage der Wasserspiegellagenberechungen mittels **hyd1d** ist die S4-Klasse
`r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")`.
Um Wasserspiegellagenberechnungen mit einer der
`r lrd("waterLevel...()", "index.html#section-waterlevel-functions")`-Funktionen
durchführen zu können, benötigt man zunächst einen initialisierten 
`r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")`, den man mit
der gleichnamigen `r lrd("WaterLevelDataFrame()")`-Funktion anlegen kann:

```{r wldf, eval = TRUE}
wldf <- WaterLevelDataFrame(river   = "Elbe",
                            time    = as.POSIXct("2016-12-21"),
                            station = seq(257, 262, 0.1))
```

Mindestinformationen, die für das Anlegen eines
`r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")` nötig 
sind, sind die Argumente `river`, `time` und eines der zwei möglichen 
Stationierungsargumente (`station` oder `station_int`). Mit diesen 
Informationen wird ein Object der Klasse 
`r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")` angelegt, 
welches folgende Struktur aufweist:

```{r str-summary, eval = TRUE}
str(wldf)

summary(wldf)
```

Die eigentliche Wasserspiegellageninformation ist im S4-Slot `.Data` enthalten,
bei der es sich um einen `data.frame` handelt, der mindestens die Spalten 
`station`, `station_int` und `w` beinhaltet. Die Spalten `station` und 
`station_int` enthalten eine Stationierungsinformation, die der offiziellen 
Flusskilometrierung der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung entspricht. 
Die Doppelung der Stationierungsinformation ist vorgesehen, um über die Spalte 
`station_int`, welche ein `integer`-Typ hat, zuverlässige Datenbank-Joins zu 
Geodaten machen zu können. Die Spalte `w` beinhaltet den Wasserstand im 
Höhenbezugssystem DHHN92, ist nach der Initialisierung zunächst leer (`NA`) und 
wird durch Anwendung der
`r lrd("waterLevel...()", "index.html#section-waterlevel-functions")`-Funktionen
erst gefüllt.

Für die Verwendung der
`r lrd("waterLevel...()", "index.html#section-waterlevel-functions")`-Funktionen
sind die Informationen der S4-Slots `river` und gegebenenfalls auch `time`
essentiell. Erst sie ermöglichen eine eindeutige Lokalisation der Stationierung
entlang der Elbe und des Rheins und die Festlegung des Berechungszeitpunktes.
Die weiteren Slots eines Objektes der Klasse
`r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")`
werden erst bei einer Wasserspiegellagenberechnung gefüllt und enthalten
Teilergebnisse, die zum Beispiel zur Visualisierung notwendig sind
(`gauging_station`) oder informativen Charakter haben
(`gauging_stations_missing`, `comment`).

## Berechnung von Wasserspiegellagen

### waterLevel

Die zuvor detailliert beschriebene Interpolation von
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen
anhand von Pegeldaten ist in der Funktion `r lrd("waterLevel()")`
implementiert. Diese Funktion nutzt für die Interpolation die Paket-internen
Pegeldaten aus dem Datensatz `r lrd("df.gauging_data")`,
welcher tages-gemittelte Pegeldaten seit dem 01.01.1960 enthält. Daher sind 
Berechungen für den Zeitraum vom 01.01.1960 bis gestern möglich.

Nach der [Initialisierung](#s4-klasse-waterleveldataframe) 
eines Objektes der Klasse `r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")`
ist die Verwendung der Funktion denkbar einfach:

```{r waterlevel-summary, eval = TRUE}
wldf <- waterLevel(wldf)
summary(wldf)
```

Soll das Berechnungsergebnis auch noch mittels `r lrd("plotShiny()")`
visualisiert werden, so sollte zusätzlich noch das Argument `shiny = TRUE` 
genutzt werden:

```{r figure14, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Interpolierte Wasserspiegellage, berechnungsrelevante stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), ", ", bf("a"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserstände vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), eval = TRUE}
wldf <- waterLevel(wldf, shiny = TRUE)
summary(wldf)

xlim_min <- 257
xlim_max <- 263
plotShiny(wldf, TRUE, TRUE, TRUE, xlim = c(xlim_min, xlim_max))
legend("topright", 
       col = c("darkblue", "darkblue", "darkblue", "red", "black"), 
       pch = c(21, NA, NA, NA, NA), 
       pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA, NA), 
       pt.cex = c(1, NA, NA, NA, NA), 
       lty = c(0, 0, 1, 1, 1), 
       lwd = c(0, 0, 2, 1, 1),
       legend = c("Wasserstand", "Gewicht", "waterLevel", "obere FLYS-WSL", 
                  "untere FLYS-WSL"), 
       text.col = c(1, "darkblue", 1, 1, 1),
       cex = 0.7, bty = "n")
```

Dadurch werden zusätzlich zu den Spalten `station`, `station_int` und `w` des 
`.Data`-Slots die Spalten `section`, `weight_x` und `weight_y` angelegt, die 
für das Visualisieren notwendig sind.

### waterLevelPegelonline

Die Funktion `r lrd("waterLevelPegelonline()", "waterLevel.html")` funktioniert 
equivalent zur Funktion `r lrd("waterLevel()")`, greift für 
die Berechung aber auf eine andere Datenquelle für die Pegeldaten zurück, 
nämlich <https://pegelonline.wsv.de/gast/start>. Auf Grund dieser externen
Datenquelle sind Berechnungen auch nur 30 Tage rückwirkend möglich, aber mit
einer hohen zeitlichen Auflösung.

```{r figure15, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Interpolierte Wasserspiegellage, berechnungsrelevante stationäre ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen und Wasserstände vom ", strftime(Sys.time() - 3600, format = "%d.%m.%Y %H:%M")," Uhr an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), eval = hyd1d:::.pegelonline_status()}
# one hour ago
time <- as.POSIXct(Sys.time() - 3600)

# initialize a WaterLevelDataFrame
wldf <- WaterLevelDataFrame(river   = "Elbe",
                            time    = time,
                            station = seq(257, 262, 0.1))

# compute w
wldf <- waterLevelPegelonline(wldf, shiny = TRUE)
summary(wldf)

# and plot the results
plotShiny(wldf, TRUE, TRUE, TRUE, xlim = c(xlim_min, xlim_max))
legend("topright", 
       col = c("darkblue", "darkblue", "darkblue", "red", "black"), 
       pch = c(21, NA, NA, NA, NA), 
       pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA, NA), 
       pt.cex = c(1, NA, NA, NA, NA), 
       lty = c(0, 0, 1, 1, 1), 
       lwd = c(0, 0, 2, 1, 1),
       legend = c("Wasserstand", "Gewicht", "waterLevel", "obere FLYS-WSL", 
                  "untere FLYS-WSL"), 
       text.col = c(1, "darkblue", 1, 1, 1),
       cex = 0.7, bty = "n")
```

### waterLevelFlood1 & waterLevelFlood2

Um die neu entwickelten Funktionen `r lrd("waterLevel()")`
und `r lrd("waterLevelPegelonline()", "waterLevel.html")` mit den existierenden 
Berechnungsmethoden vergleichen zu können, wurde auch die Funktionen 
`r lrd("waterLevelFlood1()")` und `r lrd("waterLevelFlood2()")` implementiert.
Diese Funktionen berechnen Wasserspiegellagen analog zur Flut1- und
Flut2-Methoden der Modellierungsumgebung 
[INFORM](https://www.bafg.de/DE/3_Beraet/4_Exp_oekologie/OekoModelle/oekomodelle_node.html#vt-sprg-3) 
[@rosenzweig_inform_2011]. Dazu wird mittels der Flut1-Methode die
Referenzwasserspiegellage **MQ** vertikal so verschoben, dass sie den
Wasserstandswert am ausgewählten Bezugspegel schneidet, bei der Flut2-Methode 
werden Wasserspiegellagen durch lineare Interpolation umliegender Pegeldaten
berechnet.

```{r figure16-prep}
wldf <- WaterLevelDataFrame(river   = "Elbe",
                            time    = as.POSIXct("2016-12-21"),
                            station = seq(257, 262, 0.1))

wldf1 <- waterLevelFlood1(wldf, "ROSSLAU", shiny = TRUE)
summary(wldf1)

wldf2 <- waterLevelFlood1(wldf, "DESSAU", shiny = TRUE)
summary(wldf2)

wldf3 <- waterLevelFlood2(wldf)
summary(wldf3)
```

```{r figure16, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig("Wasserspiegellagen nach Flut1 mit den Bezugspegeln Rosslau (wldf1) und Dessau (wldf2) und Flut2 (wldf3) für den 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau."), eval = TRUE, echo = FALSE}
df.gs2 <- getGaugingStations(wldf2)

{
    plotShiny(wldf1, FALSE, FALSE, FALSE, xlim = c(xlim_min, xlim_max))
    lines(wldf2$station, wldf2$w, col = "darkblue", lty = 2)
    lines(wldf3$station, wldf3$w, col = "red", lty = 2)
    abline(v = df.gs2$km_qps, lty = 3, lwd = 0.5)
    points(df.gs2$km_qps, df.gs2$wl, pch=21, col="darkblue", bg="darkblue")
    hyd1d:::.boxed.labels(df.gs2$km_qps, 55.4, df.gs2$gauging_station,
                          bg="white", srt = 90, border = FALSE, xpad = 4,
                          ypad = 0.7, cex = 0.7)
    legend("topright", 
           col = c("darkblue", "darkblue", "darkblue", "red"), 
           pch = c(21, NA, NA, NA), 
           pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA), 
           pt.cex = c(1, NA, NA, NA), 
           lty = c(0, 1, 2, 2), 
           lwd = c(0, 1, 1, 1), 
           legend = c("Wasserstand", "wldf1", "wldf2", "wldf3"), 
           cex = 0.7, bty = "n")
}
```

### waterLevelFlys3InterpolateY

Um die neu entwickelten Funktionen `r lrd("waterLevel()")`
und `r lrd("waterLevelPegelonline()", "waterLevel.html")` mit den existierenden 
Berechnungsmethoden von 
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html) 
vergleichen zu können, wurde auch die Funktion 
`r lrd("waterLevelFlys3InterpolateY()")` implementiert. Diese Funktion berechnet
Wasserspiegellagen analog zu der Methode, wie sie im W-Info-Modul von
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)
implementiert ist. Dazu wird die relative Lage des Wasserstandes zu den zwei
einrahmenden
[FLYS3](https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html)-Wasserspiegellagen
an dem ausgewählten Bezugspegel bestimmt und dann für eine Interpolation
zwischen diesen beiden Wasserspiegellagen verwendet.

```{r figure17-prep}
wldf <- waterLevelFlys3InterpolateY(wldf, "ROSSLAU", shiny = TRUE)
summary(wldf)
```

```{r figure17, fig.show = 'asis', fig.cap = capFig(paste0("Wasserspiegellage nach ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), " mit dem Bezugspegel Rosslau für den 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), eval = TRUE, echo = FALSE}
{
    plotShiny(wldf, TRUE, TRUE, TRUE, xlim = c(xlim_min, xlim_max))
    abline(v = df.gs2$km_qps, lty = 3, lwd = 0.5)
    points(df.gs2$km_qps, df.gs2$wl, pch=21, col="darkblue", bg="darkblue")
    hyd1d:::.boxed.labels(df.gs2$km_qps, 55.4, df.gs2$gauging_station,
                          bg="white", srt = 90, border = FALSE, xpad = 4,
                          ypad = 0.7, cex = 0.7)
    legend("topright", 
           col = c("darkblue", "darkblue", "darkblue", "red", "black"), 
           pch = c(21, NA, NA, NA, NA), 
           pt.bg = c("darkblue", NA, NA, NA, NA), 
           pt.cex = c(1, NA, NA, NA, NA), 
           lty = c(0, 0, 1, 1, 1), 
           lwd = c(0, 0, 2, 1, 1),
           legend = c("Wasserstand", "Gewicht", "waterLevel", "obere FLYS-WSL", 
                      "untere FLYS-WSL"), 
           text.col = c(1, "darkblue", 1, 1, 1),
           cex = 0.7, bty = "n")
}
```

### waterLevelFlys3...

Alle weiteren `waterLevelFlys3...`-Funktionen (`r lrd("waterLevelFlys3()")`,
`r lrd("waterLevelFlys3Seq()", "waterLevelFlys3.html")` und
`r lrd("waterLevelFlys3InterpolateX()")`) 
dienen ausschließlich der Aufbereitung und Abfrage von FLYS3-Wasserspiegellagen. 
Sie können verwendet werden, um die Wasserspiegellagen des Datensatzes 
`r lrd("df.flys")` zu extrahieren oder entlang der 
x-Achse zu linear zu interpolieren, was aber keine inhaltliche Veränderung der 
Daten nach sich zieht. Diese Funktionalitäten werden innerhalb **aller** zuvor 
beschriebenen
`r lrd("waterLevel...()", "index.html#section-waterlevel-functions")`-Funktionen
verwendet und hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

<BR>

# Produkte

Im Zusammenhang mit der Entwicklung des vorliegenden R-Paketes **hyd1d** wurden 
verschiedene Datenbestände aufbereitet, bzw. können nun mit Veröffentlichung der
Werkzeuge besser genutzt werden. Im Folgenden findet sich Produkte, die den 
Zugriff auf die den Berechnungsverfahren zu Grunde liegenden Daten vereinfachen 
oder schon berechnete Ergebnisse für die Allgemeinheit verfügbar machen.

## waterLevel

Die `r lrd("waterLevel()")`-Funktion, welche die zentrale 
Funktion des Paketes ist, benötigt für ihre Berechnungen nur die drei 
Eingabeparameter, die zur Initialisierung eines 
`r lrd("WaterLevelDataFrame", "WaterLevelDataFrame-class.html")` notwendig sind.
Das prädestiniert die Funktion dazu eine interaktive Berechnungsapplikation für
die Nutzung im Browser mittels Shiny zu implementieren.

\begin{center}
\url{https://shiny.bafg.de/waterlevel/}
\end{center}

``` {r link-waterlevel, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;"><a href="https://shiny.bafg.de/waterlevel/" target="_blank">https://shiny.bafg.de/waterlevel/</a></p>')
```

```{r figure20, echo = FALSE, fig.cap = capFig(paste0("Screenshot der ", href("waterLevel-ShinyApp", "https://shiny.bafg.de/waterlevel/"), " mit der interpolierten Wasserspiegellage, berechnungsrelevanten stationären ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("0.5MQ"), ", ", bf("a"), " und ", bf("0.75MQ"), ") und Wasserständen vom 21.12.2016 an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), fig.show = 'asis', out.width = "100%", results = 'asis'}
knitr::include_graphics('screenshot_waterLevel.png')
```

## waterLevelPegelonline

Ebenso verhält es sich mit der Funktion 
`r lrd("waterLevelPegelonline()", "waterLevel.html")`. Da die Funktion
die Pegeldaten auch noch über das Internet und nicht aus Paket-internen Daten 
bezieht, ist diese Applikation sehr gut geeignet aktuelle 
Wasserspiegelinformationen auf Anfrage zu generieren.

\begin{center}
\url{https://shiny.bafg.de/waterlevelpegelonline/}
\end{center}

``` {r link-waterlevelpegelonline, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;"><a href="https://shiny.bafg.de/waterlevelpegelonline/" target="_blank">https://shiny.bafg.de/waterlevelpegelonline/</a></p>')
```

```{r figure21, echo = FALSE, fig.cap = capFig(paste0("Screenshot der ", href("waterLevelPegelonline-ShinyApp", "https://shiny.bafg.de/waterlevelpegelonline/"), " mit der interpolierten Wasserspiegellage und den berechnungsrelevanten stationären ", href("FLYS3", "https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html"), "-Wasserspiegellagen (", bf("a"), ", ", bf("0.75MQ"), " and ", bf("0.5MQ"), ") und Wasserständen vom 13.04.2018 11:00 Uhr an der Elbe bei Rosslau und Dessau.")), fig.show = 'asis', out.width = "100%"}
knitr::include_graphics('screenshot_waterLevelPegelonline.png')
```

## hydflood (Überflutungsflächen und -dauern)

Durch Übertragung der Wasserspiegellagen entlang der Gewässerachse auf 
sogenannte Querprofilflächen lassen sich im GIS mittels des R-Paketes hydflood
Überflutungsflächen, bzw. bei Betrachtung längerer Zeiträume auch 
Überflutungsdauern berechnen. Nähere Details zum Berechungsverfahren finden 
sich auf dem Dokumentationsportal von hydflood:

\begin{center}
\url{https://hydflood.bafg.de}
\end{center}

``` {r link-hydflood, eval = is_html, echo = FALSE, results = 'asis'}
cat('<p style="text-align: center;"><a href="https://hydflood.bafg.de" target="_blank">https://hydflood.bafg.de</a></p>')
```

<BR>

# Literatur

