Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e.V. (DKKV)
German Committee for Disaster Reduction
within the International Strategy for Disaster Reduction (ISDR)
Zweites Forum Katastrophenvorsorge 24. – 26. September 2001
Herausgegeben von G. Tetzlaff, T. Trautmann, K. S. Radtke
Bonn und Leipzig 2002
Extreme Naturereignisse Folgen - Vorsorge - Werkzeuge
Zweites Forum Katastrophenvorsorge „Extreme Naturereignisse – Folgen, Vorsorge, Werkzeuge“
Leipzig, 24. – 26. September 2001
Herausgegeben von G. Tetzlaff, T. Trautmann, K. S. Radtke
Bonn und Leipzig 2002
Verantwortlicher Veranstalter des Forums und Herausgeber:
Gerd Tetzlaff, Thomas Trautmann, Kai S. Radtke Institut für Meteorologie der Universität Leipzig Stephanstr. 3 04103 Leipzig
Tel.: 0341/97-32850 Fax: 0341/97-32899 Internet: http://www.uni-leipzig.de/~meteo/ im Auftrag von:
Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e.V. (DKKV) - Der Vorstand - Tulpenweg 4 53113 Bonn
Tel.: 0228-2434-828 Fax: 0228-2434-836 e-mail: [email protected] Internet: http://www.dkkv.org (siehe auch dort unter „Veröffentlichungen“ als PDF-Datei mit farbigen Graphiken und Fotos)
Bonn und Leipzig: April 2002 ISBN: 3-933181-26-7 Alle Rechte des Herausgebers und der Autoren vorbehalten Ó Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e.V. Autorenverzeichnis v
Autoren
M. Aichinger, Research and Exposure Control, PartnerRe Zurich Branch, Bellerivestrasse 35, CH- 8034 Zurich; S. 29 A. Allmann, Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Königinstrasse 107, 80791 München; S. 352 M. Baur, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe (TH), Gotthard-Franz- Str. 3, D-76131 Karlsruhe; S. 337 G. Berz, Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Forschungsgruppe Geowissenschaften, Königinstrasse 107, D-80791 München; S. 253 G. Blöschl, Hydraulik, Gewässerkunde und Wasserwirtschaft, Technische Universität Wien, Karlsplatz 13, A-1040 Wien; S. 269/294 A. Borchert, Alfred Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung, Columbusstrasse, D-27568 Bremerhaven oder Postfach 120161, D-27515 Bremerhaven; S. 428 P. Bormann, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg E428, D-14473 Potsdam; S. 301 M. Börngen, Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Stephanstr. 3, D-04103 Leipzig; S. 103 M. Bostenaru Dan, Institut für Maschinenwesen im Baubetrieb, Universität Karlsruhe (TH), Am Fasanengarten, D-76128 Karlsruhe; S. 128 H. Böttger, Head of Meteorological Division, ECMWF, Shinfeld Park, UK RG29AX Reading; S. 7 P. Braun, Daten- und Rechenzentrum, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg A3, D- 14473 Potsdam; S. 364 S. Braune, Daten- und Rechenzentrum, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg, D-14473 Potsdam; S. 364 J. Brauns, Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik, Abteilung Erddammbau und Deponiebau, Universität Karlsruhe, Engler-Bunte-Ring 14, D-76131 Karlsruhe; S. 218 G. Brüggemann, Landesfeuerwehrschule Schleswig-Holstein, Süderstr. 46, D-24955 Harrislee; S. 72 G. Bürger, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Telegraphenberg A51/5, D-14473 Potsdam; S. 278 L. H. C. Chua, Institut für Bauinformatik der Brandenburgisch Technische Universität Cottbus, Universitätsplatz 3-4, D-03044 Cottbus; S. 286 K. Czurda, Fakultät für Bio- und Geowissenschaften, Universität Karlsruhe (TH), Kaiserstr. 12, D- 76128; S. 189/226 T. Dams, Holzmattenstr. 17, D-79117 Freiburg; S. 53 M. Dees, Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Tennenbachstr. 4, D-79106 Freiburg; S. 421/458 S. Deising, Institut für Psychologie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Postfach 4120, D- 39016 Magdeburg; S. 406 Y. Demirdag, Arbeitsgruppe Katastrophenmedizin, Chirugische Klinik, Hoppe-Seyler-Str. 3, D-72076 Tübingen; S. 136 M. Deutsch, Fachgebiet Geographie, Universität Erfurt, Postfach 900221, D-99105; S. 396 M. Disse, Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Referat „Wassermengen, Wasserstände, Abflussmodelle“, Kaiserin-Augusta-Anlagen 15-17, Postfach 200253, D-56002 Koblenz; S. 269 B. Domres, Arbeitsgruppe Katastrophenmedizin, Chirugische Klinik, Hoppe-Seyler-Str. 3, D-72076 Tübingen; S. 136 P. Ender, Institut für Mathematische Stochastik, Universität Karlsruhe (TH), Englerstrasse 2, D-76128 Karlsruhe; S. 248 A. Fäcke, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe (TH), Gotthard- Franz-Str. 3, D-76131 Karlsruhe; S. 337 vi Autorenverzeichnis
S. Fasoulas, Institut für Luft- und Raumfahrttechnik, Technische Universität Dresden, D-01062 Dresden, S. 43 W. Feck-Yao, Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Stephanstr. 3, D-04103 Leipzig; S. 103 T. M. Fernández-Steeger, Lehrstuhl für Angewandte Geologie, Universität Karlsruhe (TH), Kaiserstr. 12, D-76128; S. 226 J. Friedrich, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 5.1, Telegraphenberg, D-14473 Potsdam; S. 267/352 I. Fritsche, Institut für Psychologie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitäts-Campus (Pfälzer Platz), Gebäude 24, Raum 310, Postfach 4120, D-39016 Magdeburg; S. 406 S. Göbell, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.1: Kinematik und Neotektonik, Telegraphenberg A17, D-14480 Potsdam; S. 318 S. Greiving, Fakultät Raumplanung, Universität Dortmund, August-Schmidt-Str. 10, D-44221 Dortmund; S. 120 C. Gritzner, Institut für Luft- und Raumfahrttechnik, Technische Universität Dresden, D-01062 Dresden; S. 43 G. Grünthal, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg C3, D-14473 Potsdam; S. 311/352 M. Hammer, Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Referat „Wassermengen, Wasserstände, Abflussmodelle“, Kaiserin-Augusta-Anlagen 15-17, Postfach 200253, D-56002 Koblenz; S. 269 G. Hartmuth, Institut für Psychologie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitäts- Campus (Pfälzer Platz), Gebäude 24, Raum 310, Postfach 4120, D-39016 Magdeburg; S. 406 C. Hauck, Graduiertenkolleg Naturkatastrophen, Universität Karlsruhe (TH), Karlstr. 14, D-79104 Karlsruhe; S. 200 F. Heidland, Regierungspräsidium Freiburg, Referat 21, Raumordnung, Kaiser-Joseph-Straße 167, D- 79098 Freiburg i.Br.; S. 65 H. Heinrichs M. A., Programmgruppe "Mensch, Umwelt, Technik", Wissenschafts-, Technik- und Umweltsoziologie, Global-Change-Forschung, Forschungszentrum Jülich, D-52425 Jülich; S. 390 R. L. Herrmanns, Sekretär des Wissenschaftlichen Beirats des DKKV, GeoForschungsZentrum, Telegrafenberg, 14473 Potsdam; S. 1 R. Hidajat, Geographisches Institut, Universität Bonn, Meckenheimer Allee 166, D-53115 Bonn; S. 169/174 P. Hofstee, International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC), P.O. Box 6, NL 7500 AA Enschede; S. 442 D. Hollnack, RWTH Achen, Angewandte Geophysik, Lochstr. 4-20, D-52056 Aachen; S. 312 K. P. Holz, Institut für Bauinformatik, Brandenburgisch Technische Universität Cottbus, Universitätsplatz 3-4, D-03044 Cottbus; S. 286 P. Homagk, Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (LfU), Referat 43, Postfach 210752, D-76157; S. 16 M. Hövel, Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e. V., Postfach 12 06 39, 53048 Bonn; S. 1 M. Hubrig, Freiberuflicher Diplom-Forstwirt und Assessor des Forstdienstes, Röckwitzer Str. 11, D- 49326 Melle; S. 179 M. Jaya, Institut für Maschinenwesen im Baubetrieb, Universität Karlsruhe (TH), Am Fasanengarten, D-76128; S. 200 H. Kahabka, Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert-Ludwigs- Universität Freiburg, Tennenbachstr. 4, D-79106 Freiburg; S. 421 P. Kalmes, Daten- und Rechenzentrum, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg A3, D- 14473 Potsdam; S. 364 H. Karl, Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Carl-Zeiß-Str. 3, 4. Etage, D-07743 Jena, S. 58 H. Kaufmann, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.5 (Fernerkundung), Telegraphenberg A17, D-14473 Potsdam; S. 433/451 Autorenverzeichnis vii
B. Koch, Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Tennenbachstr. 4, D-79106 Freiburg; S. 421/458 M. Koch, Arbeitsgruppe Katastrophenmedizin, Chirugische Klinik, Hoppe-Seyler-Str. 3, D-72076 Tübingen; S. 136 A. Kortenhaus, Abteilung Hydromechanik und Küsteningenieurwesen, Leichtweiss-Institut für Küstenbau, Technische Universität Braunschweig, Postfach 3329, D-38023 Braunschweig; S. 93 C. Kottmeier, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, DFG-Graduiertenkolleg Naurkatastrophen, Universität Karlsruhe (TH)/Forschungszentrum Karlsruhe, Kaiserstr. 12, D-76128 Karlsruhe; S.205/428 M. Kunz, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, DFG-Graduiertenkolleg Naturkatastrophen, Universität Karlsruhe (TH)/Forschungszentrum Karlsruhe, Postfach 3640, D-76128 Karlsruhe; S. 205 V. Linneweber, Institut für Psychologie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitäts- Campus (Pfälzer Platz), Gebäude 24, Raum 308, Postfach 4120, D-39016 Magdeburg; S. 406 S. Mai, Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Universität Hannover, Nienburger Str. 4, D-30187 Hannover; S. 85 H. Maiwald, Bauhaus-Universität Weimar, Erdbebenzentrum am Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Professur Planung von Ingenieurbauten, Marienstr. 7, D-99421 Weimar; S. 325 A. Manger, Arbeitsgruppe Katastrophenmedizin, Chirugische Klinik, Hoppe-Seyler-Str. 3, D-72076 Tübingen; S. 136 H.-J. Markau, Forschungs- und Technologiezentrum Westküste, AG4 Küstengeographie, Hafentörn, D-25761 Büsum; S. 78 L. Menzel, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Telegraphenberg C4, D-14473 Potsdam; S. 278 F. Merting, Institut für Bauinformatik, Brandenburgisch Technische Universität Cottbus, Universitätsplatz 3-4, D-03044 Cottbus; S. 286 B. Merz, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg, D-14473 Potsdam; S. 267/269/294/352 G. W. Michel, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.1: Kinematik und Neotektonik, Telegraphenberg A17, D-14480 Potsdam; S. 318 F. Mie, Daten- und Rechenzentrum, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg A3, D-14473 Potsdam; S. 364 C. Milkereit, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg E428, D-14473 Potsdam; S. 301 M. Mudelsee, Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Stephanstr. 3, D-04103 Leipzig; S. 103 M. Mueller, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.5 (Fernerkundung), Telegraphenberg, D-14473 Potsdam; S. 451 E. A. Mukolwe, World Meteorological Organization, Kenya Meterological Department, P.O. Box No. 30259, Nairobi, Kenya; S. 192 S. Müller-Navarra, Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), Bernhard-Nocht-Strasse 78, D-20359 Hamburg; S. 34 H. Noppel, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Graduiertenkolleg Naturkatastrophen, Universität Karlsruhe (TH), Kaiserstr. 12, D-76128 Karlsruhe; S. 200/213 H. Oumeraci, Abteilung Hydromechanik und Küsteningenieurwesen, Leichtweiss-Institut für Küstenbau, Technische Universität Braunschweig, Postfach 3329, D-38023 Braunschweig; S. 93 M. Özeker, Arbeitsgruppe Katastrophenmedizin, Chirugische Klinik, Hoppe-Seyler-Str. 3, D-72076 Tübingen; S.136 S. Parolai, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg E428, D-14473 Potsdam; S. 301 H. P. Peters, Programmgruppe "Mensch, Umwelt, Technik", Öffentliche Kommunikation über Wissenschaft und Technik, Journalismus, Medienrezeption, Forschungszentrum Jülich, D- 52425 Jülich; S. 390 viii Autorenverzeichnis
T. Plapp, Lehrstuhl für Versicherungswissenschaft, Graduiertenkolleg Naturkatastrophen, Universität Karlsruhe (TH), Kronenstrasse 35, D-76134 Karlsruhe; S. 234 K.-H. Pörtge, Geographisches Institut, Universität Göttingen, Goldschmidtstr. 5, D-37077 Göttingen; S. 396 K. S. Radtke, Leipziger Institut für Meteorologie, Stephanstr. 3, D-04103 Leipzig; S. 344/352 G. Ramminger, Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert-Ludwigs- Universität Freiburg, Tennenbachstr. 4, D-79106 Freiburg; S. 458 M. Raschke, Bauhaus-Universität Weimar, Erdbebenzentrum am Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Professur Planung von Ingenieurbauten, Marienstr. 7, D-99421 Weimar; S. 325/352 H. Rau, Institut für Ernährungswissenschaft, Justus-Liebig-Universität Gießen, Wilhelmstr. 20, D- 35392 Giessen; S. 163 S. Reese, Forschungs- und Technologiezentrum Westküste, AG4 Küstengeographie, Hafentörn, D- 25761 Büsum; S. 78 C. Reigber, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.1: Kinematik und Neotektonik, Telegraphenberg A17, D-14480 Potsdam; S. 318 O. Renn, Akademie für Technikfolgenabschätzung, Bereich „Technik, Gesellschaft, Umweltökonomie“, Industriestr. 5, D-70565 Stuttgart; S. 383 S. Richwalski, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg E421, D-14473 Potsdam; S. 306 S. Roessner, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.5 (Fernerkundung), Telegraphenberg A17, D-14473 Potsdam; S. 433 F. Roth, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg E421, D-14473 Potsdam; S. 306 N. Saidani, Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert-Ludwigs- Universität Freiburg, Tennenbachstr. 4, D-79106 Freiburg; S. 421 A. Sarnagoev, Ministry of Emergency and Environment (MEE), Bishkek, Kyrgyz Republic; S. 433 T. Schaef, Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH, Das-Hammarskjöld- Weg 1-5, D-65726 Eschborn; S. 112 A. Scheuermann, Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik, Abteilung Erddammbau und Deponiebau, Universität Karlsruhe, Engler-Bunte-Ring 14, D-76131 Karlsruhe; S. 218 W. Schluchter, Lehrstuhl für sozialwissenschaftliche Umweltfragen Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik, BTU Cottbus, Erich-Weiner-Str. 1, D-03044 Cottbus, S. 159 C. Schmitt, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungszentrum Karlsruhe/ Universität Karlsruhe, Kaiserstr. 12, D-76128 Karlsruhe; S. 428 J. Schmoeckel, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungszentrum Karlsruhe/ Universität Karlsruhe, Kaiserstr. 12, D-76128 Karlsruhe; S. 428 D. Schwandt, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Kurze Str. 2, D-14473 Potsdam; S. 278 J. Schwarz, Bauhaus-Universität Weimar, Erdbebenzentrum am Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Marienstr. 7, D-99421 Weimar; S. 325/352 W. Steinborn, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Raumfahrtmanagement), Königswinterer Str. 522-524, D-53227 Bonn; S. 409 L. Stempniewski, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe (TH), Gotthard-Franz-Str. 3, D-76131 Karlsruhe; S. 337 R. F. Steurer, Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH, Das- Hammarskjöld-Weg 1-5, D-65726 Eschborn; S. 112 G. Tetzlaff, Leipziger Institut für Meteorologie, Stephanstr. 3, D-04103 Leipzig; S. 103/344 A. Thieken, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.5, Telegraphenberg, D-14473 Potsdam; S. 269/294/352 H. Voss, Geographisches Institut, Universität Bonn, Meckenheimer Allee 166, D-53115 Bonn; S. 169/174 Autorenverzeichnis ix
J. Wächter, Deutscher Dachverband für Geoinformatik, GeoForschungsZentrum Potsdam Telegrafenberg A3, D-14478 Potsdam; S. 364 U. Wagner, Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation, Universität Karlsruhe (TH), Postfach 6980, D-76128 Karlsruhe; S. 242 R. Wahlström, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg C3, D-14473 Potsdam; S. 311 R. Wang, GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegraphenberg E421, D-14473 Potsdam; S. 306 J. Weichselgartner, Geographisches Institut, Universität Bonn, Meckenheimer Allee 166, D-35115 Bonn; S. 150 F. Wenzel, Geophysikalisches Institut, Universität Karlsruhe, Herzstr. 15, D-76187 Karlsruhe; S. 312 H.-U. Wetzel, GeoForschungsZentrum Potsdam, Projektbereich 1.5 (Fernerkundung), Telegraphenberg A17, D-14473 Potsdam; S. 433 D. Williams, Head of Strategy and International Relations, Eumetsat, Am Kavalleriesand 31, D-64295 Darmstadt; S. 372 S. van Dillen, Südasien-Institut, Abt. Geographie, Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 330, D-69120 Heidelberg; S. 143 C. J. van Westen, International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC), P.O. Box 6, NL-7500 AA Enschede; S. 442 N. von Lieberman, Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Universität Hannover, Nienburger Str. 4, D-30187 Hannover; S. 85
Inhalt xi
Inhalt
Summary...... xvii
Vorwort ...... xxiii G. Tetzlaff, Institut für Meteorologie, Universität Leipzig
Grußwort ...... xxiv N. Blüm, Vorsitzender des Deutschen Komitees für Katastrophenvorsorge e.V.
Opening Statement ...... xxv S. Briceño, Director ISDR, Geneva
Dank ...... xxvii
Datenkataloge Naturkatastrophen: DKKV-Internetdatenbanken zu Forschung und Projekten der Katastrophenprävention...... 1 M. Hövel und R. L. Herrmanns
1 Early Warning (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: J. Zschau und W. Kron)
Vorhersage von extremen Wetterlagen und Unwetterereignissen - Möglichkeiten und Anwendungen der Mittelfrist- und Jahreszeitvorhersagen...... 7 H. Böttger
Verlässliche Hochwasservorhersagen zur Vermeidung von Schäden durch rechtzeitige Vorsorgemaßnahmen ...... 16 P. Homagk
Creating an artificial track database for tropical cyclones (TCs) ...... 29 M. Aichinger
Zur Vorhersage schwerer Sturmfluten an der deutschen Nordseeküste ...... 34 S. Müller-Navarra
Katastrophen durch Einschläge von Asteroiden und Kometen ...... 43 C. Gritzner und S. Fasoulas
2 Planung und Katastrophenvorsorge (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: T. Dams)
Planung und Katastrophenvorsorge: Erklärung der Problemstellung und Linienführung ihrer Behandlung ...... 53 T. Dams
xii Inhalt
Rationales raumorientiertes Risikomanagement und Vorsorge gegenüber extremen Naturereignissen...... 58 H. Karl
Aufgaben und Funktion der Regional- und Raumplanung im Zusammenhang mit Hochwasserrisiken...... 65 F. Heidland
Im Spannungsfeld zwischen Schutz und Risiko: Möglichkeiten und Grenzen der Planung am Beispiel des Landes Schleswig-Holstein ...... 72 G. Brüggemann
Naturgefahr und Risikobetrachtung: Sturmflutgefährdung in den Küstenniederungen Schleswig-Holsteins...... 78 H.-J. Markau und S. Reese
Sturmflutrisiko im Küstenraum - ein Entscheidungskriterium in der Raumplanung...... 85 N. von Lieberman und S. Mai
Risk-based Design of Coastal Flood Defences: Concept, Problems and Challenges ...... 93 A. Kortenhaus und H. Oumeraci
Towards predicting catastrophic flood events: an analysis of historical data of rivers Elbe and Oder ...... 103 M. Mudelsee, M. Börngen, G. Tetzlaff und W. Feck-Yao
Reduzierung von Katastrophenrisiken im Rahmen Technischer Zusammenarbeit Katastrophenvorsorge “El Niño” - Piura/Peru ...... 112 T. Schaef und R. F. Steurer
Planung und Katastrophenvorsorge - Verknüpfung über Verfahren und organisatorische Regelungen...... 120 S. Greiving
Wirtschaftlichkeit und Umsetzbarkeit von Gebäudeverstärkungsmaßnahmen zur Erdbebenertüchtigung...... 128 M. Bostenaru Dan
Sekundenmaßnahmen für Bürger und Kommunen im Falle eines Erdbebens...... 136 M. Koch, M. Özeker, Y. Demirdag, A. Manger und B. Domres
3 Vulnerabilität (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: R. Dikau und D. Müller-Mahn)
Naturrisikoforschung und das Konzept der sozialen Verwundbarkeit: Zum Stand der Diskussion...... 143 S. van Dillen
About the Capacity to be Wounded: The Need to link Disaster Mitigation and Sustainable Development ...... 150 J. Weichselgartner Inhalt xiii
Vulnerabilität – interdisziplinär...... 159 W. Schluchter
Vulnerabilität und Ernährung...... 163 H. Rau
Vulnerabilität als Komponente zur Bewertung des Naturrisikos ...... 169 H. Voss und R. Hidajat
Ein Konzept zur Vulnerabilität verdeutlicht am Hochrisikovulkan Merapi auf Java...... 174 R. Hidajat und H. Voss
Tornado- und Downburstschadensskala für Holzgewächse, basierend auf der Skalierung nach TORRO angepasst für Mitteleuropa (TorDACH) ...... 179 M. Hubrig
4 Ergebnisse aus dem Graduiertenkolleg “Naturkatastrophen“ (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: K. Czurda und U. Werner)
Das interdisziplinäre Graduiertenkolleg Naturkatastrophen der Universität Karlsruhe ...... 189 K. Czurda
World Meteorological Organization disaster reduction: WM0’s role ...... 192 E. A. Mukolwe
Interdisciplinary Postgraduate College Natural Disasters...... 200 M. Jaya, C. Hauck und H. Noppel
Starkniederschläge mit langer Andauer über Mittelgebirgen...... 205 M. Kunz und C. Kottmeier
Regionale Verteilung der Windgeschwindigkeit bei Starkwind in topographisch gegliedertem Gelände...... 213 H. Noppel
Die Durchströmung von Flußdeichen in Abhängigkeit von Vorbedingungen ...... 218 A. Scheuermann und J. Brauns
Erkennung von Rutschungsgebieten mit Neuronalen Netzen ...... 226 T. M. Fernández-Steeger und K. Czurda
Erdbeben, Stürme, Hochwasser – unvorhersehbar, unkontrollierbar, schrecklich? Zur Wahrnehmung und Bewertung von Risiken aus extremen Naturereignissen...... 234 T. Plapp
Risikoabschätzung mit Fuzzy Methoden...... 242 U. Wagner
Stochastische Modellierung von Katastrophen-Schäden...... 248 P. Ender xiv Inhalt
Naturkatastrophen im 21. Jahrhundert – Trends und Schadenpotentiale ...... 253 G. Berz
5 Ergebnisse aus dem Deutschen Forschungsnetz Naturkatastrophen (DFNK) (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: J. Friedrich und B. Merz)
Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen ...... 267 B. Merz, J. Friedrich
Vorsorgender Hochwasserschutz im Rheingebiet - welchen Beitrag leistet das DFNK? ...... 269 M. Disse, M. Hammer, B. Merz, A. Thieken und G. Blöschl
Klimaänderungen und Hochwasser: Ergebnisse aus einer DFNK-Studie im Rheingebiet...... 278 L. Menzel, G. Bürger und D. Schwandt
River Inundation Modelling for Risk Analysis ...... 286 L. H. C. Chua, F. Merting und K. P. Holz
Ein probabilistischer Modellansatz zur Abschätzung von Hochwasserrisiken und ihren Unsicherheiten...... 294 A. Thieken, B. Merz und G. Blöschl
Measurements of the fundamental resonance frequency of the sedimentary cover in the Cologne area: contribution to the seismic microzonation...... 301 S. Parolai, P. Bormann und C. Milkereit
A new hybrid method for modelling ground motion...... 306 S. Richwalski, R. Wang und F. Roth
Sensitivity of parameters for probabilistic seismic hazard using a logic tree approach ...... 311 G. Grünthal und R. Wahlström
Abschätzung des Einflusses geologischer Faktoren auf die Schadenswirkungen von Erdbeben im Rheinland...... 312 D. Hollnack und F. Wenzel
Deutschlandweite GPS-basierte Deformationsanalyse als Beitrag zum Deutschen Forschungsnetz Naturkatastrophen (DFNK)...... 318 S. Göbell, G. W. Michel und C. Reigber
Seismische Risikokartierung auf der Grundlage der EMS-98: Fallstudie Ostthüringen...... 325 J. Schwarz, M. Raschke und H. Maiwald
Vulnerabilitätsanalyse von Bauwerken mit erhöhtem Erdbebenrisikopotential ...... 337 A. Fäcke, L. Stempniewski und M. Baur
Modellierung einer Sturmzyklone mit dem Lokal Modell ...... 344 K. S. Radtke und G. Tetzlaff
Inhalt xv
Synopse der Naturgefahren für die Stadt Köln -Eine Strategie- ...... 352 J. Friedrich, G. Grünthal, B. Merz, K. Radtke, M. Raschke, J. Schwarz, A. Thieken und A. Allmann
Das Clearinghouse zur Integration der Datenbestände im DFNK ...... 364 S. Braune, P. Kalmes, F. Mie, P. Braun und J. Wächter An integrated approach to disaster mitigation: The role of Meteosat data & products ...... 372 D. Williams
6 Katastrophenbewußtsein (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: E. Plate und V. Linneweber)
Zur Soziologie von Katastrophen: Bewusstsein, Organisation und soziale Verarbeitung ...... 383 O. Renn
Die Entwicklung von Vorstellungen zu Klimawandel und Naturkatastrophen in der Öffentlichkeit - konzeptionelle und methodische Überlegungen...... 390 H. Heinrichs und H. P. Peters
Die Hochwassermeldeordnung von 1889 - ein Beitrag zur Geschichte des Hochwasserwarn- und Meldedienstes in Mitteldeutschland ...... 396 M. Deutsch und K.-H. Pörtge
Soziale Repräsentationen der Gefährdung Sylts angesichts möglicher Klimaänderungen...... 406 V. Linneweber, G. Hartmuth, S. Deising und I. Fritsche
7 Fernerkundung und Naturkatastrophen (Mitherausgeber und Sitzungsleiter: W. Steinborn)
Entscheidungshilfe aus dem Weltraum: Einführung zu „Fernerkundung und Katastrophen“ ...... 409 W. Steinborn
Sturm Lothar: Schadenserfassung mit optischen Fernerkundungsdaten aus forstlicher Sicht ...... 421 H. Kahabka, M. Dees, B. Koch und N. Saidani
Sturm Lothar: Schadenanalyse und Risikokartierung aus meteorologischer Sicht ...... 428 C. Kottmeier, C. Schmitt, J. Schmoeckel und A. Borchert
Satellite remote sensing for regional assessment of landslide hazard in Kyrgyzstan (Central Asia) ...... 433 S. Roessner, H.-U. Wetzel, H. Kaufmann und A. Sarnagoev
The role of remote sensing and GIS in risk mapping and damage assessment for disasters in urban areas...... 442 C. J. van Westen und P. Hofstee
xvi Inhalt
Satellite-based characterization and inventory of disaster-sensitive elements of the natural and anthropogenic environment...... 451 M. Mueller und H. Kaufmann
STURMMON Schadenserfassung mit Radardaten aus forstlicher Sicht - Erste Ergebnisse ...... 458 G. Ramminger, M. Dees und B. Koch
Summary xvii
Summary of the Second Forum "Disaster Reduction: Extreme Natural Disasters - Impacts, Mitigation, Tools", September 24-26, 2001, Leipzig, Germany
Aim of the Conference
Damage caused by earthquakes, volcanic eruptions, flooding, storm, droughts, fire, avalanches and movements of earth masses have increased worldwide, and the expected global environmental changes give cause to believe that the world population's vulnerability to extreme natural events will increase even more in the future. With its forum the Deutsche Komitee für Katastrophenvorsorge e.V. – DKKV (German Committee for Disaster Reduction), aims to create public awareness of the issue of natural disasters and disaster reduction. It aims to promote a dialogue between science, practical action and politics at national and international levels, and to set up and maintain interdisciplinary networks for disaster reduction across various subjects and different institutions. The forum is staged annually by institutions represented in the scientific committee of the DKKV.
The 2nd forum took place in the University of Leipzig. Apart from the DKKV, other active participants were the Institute for Meteorology at the University of Leipzig, the Postgraduate College of the University of Karlsruhe and the Deutsche Forschungsnetz Naturkatastrophen, GeoForschungsZentrum Potsdam (German Research Network for Natural Disasters). Members of the Institute for Meteorology were in charge of the local organisation of this event. As the follow-up event to the 1st forum, that took place in 2000 in Freiburg, the 2nd forum dealt with the following issues, which were also the general titles of the seven specialist meetings: · Early Warning, · Planning and Disaster Reduction, · Vulnerability, · Results from the Postgraduate College "Natural Disasters", · Results from the German Research Network for Natural Disasters (DFNK), · Disaster Awareness, · Remote Surveillance and Natural Disasters.
There were 200 registered participants for the 2nd forum, and they delivered more than 60 speeches and presented more than 30 posters. This enabled the participants to exchange a wide range of detailed information. The event also met with a remarkable response from the press in the context of the events of September 11, 2001.
Contents of the meeting
The first meeting dealt with the topic Early Warning. The report by BÖTTGER points out the increasingly important role played by national weather forecasting services in providing storm warnings. The standard achieved by numeric weather forecasts in recent years is above all due to the 4-dimensional variation analysis of the input data and the ensemble weather forecasting technique. For storm forecasting the model resolution above all plays an important role. In particular, an improved forecast of unusual weather events can only be achieved in close cooperation with the users. With regard to flood water damage the report by HOMAGK, shows that punctual disaster reduction measures can be effective in preventing immense damage when flood waters start to rise. This requires punctual information for those affected, and this information can be drawn up on the basis of reliable flood forecasts. However, the possibilities and limits of flood forecasts must be taken into consideration. The report by AICHINGER examines the creation of a database for the routes taken by tropical cyclones, based on a method using geographical information systems (GIS). Monte-Carlo simulations enable the development of every storm event to be modelled with a broad spectrum of variations xviii Summary
regarding route, area affected and intensity. According to the report by MÜLLER-NAVARRA, procedures have recently become available which enable a punctual and realistic forecast of the maximum water levels for forecasting severe storm floods on the German North Sea coast. Numerical stimulation models have enabled decisive progress to be made in short-term forecasting of hurricanes and storm floods. However, there is still uncertainty about the physical magnitude of possible storm floods. In future research projects the results of hurricane and storm flood simulations must be linked with extremal value statistics. The report by GRITZNER AND FASOULAS examines disasters which are caused by the impact of asteroids and comets. It points out that the relevance of the danger to our planet has only been fully comprehended during the past ten years. With respect to this issue, the points Collision Probabilities, Impact Consequences, Prevention of Impact and Cost Estimation are examined.
The meeting in Leipzig on Planning and Disaster Reduction attempted to pragmatically draw together the disciplines of disaster reduction and spatial planning/regional planning, which had previously been more or less separated. DAMS referred to this in the introductory speech. Interested parties from both disciplines were called upon to present their projects and working results at the 2nd forum in a form which allowed existing deficits to be detected and new questions to be formulated. The report by KARL examines the rational, spatially-oriented risk management and preventative measures to be taken in order to reduce the impact of extreme natural events. Regions and their locations on the one hand offer social and economic advantages, but on the other hand are exposed to the dangers of extreme natural events. The cost-benefit analysis is presented here as a basis for rational risk management. The contribution by HEIDLAND outlines the possibilities of spatial planning for preventative measures to reduce the impact of flood risks. It explains the term spatial planning and the possibilities for different levels of spatial action planning in protection against flooding. In particular public relations work is intended to heighten the awareness of policymakers for protection against flood waters. The contribution by BRÜGGEMANN explains the area of tension between protection and risk, which has always epitomised the history of the Land of Schleswig-Holstein. Disaster reduction planning in the current sense of the term describes disaster reduction with respect to protective measures against existing risks. However, up to now there is no disaster protection planning incorporating future- oriented planning. MARKAU AND REESE address the problem of natural hazard and risk assessment with respect to the danger of storm floods in the coastal lowlands of Schleswig-Holsteins. The integrated coast protection management of Schleswig-Holstein is explained, where it will become increasingly important in future to encourage the participation and awareness of the local population. In addition the authors come to the conclusion that there is still need for further investigations on risk evaluation and risk management. VON LIEBERMAN AND MAI treat the storm flood risk in the coastal region as a decisive criterion in spatial planning. The integration of the investigation results in the risk analysis presents the opportunity of ascertaining the possible consequences of climate changes and the related rise in the water level. KORTENHAUS AND OUMERACI report on concepts, problems and challenges of a risk-based design for coastal flood defences. They stress that the implementation of the risk analysis requires the prediction of flood risk, the evaluation of the acceptable flood risk, and the evaluation of a flood risk scale obtained by comparison of the latter two risks. MUDELSEE ET AL. present an analysis of historical data of the rivers Elbe and Oder to predict catastrophic flood events employing kernel functions to estimate time-dependent occurrences rates. Future developments will include differentiation of winter versus summer floods, magnitude classification and an extension of the data coverage from 1851 to the present. In their contribution SCHAEF AND STEURER examine the reduction of disaster risks within the framework of technical cooperation, using the example of disaster reduction for El Niño. In Latin America disaster risk management is now theoretically fairly widespread and is used in Piura at least. However, it is necessary for this concept to be transferred to other partner countries. This process has only just begun and must be consistently further pursued. GREIVING reports about using procedures and organisational rules for linking planning and disaster reduction. Spatial planning has the potential to be an important factor for reducing disaster vulnerability. To achieve this potential, the coordination of the aims of spatial planning and several Summary xix
sectoral planning divisions with spatial tasks is required. BOSTENARU DAN reports on the economic effectiveness and feasibility of building-strengthening measures for earthquake resistance as an integral part of disaster reduction. A framework for an environment for evaluating information and decision-making and a methodology for supporting the setting of priorities are being developed. The contribution by KOCH ET AL. discusses immediate measures for citizens and local authorities to be taken within seconds after an earthquake occurs, that can be used for increasing the chances of survival in the case of a disaster.
The first contribution of the meeting on Vulnerability is by VAN DILLEN and examines the issue of natural risk research and the concept of social vulnerability. In particular the concept of social vulnerability is placed in the context of interdisciplinary natural risk research, and attention is drawn to conceptional and methodical issues that are important in the development of vulnerability indices and in the sphere of risk mapping. WEICHSELGARTNER reports on the capacity to be wounded and the need to link disaster mitigation and sustainable development. Two examples of recent vulnerability assessment activities - the UNDP World Vulnerability Report and a local approach of flood vulnerability assessment in northern Spain - are portrayed underlining the necessity for a holistic sustainable disaster mitigation. The report by SCHLUCHTER deals with the interdisciplinary debate on the term vulnerability. Here the socio-economic aspect, the psychosocial aspect, the politico-societal aspect and a visionary aspect of vulnerability are examined. The speech by RAU discusses the terms vulnerability and food in the context of the seasonal crises and budget-specific problem situations that jeopardise the attempts by certain population groups to secure their own existence. To support the vulnerable groups it is important to improve their coping strategies for access to common property, better education, access to health services and water, improvement of caring capacities and construction of solid houses. VOSS AND HIDAJAT discuss vulnerability as a component for natural risk assessment. Due to the fact that vulnerability is a relative term its valuation necessarily requires convincing components for its assessment. HIDAJAT AND VOSS examine a concept for vulnerability for the Merapi in Indonesia, that is one of the most dangerous volcanoes in the world. It is the very ambivalence of the favourable location and the natural hazard that makes the region around the Merapi a highly vulnerable location. This underlines the necessity for a comprehensive approach in disaster research and for operational tools in disaster management. Finally HUBRIG presents a tornado and downburst damage scale for woody plants, which is based on TORRO and adapted for Central Europe. For assessing storm damage the most accurate possible knowledge of the stability characteristics, the resistance and possible damage scenarios of woody plants in the case of strong storms are therefore necessary.
In the meeting on Results from the Postgraduate College "Natural Disasters" CZURDA presents the postgraduate college of the University of Karlsruhe, that deals with the problem issues of danger forecasting, risk assessment, insurance damage and disaster management. The contribution by MUKOLWE reports on the tasks of the World Meteorological Organisation (WMO) with respect to disaster reduction. Because of the high level of interdependence, the existing widening gap between the level of relevant services for reducing vulnerability as provided by the developed countries and the developing countries is a major concern for WMO. It is of crucial importance that governments provide appropriate funding to support the basic national meteorological and hydrological infrastructure and the delivery of services, in particular for reduction of vulnerability to extreme events. The Postgraduate College Natural Disasters is discussed by JAYA ET AL., providing information on this interdisciplinary cooperation which links natural sciences like physics, hydrology and meteorology as well as geosciences, all of which contribute to the understanding of the basic mechanisms causing natural disasters. KUNZ AND KOTTMEIER present a model that can be used for simulating intense precipitation in Mittelgebirge (middle uplands). This model can be used for compiling climatological precipitation statistics that can be used for ascertaining probabilities for extreme events in high spatial resolution and identifying areas with increased danger potential. In the speech by NOPPEL a model is introduced that can be used for simulating the areal and spatially xx Summary structured determination and representation of extreme wind speeds in combination with the probability of their incidence in topographically structured terrain. In future this map can be used, for instance, for creating maps of the annual extreme wind speeds which are required in the forestry industry for determining the danger of windbreakage. The contribution by SCHEUERMANN AND BRAUNS focuses on the throughflow of river dykes depending on preconditions. Impounding tests were carried out on a model dike built to a natural scale by varying the initial conditions with respect to the antecedent moisture distribution. It is shown that the impounding after a long period of rainfall may result in a measurable, more rapid seepage of the phreatic line through the model dike. FERNÁNDEZ-STEEGER AND CZURDA examine the recognition of landslide areas with the aid of neuronal networks. Different types of neural nets have been developed for landslide recognition and several training methods have been tested. It is shown that neuronal networks, as procedures based on data, are extremely sensitive to the quality and quantity of the input data. The contribution by PLAPP examines the everyday perception and assessment of risks caused by extreme natural events. The initial results of a study on risk perception and assessment show that damage experiences also play a role in the estimation of the danger of the natural risks of storms, flooding and earthquakes. WAGNER presents a model for risk quantification based on fuzzy calculations. It shows that fuzzy probabilities are a suitable means, particularly for estimating probabilities for extreme events. In particular recurring periods can be recognised that would, however, otherwise remain hidden in a simple statistical analysis. A contribution by ENDER discusses the stochastic modelling of disaster damage. The stochastic model is illustrated by the example of the economic and insured losses caused by great natural disasters. The final contribution by BERZ examines the problem of trends and damage potentials for natural disasters in the 21st century. Despite unfavourable damage trends, the insurance industry still offers a broad range of insurance to cover elementary damage. Here, however, special importance is also attached to motivating the customer to increasingly take preventative action against damage.
In their introductory speech for the meeting on Results from the German Research Network for Natural Disasters (DFNK) MERZ AND FRIEDRICH present the structure of the DFNK. The DFNK is structurally organised in partners and subprojects, that examine the five thematic clusters Risk Analysis of Flooding, Risk Analysis of Earthquakes, Risk Analysis of Storms, Simulation System Forest Fires, and Databases and Information Systems. The report by DISSE ET AL. explains the contribution made by the DFNK to precautionary flood defence in the Rhineland. Scenario calculations are presented that can be used for illustrating the effects breaches in dykes have on the hinterland and on downstream sections of the river. Together with probabilities for dyke failures and with a simplified description of the breaching process, the DFNK delivers important and new contributions to the precautionary flood defence at the river Rhine. The contribution by MENZEL ET AL. discusses the results of a DFNK study in the Rhine area on the issue of climate change and flooding, in order to investigate the effects of global climate scenarios on the regional hydrology with respect to the future development of flooding. An investigation of flooding probabilities, differentiated according to summer and winter, shows that events with short recurrence periods of just a few years that are based on different climate scenarios, show a tendency towards significantly higher flow volumes. The paper by CHUA ET AL. deals with the results of an engineering study on river inundation modelling for risk analysis. The computed results for inundation depths, flood arrival times and flood duration can be used to assist agencies for developing emergency and evacuation plans and for analysing the risk potential in the event of flooding due to dyke breaching. THIEKEN ET AL. discuss a probabilistic model to estimate the damage caused by flood disasters for the city of Cologne. The risk curves derived from this show, for example, a basis for evaluating flood protection measures. However, efforts should also be made to be able to make more soundly-based estimates of the uncertainty of the damage function. PAROLAI ET AL. discuss measurements of the fundamental resonance frequency of the sedimentary cover in the Cologne area as a contribution to seismic microzonation. The construction of a map of the fundamental resonance frequency allows the identification of buildings which could suffer increased damage due to the coincidence of resonances Summary xxi
of the soil column and the vibrations of the building. The paper by RICHWALSKI ET AL. presents the combination of a semi-analytical method for modelling seismic wave propagation in a layered half space with a two-dimensional finite difference method. With this new hybrid method the authors were able to include realistic source mechanisms, crustal background models and laterally varying near- surface models for simulating ground motion scenarios. GRÜNTHAL AND WAHLSTRÖM present the sensitivity of parameters for probabilistic seismic hazard using a logic tree approach. The calculations were performed for peak ground acceleration at a site near Aachen in the Lower Rhine Embayment. HOLLNACK AND WENZEL assess the influence of geological factors on the damage effect of earthquakes in the Rhineland. The investigations are based on a geological 3D-modelling and a database which allows a spatial correlation between geotechnical as well as physical parameters and lithographical units. The contribution by GÖBELL ET AL. presents a German-wide GPS-based deformation analysis. Results from recent neotectonic and paleoseismologic studies are used to test the plausibility of deformation results and to create input data for improved fault and block models for the intraplate setting considered. SCHWARZ ET AL. implement a case study for East Thuringia for the seismic risk mapping on the basis of EMS-98. Seismic risk maps indicate the degree of damage to existing buildings and enable the realistic quantification of the anticipated damage potential. The related need for coordination with local authorities and decision-makers is discussed. The contribution by FÄCKE ET AL. presents a vulnerability analysis for buildings with increased risk potential for earthquakes. The earthquake vulnerability of sensitive buildings within the lifelines like bridges and high-rise buildings is determined. The results of the vulnerability analysis are collected in a GIS database for a further application in disaster management. RADTKE AND TETZLAFF discuss the modelling of a storm cyclone employing the 'Lokal Modell' of the German Weather Service using the example of the cyclone Ginger. The forcing data for the simulations were generated by a global circulation model. Several scenarios were run to study the consequences for the pressure field and its resulting velocity fields. FRIEDRICH ET AL. present a synopsis of the natural hazards for the City of Cologne. This research has been carried out within the DFNK and assesses the risk of earthquakes, floods and storms. It was found that Cologne exhibits a high damage potential together with a high hazard. Probable damaging events and their likelihood are investigated with the help of scenarios and the analysis of hazards. The application of a Metaserver and GeoLocator gazetteer system within the GIS system of the DFNK is presented by BRAUNE ET AL. The GeoLocator enables the spatial-thematic assignment of geographic terms for spatial retrieval in metadata database systems. Future developments should consider the browser assisted visualization of geoinformation as well as the incorporation of new features demanded by users. The role of Meteosat data and products for an integrated approach to disaster mitigation is illuminated by WILLIAMS. It is stressed that EUMETSAT's long-term satellite programmes will help to provide necessary observations for disaster management and that new satellites will enhance the observational capacities significantly.
In the meeting on Disaster Awareness the contribution by RENN examines the problem of the sociology of disasters with respect to awareness, organisation and social processing. Greater settlement density, the increasing technologisation of the environment and increased vulnerability of social systems are the central reasons why increasing numbers of people are exposed to natural dangers and environmental risks. The contribution proposes specific measures aimed at being better prepared for natural disasters in the future. HEINRICHS AND PETERS present a conceptual and methodological approach to enable a comprehensive analysis of the development of interpretations regarding climate change and natural hazards in the public sphere. The expected results may lead to a better understanding of the dynamic processes between experts, journalists and the public. DEUTSCH AND PÖRTGE discuss the history of flood-warning services in central Germany using the example of the flood-warning decree of 1889. On the whole, the decree of 1889 represents a successful culmination of over 100 years of state effort to develop an effective flood-warning service. 17 gauging stations provided the main basis for this service which effectively reduced flood damages after 1889. LINNEWEBER ET AL. treat the social representation of the endangering of the island of Sylt with respect to possible climate changes. In an explorative study semi-structured open interviews were used to xxii Summary record psychological concepts on aspects of global change, that can be used for determining the environmental awareness of the interviewees.
In an introductory speech for the meeting on Remote Surveillance and Natural Disasters STEINBORN reports on the role of remote surveillance as a help in making decisions on the assessment of disaster situations from space. It shows that an operational supply of information is an important task for the future, since up to now there is no surveillance system with a sufficient number of satellites for civil uses similar to the model used for weather forecasting. In their contribution KAHABKA ET AL. examine the damage recording for the storm Lothar on the basis of optical remote surveillance data from a forestry point of view. It is demonstrated that the usage of already available digital information in combination with high resolution optical remote sensing images opens up new possibilities of detecting and analysing forest damages. KOTTMEIER AT AL. present an analysis of the damages and a risk assignment of the storm Lothar from a meteorological perspective. It is shown that the damage pattern is significantly affected by orographic factors. The spatial distribution of damages appeared to be very complex and can be more fully explained only by a combined analysis which takes the characteristics of both the forest canopy as well as the site into account. ROESSNER ET AL. discuss satellite remote sensing for the regional assessment of the landslide hazard in Kyrgyzstan. Because of the high number of landslides and their relative inaccessibility in mountainous terrain the potential of remote sensing in combination with GIS-based analysis plays an important role for regional assessments. Future work will exploit the potential of the most recent and upcoming satellite missions, such as SRTM, ENVISAT and ASTER, for landslide analysis. VAN WESTEN AND HOFSTEE report on the role of remote sensing and GIS in risk mapping and damage assessment for disasters in urban areas. The increased vulnerability of many urban areas, especially in developing countries, is a major reason for concern. Most of the data required for disaster management has a spatial component and is changing over time. Therefore, the use of remote sensing and GIS has become essential in urban disaster management. MUELLER AND KAUFMANN present a satellite-based characterization and inventory of disaster-sensitive elements of the natural and anthropogenic environment. Advanced methods for the classification of surface cover types are developed. Furthermore, the potential of high- resolution satellite images to precisely detect houses and to extract vulnerability parameters is examined. In the last contribution of the Second Forum RAMMINGER ET AL. present the investigation of forest damages based on radar data. It is shown that already existing digital information in concert with satellite radar data can be used to detect and analyse forest damages, and to extract information regarding the quality and the type of the damage.
The main outcome of the Second Forum and the need for further actions may be summarized as follows:
· Research on catastrophe events hitherto has been a topic within a rather specialised community. In future research efforts and accomplishments should be made available to the public as a vital subject. · In general there is the necessity to develop mitigation planning in the industrialised countries. Especially for the developing countries efficient strategies for catastrophe mitigation and planning must be worked out. · There are deficits in the raising of the fundamental informational data related to vulnerability, resilience as well as interdependence of natural circumstances and socio-economic conditions. · There are deficits in the area spanning from basic research to practical application. First and foremost, however, deficits with respect to the transfer of research results into practice should be eliminated. · In general, the flow of information has been improved for the transmission of warnings. In particular, in the case of a catastrophe event this flow of information has to be improved between victims and rescue organisations/teams. Vorwort xxiii
Vorwort zum 2. Forum Katastrophenvorsorge in Leipzig „Extreme Naturereignisse – Folgen, Vorsorge, Werkzeuge“
Mehr als 200 Teilnehmern bot das 2. Forum zur Katastrophenvorsorge umfassende Informationen und die Möglichkeit zu einem breiten Austausch. Die Sitzungen mit ihren mehr als 50 Vorträgen und etwa 30 ausgestellten Postern zeigten das breite Spektrum von Aufgaben bei der Katastrophenminderung und schafften die Gelegenheit, sich über neueste Entwicklungen zu informieren. In den lebhaften Diskussionen wurden viele der vorgestellten Ergebnisse vertieft und in eine erweiterte Umgebung eingeordnet. In den Vortragspausen wurden Kontakte geknüpft und weitere fachliche Belange ausgetauscht.
Die Unterteilung in sieben Hauptsitzungen ergab sich in der Vorbereitung nahezu von selber, werden doch darin die vorhandenen Kapazitäten reflektiert. Damit war denn auch gesichert, daß nahezu alle wichtigen Belange angesprochen werden konnten und sich auch die Aktivitäten des DKKV abbilden. Das große Interesse der Mitglieder des DKKV zeigte sich auch in der Bereitschaft, bei der Tagungsvorbereitung mitzuwirken und die Rolle von Sitzungsorganisatoren und Sitzungsleitungen zu übernehmen. Ergänzt wurden die Sitzungen durch Beiträge aus wichtigen nationalen und internationalen Organisationen.
Die Veranstaltung wurde von der Öffentlichkeit wahrgenommen, das Presseecho war bemerkenswert. Dies ist um so wichtiger, als Katastrophenvorsorge keineswegs nur ein Feld für einige wenige Spezialisten sein darf. Nur wenn es gelingt, noch mehr als bislang in die öffentliche Wahrnehmung zu gelangen und dort zu bleiben, werden auch die erforderlichen Schlußfolgerungen gezogen werden und die Katastrophenminderung systematischer als bisher betrieben werden.
Damit die Vorträge und Poster des 2. Forums mit ihren sehr interessanten und wichtigen Inhalten als Grundlagenmaterial auch weiterhin zugänglich und verwendbar bleiben, wurde vereinbart, einen Tagungsband zusammenzustellen und möglichst zeitnah nach der Tagung herauszugeben. Dank der hervorragenden Unterstützung durch die Autoren und die Sitzungsleiter liegen nunmehr die gesammelten Beiträge vor. Dank dem Engagement des Sekretariats des DKKV ist es nunmehr möglich, diesen Tagungsband in den Druck zu geben. Im Namen der Herausgeber und des DKKV bedanke ich mich für die vielfältige Unterstützung und wünsche dem Band eine gute Aufnahme!
G. Tetzlaff Leipzig im Januar 2002
xxiv Grußwort
Grußwort
Aus einer Initiative des Wissenschaftlichen Beirats des Deutschen Komitees für Katastrophenvorsorge (DKKV) entstand der Gedanke der jährlichen Durchführung eines Forums „Katastrophenvorsorge“.
Im vergangenen Jahr hat die Arbeit des DKKV durch die erstmalige Veranstaltung dieses Forums „Katastrophenvorsorge“ beim Global Fire Monitoring Center in Freiburg/Br. neue Impulse gesetzt. Neben deutschen Teilnehmern nahmen auch Experten aus dem internationalen Umfeld der Katastrophenvorsorge teil. Wir möchten an dieser Stelle dem GFMC in Freiburg nochmals für die Durchführung des Forums danken.
In diesem Jahr hat sich die Universität Leipzig, Institut für Meteorologie, bereit erklärt, das Forum abzuhalten. Vielen Dank an dieser Stelle an Herrn Professor Dr. Gerd Tetzlaff, Dekan der Fakultät für Physik und Geowissenschaften der Universität Leipzig und seine Mitarbeiter und an Herrn Professor Dr. Helmut Papp, Prorektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der Universität Leipzig. Das Auswärtige Amt unterstützt finanziell die Ausrichtung dieses Forums und die Arbeit des DKKV. Ihm sei an dieser Stelle besonders gedankt. Die zunehmende Bedeutung der internationalen Verknüpfung und Einbindung der Arbeit des Komitees wird durch die Veranstaltung eines solchen Forums unterstrichen.
Die Zunahme von Naturkatastrophen und der durch sie verursachten Schäden zeigen die Notwendigkeit das Thema der Katastrophenvorsorge fachlich zu stärken in Politik und Gesellschaft zu verankern und einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Bei einer Fortsetzung der derzeitigen Entwicklung gehen Hochrechnungen von Schäden in Höhe von 300 Mrd. US-$ und 100.000 Toten jährlich ab dem Jahr 2050 aus. Dieser Entwicklung kann nur mit massiven Maßnahmen der Katastrophenvorsorge entgegengewirkt werden.
Uns alle führt dieses Anliegen zusammen. Wir müssen, um es einfach auszudrücken, den „Brunnen abdecken, bevor das Kind hineingefallen ist“.
Ich wünsche dem Forum einen positiven Verlauf und hoffe, dass wir hier in Diskussion miteinander neue Anregungen erhalten, um die Thematik der Katastrophenvorsorge auf allen Ebenen weiter vorantreiben zu können.
Dr. Norbert Blüm Vorsitzender des Deutschen Komitees für Katastrophenvorsorge e.V.
Opening Statement xxv
Opening Statement
UN INTERAGENCY SECRETARIAT FOR THE INTERNATIONAL STRATEGY FOR DISASTER REDUCTION (UN/SDR)
In the field of disaster reduction, there have been major advances in scientific and technical knowledge, as well as in interdisciplinary and multi-sectoral cooperation. Around the world, a global community is working ever more cohesively to reduce the negative impact of natural disasters, especially on the most vulnerable communities in developing countries.
However, the challenge posed by natural disasters to our socio-economic development and the hitherto related human suffering is greater than ever today.
During the 1990s there was a ten per cent annual increase in the economic losses due to disasters. Looking towards the future, it is clear that without aggressive disaster reduction interventions, this trend will continue and the costs of disasters will represent increasing proportions of the affected countries’ GDP. This sad fact is due to a dangerous combination of increasingly degraded natural environments, which contributes to the disastrous impact of natural events, and ever-larger population and economic assets moving into disaster-prone areas.
In recognition of this fact, the United Nations General Assembly, at it fifty-fourth session, established the International Strategy for Disaster Reduction, ISDR, which builds on the experience gained during the International Decade for Natural Disaster Reduction (IDNDR, 1990-1999), a decade which set out to raise awareness on the need for a conceptual shift from a culture of response to a culture of prevention. The International Strategy for Disaster Reduction is premised on the need to proceed from the protection against hazards to the management of risk through the integration of disaster reduction into sustainable development.
Germany has been and continues to be a major actor in support of disaster reduction efforts at the national and at the international level. The German Committee for Disaster Reduction is the official National Platform of the ISDR in Germany. Significant progress has been made in certain fields, such as Early Warning, thanks to initiatives backed by Germany. As you may know, the laureate of this year’s United Nations Sasakawa Award for Disaster Reduction is the Global Fire Monitoring Centre of Freiburg, for its outstanding achievements and contributions to the wide field of disaster reduction. Dr Johann Goldammer will receive the award in Geneva on the International Day for Disaster Reduction, the 10th of October this year. xxvi Opening Statement
Ladies and Gentlemen, The ISDR Secretariat is currently in the development phase of a global report on disaster reduction initiatives which will be published in the early spring of 2002. The German Committee for Disaster Reduction is already actively engaged in this process. We are also in the process of establishing regional offices which will enable us to tailor our activities more closely to the needs of specific regions. We are very much supported by the German Government in this endeavour, especially as related to development of an outreach programme covering the African continent. For this support, and for even wider support from Germany in the furtherance of thematic working groups linked the Inter-Agency Task Force for Disaster Reduction, I wish to express our most sincere gratitude.
I wish you an informative and stimulating time over the next two days and look forward to interacting with you.
Ich bedanke mich bei Ihnen.
Sálvano Briceño, Director ISDR, Geneva
Dank xxvii
Sponsoren des Forums
Die Durchführung des Forums konnte durch folgende Sponsoren sichergestellt werden:
· Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e.V. (DKKV) / Auswärtiges Amt · Graduiertenkolleg „Naturkatastrophen“, Karlsruhe · Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen (DFNK) · Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bonn · Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, Dresden
Dank
Ferner danken wir der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft e. V., Zweigverein Leipzig, für die Unterstützung bei der Durchführung der Tagung.
DKKV-Internetdatenbanken 1
Datenkataloge Naturkatastrophen: DKKV-Internetdatenbanken zu Forschung und Projekten der Katastrophenprävention
M. Hövel1, R. L. Herrmanns2 1DKKV Geschäftsstelle, Bonn, 2Sekretär des Wissenschaftlichen Beirats des DKKV, GeoForschungsZentrum Potsdam
Zusammenfassung
Zur Nutzung von Synergieeffekten und zur Vermeidung von Dopplungen ist es wichtig, einen aktuellen internationalen Überblick über Stand und zukünftige Tätigkeitsfelder und Schwerpunkte im Bereich der Katastrophenvorsorge zu haben. Das DKKV hat sich die Aufgabe gestellt, Projekte und Akteure der Katastrophenvorsorge und Forschung in diesem Sektor in zwei gekoppelten Datenkatalogen zu erfassen. Sie bieten Organisationen und Einrichtungen durch vielerlei Abfrageoptionen die Möglichkeit, zentral gebündelt Zugang zu aktuellen internationalen Informationen zu erhalten.
Abstract
In order to take profit of effects of synergy and to avoid redupliaction in the field of disaster reduction programs it is important to have an overview of the state of art and the fields of activity and their key aspects. Therefore, the German Committee for Disaster Reduction aims to document the projects and institution of disaster prevention and related sciences in two data bases. These will allow to get quick, concentrated information on multiple international projects.
Art der Datenbanken und ihre Nutzungsmöglichkeiten
In der Erforschung von Naturkatastrophen und in der operativen Prävention ist es wichtig, einen aktuellen internationalen Überblick über Stand, zukünftige Tätigkeitsfelder und Schwerpunkte im Bereich der Katastrophenvorsorge zu haben. So können Synergieeffekte genutzt und Dopplungen der Arbeiten vermieden werden. Durch die starke räumlich-fachliche Verzweigung der Forschung einerseits und die Vielzahl der Akteure in der Katastrophenvorsorge andererseits ist jedoch ein solcher Überblick nicht leicht zu erhalten. Zusammenfassende Übersichten sind derzeit nicht erhältlich. Das Deutsche Komitee für Katastrophenvorsorge e. V. (DKKV) erstellt deshalb zwei Datenbanken zu Projekten und Forschung in der Katastrophenprävention.
Die Datenbank „Projekte“ erfasst weltweit alle Konzepte und operativen Aktivitäten zur Katastrophenprävention (Tabelle 1 und 2). Die Datenbank „Forschung“ erfasst zunächst alle Forschungsarbeiten zum Thema Naturgefahren (siehe Tabelle 3). In einer zweiten Phase (etwa ab Anfang 2002) wird die Erfassung auf den gesamteuropäischen Raum ausgedehnt.
Erfassungstiefe und Fortlauf der Datenbanken Erfasst werden neben den Projekten in Praxis und Forschung jeweils auch die zugehörigen Akteure. Sie werden weiter nach finanzierenden und durchführenden Akteuren getrennt aufgenommen. Die Rohdaten werden bei der Erfassung teilweise klassifiziert. Beide Datenbanken sollen international einsetzbar und abfragbar sein und werden deshalb in englischer Sprache erstellt. Informationen über zurückliegende Forschung bzw. Projekte werden soweit erfasst, wie die Daten bei der Recherche anfallen. Durch eine fortlaufende Datenaktualisierung werden im Laufe der Jahre über
2 DKKV-Internetdatenbanken
Zustandsabfragen auch zeitlich vergleichende Analysen möglich, die es erlauben, Trends in der Katastrophenvorsorge zu erkennen.
Datenqualität Zur Zeit werden die Projekte über das Internet erfasst. Die Informationen, die dabei erhalten werden können, sind sehr unterschiedlich in ihrer Art und Qualität. Wir sind somit auf weitere Informationen der Akteure angewiesen, die über Fragebögen oder durch direkte Kontaktaufnahme erfasst werden sollen und somit gleichwertige Informationen zu allen Projekten liefern werden.
Nutzungsmöglichkeiten Ebenfalls über das Internet wird die Auswertung der Daten möglich sein. Der Gesamtdatensatz kann nach verschiedenen Parametern (Projekttyp, Akteur, Land, Art der Naturgefahr etc.) sortiert ausgewertet werden. Darüber hinaus wird es die Möglichkeit multipler Abfragen geben, bei denen nach mehreren frei wählbaren Parametern gleichzeitig sortiert werden kann. Die Parameter sind hierbei identisch mit den erfassten Daten (siehe Tabelle 1-3). Neben den Projekten an sich können auch die Akteure ausfindig gemacht werden; sowohl ihre Kontaktadressen als auch die Adressen ihrer Internetpräsentationsseiten werden abfragbar sein. Die in einigen Parametern vorgenommene Datenklassifizierung ermöglicht zudem eine effektivere Suche. Gezielt können so Projektpartner gefunden, räumliche Schwerpunkte identifiziert oder thematische Lücken aufgespürt werden.
Die Daten werden in GIS-verwendbarer Form erhoben. Die klassifizierten Daten können somit räumlich graphisch veranschaulicht und ausgewertet werden. So können beispielsweise räumliche Cluster in der Forschungslandschaft ausgemacht oder Projekthäufungen bzw. -mangel in einzelnen Ländern identifiziert werden. Im letzteren Fall ergibt ein Vergleich mit einer Naturgefahrenkarte Aussagen zum Handlungsbedarf.
Unterstützung gesucht
Da nicht alle Daten über das Internet erfassbar sind, sind wir auf Unterstützung angewiesen. Wir bitten Sie daher, uns Ihre Projektdaten mit dem beigefügten Formular (Tab. 1-3) zuzusenden. Dies ermöglicht eine gleichwertige Qualität der Daten und vermeidet die mögliche Übernahme veralteter Daten aus dem Internet. Weiterhin stellt diese Datenbank ein knappes Repräsentationsforum für Ihre Projekte/Institution dar und ermöglicht es Dritten, Sie und Ihre Projekte gezielt ausfindig zu machen.
DKKV-Internetdatenbanken 3
Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e.V. (DKKV) German Committee for Disaster Reduction within the International Strategy for Disaster Reduction (ISDR)
Um einen umfassenden internationalen Überblick über Tätigkeitsfelder und Schwerpunkte im Bereich Katastrophenvorsorge zu erhalten, baut das DKKV zwei Datenbanken auf. Diese sollen ein breites Spektrum an Informationen enthalten, um eine vielseitige Nutzung zu ermöglichen. Dabei sind wir auf Ihre Hilfe angewiesen. Wir bitten Sie, dieses Formular oder das Formular auf der Rückseite auszufüllen und den Bogen an die jeweils genannte Adresse zu senden. Damit erleichtern Sie uns die Aufnahme Ihrer Daten in die betreffende Datenbank und sichert die gleichwertige Datenqualität.
Formular für Projekte und Konzepte der Naturkatastrophenvorsorge Bitte senden an: DKKV, z. Hd. Malte Hövel, Postfach 12 06 39, 53048 Bonn Projekte Tabelle 1 Projektname Kurzbezeichnung Land Kurzbeschreibung
Projektbeginn Projektende (Datum) Kommentar Webadresse Erfassungsdatum Art der Finanzierung Höhe der Währung
Akteure Tabelle 2 Name Kurzbezeichnung Unterorganisation Anschrift PLZ Ort Land Telefon eMail-Adresse Webadresse
4 DKKV-Internetdatenbanken
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Kapitel 7
Fernerkundung und Naturkatastrophen
Mitherausgeber und Sitzungsleiter:
W. Steinborn
Steinborn 409
Entscheidungshilfe aus dem Weltraum: Einführung zu „Fernerkundung und Katastrophen“
W. Steinborn Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Raumfahrtmanagement), Bonn
Zusammenfassung
In einer einführenden Übersicht wird mit Beispielen aus in Deutschland und international geförderten Anwendungsprojekten gezeigt, wie bei vergangenen Katastrophen mit Satellitenfernerkundung eher noch experimentell in der Nachsorge reagiert wurde. Erst in jüngster Zeit sind Weltraumagenturen wie NASA und ESA, koordiniert durch das globale Komitee der erdbe- obachtenden Weltraumagenturen CEOS, sowie kommerzielle Datenanbieter dabei, sich stärker auf die Bedürfnisse von An- wendern in Hilfsorganisationen oder Versicherungen einzustellen. Sie entwickeln Hilfen für die Risiko- und Vulnerabili- tätskartierung und Strukturen für raschere Informationsdienste. Eine operationelle Informationsversorgung bleibt Zukunfts- aufgabe, da ein Beobachtungssystem aus einer ausreichenden Zahl von Satelliten für zivile Zwecke nach dem Muster der Wettervorhersage bislang fehlt. Weiterhin fehlt eine nationale oder europäische Clearingstelle für die Nachnutzung von Daten.
Abstract
In an introductory review examples are presented how in R&D-approaches in Germany and abroad satellite remote sensing was applied in past catastrophes rather experimentally and in the aftercare. Only recently space agencies like NASA and ESA, coordinated within the committee of earth observing agencies CEOS, as well as commercial data suppliers tend to better orient themselves on needs of humanitarian aid organisations and insurance companies. They develop support tools for risk and vulnerability mapping and mechanisms for faster information delivery. However an operational service remains a future goal as long as a system of a sufficient number of civil earth observation satellites like for the weather forecast is missing. Missing is also a national or European clearinghouse to ensure multiple use of the data.
Einleitung
Ein Maß für die derzeitige Zunahme der Natur- und Technikkatastrophen sind die volkswirtschaftli- chen Schäden, die 100 Mrd. $ jährlich erreichen (Münchener Rück, 2000). Andere Schätzungen spre- chen gar von 10 Mrd. $ wöchentlich (UNEP 2001 und Holland). Auf der anderen Seite gibt es Hin- weise, dass die Todesraten bei Katastrophen weltweit abnehmen (NOAA 1992 und Nussbaum et al. 1996), was weitgehend der verbesserten Vorwarnung, vor allem bei extremen Wetterereignissen und Vulkanausbrüchen zugeschrieben wird, an der Weltraumtechniken einen verdienstvollen Anteil haben. Dies lässt hoffen, dass ihr weitere Einsatz auch bei anderen Katastrophenarten zu einer Verringerung der humanitären und volkswirtschaftlichen Schäden führen kann. Über den Wert rechtzeitiger Information in allen Phasen einer Katastrophe (Prävention, Krisenmana- gement und Nachsorge), die nach bisheriger Erfahrung mit öffentlicher Information zum größten Teil Raumbezug hat (Pira, 2000), also Geo-Information ist, gibt es bisher nur wenige Angaben. In einer Studie für das vom früheren US-Präsidenten Clinton im April 2000 inaugurierte Global Disaster In- formation Network (http://www.gdin-international.org/) wird für USA ein Kosten-Nutzen-Verhältnis zwischen 1:15 und 1:31 über 10 Jahre genannt (Holland). Das führt zu Forderungen, in entspr. politi- sche Beratungsorgane mehr Methodiker zu berufen (Ecologic 2000 und UN-IDNDR 1998). Es wird andererseits in Studien zur Bewertung der Erdbeobachtung immer wieder darauf hin gewie- sen, dass die im Weltraum verfügbaren Systeme noch fragmentarisch und experimentell sind, und dass es im zivilen Nutzungsbereich außer bei der Wettervorhersage an flächendeckenden, operationellen 410 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Infrastrukturen fehlt (UN-IDNDR 1998). Daran hat auch die Durchführung gemeinsamer Konferenzen zwischen Raumfahrtagenturen und Hilfsorganisationen (FEMA und Deutsches IDNDR-Komitee 1993) bisher nichts geändert. Erreicht wurde allerdings ein gestiegenes Bewusstsein über die Mög- lichkeiten der Weltraumtechniken, aus dem heraus sich ein verstärkter Druck in Richtung öffentlicher und privater Investitionen in diesen Bereich entwickeln könnte. Eine tabellarische Übersicht des An- wendungspotenzials (Gesellschaft für Angewandte Fernerkung 1995) wurde erarbeitet und nach Modi- fikation durch den Autor reproduziert (Eikenberg, 2000). Auch bei den Raumfahrtagenturen und privaten Anbietern von Weltraumdaten hat zumindest im Be- reich des Bodenbetriebs eine verstärkte Hinwendung auf die Nutzergruppe Zivilschutz/Humanitäre Hilfe stattgefunden in der Weise, dass die vorhandenen Satelliten bei Notfällen auf deren Aufnahme programmiert werden und ein vereinfachter, schnellerer und kostengünstigerer Datenzugang für diese Gruppen geschaffen wurde. Die ESA berichtet, dass von ihrer „Charta“ zum bevorzugten Zugang zu Daten mehrerer in einer Kooperation organisierten Satelliten (European Space Agency, 2000) von November 2000 bis April 2001 achtmal Gebrauch gemacht wurde, darunter für die Ölkatastrophe von Galapagos und die Erdbeben von El Salvador und Bhuj/Indien im Januar, die Ölkatastrophe in Däne- mark und die Saône-Flut im März 2001. Zwei Anwendungsgebiete sollen im Folgenden wegen besonderer Relevanz für Mitteleuropa oder besonderer vorangegangener F&E-Arbeiten exemplarisch beleuchtet werden: Überschwemmungen und Erdbeben bzw. sonstige Landdeformationen.
Anwendungsbeispiel Überschwemmungen
Überschwemmungen sind die häufigsten Naturkatastrophen Mitteleuropas (in Frankreich repräsentie- ren sie 75% der versicherten Katastrophenschäden), die immer wieder ihren Tribut fordern. Dem Hochwasser des Rheins und seiner Nebenflüsse 1993 und 1995 fielen zusammen 42 Menschenleben und 5.5 Mrd. € an volkswirtschaftlichen Gütern zum Opfer, beim Hochwasser in Osteuropa 1997 (O- der) waren es 110 Menschen und 5.9 Mrd. € Schaden. In China gab es Überschwemmungen mit mehr als einer Million Todesopfern (Zahlen der Münchner Rück). Daraus resultiert ein hoher moralischer und politischer Druck, hier die modernsten verfügbaren Mittel für eine Verbesserung der Situation einzusetzen. Typisch für europäische Ereignisse ist die gleichzeitige Betroffenheit mehrerer Länder, da die großen Flusssysteme grenzüberschreitend sind und somit die Notwendigkeit der Koordinierung der Warn- und Hilfsmaßnahmen besteht. Dies ist nicht trivial, denn die entspr. Einrichtungen, einschließlich de- rer, die für die Erfassung der Datenlage zuständig sind, sind von Land zu Land verschieden organisiert (zentral/regional, militärisch/zivil, um nur die wesentlichsten Unterschiede zu nennen). Inkompatibili- tät von Messdaten wird häufig beklagt (Liebscher et al., 1995). Eine bewertende Studie (Grünewald et al., 1998) des deutschen IDNDR-Komitees schließt das Kapitel „Hochwasser-Nachrichten- und Mel- dedienste im Oder-Einzugsgebiet“ mit den Worten. „Die Analyse des Hochwasserverlaufes weist auf die unbefriedigende Situation bezüglich der Verfügbarkeit langjähriger und zuverlässiger hydrologi- scher Datenreihen hin. Auch zeigten sich Defizite bei den grenzüberschreitenden Informationsflüssen sowie hinsichtlich der Verfügbarkeit effektiver operativer Hochwasservorhersagesysteme vor allem in Deutschland“. Als Reaktion auf die ungenügende Vorrüstung für den Ernstfall wurden von den internationalen Schutzkommissionen für die mitteleuropäischen Flüsse (Rhein, Mosel/Saar, Maas, Oder) 1998 Akti- onspläne aufgestellt, die eine Verdopplung der Vorhersagezeiträume (z.B. für den Rhein von 24 auf 48 h, die Mosel von 12 auf 24 h) bis 2005 enthalten, sowie eine Reihe von weiteren Präventivmaßnahmen (z.B. im Fall des Rheins und seiner Zuflüsse bis 2020 (Internationale Kommission zum Schutze des Rheins 1998): Renaturierung von 11000 Flusskilometern, Reaktivierung von 1000 km² Überflutungs- gebiete, Landwirtschaftsextensivierung auf 3900 km², Naturentwicklung/Aufforstung auf 3500 km², Entsiegelung auf 2500 km², technische Wasserrückhaltebecken für 75 Mio km³, Nutzungsrestriktionen Steinborn 411 im Überschwemmungsgebiet und die Erstellung von Risikokarten). Die geschätzten Kosten von 12 Mrd. € werden in Bezug zu den gefährdeten Vermögenswerten von 1500 Mrd. € gesetzt. Zur Zeit laufen im europäischen und nationalen Programmen der beteiligten Länder u.a. Forschungs- projekte zur Umsetzung der Maßnahmen. Dabei kommt auch die satellitengestützte Erdbeobachtung in Betracht, die angesichts der geschilderten Probleme und Lösungsmaßnahmen an mehreren Stellen Vorteile bietet:
· Sie kann durch einheitliche Abdeckung großer Gebiete Lücken in bodengebundenen Messnetzen, z.B. zur aktuellen Bodenbedeckung, Komponenten des Wasserhaushalts wie Strahlungsbudget, verdunstungsbereite Blattflächen, Bodenfeuchte, Schneedecke, Versiegelungsgrad etc. schließen und so zur Verbesserung der Vorhersagemodelle beitragen. · Sie kann als grenzüberschreitend gültiges Messverfahren zur Verbesserung der Datenlage und Vereinheitlichung der Modelle beitragen (als weiterer Vorteil erweisen sich die etablierten interna- tionalen Kooperationsstrukturen der Raumfahrt, die auch für die oft regionalen Anwender in der Hochwasserbekämpfung einen Rahmen bilden können). · Sie kann mit Bildern der tatsächlichen Hochwasserausdehnung und des zeitlichen Verlaufs (bei ausreichender Anzahl von Beobachtungssatelliten) zur Verifikation der Modelle und Risikokarten beitragen. · Sie bietet sich als objektive Methode sowohl zur Vorbereitung, politischen Begründung und Ent- scheidungsfindung, als auch zur Überwachung von Präventivmaßnahmen wie Nutzungseinschrän- kungen oder Genehmigungsvorbehalte an. · Sie dokumentiert aktuelle Bedrohungszustände (z.B. latent wasserverschmutzende Objekte) und Risiken, sowie eingetretene Schäden im Nachgang.
Zur Ausdehnung der Vorhersagezeiten reicht es selbst bei Überschwemmungen in der Ebene („Plain Floods“) nicht aus, gemessene (meist mit einem mehr oder weniger dichten Netz von Regenradaren) Niederschläge in die hydrologischen und hydraulischen Wasserabflussmodelle einzusetzen. Meteoro- logische Prognosemodelle, die meist noch keine hinreichende Ortsauflösung haben, müssen angekop- pelt werden (das dichteste Modell des deutschen Wetterdienstes bietet 7x7 km²). Ein weiterer im Wasserhaushalt wichtiger, aber Messungen nur schwer zugänglicher Parameter ist die Sättigung des Bodens, die über seine interzeptive Kapazität und damit die zeitliche Entwicklung des Wasserabflusses entscheidet. Das Rückstreusignal eines abbildenden Radarsensors (SAR) wird von der dielektrischen Eigenschaft der oberen Bodenschicht bestimmt und sollte daher ein Maß für die Wassersättigung sein, ist aber von zahlreichen Störungen (Vegetation, Relief) überlagert. Mauser et al. berichten von erfolgreichen Versuchen, die Bodenfeuchte im Einzugsgebiet eines Flusses großflächig zu rekonstruieren (Bach et al. 1998 und Fig.1). Diese Fähigkeit, die in einem von DLR geförderten Projekt mit Namen „INFERNO“ im Neckar- und Moselgebiet weiter untersucht wird, eröffnet große Potenziale für die Erdbeobachtung in der Hochwasservorhersage, wird aber derzeit stark limitiert durch die zeitlichen Auflösungsmöglichkeiten solcher Satelliten die bei 35 Tagen liegen (ERS), jedoch für eine operationelle Anwendung bei 6 Stunden liegen sollten. Nur in seltenen Ausnahmefällen wurde bisher eine tägliche Abdeckung mit Satellitendaten erreicht, so z.B. während der deutschen X-SAR-Mission im April 1994, als Saale und Werra eine Sturzflut hatten. Die Dauer der Oderflut von ca. einem Monat machte es ebenfalls möglich, genügend Satelliten zu aktivieren (insgesamt wurden Daten von 7 Erdbeobachtungssatelliten erhalten) und eine im Schnitt tägliche Abdeckung zu erreichen (Steinborn, 1999). Bei der Nachbearbeitung zeigte sich, dass auf der Basis dieser Bilder eine Verbesserung der Vorhersage möglich gewesen wäre (Fig. 2). Auch sind für eine Operationalisierung solcher Dienste die Auslieferungs- und Bearbeitungszeiten der Bilder noch zu lang. Obwohl einige Anbieterfirmen behaupten, für Notfälle ihre Reaktionszeiten ge- senkt zu haben, so z.B. die Kanadische Radarsat auf bis zu 24 Stunden (das schließt die Programmie- rung des Satelliten ein), vergingen bei einer kürzlich vom deutschen Auswärtigen Amt ausgelösten Bestellung im Rahmen der erwähnten ESA-Charta (European Space Agency, 2000) bis zur Ausliefe- 412 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen rung von ausgewerteten Szenen der Überschwemmung des sibirischen Flusses Lena 9 Tage, wobei der Scheitelpunkt der Flut bei Yakutsk vom Satelliten um einen Tag verfehlt wurde. Eine deutlich erhöhte Zahl von Radarsatelliten, die hier wegen der bei Überschwemmungen üblicher- weise zu durchdringenden Wolkendecke das Mittel der Wahl sind, im Rahmen eines operationellen Monitoringsystems würde Abhilfe schaffen. In einer am Beispiel eines chinesischen Flusssystems von 1 Mio km² durchgeführten Studie wurden Kosten ermittelt, die wenige % der bei Desastern eingetrete- nen materiellen Schäden betragen (H´Kayser-Threde 1996). Solange Satelliten aus Forschungspro- grammen finanziert werden, werden sie teure Unikate bleiben. Anforderungen an geeignete Systeme von französischen und deutschen Umwelt- und Zivilschutzorganisationen sollen im Projekt PACTES untersucht werden (SPOT Magazine 33, 2001). Erfreulich sind die Nebeneffekte, die von solchen Forschungen ausgehen. Die Weiterentwicklung flugzeuggetragener Fernerkundungsverfahren (Laser-Scanning, Stereoaufnahme mit digitalen Kame- ras, z.B. der digitalen HRSC-Kamera als Spin-off einer Entwicklung zur Kartierung des Mars [Neu- kum et al., 2000], Radarinterferometrie) und GIS führten dazu, dass inzwischen von den meisten von Hochwasser betroffenen Städten dezimetergenaue numerische Höhenmodelle vorhanden sind und Vorhersagen auf Einzelhausniveau visualisiert werden können. Solche Informationen dienen dem Bürger für seine zu treffenden Entscheidungen genau so wie Hilfswerken bei der Organisation von Evakuierungen oder Versicherungen bei der Schadensregulierung (Steinborn 1997, 2000 und Fig. 3).
Anwendungsbeispiel Erdbeben und sonstige Landdeformationen
Zusammen mit Überschwemmungen und Stürmen gehören sie zu den häufigsten Katastrophen der Erde, die auch in unserer näheren Umgebung immer wieder Tausende Opfer fordern (Erdbeben von Irpinia/Italien, 1980: 2700, Izmit/Türkei, 1999: 20000) und große Schäden anrichten. Dabei sind auch die Gefahren früherer Bergwerkstätigkeit nicht außer Acht zu lassen, die Teile Düsseldorfs und des Ruhrgebiets zu unter Flussniveau sinkenden Poldern macht. Als vor 10 Jahren im Juli 1991 der erste europäische Radarsatellit, der erste zivile überhaupt, in eine polare Umlaufbahn geschossen wurde, lag der Schwerpunkt bei der Erzeugung von Oberflächenbil- dern häufig bewölkter, also optischer Fernerkundung schwer zugänglicher Landmassen, Ozeane und Polargebiete, unter Nutzung der Rückstreuintensität des Radarsignals. An die Ausnützung der Welle n- phase des kohärenten Radarlichts zur Generierung weit darüber hinausgehender Informationen über Topografie und Landbewegung durch Überlagerung der Aufnahmen zweier Überflugzeitpunkte dachte man erst später. Zu den ersten, die die Möglichkeiten der Interferometrie (Abtasten der Erde unter zwei Winkeln zur Erzeugung eines mit dem Geländeprofil korrelierten Höhenmusters; heutige Genau- igkeiten liegen unter 10 Metern, z.B. mit der amerikanisch/deutsch/italienischen Shuttle Radar To- pography Mission im Februar 2000), oder ihrer differenziellen Ausprägung (Analyse relativer Land- bewegungen zwischen zwei Zeitpunkten; Genauigkeiten liegen im Millimeterbereich) beschrieben haben, gehören Hartl (1991) und Massonet (1997). So werden z.B. die großen Verwerfungen von bis zu 4 Metern, die das Erdbeben der Stärke 7.5 in Izmit am 17.8.1999 mit sich brachte, sehr genau nachgezeichnet (Fig. 4). Es wurden optische Satelli- ten- und Luftaufnahmen in der Nachsorge und bei einer Vulnerabilitätskartierung der Stadt Istanbul benutzt (Steinborn 2002; Erdik und Swift-Avci 1997). Das auch INSAR genannte Verfahren eignet sich ebenfalls zur Langzeit-Überwachung Erdbeben-gefährdeter Gebiete. So wird die „Hayward“- Störung, Hauptzweig des San-Andreas-Störungssystems in Kalifornien, schon seit 1992 beobachtet in Ergänzung anderer Messtechniken, darunter auch ein GPS-Empfangsnetz. Die INSAR-Messungen werden benutzt, um Richtung und Amplitude a-seismischer (in Teilen des Grabens in der Größenord- nung von 6 mm/Jahr) und co-seismischer Bewegungen zu bestimmen und zu beurteilen, ob sich dort größere Spannungen aufbauen (Burgmann 1999). Die Einsturzunglücke von Lassing 1998, die 10 Bergleuten das Leben kosteten, und von Bochum- Höntrop Anfang 2000 haben in spektakulärer Weise die Aufmerksamkeit auf Spätfolgen des Bergbaus gelenkt, die heute von den Betroffenen immer weniger hin genommen werden und daher umso sorg- Steinborn 413 fältiger vorbeugend dokumentiert werden müssen. Auch hie rfür wird zunehmend von der INSAR- Technik Gebrauch gemacht (Spreckels et al., 2001, Wegmüller et al., 2000 und Fig. 5). Eine frühere Arbeit im schlesischen Kohlenrevier, bei der in einem GIS die Interferogramme des ERS mit topogra- fischen Karten und Plänen des Untertage-Abbaus überlagert wurden, zeigen deutlich die zeitlichen Zusammenhänge und lassen die Methode sowohl als Entscheidungsgrundlage für entspr. bergrechtli- che Genehmigungen als auch als Vorwarnung besonders gefährdeter Objekte (Flughäfen, Pipelines etc.) geeignet erscheinen (Perski und Jura, 1999). Auch Bewegungen und Gefährdungen auf Grund anderer menschlicher Eingriffe (Wasserentnahme, U-Bahnbau etc.) werden sichtbar. Die ESA hat einen Bilderdienst eingerichtet, auf dem die jeweiligen Jahreshebungen/-senkungen europäischer Städ- te (Hamburg, Frankfurt, Turin, London, Leeds, Newcastle , Toulouse, Barcelona, Moskau, Paris, Venedig, Innsbruck, Neapel) zu sehen sind (http://earth.esa.int/INSI/). Für das Fernmonitoring rutschgefährdeter Hänge, Abraumhalden, Lawinen oder Gletscher rücken SAR und INSAR ebenfalls ins Interesse (Rott und Siegel, 1999).
Weitere Anwendungen / Ausblick
Die dargestellten Beispiele gehörten primär dem Bereich Naturkatastrophen an, wobei die Grenzen durchaus fließend sind, wie die Bergbauanwendung zeigt. Im Bereich der Technikkatastrophen gäbe es mindestens ebenso überzeugende Beispiele anzuführen. Erwähnt seien nur die Verfolgung ölver- schmutzender Schiffe und Bohrplattformen auf den Meeren (Wismann, 2000), die Dokumentation der Explosivstofflagerung vor der Katastrophe in Enschede im Mai 2000 in Luft- und Satellitenbildern, sonstige Dokumentationsaufgaben wie Ansammlung von Massenvernichtungspotenzialen, Massen- gräbern oder Entscheidungsunterstützung bei Flüchtlingsströmen, Verteilung von Hilfsgütern und Wiederaufbau (Steinborn, 1997/2000). Nicht zu vergessen sind Feuerwarndienste und – gefährdungskarten (Goldammer). Von großem Dokumentationswert sind die Aufnahmen des IKONOS-Satelliten mit 1m Auflösung, der Manhattan und das Pentagon am12. und 15.9.2001 über- flog, zu einer Zeit also, als kein Flugzeug aufsteigen durfte, um Lagebilder zu erzeugen (Fig. 6). Weitere Hinweise auf Datenquellen enthält die Tabelle. Mögen Initiativen wie dieses DKKV-Forum zur Lösung des Problems der mangelnden zeitlichen Überdeckung mit Beobachtungssatelliten beitra- gen.
Literatur und Anlagen
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Provi- URL Kurzbeschreibung / Kommentar der DLR http://www.dfd.dlr.de "Intelligent Satellite Image System" (ISIS) bietet aktuelle SFE- Daten verschiedener Sensoren zum Download. http://eoweb.dlr.de:8080/servlets/welcome Der "Earth Observation Information Service" des DLR bietet eine detaillierte Suche nach SFE-Daten. Nachteil: Registrie- rungspflicht NOAA http://www.osei.noaa.gov Bietet zu den verschiedensten Naturkatastrophen aktuelle SFE- Daten. Außerdem gibt es einen täglichen Bericht zu aktuellen Ereignissen. http://www.nnic.noaa.gov/GOIN/GOIN.html "Global Observation Information Network" zwischen den USA (NOAA) und Japan (STA). Dient dem Informationsaustausch. Die Seite bietet sehr viele weiterführende Links. USGS http://www.usgs.gov/ Der US Geological Survey bietet vielfältige Informationen zu verschiedenen Naturkatastrophen und u.a. einen Link zum Earth Explorer, mit dessen Hilfe sich weltweit passende SFE-Daten finden lassen. Vorteil: Man kann einzelne Parameter selber bestimmen. http://edcwww.cr.usgs.gov/earthshots/slow/ta EROS DATA CENTER zeigt u.a. für ausgewählte Gebiete bleofcontents Zeitreihen von Satellitenaufnahmen. ESA http://earth.esa.int/ew/ Zeigt zu aktuellen und vergangenen Naturkatastrophen, nach Kategorien sortiert, SFE-Daten verschiedener Quellen und eine Kurzbeschreibung. Vorteil: Meist existiert eine Karte, welche das entsprechende Gebiet eingrenzt. Eurimage http://www.eurimage.com/ Eurimage bietet zu aktuellen Katastrophen verschiedene Satelli- tenbilder von unterschiedlichen Sensoren an. Positiv: Erläute- rungen zu den einzelnen Szenen
Tabelle: Weiter führende Websites (kommentiert von Jana Borgwardt/Uni Bonn).
416 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Fig. 1: Rekonstruktion der Bodenfeuchte im Einzugsgebiet der Ammer vor einem Hochwasser im Au- gust 1995 aus dem Rückstreusignal des europäischen Radarsatelliten ERS nach mehreren Korrektur- schritten (Bach et al. 1998). Im weißen Gebiet war die Rekonstruktion wegen Artefakten nicht mög- lich.
Fig. 2: Radaraufnahme des ERS vom Oderhochwasser um Breslau 1997. Violett: Bett der Oder, Blau: überschwemmte Flächen infolge von Deichbrüchen. Steinborn 417
Fig. 3: Simulation der Ausbreitung des Hochwassers vom 31.1.95 für einen rechtsrheinischen Aus- schnitt des Bonner Stadtgebietes bei einem Wasserstand des Pegels Bonn von 9,97 m. Dargestellt ist die erwartete Ausbreitung der Wasserfläche und zusätzlich im linken unteren Quadranten die Wasser- tiefe. Zur Identifikation betroffener Gebäude und Straßenzüge ist ein Ausschnitt der DGK 5 unterla- gert. Ein Vergleich mit der Messung der Wasserlinie ergab optimale Übereinstrimmung (Braun et al. in Steinborn 1997/2000).
418 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
(a):
(b):
Eurasian Plate
Izmit
The North Epicenter Anatolian Fault
Anatolian Plate
Fig. 4: Die Plattenverschiebung in Ost-West-Richtung des Erdbebens von Izmit wurde radar- interferometrisch an Hand von zwei Bildpaaren des europäischen ERS-Satelliten vor und nach dem Ereignis untersucht. Die Auswertung des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ) zeigt co- seismische Deformationen des Erdbebens vom 17. August 1999, errechnet aus ERS-SLC Daten mit Hilfe der INSAR-Technik. Die Interferenzmuster sind ein Maß für die relativen Oberflächenverschie- bungen im Zeitraum zwischen 12.08. und 16.09. entlang der Nordanatolischen Störung in der Nähe des Epizentrums. Jeder "Fringe" (Farbzyklus) repräsentiert eine Bewegungsänderung von 2.8 cm in Richtung des Satelliten, die sich aus einer Horizontaldifferenz von 18 cm und/oder einer Vertikaldiffe- renz von 3 cm zusammensetzt. Die höchste Dichte der „Fringes“ findet sich erwartungsgemäß in der Nähe des Epizentrums. Der berechnete Gesamtbetrag der relativen dextralen Verschiebung an den Plattenrändern liegt dort bei 4 Metern. Steinborn 419
(a):
(b):
Fig. 5: Bodensenkungen als Bergbaufolge (Beispiel Bochum-Höntrop im Januar 2000) können in Form von Interferenzmustern mit Radarsatelliten dokumentiert werden. Die Methode arbeitet beson- ders gut in Siedlungsgebieten, da störende Überlagerungen durch bewegte Vegetation ausscheiden. Die ca. 2,5 km breiten Ausschnitte aus dem Ruhrgebiet zeigen eine Absenkung von ca. 11 cm (in Rich- tung des beobachtenden Satelliten) innerhalb 71 Tagen im Herbst 1995 und eine weitere, wohl mit dem Abbaufortschritt Richtung Osten entstandene, von ca. 6 cm im Herbst 1996. Jeder Farbzyklus entspricht 2.8 cm (Wegmüller et al. 2000).
420 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
(a):
(b):
Fig. 6: Die Aufnahme (a aus http://www.spaceimaging.com) von Manhattan des IKONOS mit 1m Auflösung aus 680 km Höhe vom 15.9.2001 zeigt die Fähigkeit von Satelliten, selbst bei Ausfall aller übrigen Möglichkeiten (Flugverbot) Lagebilder zu erzeugen, die beispielsweise bei der Einteilung von Verkehrsrestriktionen oder Hilfseinsätzen Entscheidungsgrundlagen bieten können (b aus Barnes 2001). Kahabka et al. 421
Sturm Lothar: Schadenserfassung mit optischen Fernerkundungsdaten aus forstlicher Sicht
H. Kahabka, M. Dees, B. Koch, N. Saidani Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert- Ludwigs-Universität Freiburg
Zusammenfassung
Bedingt durch die dramatischen Sturmereignisse in den Jahren 1990 und 1999 muss sich die Forstwirtschaft in Mitteleuropa vermehrt mit der Bewältigung der dadurch entstandenen Schäden auseinandersetzen. Ein möglichst zeitnaher Überblick über Schadensausmaß und -fläche ist (1.) für eine rasche Ersterfassung zur logistischen Planung der Schadensaufarbeitung und (2.) für die zu erstellende langfristige, detaillierte Planung der Wiederbewaldung von hoher Bedeutung. Durch den kombinierten Einsatz von vorhandenen Zusatzinformationen (z.B. aus dem geographischen Informationssystem der Forst- verwaltung und der Bundeswaldinventur) mit hochauflösenden optischen Fernerkundungssensoren (Luftbilder, Ikonos, IRS- 1C, SPOT4, Landsat ETM7) bestehen neue Möglichkeiten der Erfassung und Auswertung von Schäden in Waldbeständen. In dem seit Sommer 2000 laufenden Forschungsvorhaben soll insbesondere geprüft werden, welche Informationen, bezogen auf die Flächengröße, Lagegenauigkeit und des Schadenstyps aus den verschiedenen Datenquellen entnommen werden können. Die Bewertung der Eignung der verwendeten Fernerkundungsdaten beruht neben der Informationskomponente auch auf der Datenverfügbarkeit und dem Zeitbedarf für Prozessierung und Auswertung. Als Untersuchungsgebiet wurden mehrere Forst- bezirke im Schwarzwald ausgewählt.
Abstract
After the severe storm events in 1990 and 1999, forest administrations have to manage the thereby caused damages within the forest. A rapid overview about the damages is important (1.) for the first logistical planning of clearing measurements and (2.) for the detailed planning of the forest recultivation. Using already available digital informations (e.g. data from the geographic information system of the forest administration or sample data from forest inventories) in combination with high resolution optical remote sensing images (aerial photographs, Ikonos, IRS-1C, Spot4, Landsat ETM7) opens new possibilities of detecting and analysing the forest damages. This paper presents first results from a study, that evaluates the quality of damage area, precision of position and damage type information that may be extracted from the remote sensing data. The used remote sensing sources are compared in terms of information content, availability and costs. The study areas consists of several forest districts situated in the Black Forest, South West Germany.
Einführung
Baden-Württemberg zählt mit rund 39 % der Landesfläche zu den waldreichsten Bundesländern in Deutschland. In den Jahren 1990 und 1999 war es von den bisher schwersten Sturmschäden in den Wäldern seit Einführung der modernen nachhaltigen Waldbewirtschaftung vor 200 Jahren betroffen. Bedingt durch diese dramatischen Sturmereignisse muss sich die Forstwirtschaft vermehrt mit der Bewältigung der dadurch entstandenen Schäden auseinandersetzen. Durch Orkan „Lothar“ an Weih- nachten 1999 fielen alleine in Baden-Württemberg innerhalb von nur zwei Stunden 29 Mio. m3 Sturm- holz an, fast das dreifache des normalen jährlichen Holzeinschlags. Flächenhafte Schäden entstanden auf über vierzigtausend Hektar. Die markantesten Unterschiede zu Sturm „Wiebke“ im Jahr 1990 sind, dass diesmal auch Schäden auf stabilen Standorten auftraten und viel Laubholz betroffen war. Der den Waldbesitzern durch den Sturm entstandene finanzielle Gesamtschaden wird auf über 2 Milliarden DM geschätzt.
422 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Vordringlichste Aufgabe der Forstbehörden nach einer solchen großräumigen Sturmkatastrophe ist die Erfassung des Schadausmaßes und die Lokalisation der Schäden, damit die wichtigsten Maßnahmen umgehend geplant und durchgeführt werden können. Die Koordination bei der Bewältigung des Sturmholzes liegt in Baden-Württemberg über alle Waldbesitzgrenzen hinweg (Staats-, Kommunal- und Privatwald) bei den staatlichen Forstämtern (Einheitsforstamt). Terrestrische Aufnahmen der Schäden haben dabei verschiedene Nachteile. Zum einen können diese Aufnahmen aufgrund des enormen Zeitdrucks und der unterschiedlichen Besitzverhältnisse nur uneinheitlich und eingeschränkt erfolgen. Des Weiteren behindern blockierte Wege sowie die zerstörten Bestände selbst nach den Sturmereignissen eine Begehung der betroffenen Flächen.
Daher bietet sich die Erfassung der Schäden aus der „Vogelperspektive“ an. Basierend auf den Erkenntnissen von Forschungsarbeiten, die nach den Sturmereignissen „Vivian“ und „Wiebke“ 1990 durchgeführt wurden (z.B. Fritz, 1991; Kuntz und Zimmermann, 1993; Scherrer, 1993), initiierte das Ministerium Ländlicher Raum Baden-Württemberg im Sommer 2000 ein Forschungsvorhaben, das den Einsatz von Fernerkundungsmedie n zur Erfassung von großräumigen forstlichen Sturmschäden unter besonderer Berücksichtigung der inzwischen erfolgten technischen Entwicklung untersuchen soll. Dieses Projekt, kurz STURMMON genannt, hat eine Laufzeit von 3 Jahren und wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) kofinanziert.1
Zielsetzung
Das Forschungsprojekt STURMMON soll klären, mit welchen Fernerkundungsverfahren innerhalb welchem zeitlichen Rahmen und mit welchen Genauigkeiten eine Erfassung der Schäden möglich ist. Eingesetzt werden Daten der zur Verfügung stehenden hochauflösenden Systeme der Satellitenfern- erkundung sowie Daten eines flugzeuggetragenen Radarsystems und Luftbilder. Dieser Beitrag stellt die Untersuchung der optischen Fernerkundungsdaten vor. Bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit der Systeme werden neben der Informationskomponente auch die Faktoren Datenverfügbarkeit und der Zeitbedarf für die Informationsbereitstellung beurteilt. Integriert werden verfügbare Vorinforma- tionen aus dem forstlichen GIS-System der Landesforstverwaltung (FOGIS) und der Stichprobendaten der Bundeswaldinventur und von Betriebsinventuren (BWI/BI), bzw. digitale Fernerkundungsdaten mit Aufnahmedatum vor dem Sturmereignis (Luftbilder, Satellitendaten), um
· die Informationsextraktion aus Fernerkundungsdaten zu unterstützen und · weiterführende Analysen und Statistiken zu erstellen (z.B. über geworfene Baumarten, Sortimente oder Massen).
Das forstliche geographische Informationssystem in Baden-Württemberg (FOGIS) befindet sich noch im Aufbau und liegt bisher für ca. die Hälfte der Forstbezirke vor.
Die Ergebnisse des Projekts sollen dann in einem umfassenden Handbuch zusammengestellt werden, das im Falle einer weiteren überregionalen Sturmkatastrophe der Verwaltung als Leitfaden für die Ent- wicklung schneller Handlungsstrategien dienen kann.
In enger Zusammenarbeit mit der Landesforstverwaltung Baden-Württemberg wurde ein zweistufiges Vorgehen für die Informationserfassung erarbeitet. Als erste Stufe soll ein Verfahren entwickelt werden, das eine möglichst schnelle Übersicht des Schadensausmaßes und der Schadverteilung für
1 Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 50EE0034 und des Ministeriums Ländlicher Raum Baden-Württem- berg (Förderkennzeichen 0207 E) gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Kahabka et al. 423 eine logistische Planung der Aufarbeitung liefert (Zeitbedarf max. 2-3 Wochen). In einem zweiten Schritt sollen für die längerfristige Planung der Wiederbewaldung möglichst genaue Kartierungen der Schadflächen bereitgestellt werden (Zeitbedarf max. 4-5 Monate).
Untersuchungsgebiet
Wichtigstes Kriterium für die Auswahl der Untersuchungsgebiete für das Vorhaben STURMMON war das Vorliegen von digitalen FOGIS-Daten (da diese mit in das zu entwickelnde Auswertungs- konzept integriert werden) und unterschiedliche, aber repräsentative Bedingungen bezüglich des Geländes und der Baumartenverteilung. Es wurden daher 4 Forstbezirke im Starkschadgebiet Schwarzwald, Südwestdeutschland ausgewählt (Abb. 1).
Abb. 1: Lage der Untersuchungsgebiete im Starkschadgebiet Schwarzwald. Die ausgewählten Forstbezirke sind im Kartenausschnitt hell dargestellt (Quelle der Kartengrundlage: Landesforstverwaltung).
Daten und Auswertungskonzept
Fernerkundungsdaten Das Konzept der Landesforstverwaltung für die Erfassung der Sturmschäden sah die Verwendung von Luftbildern vor. Ein Teil des Schadgebiets wurde durch Nutzung der aktuellen Befliegung des Landes- vermessungsamts (Maßstab 1:18.000, normal schwarz-weiß -Film) und ein Teil durch eine zusätzliche Befliegung (Maßstab 1:18.000, schwarz-weiß -Infrarot-Film) abgedeckt. Im Untersuchungsgebiet liegen Aufnahmen der Befliegung des Landesvermessungsamts vor. Zusätzlich wurde im Sommer 2000 im Rahmen des Projekts eine Luftbildbefliegung mit hochauflösendem schwarz-weiß - und schwarz-weiß -infrarot-Film in den Maßstäben 1:25.000 und 1:36.000 durchgeführt. Bei den hier gewählten kleineren Maßstäben deckt jedes einzelne Luftbild eine größere Fläche ab. Dadurch müssen bedeutend weniger Bilder vor einer weiteren Auswertung bearbeitet werden, was zeitliche und finanzielle Vorteile mit sich bringt. 424 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
An Satellitendaten werden hochauflösende (Landsat ETM7, Spot, IRS-1C) und sehr hochauflösende Daten (Ikonos) in die Untersuchung einbezogen. Die wichtigsten Eigenschaften der verwendeten optischen Satellitendaten sind in Tab. 1 zusammengefasst, Bildbeispiele zeigen Abb. 2-3.
IKONOS IRS-1C Spot 2 Landsat ETM7 Anzahl Kanäle panchromatisch 1 1 1 1 multispektral 4 - 3 7 Räumliche Auflösung panchromatisch 1 m 5 m 10 m 15 m multispektral 4 m - 20 m 30 m Flughöhe 680 km 817 km 822 km 705 km max. Breite 11 km 70 km 60 km 185 km Aufnahmestreifen Wiederholrate 3 Tage 24 Tage 26 Tage 16 Tage Aufnahmedatum Szene 10.09.1999 11.09.1999 vor Sturm Aufnahmedatum Szene 21.07.2000 08.04.2000 14.01.2000 21.03.2000 nach Sturm 29.08.2000 01.02.2000 06.03.2000 Tab. 1: Zusammenstellung der optischen Satellitendaten.
GIS-Daten Mit der Weiterentwicklung der Informationstechnologien entstand bei der Landesforstverwaltung Baden-Württemberg Ende der 80er Jahre der Bedarf nach verstärkter Nutzung geographischer Daten- verarbeitungssysteme. In diesem Rahmen wurde ein Forstliches Geographisches Informationssystem (FOGIS) eingeführt, dass die digitale Erfassung und Verwaltung aller forstlicher Geometrien und Sachdaten zum Ziel hat (Fritz 1999). Aus diesem Datenpool wurden für die vorliegende Unter- suchung die Daten der Forsteinrichtung verwendet. Diese enthalten Informationen auf Bestandesebene (Bestandesalter, Baumarten, Baumartenmischung, Holzvolumen, etc.), die in die Auswertung mit ein- bezogen werden können. Da diese Daten nur für den öffentlichen Wald vorliegen, kann derzeit für den privaten Wald nur eine digitale Waldmaske verwendet werden.
Methodik Alle verwendeten Datensätze wurden zunächst geometrisch entzerrt und georeferenziert. Für die Erfassung der Schadflächen in den verschiedenen Fernerkundungsmedien sind unterschiedliche Ansätze geplant:
· flächendeckende Erfassung · stichprobenbasierte Erfassung (unter Nutzung der BWI-Daten zu Auswertungszwecken) · visuelle Interpretation (manuelle Delinierung der Schadflächen am Bildschirm) · automatische Klassifikation (die Fernerkundungsdaten werden rechnergestützt ausgewertet) · monotemporal (nur Verwendung von Fernerkundungsdaten, die nach dem Sturmereignis aufgenommen wurden) · multitemporal (Verwendung von Fernerkundungsdaten, die vor und nach dem Sturmereignis aufgenommen wurden)
Am Ende jedes Ansatzes steht die Überprüfung der Qualität der Sturmschadenserfassung mit statistischen Methoden. Als Referenzdaten dienen terrestrische Erhebungen in Kombination mit einer Schadenserfassung auf Basis von Luftbildern. Kahabka et al. 425
Erste Ergebnisse
Erste Auswertungen der visuellen Erfassung von Sturmflächen mit den Satelliten Landsat ETM7, IRS-1C und IKONOS unter Einbeziehung von FOGIS-Daten als Zusatzinformation zur Vermeidung von Fehlinterpretationen liegen vor. In den panchromatischen Daten des Satelliten IRS-1C können Schadflächen mit einer Größe ab 0,5 ha mit einer Genauigkeit von 87 % erfasst werden. Probleme bereitet insbesondere die zusätzliche Erfassung von Flächen, die keine Sturmschäden sind (z.B. Lücken im Bestand, mehrstufige Bestände, Wegschneisen). Diese Fehlerfassungen können auch durch Verwendung der FOGIS-Daten nicht ausgeschlossen werden, da die verursachenden Faktoren dort nicht oder nicht genau genug erfasst sind (Ramminger,2000). Die Verwendung von hochauflösenden IKONOS-Daten erlaubt dagegen die visuelle Erfassung von Schäden kleiner 0,5 ha. Eine erste Überprüfung im Gelände und Luftbild ergab nahezu 100 % Über- einstimmung. Entscheidender Vorteil dieser Daten war neben der höheren räumlichen Auflösung das Vorhandensein von multispektraler Information (insbesondere des nahen Infrarots). Durch die Verfügbarkeit dieser Farbinformationen wird die manuelle visuelle Interpretation deutlich erleichtert und Fehlansprachen können reduziert werden (Ramminger, 2000). Die Visuelle Erfassung in den Landsat ETM Daten erfolgte in einem Bildprodukt, das aus Daten mit Aufnahmedatum vor und nach dem Sturmereignis zusammengestellt wurde. Zudem wurde die höher aufgelöste Information des panchromatischen Kanals (15 m) mit der weniger hoch aufgelösten Information der multispektralen Kanäle (30 m) verbunden (sog. "Fusion"), sodass ein farbiges Bild mit der räumlichen Auflösung des panchromatischen Kanals entstand. Sturmflächen treten dabei in starken Rot- bis Rosatönen hervor. Probleme ergaben sich insbesondere im Laubwaldgebieten, da die verwendete Szene nach dem Sturmereignis im März außerhalb der Vegetationsperiode aufgenommen wurde und es fast unmöglich ist, Sturmflächen von unbelaubten Beständen zu unterscheiden. In reinen Nadelwaldgebieten konnte 70 % der vom Sturm betroffenen Fläche erfasst werden. In Gebieten mit hohem Laubwaldanteil reduziert sich dieser Anteil deutlich und führte zu Fehlerfassungen. Die automatischen Erkennung von Sturmschäden mittels Bildsegmentierung in multispektralen Ikonos Daten erbrachte gute erste Resultate (Diedershagen, 2001). Diese Verfahren werden derzeit noch bear- beitet, ein erster Eindruck gibt Abb. 4.
Folgerungen
Folgende vorläufigen Schlussfolgerungen können bereits gezogen werden: · Die Verwendung von digitalen Zusatzdaten (FOGIS, Luftbilder vor dem Sturmereignis) erleichtert die Auswertung der Fernerkundungsdaten und vermindert die Gefahr von Fehlklassifikationen. · Die kleineren Maßstäbe der Luftbilder aus der Hochbefliegung erlauben immer noch eine zuverlässige visuelle Erfassung der Sturmflächen. · Eine detaillierte Kartierung ist mittels optischer Satellitendaten möglich (Satellit Ikonos). · Denkbar ist die Kombination verschiedener Datenquellen zur Abdeckung großer Gebiete, je nach deren wolkenfreier Verfügbarkeit. Dabei ist mit hochauflösenden Daten (Landsat ETM7, Spot, IRS-1C) eine schnelle großräumige Erfassung mit akzeptabler Genauigkeit für Sturmflächen ab einer Größe von 0,5 bis 1 ha (in Abhängigkeit von der Sensorauflösung) in Nadelwalgebieten möglich. · Die schnelle Verfügbarkeit von optischen Daten hängt stark von der Wettersituation nach dem Sturmereignis ab. · Eine verlässliche schnelle Abdeckung von großen Gebieten mit Fernerkundungsdaten (innerhalb von 3 Wochen nach dem Schadereignis) scheint nur mit wetterunabhängiger Radartechnologie möglich, wobei die für eine Sturmschadenserfassung notwendigen hochauflösenden Sensoren erst in naher Zukunft satellitengetragen zur Verfügung stehen werden (Ramminger et al., 2001). 426 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Literatur und Anlagen
Diedershagen, O., 2001: Automatische Erfassung von Sturmflächen in panchromatischen Luftbildern und hochauflösenden multispektralen Satellitenbildern. Unveröffentlichte Diplomarbeit, Universität Freiburg. Fritz, R., 1991: Digitale Waldkarte und Kartierung der Sturmschäden 1990 mit Landsat-TM-Daten für das Forstamt Bebenhausen. Unveröffentlichte Diplomarbeit, Universität Freiburg. Fritz, R., 1999: Digitale Forstkartenerstellung und Feldgrenzendelinierung mit Hilfe hochauflösender Satellitensysteme. Zwei Anwendungsbeispiele aus der Forst- und Landwirtschaft. Dissertation, Universität Freiburg. Kuntz, S. und C. Zimmermann, 1993: Erfassung von Sturmschaden im nördlichen Schwarzwald mit Satellitendaten. Allgemeine-Forst-und-Jagdzeitung 164: 8, S. 150-155. Ramminger, G., 2000: Visuelle Erfassung von Sturmflächen mit den hochauflösenden Satelliten IRS- 1C und IKONOS unter Einbeziehung eines forstlichen geographischen Informationssystems. Unveröffentlichte Diplomarbeit, Universität Freiburg. Ramminger, G., M. Dees und B. Koch: STURMMON: Schadenserfassung mit Radardaten aus forstlicher Sicht - Erste Ergebisse. Tagungsband Zweites Forum Katastrophenvorsorge, 24.-26. Sept. 2001 Leipzig. Scherrer, H. U., 1993: Projekt zur flächenhaften Erfassung und Auswertung von Sturmschäden. AFZ- Allgemeine-Forst-Zeitschrift 48: 14, S. 712-714.
Kahabka et al. 427
Abb. 2: Bildbeispiel IKONOS-Daten. (A) Pan- Abb. 4: Automatische Erfassung von Sturmflächen chromatisch, 1m Auflösung, (B) Multispektral 4m in multispektralen Ikonos-Daten (gelb: Sturm- Auflösung, (C) Fusionsbild (Verschmelzung aus flächen, blau: Wolken). 1 m Texturinformation und 4 m Farbinfor- mation). Teilwiese geräumte Sturmfläche.
A B C
Abb. 3: Delinierte Sturmfläche aus (A) Luftbild Maßstab 1:36.000, (B) IRS-1C Daten und (C) Landsat ETM7-Daten (grün: Delinierung der Schadfläche, blau: Geometrien aus FOGIS). 428 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Sturm Lothar: Schadenanalyse und Risikokartierung aus meteorologischer Sicht
C. Kottmeier1, C. Schmitt1, J. Schmoeckel1, A. Borchert2 1Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungszentrum Karlsruhe/ Universität Karlsruhe 2Alfred Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung
Zusammenfassung
Das quantitative Maß an Sturmschäden, die der Orkan Lothar am 26.12.1999 im Nordschwarzwald verursacht hat, wird durch eine empirische Untersuchung und durch numerische Simulationen des Windfeldes (in einem Parallelvorhaben) untersucht. Eine Aufnahme des Schadensbildes erfolgte ca. fünf Monate nach dem Ereignis mit einem flugzeuggetragenen Zeilenscanner, dessen Daten in verschiedenen Arbeitsschritten zur Berechnung hochaufgelöster (ca. 2m x 2m Bildpunktgröße am Boden), georeferenzierter Verteilungen des Vegetationsindex verwendet werden. Die geschädigten Flächen unterscheiden sich klar durch reduzierten Vegetationsindex von vitalen Waldbeständen und durch unterschiedliche Textur von sonstigen Flächen mit geringer Vegetation. Es wird gezeigt, dass das Schadensbild erheblich von den orographischen Gegebenheiten abhängt. Große Schäden traten in Sattellagen zwischen Einzelbergen, an nordwestlich bis nördlich orientierten Bergflanken, in windparallelen Längstälern und am luvseitigen Hang von Bergrücken auf. Erhebliche Schäden erlitten Waldbestände auf Bergkuppen, an exponierten Stellen im Flachland (Rheintal) und an südlich bis südöstlich orientierten Flanken von Einzelbergen. Geringe Schäden sind in mutmaßlichen Windschattenzonen, d.h. an den windabgewandten (östlichen) Seiten von Bergen, in Mulden und Nischen sowie in Quertälern zu verzeichnen. Das insgesamt sehr komplexe Schadensbild lässt sich nur durch kombinierte Analyse besser erklären, bei der auch die Vegetations- und Standortmerkmale berücksichtigt werden.
Abstract
The damage in the woodlands of the Northern Black Mountains (Schwarzwald) caused by the storm ‘Lothar’ on Dec 26, 1999, is studied empirically and by numerical wind field simulations (in a parallel project). The damage pattern is assessed approx. 5 months after the desaster by an airborne survey with a digital line scanner, the data being used in calculating highly resolved (2m x 2m pixel size at the ground), georeferenced distributions of the vegetation index. The areas under concern differ significantly from vital forests by their reduced vegetation index and they contrast to other regions without vegetation by different texture. It is shown that the damage pattern is significantly affected by orographic factors. Large damage occurred at the location of saddles between single mountains, on mountain flanks facing to the North and Northwest, and at the windward (westerly) flanks of extended mountain ridges. Forests on mountain tops, at certain exposed locations in flat landscape (Rhine Valley), and at flanks of single mountains facing to the South to Southeast also suffered significant damage. Little damage is found in presumably wind guarded areas, i.e. on the leeside (Eastern) mountain flanks, in troughs and niches as well as in valleys perpendicular to the mean westerly to southwesterly winds. The spatial distribution of damages is very complex and can be more fully explained only by a combined analysis, where characteristics of the forest canopy and of the site are taken into account.
Einführung
Das Gefährdungspotential für Gebäude, Waldbestände und Menschen durch Sturmereignisse wird unter anderem durch die Geländeform beeinflusst, da in Abhängigkeit von den orographischen Gegebenheiten (Geländehöhe, Neigung, Exposition) und den meteorologischen Bedingungen (Dichteschichtung, Wind in der freien Atmosphäre) Berge über- oder umströmt werden. Demzufolge kommt es zu Geschwindigkeitserhöhung auf den Bergkuppen oder in Taleinschnitten und Sätteln. Die Vorgänge lassen sich durch dreidimensionale atmosphärische Strömungsmodelle darstellen (s. Beitrag Kottmeier et al. 429
H. Noppel, Universität Karlsruhe), es fehlt aber bislang an guten Vergleichsdaten über tatsächliche Schadenmuster, an denen solche Modelle kalibriert werden können.
Aufnahmegebiet und Messverfahren
Aus diesem Grunde wurde im Mai und Juni 2000 eine detaillierte Befliegung mit einer CCD- Zeilenkamera (Bochert et al., 2000) zur Schadenaufnahme nach dem Orkan Lothar im Nordschwarzwald (Abb. 1) durchgeführt und analysiert. Ziel der abgestimmten Schadenaufnahme und Modellierung ist es, eine räumlich hochauflösende Risikokartierung für die Sturmgefährdung von Waldbeständen zu gewinnen, die insbesondere die orographisch bedingte Windverstärkung berücksichtigt.
Abb. 1: Befliegungsmuster im Mai/Juni 2000 mit einem flugzeuggetragenen Scanner im Nordschwarzwald.
Mittels eines CCD-Sensors werden in dem eingesetzten Color Line Scanner (CLS) die Intensitäten der vom Erdboden reflektierten Strahlung in drei Farbkanälen gemessen: im grünen (500 – 570 nm), roten (580 – 680 nm) und nahen Infrarot- Bereich (720 – 830 nm). Im nahen Infrarot zwischen 750 nm und 1300 nm ist die Reflexion von Blättern gegenüber unbewachsenem Boden und abgestorbener Vegetation besonders hoch (Abb. 2a). Der steile Anstieg der Reflexion mit einer maximalen Steigung zwischen 690 nm und 740 nm ist ein typisches Merkmal von Vegetation. Je höher der Chlorophyllgehalt der Pflanzen ist, desto weiter ist der steile Anstieg zu höheren Wellenlängen hin verschoben. Aus den Intensitäten der reflektierten Strahlung in den Wellenlängenbereichen roter und infraroter Strahlung wird der normierte Vegetationsindex NDVI bestimmt. Abb. 2b zeigt die relative 430 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Empfindlichkeit des CCD-Sensors, der im CLS verwendet wird, im roten Wellenlängenbereich und im nahen Infrarot. Abb. 2c verdeutlicht im Vergleich zu Abb. 2b die Empfindlichkeit von Sensoren, die in verschiedenen Satelliten verwendet werden. Die Bandpassfilter der Satellitensensoren haben im Gegensatz zum CCD-Sensor sehr steile Kanten. Für den Vegetationsindex interessiert besonders die Intensitätsänderung der reflektierten Strahlung um 700 nm. Es ist daher von Vorteil, daß sich die Empfindlichkeiten des roten Kanals und des Kanals für nahes Infrarot beim CCD-Sensor überlappen.
a
b
c
Abb. 2: Spektrale Reflektivität von Pfanzen und Boden (a, oben), spektrale Empfindlichkeit des CLS im Roten und Nahinfrarot (b, Mitte) und verschiedener Satellitensensoren zur Vegetations-Bestimmung Bochert et al., 2000).
Fluglagekorrektur, Georeferenzierung und NDVI-Bestimmung
Die CLS-Daten lassen sich in den einzelnen Farbkanälen (Abb. 3a: roter Kanal) oder als Differenz aus mehreren Kanälen darstellen (Abb. 3b - 3d: Vegetationsindex, grün: Vegetation, braun: kein Bewuchs / abgestorbenes Material). Der Vegetationsindex (NDVI) wird aus der Intensität der reflektierten Strahlung der Oberfläche im nahen Infrarot (Inir) und im roten Wellenlängenbereich (Ired) I - I bestimmt: NDVI = nir red . Inir + Ired Für die Darstellung müssen die Daten georeferenziert werden. Dies geschieht mit Hilfe der gemessenen Fluglagedaten, die die absolute Position des Flugzeuges (Differential-GPS) und die Neigungswinkel um die drei Achsen zu jedem Zeitpunkt registriert werden. Außerdem muß die Lage der Kamera bezüglich des Flugzeuges bestimmt werden. Abb. 3a und 3b zeigen Darstellungen ohne Korrektur der Kamerawinkel. In Abb. 3c ist die Position der Kamera bezüglich des Flugzeuges bekannt. Der deutliche Absatz in den Bildern zeigt die Grenze zwischen zwei überflogenen Streifen. Diese sind auch nach der Korrektur der Kamerawinkel gegeneinander verschoben und überlappen sich. Eine korrekte räumliche Zuordnung aller Bildpunkte erhält man, indem sie orthoprojiziert werden, wozu hochaufgelöste digitale Höhendaten notwendig sind. Wie in Abb. 3d zu sehen ist, sind die einzelnen Streifen im Überlappungsbereich kongruent. Zusätzlich ist es möglich, Höhenlinien darzustellen. Aus derartigen Darstellungen und Klassifikation in Schadenklassen können direkt Kottmeier et al. 431
Informationen über die Lage der geschädigten Waldbestände in Relation zu orographischen Parametern (Geländeform, -neigung, -orientierung zur Windrichtung) gewonnen werden.
a b c d
Abb.3: Bearbeitungsschritte: roter Kanal (a, links), NDVI (b, 2.v. links), NDVI nach Fluglage- korrektur, nach Einbauwinkelkorrektur (c, 2. von rechts), NDVI orthoprojiziert (d, rechts).
Exemplarische Schadensanalyse
In der Szene östlich von Baden-Baden ist der Waldschaden (gelb-braune Fläche) im Bereich eines Sattels zwischen Merkur und Staufenberg besonders markant. Der 200 m tiefer liegende Sattel mit dem Wegekreuz (Fußwege und Abräumspuren) und die südlich angrenzende Flanke des Staufenbergs sind total geschädigt, während der Gipfelbereich beider Berge weniger betroffen ist. Bereiche östlich von Erhebungen waren bei der Anströmung von Westen im Windschatten und blieben verschont.
Abb. 4: Ergebnis der NDVI-Aufnahme östlich Baden-Baden. Höhenlinienabstand 50 Meter, 200 m – Linien hervorgehoben, Datenauflösung 1 m.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Aufnahme der durch den Orkan Lothar am 26.12.1999 verursachten Schäden im Waldbestand des Nordschwarzwaldes mit einem flugzeuggetragenen Farb-Scanner ermöglicht eine Zuordnung der Schadensintensität zu orographischen Gegebenheiten. Es wird deutlich, dass die Schäden nicht nur von der Baumart, Wurzeltiefe, Bodenbeschaffenheit und Wassersättigung abhängen, sondern zu einem erheblichen Teil durch Über- und Umströmungseffekte der Berge bestimmt wurden. Große Schäden 432 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen traten insbesondere in Sattellagen zwischen Bergen, an nördlichen Bergflanken, in west-ost- orientierten Talabschnitten und am luvseitigen Hang langer Bergrücken auf. Auch kleinräumige Unterschiede lassen sich durch die seitliche Querschnittsverengung für die von Westen anströmende Luftmassen erklären, während Sturmverstärkung über den Gipfeln weniger Einfluss hatte. Durch Vergleich und Ergänzung mit satellitengestützten Methoden, die an der Universität Freiburg entwickelt werden, und in Kooperation mit Forstbehörden sollen die bisherigen Verfahren weiterentwickelt werden und räumlich differenzierte Gefährdungskarten für das Sturmrisiko in Waldbeständen und Empfehlungen für die standortgerechte Aufforstung abgeleitet werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Modellentwicklung für eine verbesserte Modellierung des Starkwindfeldes für unterschiedlichste Sturmsituationen.
Literatur
Bochert, A., J. M. Hacker und K. Ohm, 2000: Color Line Scanner as imaging NDVI Sensor. Second EARSEL Workshop on Imaging Spectroscopy. Roessner et al. 433
Satellite remote sensing for regional assessment of landslide hazard in Kyrgyzstan (Central Asia)
S. Roessner1, H.-U. Wetzel1, H. Kaufmann1, A. Sarnagoev2 1GeoForschungsZentrum Potsdam, Division Kinematics and Dynamics of the Earth, Remote Sensing Section 2Ministry of Environment and Emergency, Bishkek, Kyrgyzstan
Abstract
Large landslides are one of the main natural hazards in Kyrgyzstan. Because of the high number of landslides and their relative inaccessibility in mountainous terrain the potential of satellite remote sensing in combination with GIS-based analysis has been investigated in the frame of a collaboration with the Ministry of Emergency and Environment (MEE) in Kyrgyzstan. Emphasis is put on the development of multi-temporal remote sensing techniques to support landslide inventories and characterisation of main terrestrial factors preconditioning landslides on a regional scale. The database consists of Landsat-TM, stereoscopic MOMS-2P and radar (ERS-1/2) satellite imagery. MOMS-2P and ERS-1/2 data allowed the generation of high-resolution Digital Elevation Models (DEM). The derived relief parameters have been analysed in a GIS in combination with other information obtained from remote sensing data, thematic maps and field observation for a spatially differentiated characterisation of terrain properties as a basis for further assessment of landslide hazard. Future work will focus on investigating the potential of most recent and upcoming satellite missions (SRTM, ENVISAT and ASTER) for landslide analysis, since this research has been approved for pilot projects in the corresponding announcements of opportunity.
Introduction
The geography of Central Asia is affected by the ongoing collision of the Indian sub-continent with southern Eurasia. In the area of convergence between the two continental plates rapid bedrock uplift has been leading to the formation of the Earth's largest mountain belts (Himalaya, Pamir, Tienshan). Active mountain building is associated with the frequent occurrence of extreme natural processes such as earthquakes, mass movements, floods and avalanches. These processes often interfere with each other and thus represent multiple natural hazards to inhabitants and infrastructure of mountainous areas and their vicinities. In Kyrgyzstan large landslides (up to more than one million cubic meters) represent one of the major natural hazards due to their frequent (seasonal) occurrence within large areas. They are especially concentrated in the Southern Tienshan along the eastern rim of the Fergana Basin (Fig. 1) within the foothills of its surrounding mountain ranges. Since this region is quite densely inhabited landslides lead almost every year to damage of settlements and infrastructure and loss of human lives. In this area landslide activity is caused by complex interactions between tectonic, geological, geomorphological and hydrometeorological factors. Because of the high complexity of the phenomena and their occurrence over large areas, the Ministry of Environment and Emergency (MEE) in Kyrgyzstan, which is responsible for disaster mitigation and prevention, is very interested in the development of effective methods for an improved evaluation of landslide hazard. Against this background, a collaboration between the Remote Sensing Section of the GFZ Potsdam and the Department of Monitoring of Dangerous Natural and Technical Processes of the MEE has been developed which has the goal of investigating the potential of satellite remote sensing in combination with GIS-based methods for an objective and spatially differentiated evaluation of landslide hazard at a regional scale.
434 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Maili Sai
Kyrgyzstan
Fig. 1 Study area (white box) at Eastern rim of Fergana Basin - Southern Tienshan
Landslide situation in Southern Kyrgyzstan
In Kyrgyzstan landslides have been studied for the last 50 years and about 3000 landslides have been recorded which are mostly concentrated along the topographically rising rim of the Fergana Basin below its transition into the high mountainous terrain. Landslides mostly occur in form of rotational slides at elevations between 700 and 2000 meter in weakly consolidated Quaternary and Tertiary sediments consisting of loess, sand- and siltstones, clays, loams and carbonates (Fig. 2 – colour plate). Past investigations were focussed on detailed studies of single events in the vicinity of settlements. Emphasis was put on their relationship to engineering geology, ground water conditions and atmospheric precipitation resulting in a good understanding of local slope instabilities. The existing knowledge allows a differentiation of landslides according to their lithological characteristics which mainly determine the style of movement. Landslides occuring in massive Quaternary loess units of up to 50 meters thickness are characterised by very rapid avalanche-like mass movements which can reach several meters per second (Fig. 2a). They often represent a combination of rotational slide and dry flow resulting in long runout zones. These landslides are especially dangerous because of their great destructive power and their sudden occurrence after longer periods of sneaky destabilisation which is indicated by cracks developing sub-parallel to hillslope crests. Another form of rotational landslides occurs in Meso- and Cenozoic sediments (Jura up to Paleogene) with intercalated clays (Fig. 2b). These environments lead to complex mass movements with long periods of activity and maximum movement rates of several meters per day. They are also Roessner et al. 435 preceded by the formation of cracks. Both types of landslides result in devastation of large areas in a region which represents an important human living space in Kyrgyzstan. Under these conditions there is a strong need for a regional and at the same time spatially differentiated assessment of landslide hazard. So far, the results of the existing local studies can only partially explain the occurrence of landslides at a regional scale. This is due to a limited understanding of factors controlling the regional distribution of landslides, such as recent tectonic activity. Another factor is the topographic relief resulting from the tectonic development and the specific lithological conditions. In previous investigations both factors have not been analysed yet in their relationships with landslide activity at a regional scale. There are also insufficient information about the spatial and temporal occurrence of landslides. Although in Kyrgyzstan a high number of landslides has been recorded based on regular field investigations and selected analysis of aerial photographs, a consequential spatial and temporal inventory of landslides over large areas has not yet been carried out. This is due mainly to the limited availability of spatial data (detailed maps and remote sensing data) which has been caused by a restrictive data policy during Soviet times and insufficient financial and technological means at present. The current state of knowledge shows the great importance of spatially differentiated and continuous information about landslide occurrence and preconditioning factors for a profound process understanding as the main prerequisite for successful hazard assessment.
Potential of satellite remote sensing for landslide investigations
The landslide situation in Kyrgyzstan represents an example where large areas are affected and the availability of base and archival data is limited. The goal of this project is the investigation of the potential of satellite remote sensing for improved landslide hazard assessment. Emphasis is put on the application of remote sensing techniques for an inventory of landslide events and a spatially differentiated characterisation of preconditioning factors. In this connection remote sensing based information extraction is mainly focussed on the characterisation of surface conditions and the generation of topographic information. Due to the complex nature of the landslide phenomenon, information derived from remote sensing data have to be analysed in combination with additional landslide related data using GIS techniques. For this purpose specific methodological developments are required which include visual interpretation by human experts and automated approaches of spatial data analysis which are capable of incorporating expert knowledge. Satellite remote sensing allows simultaneous recording of large areas (swath width between tens and hundreds of kilometres) with a high repetition rate (between days and weeks). Data of suitable spatial resolution have been available since the end of the 1960's and thus represent a valuable archive of surface conditions which can be used for the assessment of landslide activity during the last 30 years. In this project the potential of optical multispectral (Landsat-TM, MOMS-2P) and radar (ERS-1/2) satellite data is investigated. Among them, Landsat-TM data represent the most commonly available ones which can be acquired since 1984 with a revisiting cycle of 16 days. However, the existing multi- temporal coverage is determined by the weather conditions and the actual request for data which has been very limited for Kyrgyzstan until the break-up of the Soviet Union. In the result, for this area regular data acquisition has only been carried out since 1998. MOMS-2P data were recorded in a single partial cloud-free orbit covering the northern part of the study area during the operation of the German MOMS-2P (Modular Optoelectronic Multispectral Scanner) sensor on board of the Russian MIR station. ERS-1/2 SAR (Synthetic Apertur Radar) data have been acquired for large parts of Central Asia by a mobile satellite receiving station which was operated by the GFZ and the DLR between March and July 1999 in Kitab (Uzbekistan). The 35 days revisiting cycle of the ERS-1 and ERS-2 instruments resulted in complete multiple coverage due to the ability of the radar signal to penetrate clouds.
436 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Multispectral analysis of surface conditions
Multispectral satellite remote sensing data record the spectral reflectance characteristics of the Earth's surface in spectrally distinct bands within the reflective (Fig. 3) and to some extent the thermal part of the electromagnetic spectrum. The resulting spectral information can be used to distinguish between different types of vegetation, soil and rock based on specific absorption features (Fig, 3). The quality of the recorded spectral information depends on the number of bands, their spectral width and their position within the ele ctromagnetic spectrum. In case of the Landsat-TM instrument spectral information is recorded in broad bands which limits the opportunity for the identification of Earth's surface materials based on narrow diagnostic absorption features. However, a differentiation of material properties can be achieved based on broader zones of absorption and reflectance which are represented in the spectral information content of the Landsat-TM data (Fig. 3). Recently, new opportunities have been opening up with the availability of so called super-spectral satellite remote sensing data which are recorded by the ASTER instrument in 9 reflective and 5 thermal bands (Fig. 3). The higher number of bands and their reduced spectral width allows a better assessment of the narrow absorption features in the short-wave infrared which improves the possibility for lithological differentiation.
1 2 3 4 Landsat-TM 5 7 100 1 2 3 ASTER 4 56 7 8 9
80
R [% ] Calcite 60
40 Goethite
20 Kaolinite Vegetation visible near infrared short-wave infrared 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Wavelength [ µm ]
Fig. 3 Spectral bands of the Landsat-TM (dark) and the ASTER (light) instruments
The spectral characteristics of the Earth's surface (Fig. 3) allow the use of multispectral satellite remote sensing data for landslide inventories. Fig. 4 (colour plate) shows a multi-temporal representation of the Ak-Shaluu landslide in Kyrgyzstan. The left Landsat-TM image contains the rotational slide in September 1989 several months after failure characterised by a distinct spectral contrast between the displaced masses which are largely free of vegetation and the undisturbed surroundings which are covered by dry grassy vegetation at the end of the summer. Nine years later the landslide is still clearly detectable due to its spectral contrast to the surroundings which this time is caused by a stronger development of vegetation within the boundaries of the landslide due to accumulation of moisture within the concave morphological structure. The higher overall presence of vegetation in the Landsat-TM image of 1998 is an indicator for wetter conditions during the period of vegetative growth. This example gives an idea of the variety of landslide related surface conditions. Roessner et al. 437
Their systematic assessment forms the basis for the development of automated methods of landslide detection based on multi-temporal imagery. Automated methods are required to assess the full potential of spectral information and their temporal changes for landslide identification over large areas. The analyses have also shown that the spatial resolution of the satellite imagery (30 meter Landsat-TM, 15 meter MOMS-2P) is suitable for the detection of landslides in Kyrgyzstan whereas the 15 meter resolution represents a significant improvement. This resolution is also provided by the ASTER instrument for the bands in the visible and near infrared wavelength ranges and since 1999 by the Landsat-ETM sensor with its additional 15-meter panchromatic band. Right now, highest multispectral resolution from space amounts to 4 meter and is achieved by the IKONOS instrument. However, the high costs of these data limit their usability for the analysis of large areas.
Generation of topographic information
High resolution digital topography is of key importance for a regional analysis of landslide hazard. For many areas in the world satellite remote sensing data are the only possible source for an effective generation of detailed topographic information. The modular multispectral MOMS-2P instrument includes the stereo capability which allows the generation of digital elevation models (DEM). Its stereo module consists of one nadir looking and two inclined lenses resulting in a stereo angle of 21.4°. This along-track stereo principle is highly advantageous in the process of image correlation since the imaging of the three different directions takes place within approx. 40 seconds guarantying largely stable conditions. The DEM for the northern part of the study area was generated by the DLR using a software which has been developed in cooperation with university institutes (Lehner and Gill, 1992; Kornus, et al., 1999). The adaptation of this approach to the specific conditions in Kyrgyzstan is described in detail in Roessner et al. (2000) including the GPS-based assessment of height accuracy which varies between 10 and 20 meters in dependence on the relief. The morphological correctness of the DEM was analysed by the extraction of morphological structures in form of drainage networks and watersheds (Roessner, et al., 2001 ). In the result a reasonable representation of geomorphic features in the DEM was achieved allowing an area-wide analysis of relief properties in their relation to the occurrence of landslides. These investigations also revealed the optimal spatial resolution of the MOMS-2P-based DEM amounting to a pixel size of 25 meters. Since the used MOMS-2P data were recorded in stereo mode D (two inclined stereo bands and two nadir-looking multispectral bands in the blue and near infrared wavelength ranges), it was also possible to derive multispectral orthoimages fitting the DEM (Fig. 6 – colour plate). Presently, the ASTER instrument acquires stereo satellite data by a similar principle and thus represents one potential source for the extension of the existing DEM coverage of the study area. In this project digital topography also has been generated from the ERS-1/2 radar data by means of radar interferometry – InSAR (Fig. 5). This method analyses phase differences between complex SAR images resulting from different recording positions and converts them into topographic height information. Such phase differences can also originate from topographic surface changes as a result of earthquakes or mass movements. Differential radar interferometry (D-InSAR) allows their quantitative assessment in the scale of a few centimetres. However, the application of InSAR in mountainous terrain requires special approaches due to strong layover effects. Another problem is the availability of data pairs with suitable baselines. First experiences with ERS-1/2 data obtained by the mobile receiving station in Central Asia give an impression of the resulting challenges for InSAR processing (Xia, 2001). However, the short period of data acquisition does not allow a comprehensive evaluation of the potential of SAR-interferometry for this area. This became especially clear in case of D-InSAR based investigations of surface changes related to mass movements. New opportunities will open up with the availability of interferometric digital topography derived from SRTM/X-SAR data and the upcoming data acquisition by the ENVISAT instrument. 438 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Northern rim of Fergana Basin with Upper Maili Suu river basin (white box)
Maili-Suu River
Fig. 5 Perspective view of interferometric DEM derived from ERS-1/2 tandem data
Remote sensing based analysis of landslide situation in the Maili-Sai area
The use of information extracted from satellite remote sensing data for landslide analysis is demonstrated for the example of the Maili Suu river basin which is situated at the northern rim of the Fergana Basin (Fig. 1, Fig. 5) in the transitional zone between Talas Fergana Range in the North and the Fergana Basin in the South. The upper Maili Suu river basin has developed within weakly consolidated Mesozoic and Tertiary rocks resulting in a deeply incised river valley (Fig. 5). The area is strongly affected by landslides which represent a constant threat to the town of Maili-Sai. Landslides are especially concentrated in the area of the central anticline consisting of Cretaceous and Tertiary sediments which are folded along an East-West axis (Fig. 6c). The Kotshkor-Ata landslide (Fig. 6a) is the biggest mass movement of the Upper Maili-Suu river basin. The main displacement took place in form of a combined rotational slide / flow within a few days in spring of 1994. Since then the landslide has been constantly active resulting in a total mass movement of more than 10 Million m3 and a continuing downward movement of the tip of the accumulation zone amounting to 1.5 km only between June 1998 and July 1999. Figs. 6a and 6b show the potential of the high resolution MOMS-2P stereo products for a detailed analysis of a single landslide. The perspective visualisation of the DEM is overlaid by the orthoimage. This representation allows a precise differentiation between the landslide (high albedo due to missing vegetation) and the undisturbed surroundings. It also gives an impression of the position of the landslide within the terrain. Further GIS-based analysis combining remote sensing and geological information allowed the generation of cross sections for a better characterisation of the displaced masses (Roessner, et al., 2000). Additional information about the morphology of the landslide was obtained from a slope classification (Fig. 6b). The zone of depletion is dominated by slopes between 5 and 14 degrees, whereas the surrounding flanks are largely characterised by slopes between 15 and 19 degrees. The main scarp of the landslide can clearly be identified due to its steep slope with values between 20 and 34 degrees.
Roessner et al. 439
Another focus of the application of information extracted from satellite remote sensing data is structural geological analysis. Initial field investigations have revealed the great importance of young tectonic structures for the occurrence of landslides. Since such structures are not contained in the existing geological maps, the analysis of satellite remote sensing data provides valuable information for their identification and characterisation. This requires incorporation of complex geological knowledge in the process of interpretation which has to be carried out visually by an expert. For this purpose a GIS-based approach was developed which allows the combined analysis of multispectral satellite data, DEM and geological information in form of profiling and perspective visualisations. In the result structural elements can be identified in their influence on slope failures based on information about their position, relative age difference and relation to the surrounding geological setting (Wetzel et al., 2000). The interpretation for the area of the central anticline (Fig. 6c) resulted in the identification of tectonic features which cut the older anticline in WNW-ESE direction (white lines). These elements are part of a complex shear zone. In this shear zone young NW-SE structures have been developed (black lines) which can be interpreted as extensional elements. The perspective visualisation shows the close spatial relationship between these elements and the occurrence of landslides which developed further downhill. The Kotshkor-Ata landslide is one prominent example for this mechanism which could also be identified in other areas. A more detailed description of these results can be found in Wetzel, et al. (2000). They lead to the assumption that this model can be applied to larger areas resulting in a regional assessment of tectonic structures in their significance for the occurrence of landslides. This knowledge represents important input information for future GIS- based factor analysis of landslide hazard.
Conclusions and outlook
The presented investigations have showed that satellite remote sensing data allow the extraction of valuable information for a regional assessment of landslide hazard. The exploitation of the full information potential of these data can only be achieved by their combined analysis with other data using the analytical environment of a GIS. The simultaneous availability of spatially high resolution information about surface conditions and topography is of key importance for the identification of single landslides and the characterisation of preconditioning factors as major input information for an improved process understanding. Under the specific conditions in Kyrgyzstan a spatial resolution between 30 and 15 meter is suitable for landslide analysis at a regional scale. The bottleneck is the availability of digital topography of this resolution characterised by good height accuracy between 10 and 20 meters and a reliable morphological correctness. The investigations have showed that these requirements can be achieved using data of presently available optical (MOMS-2P) and radar (ERS) satellite systems. For the investigation of landslide related surface conditions the 15 meter resolution (MOMS-2P) data represent a significant improvement in comparison to the Landsat-TM data (30 meter). However, the suitability of multispectral satellite imagery is not only determined by their spatial resolution, but also by their spectral characteristics whereas the availability of spectral information within the short-wave infrared is of special importance for lithological differentiation. Future work will focus on the development of GIS-based methods for landslide hazard assessment and improved extraction of input information including satellite remote sensing data of most recent and upcoming satellite missions, such as SRTM, ASTER and ENVISAT. 440 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Rotational slides: a) Quaternary loess: 1996 b) Tertiary sediments (sandstone, clay) 1999 Fig. 2 Typical landslides along the Eastern rim of the Fergana Basin, Southern Kyrgyzstan
September 1989 August 1998
R-G-B visualisation: 7-4-1 Fig. 4 Multi-temporal comparsion of Ak-Shaluu landslide in Landsat-TM imagery
a) Kotshkor-Ata landslide b) slope classification
Maili Suu River
c)Maßstab central anticline
Fig. 6 GIS analysis of landslides in Maili-Sai area based on MOMS-2P stereo products Roessner et al. 441
References
Kornus, W., M. Lehner, H. Ebner, H. Fröba and T. Ohlhof, 1999: Photogrammetric point determination and DEM generation using MOMS-2P/PRIRODA three-line imagery. Geo- Informations-Systeme (GIS), 6: 28-36. Lehner, M. and R. Gill, 1992: Semi-automatic derivation of digital elevation models from stereoscopic 3-line scanner data. IAPRS, Vol. 29, Part B4, Washington, 68-75. Roessner, S., H.-U. Wetzel and M. Lehner, 2001: Einsatz von Satellitenfernerkundung und GIS zur Untersuchung der Hangrutschungsgefährdung in Kirgisien (Zentralasien). Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung, Band 10, 483-491. Roessner, S., H.-U. Wetzel, H. Kaufmann, W. Kornus, M. Lehner, P. Reinartz and R. Mueller, 2000: Landslide investigations in Southern Kyrgyzstan based on a Digital Elevation Model derived from MOMS-2P data. IAPRS, Vol. 33, Part B7, Amsterdam, 1259-1266. Wetzel, H.-U., S. Roessner and A. Sarnagoev, 2000: Remote sensing and GIS based geological mapping for assessment of landslide hazard in Southern Kyrgyzstan (Central Asia). In: Management Information Systems 2000 – GIS and Remote Sensing, Brebbia, C. A. and Pascolo, P. (eds.), WIT-Press, Southampton, Boston, 355-366. Xia, Y., 2001: INSAR activities in Central Asia using mobile SAR receiving station. IEEE IGARSS 2001 Proceedings, Sydney, Australia. 442 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
The role of remote sensing and GIS in risk mapping and damage assessment for disasters in urban areas
C. J. van Westen, P. Hofstee International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC)
Zusammenfassung
Die zunehmende Vulnerabilität vieler städtischer Gebiete, v.a. in Entwicklungsländern, stellt ein Hauptgrund zur Beunruhigung dar. Der Schwerpunkt sollte auf die Verminderung der Vulnerabilität städtischer Gebiete gelegt werden. Die meisten der für Katastrophenmanagement benötigten Daten haben eine räumliche Komponente und ändern sich auch im Laufe der Zeit. Die Verwendung von Fernerkundung und Geographischen Informationssystemen wurde somit für ein städtisches Katastrophen Management unabdingbar. Dieses Dokument präsentiert drei Fallstudien für städtisches Gefahren - management, die sich sowohl mit der Vorbeugung, als auch der Unterstützungsmassnahmen nach der Katastrophe sowie der Wiederherstellungsphase für unterschiedliche Katastrophenarten beschäftigen. Die erste Fallstudie widmet sich der Einschätzung des von der Feuerwerksexplosion betroffenen Gebietes der Stadt Enschede, Niederlande am 13. Mai 2000. Alte und neue vertikale und schräg aufgenommene Luftbilder wurden, kombiniert mit Karten und räumlichen Datenbanken, verwendet. Das zweite Beispiel beschäftigt sich mit der Schadenseinschätzung des Erdbebens vom 25. Januar 1999, das die Provinzen von Risaralda und Valle de Cauca in Kolumbien getroffen hat. Die Schadensaufnahme besteht aus einer Abschätzung des Schadens an Häusern und anderen Bauwerken. Für dieses Vorhaben wurden Luftbilder der beschädigten Gebiete angefertigt und Experten schätzten den Schaden und die Art der Bauwerke die am Grund sichtbar waren ein. Die Schadensaufnahme wurde digitalisiert und die Luftbilder wurden, in Kombination mit einem digitalen Geländemodel, genutzt, um eine Reihe von Orthophotos zu entwickeln. Die dritte Fallstudie beschäftigt sich mit einer Multi-Gefahren und Risiko Bewertung der Stadt Turrialba, Costa Rica. Überflutungen, Hangrutschungen und Erdbeben betreffen dieses Gebiet regelmässig. Ausserdem befindet sich die Stadt nahe einem aktiven Vulkan. Um die lokalen Behörden bezüglich der Entwicklung von Planungs und Notfall Management zu unterstützen wurde eine Datenbank auf Parzellen-genauem Niveau errichtet, welche sowohl Katasterinformationen als auch Informationen über Gefahren und Verwundbarkeit beinhaltet. Großmaßtäbige Orthophotos wurden verwendet um die Parzellen der Stadt zu digitalisieren und Daten, die durch Interviews und Bodenhebungen gewonnen wurden, wurden gesammelt. Die resultierende Datenbank kann zur Analyse von Risikoszenarien und zur Kalkulation potentieller Schäden verwendet werden.
Abstract
The increased vulnerability of many urban areas, especially in developing countries is a major reason of concern. Emphasis should be given to the reduction of vulnerability in urban areas. Most of the data required for disaster management has a spatial component, and is also changing over time. Therefore the use of Remote Sensing and Geographic Information Systems has become essential in urban disaster management. This paper briefly presents three case studies of urban disaster management, dealing with the prevention as well as the disaster relief and rehabilitation phases, for different types of disasters. The first case study deals with the assessment of the area affected by the fireworks explosion in the city of Enschede, the Netherlands, on 13 May 2000. Old and new vertical and oblique airphotos were used, combined with maps and spatial database data. The second example deals with the damage assessment of the earthquake of 25 January 1999 that hit the departments of Risaralda and Valle de Cauca in Colombia. The inventory of the damage consisted of an appraisal of the damage to houses and other structures. For this purpose aerial photographs were made of the damaged areas and experts assessed the damage and the type of structure visually on the ground. The damage inventory was digitised, and the aerial photographs were used, in combination with a Digital Elevation Model, to generate a series of orthophotos. The third case study deals with a multi-hazard and risk evaluation for the city of Turrialba, Costa Rica. Floods, landslides and earthquakes regularly affect the area. The city is also located close to an active volcano. In order to assist the local government in the development planning and emergency management, a database was constructed at parcel level, containing cadastral information as well as hazard and vulnerability information. Large-scale orthophotos were used to digitise the Van Westen und Hofstee 443
parcels in the city, and data was collected by means of interviews and sidewalk surveys. The resulting database can be used to analyse risk scenarios, and calculate potential damage.
Introduction
The impact of disasters on modern day society is rapidly increasing. Over the past four decades, the frequency of natural catastrophes has tripled, and inflation-adjusted economic losses have multiplied by a factor of nine (MunichRe, 2000). The main causes are increased urbanisation, the settlement in and industrialisation of highly exposed regions, the vulnerability of modern technologies and also anthropogenic changes of the environment (Ingleton, 1999). After September 11, 2001 nobody in the world can still ignore the large vulnerability of our urban areas, either to natural, technological or terrorist disasters. Mitigation of disasters can be successful only when detailed knowledge is obtained about the expected frequency, character, and magnitude of hazardous events in an area, as well as the vulnerability of the people, buildings, infrastructure and economic activities in a potentially dangerous area. Many types of information that are needed in disaster management have both an important spatial as well as temporal component. Remote Sensing combined with Geographic Information Systems have proven to be of large importance for the different phases of disaster management. This paper presents three case studies of urban disaster management, dealing with the prevention as well as the disaster relief and rehabilitation phases, for different types of disasters:
· The use of high-resolution imagery in the aftermath of the firework explosion in Enschede, the Netherlands, on May 13, 2000; · The use of oblique- and vertical air-photos for the damage assessment of the Quindio earthquake (of 25 January 1999 in Colombia) , in combination with data storage and analysis in a GIS; · The integrated use of air-photos and GIS for the generation of a vulnerability database, including damage assessment reports of earlier events for the city of Turrialba, Costa Rica;
The common aspect in all case studies is the use of high-resolution imagery of urban areas. The three examples are shown in such a way that they demonstrate an increasing integration of Remote Sensing and Geographic Information Systems, and an increasing emphasis on the use of these tools for the prevention of disasters.
Example 1: the firework explosion in Enschede, The Netherlands – legal impacts of spatial information
On 13 May 2000 at 15.35 a firework storage exploded in the centre of the city of Enschede, located in the East of the Netherlands along the border with Germany. The firework company, which was specialised in professional fireworks for large events, was located in the middle of a residential area (See figure 1). The affected area covered more than 40 ha with 6500 inhabitants. Direct consequences included 22 persons killed, more than 900 wounded, and at least 290 dwellings damaged beyond repair (see table 1). After the disaster a great demand for geo-information emerged.
444 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Size of the disaster area 40 ha Number of inhabitants in most affected zone 4163 Number of completely destroyed houses 205 Number of completely damaged business and industrial buildings ± 50 Number of houses declared “inhabitable” 293 Number of damaged houses outside mostly affected zone ca. 1500 Number of persons killed 22 Number of persons injured 947 Number of homeless persons 1250 Number of persons that had to be evacuated ± 10.000 Total material damage 1 billion guilders Table 1: Damage statistics of the firework explosion in Enschede (Source: Commissie Onderzoek Vuurwerkramp 2001).
Figure 1: Left: Mosaic of vertical colour aerial photos of the disaster area, taken on March 30, 1998. Annotated with firework storage area in red, and two rings of affected areas. The so-called “inner ring”, with complete desctruction indicated in white, and the “outer-ring”, with large damage in gray. (Source: Municipality of Enschede, Bouw en Milieudienst). Right: Oblique aerial photo of disaster area one day after the explosion. (Source: KLPD, Korps Landelijke Politie Diensten).
A distinction was made between the “inner ring” area (40 ha and quickly completely closed for non- authorized persons by a wooden fence) and the “outer ring” area (about 1 km², the less severely damaged area) (see Figure 1). Immediately after the disaster the media and the public showed a keen interest in pre- and post-disaster imagery. However, to avoid disaster tourism, flying above the area was restricted by the authorities for a few weeks. Only three weeks after the explosion the first post-disaster oblique aerial photo was published in the newspapers (See figure 1). This photo was made, however, the day after the explosion by the police, then distributed and used by municipal officials. In the initial stage of the rescue and fire-fighting operations after the explosion, thermal-infrared video images were made from a police helicopter. Some of these images were included in a “disaster reconstruction” video, that was included in the final report of the Firework Disaster Investigation Committee (Commissie Onderzoek Vuurwerkramp, 2001). It is not clear whether these images were used in the actual rescue operations.
Van Westen und Hofstee 445
Post-disaster operations and damage assessment Printed maps were readily available for all rescue and support personnel. Probably because of the necessity to provide maps very quickly, not all maps used were up-to-date. Some 24 families living in dwellings constructed in 1994, were initially not considered as victims because their street did not appear on the map made in 1993. The police investigation team requested software to handle the registration of missing persons. Within the KPLD (National Police Services) the BOOGIS (GIS for operational and policy support) was quickly planned. With this system different data sets, e.g. the list of missing persons, municipal population administration and cadastral data, should be linked and visualized on a map or on aerial photos. Unfortunately, the application was not able to actually support the rescue and relief work, because of the large amount of time needed to develop the application. Further development of the BOOGIS is planned to support disaster and large scale police operations. Twelve days after the explosion a series of 9 vertical aerial photos (scale 1:1000) was made of the disaster area, ordered by the municipality, showing fine details of the area. The explicit purpose of these images, forming a photo mosaic of the total area, was to document (or “freeze”) the situation at the date of transfer of the responsibility for the disaster area from the RIT (disaster identification team) to the municipality (see figure 2). For the damage assessment by municipal authorities, public housing corporations, and insurance companies these aerial photos were hardly used. Instead the damage assessment was made by detailed field surveys in the “inner ring” (including e.g. video registration from a moving vehicle) and on the basis of damage claims in the “outer ring” (damage was reported up to a distance of 1 km from the explosion site). The various post-disaster images were not used to update the municipal basis registration (maps of parcels and buildings) for more than a year. The reason was that the municipal basis registration is accessible to the public and the post-disaster situation was considered to be a very sensitive (emotional) subject for a long time. The existing spatial database, maps and aerial photographs will be used as standard tools in the reconstruction projects and the land reallocation that will be part of it.
Figure 2: The firework storage site. Left: Vertical 23 black&white aerial photo (scale 1:18.000) taken 4 hours before the explosion (Source: Topografische Dienst Emmen). Right: Vertical colour aerial photo (scale 1:1000) taken on 25 May (Source: Municipality of Enschede).
446 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Judicial investigations Remote sensing data became important after the disaster in the judicial investigations regarding the cause of and responsibilities for the explosion. All holders of an aerial-photography permission (issued by the Ministry of Defense) were requested to submit any aerial photographs (or videos) of the disaster area between 1 Jan 1998 and 14 May 2000. Moreover, the general public was requested through newspapers to submit any aerial images, if available, of the area. The aim was to establish proof of compliance or non-compliance with the permission to store firework materials, issued by the municipality to the company. Some of the pre-disaster aerial imagery included:
· Vertical color aerial photos scale 1 : 10,000, date 3 April 2000 (made every two years for the municipality for urban management applications) · An IKONOS image of 5 April 2000, panchromatic 1-meter and multispectral 4-meter resolution, cquired by the International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences, ITC, located near the disaster area, for teaching purposes. The IKONOS image has a sufficiently large resolution to map the spatial aspects of the various buildings, but is not good enough for the detailed mapping and classification, as compared to the available airphotos. · Vertical black & white aerial photos, scale 1: 18,000, date 13 May 2000 (made every 5 years for updating topographic maps). This set of photos was as usual planned in springtime and was coincidentally made just 4 hours before the explosion (see figure 2). The photos were used in particular to count the number of seacontainers and boxes used to store firework materials, because the storage system and the maximum quantities stored are specified in the legal permission of the company.
One of the important aspects in the judicial investigations was the evaluation of the municipality in issuing an environmental control permission to the firework company. The municipal authorities stated that spatial planning aspects are not considered to be relevant within the environmental control law. Further it was remarked that formally the firework storage is not located in a residential area, but in an industrial area and that the impact on the surroundings is limited to an acceptable level. As is clearly visible on the aerial photos (see Figure 1), the residential area in fact starts on the other side of a 6-meter wide street. The municipal authorities concentrated fully on the environmental control aspect, and completely disregarded the spatial aspects. This approach has lead to a disregard as well of any information on the spatial aspects of hazards and risks that could have been available in a GIS. The national government has announced now to include spatial aspects of hazards and risks in new environmental legislation. The environmental and building regulations and the issue of permissions will be checked against spatial policies and plans. With a GIS, maps and aerial photos, the spatial aspects of hazards and risk could have been analysed. However, there must be a political will and corresponding procedures and regulations to implement this.
Example 2: the Quindio earthquake, Colombia
On 25 January 1999, an earthquake occurred in Quindío, Colombia. With a magnitude of 6.2 on the Richter scale, it destroyed and damaged approximately 45,000 houses and thousands of people were killed or injured. Armenia (population around 250,000) and Pereira (population around 400,000) were the main cities that were severely damaged by the earthquake (EERI, 1999; INGEOMINAS, 1999). In order to make a rapid assessment of the damage inflicted by this earthquake and to make recommendations for the reconstruction of the damaged areas, the Dutch government offered assistance to the Colombian authorities in the “Rapid Inventory of Earthquake Damage (RIED)” project. In the context of this cooperation project between the Colombian Ministry of Environment and several organizations, such as INGEOMINAS, CARDER, CRQ, and IGAC, the International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC) and the Delft University of Technology (TUD) were subsequently requested to carry out this task. Van Westen und Hofstee 447
Shortly after the earthquake a team of Dutch experts from ITC and the TUD visited Pereira and Armenia. They made a first inventory of the damage, acquired all relevant geographic, and geologic information, and established cooperation arrangements in Colombia with the organisations mentioned before. An aerial survey was conducted during which several series of high-resolution aerial photographs were taken, both vertical and oblique. The vertical aerial photos had scales ranging from 1:6,000 to 1:8,000. Furthermore pre-earthquake aerial photos were used (scale 1:10,000 from 1995) to carry out a rapid damage assessment in the city of Armenia. Aerial photograph interpretation was carried out in order to find the buildings, which were affected by the earthquake and had different levels of damage. The following damage classes were used: total collapse, roof collapse, roof partly damaged, and no visible damage, but rubble in street. The damaged buildings were drawn by hand on transparent sheets as points with different colours according with the level of damage. The points were digitised afterwards in GIS to create a point map, which was used in combination with a set of orthophotos and a cadastral vector database (see figure 3). The damage inventory made from aerial photographs clearly showed that the damage was concentrated in a more or less triangular area bounded by the Armenia fault on the East side and by a topographical alignment on the West side, which could be mapped from aerial photographs. The coincidence of this alignment with the boundary of the most damaged areas may indicate that the alignment in the topography is in fact a fault trace. The damage inventory showed further that topographical effects have been of major influence on the damage inflicted on the buildings. The a-priory assumed influence of the presence of landfills on the damage patterns is less obvious from the damage inventory by aerial photo- interpretation. The city of Armenia is constructed on top of a heavily incised alluvial fan, and most of the stream incisions have been filled up by landfill. This indicates that the influence of the landfills for the characteristics of the earthquake shockwave of January 1999 is less severe than was assumed. The damage inventory from aerial photographs has been correla ted with the results of ground surveys of the damage by various organizations in Armenia, which were made later. A reasonable correlation exists for the highly damaged structures such as structures that completely collapsed or for structures of which roofs and partially the walls collapsed. The correlation is less clear for structures with less severe damage. This is understandable because cracks in facades and sidewalls of structures are not observed in aerial photographs because of the angle of observation and the resolution of the photographs. Generally, the results of the damage inventory by aerial photographs shows that for reconstruction purposes the inventory gives a reasonable impression of the damage. Major geological, geotechnical, and morphological features that have influenced the damage inflicted on surface structures are generally easily recognizable. The presence of such features can then be considered in the planning for reconstruction. The results of an inventory of damage by aerial photographs can be available more rapidly after an earthquake, as compared to a ground survey. This is of great benefit for relief operations and for reconstruction planning.
448 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Figure 3: Left: Orthophoto made with aerial photographs of 1999, taken few days after the earthquake, overlain by the city blocks and point map indicating damaged buildings of Barrio Brasilia in Armenia. Upper right: Oblique aerial photo of the same area. Lower right: Field-photo showing example of roof collapse.
By combining the aerial photographs with existing cadastral and topographic information, a comprehensive GIS database was set up in a short amount of time. The damage information was introduced into the large database (with more than 33,000 observations) for Armenia. This database was subsequently used for an analysis of the influence of the topographic and geological characteristics of the area on the damage distribution. The hypothesis was that specific topographic relief, in combination with certain geological conditions (the spatial model and geotechnical characteristics of the subsurface), could result in a significant amplification of the seismic signal, causing increased intensity of earthquake damage at these locations. If those locations can be identified and mapped in micro-hazard zonation maps, additional measures can be taken to reinforce the buildings in those areas.
Example 3: Turrialba, Costa Rica
Whereas the previous two examples were dealing more with the use of GIS and remote sensing in post-disaster work, the objective of the third case study was the production of a large-scale city database with GIS which should be used as the basis for hazard, vulnerability and risk assessment. In the framework of the UNESCO sponsored project on “Capacity Building for Natural Disaster Reduction” a “Regional Action Programme for Central America” was established. Within this project a number of case studies throughout Central America are carried out. The first of these is the multi- hazard and risk assessment of the city of Turria lba, located in the central part of Costa Rica. The city with a population of 33,000 people is located in an area which is regularly affected by flooding, landslides and earthquakes (Wesselman, 1998). The city is also near the Turrialba volcano, which had its last eruption about 100 years ago. In Costa Rica, disaster management is the responsibility of the National Emergency Commission (CNE). The commission also has regional and local bodies, which act with its coordination and Van Westen und Hofstee 449 support. The Local Emergency Commission is responsible for disaster management at a municipal and canton level, but all activities are directed by the National Commission. In order to assist the local emergency commision and the municipality, a series of color aerial photographs has been used with a scale of 1:40,000, which were scanned with high resolution and combined with a Digital Elevation Model and a series of ground-control points for the generation of an orthophoto-map (see Figure 4). On the orthophoto all buildings within the city and its direct surroundings were digitized, as well as the land parcels, and the roads and other infrastructures. This resulted in a digital parcel map, consisting of 7800 polygons. Each polygon was described in the field by a team of investigators, making use of checklists for the collection of data on hazard and vulnerability. For each parcel the following attributes were described:
· Use: landuse of the parcel, with main division in residential, institutional, commercial, industrial, recreational, agricultural and others · Material: material of the building, in order to estimate the vulnerability · Age: age of the building, obtained through interviews · Value_building: estimation of value of building · Value_contents: estimation of value of contents of building · Number of floors · Hazard: the hazard as observed or inferred by the experts in the field · Damage: reported damage due to natural or human-induced hazardous events
Figure 4: Different views of the large-scale database for the city of Turrialba. A: orthophoto, B: vector overlay of parcels, C: polygons displaying landuse type, D: reading information from the attribute database.
Historical information on the occurrence of previous disastrous events has been given much emphasis in this study. This was done through interviewing elderly people, newspaper searches, and through the damage reports available in the INS (National Insurance Institute). Based on this information a database was generated, which is linked to the parcel database in GIS, and which allows for the generation of thematic maps on each of the above-mentioned parameters. 450 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
The database was used to generate vulnerability maps for the city. In the case of flooding, vulnerability functions were used to relate flooding depths with expected degrees of damage, using information for the construction of the buildings and for the contents of each building separately. On the basis of historical information, flood depth maps were generated for different return periods. These were combined with the vulnerability values and the cost information for the generation of cost maps. These were combined with the probability information in order to derive at annual risk maps. For the vulnerability reduction in the city by different hazards, the city map will be very much helpful for the preparedness and disaster management. Besides this the map will be of great use for the munic ipality for finding suitable areas for the further expansion of the settlement areas and also to relocate the people living in hazard prone areas. As the system is not only designed for disaster management, but serves as a multi-purpose tool, the municipality is using the orthophoto and the database for updating its land-ownership database in order to improve the tax collection system.
Discussion and conclusions
The three case studies presented here, although different in many aspects (type of disaster, phase of disaster management, large or small city, developed or less developed country) demonstrate the importance of the availability of adequate spatial information for cities in order to be able to prevent disasters through better landuse and emergency planning. Remote sensing plays a very important role in this respect. Although the recently available high-resolution satellite imagery (such as IKONOS) has a sufficiently large resolution to map the spatial aspects of buildings, it is not yet good enough for the detailed mapping and classification, as compared to large-scale aerial photos. There is a clear need for the development of Municipal Disaster Management Information Systems, which make use of orthophotomaps and parcel databases. Such systems should be linked to data providers of hazard and risk data, and should have a multi-purpose design (allowing more applications than only disaster management, but also cadastral information, waste management, etc.) thus giving the municipalities themselves more control of the planning process.
References
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Mueller und Kaufmann 451
Satellite-based characterization and inventory of disaster-sensitive elements of the natural and anthropogenic environment
M. Mueller, H. Kaufmann Division Kinematics and Dynamics of the Earth, Section 1.5 Remote Sensing, GeoForschungsZentrum Potsdam
Zusammenfassung
Das hier vorgestellte Projekt ist Teil des DFNK (Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen). Das Ziel des Projekts ist die Analyse der Anwendbarkeit fernerkundlicher Systeme als Werkzeug zur Inventarisierung von anthropogenen und natürlichen Objekten vor und nach einer Naturkatastrophe. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf zwei unterschiedlichen Aspekten. Der erste Schwerpunkt ist im Bereich des DFNK-Clusters "Hochwasser" angesiedelt. Landnutzungsinformationen stellen einen entscheidenden Eingangsparameter in hydrologischen Modellen zur Abflußsimulation dar. Im Projekt sollen Methoden zur automatischen Klassifizierung von Oberflächentypen in Satellitendaten untersucht und weiterentwickelt werden. Dies ist ein wesentlicher Schritt hinsichtlich einer regelmäßigen Aktualisierung von Landnutzungsdaten. Der zweite Schwerpunkt liegt im Bereich des DFNK-Clusters "Erdbeben". Zur Untersuchung möglicher Schäden in Erdbebengefährdungsgebieten ist es notwendig, die Vulnerabilität von Gebäuden abzuschätzen. Daher soll im vorgestellten Projekt das Potential von Satellitendaten bezüglich einer präzisen Erkennung von Häusern und der Extrahierbarkeit von Vulnerabilitätsparametern analysiert werden. Erkenntnisse, die bei der Überprüfung existierender objektorientierter Techniken auf ihre Anwendbarkeit gewonnen werden, fließen bei der Entwicklung neuer Verfahren ein. In diesem Beitrag werden die Zwischenergebnisse des laufenden Projekts präsentiert.
Abstract
The presented project is part of the DFNK (German research network natural disasters – Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen). The aim of the project is to analyze the applicability of remote sensing satellite systems as a tool for the inventory of anthropogene and natural objects before and after natural disasters. The focus of our research is divided into two different aspects. One focus is within the DFNK-cluster “flood”. Land cover maps represent an important parameter within hydrological models for flood prediction. In this project, advanced methods for the classification of surface cover types in satellite imagery are investigated and developed. The automation of this process represents an essential step in the regular update of land cover data bases. The second focus is within the DFNK-cluster “earthquake”. The vulnerability of buildings is of special interest in studies about the impact of earthquakes. Therefore, we examine the potential of satellite image data in regard to the precise detection of houses and towards the extractability of vulnerability parameters. Besides studying existing target oriented techniques, new approaches are developed. Previous results of this ongoing project are presented in this paper.
Introduction
The potential for damage and loss caused by natural disasters like storms, floods, and forest fires, and the vulnerability of our society are growing rapidly. Therefore, the goal of the DFNK (Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen – German research network natural disasters) is to provide the scientific fundamentals for advanced risk management of natural disasters. However, an effective risk management, which provides e.g. precautionary advice or decision support in case of emergency, demands a high quality database with up-to-date spatial and thematic information. Satellite systems acquire image data of the Earth's surface with a high repetition rate. They are the ideal source of information for a wide range of applications which depend on knowledge about environmental changes. Therefore, the aim of the presented DFNK-project is to analyze the applicability of remote 452 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen sensing satellite systems as a tool for the inventory of anthropogene and natural objects in the context of natural disasters. The research focus of this project is divided into two different aspects each associated with a different natural disaster, namely "flood" and "earthquake". Our project partners within the thematic DFNK-cluster flood risk assessment are working on a hydrological model for the simulation of precipitation runoff. Land cover data is an important input parameter within this model. However, existing land cover maps are often outdated, of a too low spatial resolution for the given application or even partly incorrect. Most of these maps are updated manually – a time consuming and expensive process. Therefore, the aim of this project within the cluster flood is to analyze existing and to develop new advanced techniques for land cover classification. An automation of this process is a prerequisite for fast and reliable updates of land cover data in the future. The focus of our project partners within the DFNK-cluster earthquake risk assessment is to analyze the vulnerability of buildings. Engineers rely on remote sensing imagery to obtain a quick overview of the building types within the area of interest. However for further analysis, houses are still digitized manually from the image data. Therefore, the second goal of the presented project is to investigate the possibilities and limitations to detect buildings and extract parameters of vulnerability automatically in satellite imagery. This project is a work in progress, therefore only preliminary results are presented in this paper.
Focus 1: (semi-) automatic land cover classification
The aim of this first focus is a primarily automatic, but nevertheless reliable land cover classification based on satellite imagery within the context of hydrological models. One of the main problems in classification processes is to identify features of the desired classes that allow a separation of all classes within the feature space thus enabling classifiers to differentiate between these classes. Basic feature provided by remote sensing systems are spectral characteristics where the spectral resolution depends on the applied sensor. However, using the spectral features of surface types in a single image scene does not allow a clear separation between common land cover classes which becomes apparent by the examples in figure 1.
Figure 1: Spectra of Landsat 7 ETM demonstrating the difficulty to distinguish between different surface types using spectral features of a single scene.
Thematically different classes such as industry and soil appear similar within the six bands of the Landsat 7 ETM. Using data of sensors with higher spectral resolution, it is possible to identify distinctive features of urban surface cover types (Heiden et al., 2001; Roessner et al., 2001). However, Mueller und Kaufmann 453 hyperspectral sensors cannot solve the problems of differentiation between individual crop types. Vegetation is spectrally represented by a mixture of biomass and soil caused by the limited spatial resolution of satellite sensors. In order to identify selected types of vegetation, it is necessary to consider the distribution of surface fraction between biomass and soil which can be identical for different crop types at the specific date of image acquisition. Therefore, even highly sophisticated classifiers based on non-linear models are not able to achieve good results due to overlapping classes in the feature space. First of all, in order to extract useful characteristic features for the given task, it is necessary to define the desired classes for the given application. In the context of hydrological models, the classes should provide significant information about the possible runoff for the given surface cover type. It is not necessary to define detailed land cover classes for example individual crop types. Classes such as “grain types with thin stalks” provide sufficient information. However despite this generalization in class definition, it is important to introduce additional temporal classes with dynamic information. Although the aim of this investigation is not the monitoring of changes in land cover through time, essential land cover classes such as agricultural fie lds are subject to annual variations due to crop rotation. These changes have a strong effect on the runoff at these areas and have to be considered within the simulations. Therefore, agricultural fields are defined as dynamic classes within the classification key of this project, specifying the crop rotation for more than one year. Given the required land cover classes for this application, the next step is to identify relevant features for each of these classes. As demonstrated by the example in figure 1, spectral information of a single scene is not sufficient to differentiate between all classes. Therefore, we investigate in this project different sources of information and optimal strategies to select and fuse them within the classification process. One source of additional information is multitemporal data. They are not only necessary to identify dynamic classes, but they are also useful to differentiate between classes which are not distinguishable by the spectral information of a single image scene. This is demonstrated by figure 2. The vegetation index (NDVI: Normalized Difference Vegetation Index, Schowengerdt, 1997) for three scenes acquired at different times was calculated and a difference image of the results computed. In contrast to the spectral similarity of industry and soil, the temporal dynamic of agricultural fields distinguishes these fields clearly from the temporarily static industrial areas. Another advantage of a multitemporal approach is its independence of the requirement of cloud free scenes. Regions that are covered by clouds or shadows of clouds in one scene are likely to be correctly classified nevertheless using the information provided by the other scenes. Besides temporal and spectral knowledge, other possible sources of information for feature extraction in the context of land cover classification are e.g. soil and elevation maps (Strahler, 1980; Maselli et al., 1995).
Examples of agricultural fields
Industry/ Settlement
Forest
Figure 2: Difference image representing the change in vegetation of 3 different satellite scenes. 454 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
In accordance with our project partner of the DFNK-cluster flood, the testsite for the investigations of the presented project is the catch basin of the river Lein in Baden-Württemberg. So far, we concentrated our research on the use of spectral and temporal information which was provided by three Landsat 7 ETM scenes (Sept. 1999, Nov. 1999, Aug. 2000). The two different sources of information were fused by a maximum likelihood approach which allows the incorporation of a priori knowledge (Mueller et al., 2001). Nine different land cover classes (settlement, industry, forest, water, vine, and four temporal classes of crop rotation) were extracted within the classification process. Due to color-print limitations, the achieved classification result cannot be presented in an appropriate way within this paper. However, the results are in good accordance with field measurements and demonstrate the necessity of choosing temporal classes: during the years 1999 and 2000 the crop type changes noticeably on almost every agricultural field (exception: vine areas). If crop types with big leaves such as sugar beets or corn were planted in 1999, it changed to crop types with thin stalks such as wheat or barley in 2000 and vice versa. Further information about the current approach and classification results can be found in (Mueller et al., 2001). Future work will be concerned with the integration of other additional sources of information, e.g. spring scenes and soil and elevation maps. The new features will be analyzed with regard to their potential to contribute to a more reliable automatic classification result. Further investigations will also include the use of context knowledge in post-classification steps.
Focus 2: automatic detection of houses
In order to extract individual houses in image data, the satellite sensor has to provide a reasonable spatial resolution to permit the identification of single houses. At the moment, the only available sensor that fulfils this requirement is IKONOS with its 4 m resolution within the four multispectral bands and 1 m resolution within the panchromatic band. Figure 3 shows a subset of an IKONOS scene: the spatial resolution of the multispectral bands is sufficient to clearly identify the general shape of houses, in this case two complexes of buildings. Within the panchromatic image, even small details on the roofs and cars on the street can be identified.
(a) (b) Figure 3: Subset of an IKONOS scene, Berlin (Germany): multispectral bands 3-2-1 as gray value representation (a), panchromatic band (b).
The identification of houses based solely on the information provided by IKONOS is a new and challenging task: only few approaches exist in remote sensing which extract individual houses in satellite image data because satellite systems did not provide the necessary spatial resolution until the launch of IKONOS in September 1999. Approaches in photogrammetry used aerial imagery, but they Mueller und Kaufmann 455 also incorporated additional 3D information which is not available here. Therefore, within this project we first analyze the possibilities to apply existing methods of remote sensing and photogrammetry under the current circumstances. Based on the results of our investigation, new approaches are developed. Standard remote sensing techniques for classification of multispectral data are generally pixelbased approaches such as the maximum likelihood classifier (Schowengerdt, 1997). These methods classify pixels according to their spectral characteristics. In Germany, the most popular roof material are tiles, but another common material is roofing bitumen which is very similar to asphalt. Therefore, if only spectral features are used within the classification process, a high amount of confusion exists between certain street and roof types. Photogrammetric approaches use geometric and shape features to identify houses. A survey of existing techniques can be found in (Gruen et al., 1997). Houses are typically bounded by straight edges. However, there are a lot of straight edges in an urban area which do not necessarily belong to a house but to the borders of streets, walkways, or even randomly straight lines in tree top structures. Geometric constraints are not sufficient to solve the ambiguities within the detected edges. Therefore, approaches in photogrammetry use also 3D information such as stereo images or digital elevation models within the decision process. However without this knowledge in the current application, the only additional information which can be used is provided by the multispectral bands. Therefore, a new approach has been developed in this project that combines the spectral information of the multispectral bands with the spatial information of the panchromatic band. The technique is divided into two main parts (figure 4).
IKONOS data Multispectral bands (4 m) + panchromatic band (1 m)
Context- and Multispectral analysis shape knowledge Spatial refinement of extracted house boundaries Extracted roof pixels with 4 m spatial resolution
Idealized house boundaries with 1 m spatial resolution
Figure 4: Scheme of the proposed house detection approach.
Within the first part, the multispectral analysis, a classification of the multispectral bands is realized. Simple pixel based techniques lead to misclassifications due to spectral ambiguities as mentioned above. However, using additional information in a post-processing step, the classification result can be clearly improved. This additional information is context knowledge (e.g. shade and facade positions) and shape information (e.g. that houses are compact structures with a certain minimum size). Nevertheless, the classified pixels of this first processing part have only a pixel resolution of 4 m. Therefore, the panchromatic information is used in the second part to improve the spatial resolution of the classification result. Further shape knowledge (straight edges) and context knowledge (homogeneous areas) are used in a watershed segmentation to identify small, but reasonably partitioned segments within the panchromatic image. However, pure panchromatic information does not provide sufficient clues to identify house segments. In order to specify which of these small segments is likely to be part of a house, the segments are superimposed with the result of the spectral analysis. If more than 50 % of a watershed segment is covered by the area of extracted roof pixels of 456 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen the first part, this segment is declared to be a house segment. In a final refinement step, the boundaries of the detected houses are smoothed. Figure 5 shows the result for the example of figure 3.
Figure 5: Preliminary result of the house detection technique.
The detected roof contours demonstrate the potential of this method to detect house boundaries in image data of the sensor IKONOS. However, there are still some difficulties at roof areas which are extremely shaded and at boundaries with curved shapes. Further investigations will be necessary to improve the individual processing steps to allow a general applicability of this approach. More detailed information concerning this approach can be found in (Mueller and Segl, 2001).
Summary and outlook
Within this paper, the first results of the project C1 of the DFNK are presented. The main goal of this project is to analyze the applicability of remote sensing satellite systems as a tool for the inventory of natural and anthropogenic objects. The investigations are focused on two different aspects. Within the frame of the DFNK-cluster flood methods for an automatic land cover classification are analyzed and developed. The second focus is within the frame of the DFNK-cluster earthquake where the possibilities and limitations of an automatic detection of houses and an extraction of vulnerability parameters from satellite image data are investigated. Since the project is still a work in progress, only preliminary results could be presented. However, concerning the land cover classification part the results already satisfy the expectations and requirements of our project partners. Future work will include the incorporation of spring scenes and other sources of information (elevation and soil information) to identify relevant class features for reliable automatic classification results. Within the house detection part, the analysis of existing techniques demonstrated the difficulties to transfer them to this new field of application. Hence, a technique for house detection based on high-resolution satellite image data had to be developed. The first results of this new approach demonstrate its potential to extract house boundaries, however further improvements are necessary to allow a general application of this technique.
Acknowledgement
This work within the German Research Network Natural Disasters (DFNK – Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen) is supported by the German Ministry for Education and Research (BMBF – Bundesministerium für Bildung und Forschung), project no. 01SF9969/5.
Mueller und Kaufmann 457
References
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STURMMON Schadenserfassung mit Radardaten aus forstlicher Sicht - Erste Ergebnisse
G. Ramminger, M. Dees, B. Koch Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationssysteme, Albert- Ludwigs-Universität Freiburg
Zusammenfassung
Bedingt durch die dramatischen Sturmereignisse in den Jahren 1990 und 1999 muß sich die Forstwirtschaft in Mitteleuropa mit der Bewältigung der dadurch entstandenen Schäden vermehrt auseinandersetzen. Eine möglichst zeitnahe räumliche und statistische Information über die Schäden ist hinsichtlich einer raschen Ersterfassung zur logistischen Planung der Schadensaufarbeitung bzw. für die zu erstellende langfristige Planung von hoher Bedeutung. Durch den kombinierten Einsatz von vorhandenen Zusatzinformationen (z.B. aus dem geographischen Informationssystem der Forstverwaltung und der Bundeswaldinventur) mit Radardaten (ERS1/2, Radarsat, TerraSar simuliert, E-SAR) bestehen neue Möglichkeiten der Erfassung und Auswertung von Schäden in Waldbeständen. In einem seit Sommer 2000 laufenden Forschungsvorhaben soll insbesondere geprüft werden, welche Informationen, bezogen auf Flächengröße und Lagegenauigkeit aus den verschiedenen optischen Datenquellen und Radardaten entnommen werden können. In diesem Beitrag werden die Erfassungsmöglichkeiten der Radardaten vorgestellt. Dabei haben Radardaten gegenüber optischen Daten den entscheidenden Vorteil, daß sie tageszeiten- und wetterunabhängig Daten liefern können. Die Bewertung der Auswertevariante mit Radardaten beruht neben der Informationskomponente auch auf der Datenverfügbarkeit, dem Zeitbedarf und den Prozessierungskosten. Als Untersuchungsgebiet wurden mehrere Forstbezirke im Schwarzwald ausgewählt. Das Poster präsentiert erste Ergebnisse der ERS 1/2-Tandem Mission.
Abstract
After the severe storm events in 1990 and 1998, forest administrations have to face the problem of how to cope with the thereby caused damages within the forests. A rapid overview about the damages is important for the first logistical planning of clearing measurements and the detailed planning of the forest recultivation. Using already available digital information (e.g. data from the geographic information system of the forest administration) in combination with radar data (ERS 1/2, Radarsat, TerrSAR simulated, E-SAR) opens new possibilities of detecting and analysing the forest damages. Since summer 2000 a project called STURMMON is running, that evaluates the quality of damage area, precision of position and damage type information, that may be extracted from the optical remote sensing and radar data. The used radar data is compared in terms of information content, availability and costs. The study areas are situated in the black forest and in the Rhine valley, South West Germany. The poster shows fist results of the ERS1/2 tandem missions.
Einführung
Als der Orkan "Lothar" am 26. Dezember 1999 über den Süden Deutschlands, die Schweiz und Frankreich hinweg zog, hinterließ er eine Spur der Verwüstung. Vor allem in Baden-Württemberg, mit 39 % der Landesfläche eines der waldreichsten Bundesländer in Deutschland, fielen insgesamt 29 Mio. m3 Sturmholz an. Schon 1990 waren die Wälder Mitteleuropas durch die Stürme "Vivian" und "Wiebke" von schweren Sturmschäden betroffen. Diese Ereignisse zwangen die Forstwirtschaft dazu, sich mit der Bewältigung der Schäden (sowie mit eventuellen Maßnahmen der Prävention) vermehrt auseinanderzusetzen. Auch der hohe finanzielle Schaden von über 2 Milliarden DM, der den Waldbesitzern durch den Orkan "Lothar" entstand sowie die Tatsache, daß es auch auf den stabilsten Standorten zu schweren Schäden kam, war Ausgangspunkt für ein schnelles Handeln der Forstbehörden. Ramminger et al. 459
Erste vordringliche Aufgabe nach einem solchen Ereignis ist die Erfassung und Lokalisierung der Schäden. Bisher stützte sich die Erstinformation in Baden-Württemberg über das Ausmaß des Sturms auf terrestrische Begänge und Helikoptertaxation, die allerdings sehr viel Zeit in Anspruch nahmen und kurz nach dem Schadereignis auch nicht flächendeckend durchgeführt werden konnten, da zum Beispiel blockierte Wege ein Anfahren der Sturmflächen unmöglich machten. Der Vergleich mit der tatsächlichen Schadensmenge zeigte allerdings, dass die ersten Schätzungen zum Teil deutlich vom tatsächlichen Schaden abwichen. Da diese Erfassung allerdings von besonderer Bedeutung für die Anwendung des Forstschädenausgleichgesetzes ist, wird innerhalb des Projekts nach schnelleren Methoden mit Hilfe der Fernerkundung geforscht. 1999 wurde als Zusatzinformation für die genaue Kartierung der Sturmflächen eine Luftbildbefliegung gewählt, die allein für die Aufnahme und Prozessierung der Daten ein halbes Jahr in Anspruch nahm. Auch hier wird in dem Forschungs- vorhaben nach schnelleren und billigeren Methoden zur genauen Erfassung der Schäden gesucht. Dabei bieten sich vor allem die schon nach den Stürmen 1990 erstmals angewandten Methoden der Fernerkundung (z.B. Fritz, 1991; Kuntz und Zimmermann, 1993), also der Erkundung der Schäden von "oben", für eine ersten Erfassung, aber auch für eine genauere Aufnahme der Schäden an. Aus diesem Grund wurde vom Ministerium Ländlicher Raum Baden-Württemberg (Förderkennzeichen 0207 E) im Sommer 2000 das Projekt STURMMON initiiert, welches den Einsatz und die Tauglichkeit verschiedener aktueller und zukünftiger Fernerkundungsmedien für die Erfassung groß- räumiger forstlicher Sturmschäden untersuchen soll. Kofinanziert wird das Projekt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 50EE0034. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Vor allem die Verwendung von flugzeug- und satellitengetragenen Radarsensoren scheint für die Erfassung von Sturmschäden sehr erfolgversprechend, da sie tageszeiten- und wetterunabhängig Daten liefern können. Dies zeigte sich auch schon in anderen aktuellen Forschungsprojekten in der Schweiz (Wiesmann et al., 2000) und Frankreich (Yesou et al., 2000) die ebenfalls die Erfassung von Sturmflächen mit ERS-Tandemdaten untersuchten. Dagegen sind Daten optischer Systeme (Landsat, IRS, IKONOS, Luftbild, usw.) durch die auf Stürme meist folgende Schlechtwetterperiode nur bedingt oder gar nicht nutzbar.
Ziel des Projekts
Hauptziel der Nutzung von Radardaten ist eine schnelle Ersterfassung der Sturmschäden im Wald für die logistische Planung zur Aufarbeitung der Schäden und eine im Vergleich zu Luftbildern schnelle Kartierung der Sturmflächen. Wichtige Informationen sind die Größe der Schadfläche, Lage- genauigkeit, Schadensausprägung (Bruch, Wurf) und Wurfrichtung. Die Verknüpfung der Radardaten mit bereits vorhandenen raumbezogenen Daten wie dem Forstlichen Geographischen Informations- system (FOGIS) der Landesforstverwaltung Baden-Württemberg, Daten der Bundeswaldinventur (BWI) und der Betriebsinventur (BI) wird im Hinblick auf erweiterte Analysemethoden und statistische Auswertungsmöglichkeiten untersucht. Gleichzeitig sollen die eingesetzten Radar-Systeme der Satellitenfernerkundung sowie ein flugzeug- getragenes Radarsystem auf die Parameter Datenverfügbarkeit, Zeitbedarf und Prozessierungskosten analysiert werden. In Kahabka et al. (2001) werden Ergebnisse mit optischen Sensoren dargestellt, die innerhalb des selben Vorhabens untersucht werden. Von der Landesforstverwaltung Baden-Württemberg wurde eine zweistufige Zielvorgabe entwickelt. In der ersten Stufe steht eine schnelle Erfassung der Schäden und der Schadverteilung für eine logistische Planung der Aufarbeitung im Vordergrund. In einer zweiten Stufe soll zeitlich nachgelagert eine möglichst genaue Kartierung der Schadflächen für die längerfristige Planung der Wiederbewal- dung erfolgen. Dabei können in den beiden Stufen unterschiedliche Fernerkundungssensoren oder Auswerteverfahren zum Einsatz.
460 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Untersuchungsgebiet
Um ein möglichst repräsentatives Ergebnis für die verschiedenen Radardaten zu erhalten, wurden 2 von der Topographie her sehr unterschiedliche Untersuchungsgebiete gewählt. Während die Forst- bezirke Kenzingen, Ettenheim und Lahr am Schwarzwald-Westabfall im Süd-Westen Deutschlands ein sehr reliefiertes Terrain aufweisen, liegt das zweite Untersuchungsgebiet südwestlich der Stadt Offenburg im Rheintal in sehr flachem Terrain (siehe Abbildung 1). Während im ersten Unter- suchungsgebiet zusätzlich auf digitale FOGIS-Daten zurückgegriffen werden kann, ist dies im Rheintal leider nicht möglich, da diese Daten dort noch nicht flächendeckend zur Verfügung stehen.
Daten
Untersucht werden verschiedene hochauflösende und weniger hochauflösende flugzeug- und satellitengetragene Radardaten. Zu den weniger hochauflösenden Satellitendaten gehören die Kohärenzdaten der Radarsatelliten ERS 1 und ERS 2 von denen Aufnahmen vor und nach dem Sturm vorliegen. Mit Hilfe zeitversetzter Aufnahmen des selben Gebiets (sog. Tandem-Mission) können interferometrische Analysen durchgeführt werden. Neben den ERS 1 und ERS 2 Kohärenzdaten werden noch weitere Radaraufnahmen analysiert. Die multitemporalen (Kombination mehrerer Datensätze) Bilder des kanadischen Radarsatelliten RADARSAT 1, mit einer geometrischen Auflösung von ca. 8 x 8 Meter liegt er zwischen den hochauflösenden und weniger hochauflösenden Radarmedien. Sowie die durch das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. erstellten Befliegungsdaten, die mit dem flugzeuggetragenen Radarsystem E-SAR durchgeführt wurden. Die Daten mit einer geometrischen Auflösung von ca. 2 x 2 Meter wurden multipolarimetrisch und in verschiedenen Radarbereichen aufgenommen und anschließend prozessiert. Gleichzeitig wurden die Aufnahmen von E-SAR künstlich verschlechtert, um damit Daten des zukünftig geplanten Radarsatelliten TerraSAR zu simulieren, der eine geometrische Auflösung von genau 5 Meter besitzen soll. Beide Datensätze werden innerhalb des Projekts STURMMON auf ihre Tauglichkeit der Erfassung von Sturmflächen hin überprüft und ausgewertet. Einen Überblick der wichtigsten Parameter gibt die Tabelle 1.
Aufnahmedatum Räumliche SAR Radarbereich Polarisation Vor Sturm Nach Sturm Auflösung ERS 1/2 31.10.1999 09.01.1999 C-Band VV ca. 25 x 25 Meter Kohärenz-Daten 01.11.1999 10.01.1999 Radarsat C-Band HH 03.11.1999 08.12.2000 ca. 8 x 8 Meter
ESAR X-Band HH, VV 03.04.2000 ca. 2 x 2 Meter
ESAR L-Band HH, VV, VH, HV 03.04.2000 ca. 2 x 2 Meter
TerraSAR X-Band HH, VV Simuliert ca. 5 x 5 Meter TerraSAR L-Band HH, VV, VH, HV Simuliert ca.5 x 5 Meter Tabelle 1: Überblick über die verwendeten Radardaten im Projekt STURMMON.
Ramminger et al. 461
Methoden
Mit den interferometrischen Kohärenzdaten von ERS 1 und ERS 2 sind Kohärenzanalysen möglich. Nach Wegmüller und Werner (1995, 1997) können Waldgebiete vor allem durch ihre niedrigeren Kohärenzwerte von anderen Landnutzungstypen gut unterschieden werden. Diese Eigenschaft kann auch der Erfassung von Sturmflächen innerhalb des Waldes zugute kommen, da die veränderten geometrischen Verhältnisse auf den Sturmflächen nach Wiesmann et al. (2000) zwar kaum Einfluß auf die Rückstreu-Intensität im C-Band haben, dafür aber einen starken Einfluß auf die Kohärenzwerte besitzen (Abbildung 1 und 2). Um die Sturmflächen zu ermitteln, wurde ein Ratio-Bild aus den beiden Kohärenzdatensätzen vor und nach dem Sturm berechnet. In Anlehnung an Yesou et al. (2000) wurde folgende Kanalbelegung für die Visualisierung der Sturmflä chen verwendet: ROT: Ratio-Bild aus Kohärenz danach/Kohärenz davor GRÜN: durchschnittliche Rückstreuintensität nach dem Sturm BLAU: Kohärenz nach dem Sturm (Abbildung 3). Mit Hilfe schwellenwertbasierter Methoden konnten die potentiellen Sturmflächen extrahiert werden. Die Sturmflächen werden dabei pink dargestellt und sind gelb umrandet. Rot umrandet sind die Referenzflächen zu erkennen (Abbildung 3). Die Prozessierung der Radarsat-Daten wie auch der Daten von E-SAR/TerraSAR ist noch in Bearbeitung. Einige Bildbeispiele für die Aufnahmen mit E-SAR sind den Abbildungen 4 und 5 zu entnehmen. Sturmflächen erscheinen bei der folgenden Kanalbelegung in rosa, Waldflächen in grün: ROT: L-Band mit HH-Polarisation GRÜN: L-Band mit HV-Polarisation BLAU: L-Band mit VV-Polarisation. Abbildung 6 zeigt im Vergleich zu den E-SAR Daten ein Luftbild (Maßstab 1:18000) derselben Sturmfläche.
Auswertung der ERS-Tandemdaten - Erste Ergebnisse
Das Ergebnis der multitemporalen, schwellenwertbasierten Methode kann getrennt nach Nutzer- und Herstellergenauigkeit der Tabelle 2 entnommen werden. Die Nutzergenauigkeit wird ermittelt, indem überprüft wird, wieviel Prozent der Interpretation gemessen an der Referenz richtig ist. Bei der Herstellergenauigkeit wird ermittelt, wieviel Prozent der Referenz mit der Interpretation erfasst werden konnte. Die Auswertung wurde mit Hilfe von GIS-Analysen durchgeführt. Ermittelt wurde die jeweils erfasste Anzahl sowie die Fläche der erfassten Sturmflächen gegenüber einem mit Hilfe digitaler Orthophotos (Maßstab 1:18000) und zusätzlicher terrestrischer Begänge erstellten Referenzdatensatz. Für die Auswertung wurden die Flächen hinsichtlich ihrer Flächengröße differenziert betrachtet. Dazu wurden vier Flächenklassen gebildet, dargestellt in Tabelle 2:
Nutzergenauigkeit Herstellergenauigkeit Fläche [%] Anzahl [%] Fläche [%] Anzahl [%] Flächenstatistik 56,05 66,67 21,41 33,73 gesamt (alle Flächen) Flächenstatistik 61,63 100,00 24,67 54,05 Klasse A (>= 2 ha) Flächenstatistik 52,77 77,78 4,93 13,79 Klasse B (1 - 2 ha) Flächenstatistik 30,93 36,84 11,32 23,53 Klasse C (0,5 - 1 ha) 462 7. Fernerkundung und Naturkatastrophen
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kohärenz-Daten von ERS 1 und ERS 2 in den ausgewählten Untersuchungsgebieten nur bedingt für die Erfassung von Sturmflächen einsetzbar sind. Insgesamt konnte nur 1/5 der gesamten Sturmfläche erfasst werden. Dazu kommt ein hoher Prozentsatz falsch erfasster Sturmflächen, die sich in einer Nutzergenauigkeit von 56 % widerspiegelt. In der Klasse A mit Sturmflächen über 2 Hektar Größe konnten zufriedenstellendere Ergebnisse erzielt werden. So sind alle erfassten Flächen tatsächlich Sturmschäden, jedoch wurden mit knapp 54 % nur gut die Hälfte aller tatsächlichen Sturmflächen größer 2 Hektar erkannt.
Folgerungen
Die erzielten Ergebnisse der Auswertung der ERS-Tandemdaten stehen den guten Ergebnissen aus Frankreich gegenüber (Yesou et al., 2000). Eine Erklärung für die geringere Erfassungsgenauigkeit könnte sein, daß die meisten Sturmflächen im Haguenau Forest wesentlich größer sind als in den gewählten Untersuchungsgebieten. Dazu kommt, daß der Wald dort weniger strukturiert aufgebaut ist. So treten Laub- und Nadelwald zumeist getrennt voneinander auf. Die mit über 80 % Erfassungs- genauigkeit erzielten Ergebnisse stammen aus den Nadelwaldgebieten. Dem steht allerdings auch eine wesentlich geringere Genauigkeit in reinen Laubwaldgebieten gegenüber. In dem Untersuchungsgebiet im Rheintal gibt es Misch- und Laubwälder. Dies scheint sich auch in den Kohärenzwerten widerzuspiegeln, die eine bessere Auswertung hier nicht zulassen.
Literatur und Anlagen
Fritz, R., 1991: Digitale Waldkarte und Kartierung der Sturmschäden 1990 mit Landsat TM Daten für das Forstamt Bebenhausen. Diplomarbeit, Universität Freiburg. Kahabka, H., M. Dees und B. Koch, 2001: Sturm Lothar: Schadenserfassung mit optischen Fernerkundungsdaten aus forstlicher Sicht. Tagungsband Zweites Forum Katastrophenvorsorge, 24. - 26- September 2001, Leipzig. Kuntz, S. und C. Zimmermann, 1993: Erfassung von Sturmschäden im nördlichen Schwarzwald mit Satellitendaten. Allgemeine Forst- und Jagdzeitung, Vol. 8, S. 150-155, 1993. Wegmüller, U. und C. L. Werner, 1995: SAR interferometric signatures of forest. IEEE Geoscience Remote Sensing, Vol. 33, No. 5, pp. 1153-1161. 1995. Wegmüller, U. und C. L. Werner, 1997: Retrieval of vegetation parameters with SAR interferometry. IEEE Geoscience Remote Sensing, Vol. 35, No. 1, pp. 18-24, 1997. Wiesmann, A., F. Ribbes, M. Monikel, H. Yesou, L. Demargne und U. Wegmüller, 2000: Forest storm damage assessment with ERS tandem data. ERS-ENVISAT Symposium. Gothenburg, 2000. Yesou, H., S. Weber, A. Herrmann, K. Fellah, Ph. Bally, J. Bequignon, und P. deFrapoint, 2000: Mapping storm forest damage using SAR coherence data. The case of the Haguenau Forest - France. ERS-ENVISAT Symposium. Gothenburg, 2000.
Ramminger et al. 463
Abb. 1: Kohärenz ERS 1/2 vom Abb. 2: Kohärenz ERS 1/2 vom Abb. 3: Kohärenz mit Ratio-Kanal, 31.10/01.11 1999, Grün-Waldgebiete. 09./10. Januar 2000, Grün-Waldgebiete. Rot: Referenz, Gelb: Interpretation.
Abb. 4: E-SAR 3. April 2000 Abb. 5: E-SAR 3. April 2000 Abb. 6: Luftbild-Befliegung LVA, LHH, LHV, LVV, LHH, LHV, LVV, Juni 2000, 1:18000. Grün: Wald, Rosa: Sturm Grün: Wald, Rosa: Sturm.