Anwendungen für Naturgefahren

DMA User Workshop, Graz, 20.März 2017

Anwendungen für Naturgefahren

Hochwasser

Lawinen

Tiefgründige Rutschungen

Flachgründige Rutschungen

Sturzprozesse (Steinschlag, Felssturz)

Hochwasser

1. Verbesserung von Hochwasserrisikokarten unter Berücksichtigung

der LISA-Landnutzungskategorien (für ausgewählte LISA-Testgebiete)

Ergebnisse:

Land Information System Austria LISA-II (2012)

Voraussetzungen:

• österreichweite einheitliche Landnutzungsdaten mit hoher

räumlicher Auflösung

• laufende Aktualisierungen (idealerweise im 6-jährigen Rhythmus

der HWRL)

• Daten über Veränderungen der Landnutzung

Hochwasser - Risikokarten

Landnutzung aus Corine Landcover 2006

Hochwasser - Risikokarten

Landnutzung aus Land Information System Austria 2012

Hochwasser

2. Entwicklung einer Disaggregierungsmethode zur Darstellung der

betroffenen Bevölkerung auf Basis von ALS-Daten, um

Ungenauigkeiten von Risikokarten aus der Verschneidung mit dem

125m-Raster der Statistik Austria zu reduzieren

Ergebnisse:

Land Information System Austria LISA-II (2012)

Gebäude- und Wohnungs-

register: Haupt-, Neben-

wohnsitz, Beschäftigte

Gebäude – Kubatur

aus ALS - NDSM

Ergebnis: Betroffene

je Gebäude

Hochwasser - Disaggregierung

Lawinen Potenzielle Lawinenanbruchgebiete im Wald

Kriterien - in Anlehnung an ISDW*-Handbuch des Lebensministeriums

(BMLFUW, BFW):

morphometrische Parameter aus ALS Gelände- und Oberflächenmodell

mittlere maximale Schneehöhe: ZAMG

Hangneigung aus DGM

Reliefklasse aus DGM

Rauigkeit aus DGM u. DSM

* Initiative Schutz durch Wald

1. Darstellung des Gefahrenpotenzials: beschreibt die Möglichkeit eines

Lawinenanbruchs gedanklich ohne Wald nach Häufigkeit und Intensität.

Berücksichtigte Parameter:

Überschirmung

Waldtyp

mittlerer Brusthöhendurchmesser

Baumhöhe

Lücken

Latschen- und Grünerlenflächen

2. Darstellung der potenziellen Schutzwirkung: beschreibt die Möglichkeit

eines Naturgefahrenereignisses nach Häufigkeit und Intensität mit dem

vorhandenen Wald.

Gefahrenhinweiskarte

Lawinen Potenzielle Lawinenanbruchgebiete im Wald

Lawinenschutzwirkung des Waldes

www.waldatlas.steiermark.at

Modellierung von Sturz- und Rutschprozessen Aktueller Stand, Anwendungsbeispiele und Ausblick

Herwig Proske & Christian Bauer DMA User Workshop, Graz, 20.März 2017

Inhalt

Datengrundlagen

Aktueller Stand

Modellierung von Sturzprozessen – Methoden und Beispiele

Modellierung von Rutschungen – Methoden und Beispiele

Ausblick

Fernerkundungsdaten

Satellitendaten

Orthofotos

Lasercanner-Daten (ALS-Daten)

Digitales Geländemodell

Digitales Oberflächenmodell

Datengrundlagen

…und daraus abgeleitete Daten

Forstwegenetz Steiermark

Datengrundlagen

+ Archivdaten, Gefahrenzonenpläne,…

Geländedaten

Geologische Karten

Datengrundlagen

Datengrundlagen

Anforderungen an Daten:

inhaltliche Richtigkeit

Aktualität

Repräsentativität

exakte geographische Verortung

ausreichende, prozessrelevante Differenzierung

Auswertung von Laserscannerdaten

Datengrundlagen

Aktueller Stand

Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)

Rutschungen

Niederösterreich: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

Projekt MoNOE

Aktueller Stand

Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)

Flachgründige Rutschungen und

Hangmuren

Tiefgründige Rutschungen

Steiermark: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

Eine Gefahrenhinweiskarte (GHK) ist eine räumlich flächendeckende

Darstellung der Gefährdung eines Bereiches gegenüber gravitativen

Massenbewegungen (Rutschungen, Sturzprozesse, Muren, Lawinen)

Eine GHK wird im regionalen (1:25.000), nicht im lokalen (1:1.000)

Maßstab erstellt

Eine GHK ersetzt kein Gutachten über die Stabilität des jeweiligen

Hanges

Definition Naturgefahrenhinweiskarten

Aktueller Stand

Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)

Flachgründige Rutschungen und

Hangmuren

Tiefgründige Rutschungen

Steiermark: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

Abbruchzone

Transitzone

Ablagerungsbereich

Abbruchmodellierung

Steinschlag und Felssturz

Reichweitenmodellierung

Reichweitenmodellierung

Empirische Methoden

GIS-basierte

Trajektorienmodelle

Prozessbasierte 2D und

3D-Modelle

Gefahrenhinweiskarten: worst

case - Szenario

Gefahrenhinweiskarten mit

unterschiedlichen Szenarien

Planung und Dimensionierung

von Schutzmaßnahmen

Sturzprozesse

Methoden Ziele

Empirische Reichweitenmodellierung

Berechnungsgrundlage: einfache geometrische Beziehungen

Sturzprozesse

Empirische Reichweitenmodellierung Beispiel Niederösterreich (Projekt MoNOE)

Reichweitenmodellierung

Empirische Methoden

GIS-basierte

Trajektorienmodelle

Prozessbasierte 2D und

3D-Modelle

Gefahrenhinweiskarten: worst

case - Szenario

Gefahrenhinweiskarten mit

unterschiedlichen Szenarien

Planung und Dimensionierung

von Schutzmaßnahmen

Sturzprozesse

Methoden Ziele

Berechnungsansatz: Prozessbasierte Algorithmen Berechnung unabhängig von detaillierter Sturzkinematik „2,5 D“ – Sprunghöhe bleibt unberücksichtigt

Sturzprozesse

GIS-basierte Trajektorienmodelle

Komponenten:

Ableitung der Prozesswege aus DGM (Trajektorienmodell, multi flow direction-Ansatz, Random Walk)

Berechnung der Geschwindigkeiten und Reichweiten aus Hangneigung und Reibung (Reibungsmodell)

Abgrenzung von Transit- und Ablagerungsbereichen anhand der lokalen Geschwindigkeit und Hangneigung (Prozessraumzonierung)

Statistische Auswertung – hohe Zahl von Starts

Sturzprozesse

SAGA*-Modul Rock HazardZone

*SAGA = System for Automated Geoscientific Analyses

Digitales Geländemodell

Informationen über Sturzkörper

repräsentative Sturzblockgröße

Gesteinsdichte

Informationen über Transitzonen und Ablagerungsbereiche

Reibungswerte

Oberflächenrauigkeit

Forstparameter

SAGA-Modul Rock HazardZone Datengrundlagen

Sturzprozesse

Grenzgefälle

Ausbreitungsexponent

Persistenzfaktor

Anzahl der Iterationen

SAGA-Modul Rock HazardZone Steuerungsparameter

Sturzprozesse

Kalibrierung auf Basis von Fernerkundungs-

und Geländedaten

Ausgabeparameter

Durchgangshäufigkeit (Anzahl von Blockdurchgängen)

simulierte Maximalgeschwindigkeit

Position der abgelagerten Blöcke

SAGA-Modul Rock HazardZone

Sturzprozesse

SAGA-Modul Rock HazardZone Random Walk

Durchgangshäufigkeiten bei 1000 Iterationen

1 Ausgangszelle

Sturzprozesse

SAGA-Modul Rock HazardZone Rechenzeit

Steiermarkweit:

ca. 15 Millionen

potenzielle “source

area pixels”

Sturzprozesse

Gelände-

rauigkeit

SAGA-Modul Rock HazardZone Modellaufbau

Sturzprozesse

+ repräsentative Blockgröße 3 Klassen

Ableitung der Reibungswerte

Nadel-/Mischwälder

• Anzahl Bäume / Fläche 4 Klassen

• Vertikalstruktur 2 Klassen

• Oberhöhe 3 Klassen

Laubwälder

• Überschirmung/Deckungsgrad 4 Klassen

• Vertikalstruktur 2 Klassen

• Oberhöhe 3 Klassen

Relevante Forstparameter:

Sturzprozesse

Datengrundlage - Forstparameter

Volumenklasse Volumen (cm³) Kantenlänge (cm)

I > 125.000 > 50

II 8.000 – 125.000 20 – 50

III < 8.000 < 20

Höhere Volumenklasse geringerer Reibungswert, größere Reichweite

Ableitung der Reibungswerte

Sturzprozesse

Blockgrößen – Beispiele

Hierlatzkalk

Wettersteinkalk

Dachsteinkalk

Volumenklasse Durchmesser

I > 0,5 m

Sturzprozesse

Szenarien

1. Modellierung der Reichweiten unter Annahme einer

kompletten Entwaldung („bare earth – Szenario“)

keine kurz – bis mittelfristige Veränderung

2. Modellierung der Reichweiten unter Berücksichtigung

der aktuellen Waldbedeckung

auch kurzfristige Veränderung möglich

Sturzprozesse

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Sturzprozesse

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Modellierte Abbruchgebiete

Dispositionsmodellierung

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Reibungskoeffizient

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Modell – Output 1

Szenario mit Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Modell – Output 2

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Szenario mit Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Kinetische Energie [kJ]

Durchgangshäufigkeit

> 0 ≤ 30 > 30 ≤ 300 > 300

0 - 5000 1 2 3

> 5000 2 3 3

Stufe 2 mittlere Gefährdung

hohe Durchgangswahrscheinlichkeit und schwache Intensität oder

geringe Durchgangswahrscheinlichkeit und mittlere Intensität

Definition der Gefahrenhinweisbereiche

Stufe 1 geringe Gefährdung

geringe Durchgangswahrscheinlichkeit und schwache Intensität

Stufe 3 hohe Gefährdung

hohe Durchgangswahrscheinlichkeit und mittlere Intensität oder

geringe Durchgangswahrscheinlichkeit und hohe Intensität oder

hohe Durchgangswahrscheinlichkeit und hohe Intensität

Prozessraumzonierung

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Methodenvergleich

Abbruchzonen

empirische Modellierung

Sturzprozesse

Abbruchzonen

Trajektorienmodell: Szenario ohne Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Sturzprozesse

Methodenvergleich

Abbruchzonen

Trajektorienmodell: Szenario mit Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Sturzprozesse

Methodenvergleich

Empirische Modelle • als pessimistischer Ansatz für

Gefahrenhinweiskarten im regionalen Maßstab geeignet („worst case“)

• übersichtliche Darstellung

• Verfügbarkeit der erforderlichen Eingangsdaten ohne aufwendige Vorprozessierung

• Berücksichtigung der Geländerauigkeit und der Vegetation nicht möglich

• geringere Rechenzeit

Trajektorienmodelle • für regionale Anwendungen

(Gefahrenhinweiskarten) geeignet

• höhere Detailgenauigkeit

• aufwendigere Vorprozessierung der erforderlichen Eingangsdaten

• Berücksichtigung der Geländerauigkeit und der Vegetation möglich

• Modellierung von unterschiedlichen Bewuchs-Szenarien möglich

• lange Rechenzeit v.a. bei großen Untersuchungsgebieten

Sturzprozesse

Methodenvergleich

Verfügbarkeit im GIS Steiermark

www.waldatlas.steiermark.at

Flachgründige Rutschungen

Foto: GBA

Rutschungen

spontane flachgründige Lockergesteinsrutschungen und Hangmuren

Größe: „klein“ (z.B. 100 – 1.000 m³)

Geschwindigkeit: „schnell“ bis „sehr schnell“ (m / min – m / sec)

Tiefe der Gleitfläche: 0 – ca. 2 m

Prozessdynamik: hoch

Reichweite: groß

kontinuierliche mittel- und tiefgründige Rutschungen

Größe: „groß“ (z.B. 10.000 – 100.000 m³)

Geschwindigkeit: „sehr langsam“ bis „langsam“ (cm / Jahr – m / Tag)

Tiefe der Gleitfläche: > ca. 2 m

unterschiedliche Prozesse:

Dispositionsmodellierung

Disposition:

„Anfälligkeit“

„Suszeptibilität“

Aufgrund vergangener Ereignisse und der Bewertung der Standort-

parameter kann auf die räumliche Eintrittswahrscheinlichkeit

zukünftiger Ereignisse gleichen Typs bei vergleichbaren Auslösern

geschlossen werden.

keine Aussagen zur zeitlichen Wahrscheinlichkeit und zur Magnitude

des Ereignisses

Modellierung der Anbruchgebiete

keine Modellierung der Ausbreitungsgebiete

Flachgründige Rutschungen

Trainingsdaten - Ereignisinventare

Flachgründige Rutschungen aus ALS-Daten nicht ableitbar

Ereignisinventare nur in Ausnahmefällen verfügbar (Beispiel Gasen-

Haslau, Ereignis 2005)

Modellierung ohne Ereignisinventar

Flachgründige Rutschungen

Modellierung

2-stufige Vorgangsweise

1. Erzeugung eines Trainingsdatensatz („hypothetisches“ Ereignisinventar)

Deterministische Modellierung: mechanisch-hydrologisch

2. Statistische Modellierung

Logistische Regression

Flachgründige Rutschungen

Modellierung Schritt 1

= atan S

D h

hw

Dw

Mechanisch-hydrologische

Modellierung

Basis: Infinite plane slope stability model (z.B. Hammond et al. 1992,

Montgomery & Dietrich 1994)

Anwendung nur für flachgründige Translationsrutschungen

Berechnung des Verhältnisses der stabilisierenden und destabilisierenden

Faktoren (Sicherheitsfaktor FS)

Flachgründige Rutschungen

Digitales Geländemodell

Hangneigung

Exposition

Abflussrichtung

topographisches Einzugsgebiet jeder Rasterzelle

Substratkenngrößen (Minimal- und Maximalwerte)

Reibungswinkel

Kohäsion (Wurzeln und Böden)

bodenhydrologische Parameter

Mechanisch-hydrologische Modellierung: Eingangsdaten

Flachgründige Rutschungen

Modellierung Schritt 1

Unabhängige Variablen (Prädiktoren)

Derivate aus Digitalem Geländemodell (ALS-Daten)

Hangneigung

Vertikale Hangkrümmung

Horizontale Hangkrümmung

Hangkrümmung

Klassifizierung der Geländeformen aus morphometrischer Analyse

Topographischer Positions-Index

Straßen- und Wegenetz aus ALS- und Orthofotodaten (JR)

Waldflächen aus ALS- und Orthofotodaten (JR)

Forstparameter aus ALS- und Satellitendaten (JR)

Geotechnisch-lithologische Einheiten aus modifizierten geologischen

Karten

Modellierung Schritt 2 Datengrundlagen für statistische Modellierung

Flachgründige Rutschungen

Foto: GBA

Reichweitenmodellierung

Hangmure Gasen (2005)

Flachgründige Rutschungen

Hangmure Gasen

(2005)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Hangmure Gasen

(2005)

Anriss

Wirkung

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Hangmure Gasen

(2005)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Hangmure Gasen

(2005)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

SAGA-Modul DF HazardZone Modellaufbau

Flachgründige Rutschungen

Dispositionsmodell

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Gefahrenhinweiskarte

Anrissdisposition

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Disposition

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Ausbreitung (Test)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Ausblick

Abnahme der Überschirmung aufgrund von Sturmwurf, Bewirtschaftungs-

maßnahmen, Schädlingsbefall,…

(Zunahme aufgrund von Aufforstung, Waldwachstum)

„Gefahrenhinweiskarte für Sturzprozesse unter Berücksichtigung der aktuellen

Waldbedeckung“ = Stand der ALS-Befliegung, d.h. 2009 - 2012

Ausgangslage:

Veränderung der Reibungswerte und damit der Reichweite von

Sturzprozessen

Ausblick

Aktualisierung der Reichweitenmodellierung von Steinschlägen und Felsstürzen

nach sigifikanten Änderungen der Waldbedeckung (DMA Use Case Pilot 1)

Aktualisierung der Gefahrenhinweiskarten für Sturzprozesse nach signifikanten

Änderungen der Waldbedeckung (DMA Use Case Pilot 1)

Ausblick

Basis: near real-time Waldmonitoring mittels Sentinel-2 Daten:

geringere räumliche Auflösung (10m vs. 2m)

geringere inhaltliche Auflösung

hohe zeitliche Auflösung und Aktualität

Ausblick

Operationalisierung der Reichweitenmodellierung für flachgründige

Rutschungen und Hangmuren

Aktualisierung der Reichweitenmodellierung nach Änderungen der

Waldbedeckung

Erstellung von Gefahrenkarten unter Einbeziehung der Auftretens-

wahrscheinlichkeit

JOANNEUM RESEARCH

Forschungsgesellschaft mbH

Institute for Information and

Communication Technologies

www.joanneum.at/digital

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Herwig Proske & Christian Bauer