Natural Hazards

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Anwendungen für Naturgefahren DMA User Workshop, Graz, 20.März 2017

Transcript of Natural Hazards

Page 1: Natural Hazards

Anwendungen für Naturgefahren

DMA User Workshop, Graz, 20.März 2017

Page 2: Natural Hazards

Anwendungen für Naturgefahren

Hochwasser

Lawinen

Tiefgründige Rutschungen

Flachgründige Rutschungen

Sturzprozesse (Steinschlag, Felssturz)

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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

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Hochwasser - Risikokarten

Landnutzung aus Corine Landcover 2006

Page 5: Natural Hazards

Hochwasser - Risikokarten

Landnutzung aus Land Information System Austria 2012

Page 6: Natural Hazards

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)

Page 7: Natural Hazards

Gebäude- und Wohnungs-

register: Haupt-, Neben-

wohnsitz, Beschäftigte

Gebäude – Kubatur

aus ALS - NDSM

Ergebnis: Betroffene

je Gebäude

Hochwasser - Disaggregierung

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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.

Page 9: Natural Hazards

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

Page 10: Natural Hazards

Lawinenschutzwirkung des Waldes

www.waldatlas.steiermark.at

Page 11: Natural Hazards

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

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

Page 12: Natural Hazards

Inhalt

Datengrundlagen

Aktueller Stand

Modellierung von Sturzprozessen – Methoden und Beispiele

Modellierung von Rutschungen – Methoden und Beispiele

Ausblick

Page 13: Natural Hazards

Fernerkundungsdaten

Satellitendaten

Orthofotos

Lasercanner-Daten (ALS-Daten)

Digitales Geländemodell

Digitales Oberflächenmodell

Datengrundlagen

…und daraus abgeleitete Daten

Page 14: Natural Hazards

Forstwegenetz Steiermark

Datengrundlagen

Page 15: Natural Hazards

+ Archivdaten, Gefahrenzonenpläne,…

Geländedaten

Geologische Karten

Datengrundlagen

Page 16: Natural Hazards

Datengrundlagen

Anforderungen an Daten:

inhaltliche Richtigkeit

Aktualität

Repräsentativität

exakte geographische Verortung

ausreichende, prozessrelevante Differenzierung

Page 17: Natural Hazards

Auswertung von Laserscannerdaten

Datengrundlagen

Page 18: Natural Hazards

Aktueller Stand

Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)

Rutschungen

Niederösterreich: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

Projekt MoNOE

Page 19: Natural Hazards

Aktueller Stand

Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)

Flachgründige Rutschungen und

Hangmuren

Tiefgründige Rutschungen

Steiermark: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

Page 20: Natural Hazards

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

Page 21: Natural Hazards

Aktueller Stand

Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)

Flachgründige Rutschungen und

Hangmuren

Tiefgründige Rutschungen

Steiermark: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

Page 22: Natural Hazards

Abbruchzone

Transitzone

Ablagerungsbereich

Abbruchmodellierung

Steinschlag und Felssturz

Reichweitenmodellierung

Page 23: Natural Hazards

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

Page 24: Natural Hazards

Empirische Reichweitenmodellierung

Berechnungsgrundlage: einfache geometrische Beziehungen

Sturzprozesse

Page 25: Natural Hazards

Empirische Reichweitenmodellierung Beispiel Niederösterreich (Projekt MoNOE)

Page 26: Natural Hazards

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

Page 27: Natural Hazards

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

Sturzprozesse

GIS-basierte Trajektorienmodelle

Page 28: Natural Hazards

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

Page 29: Natural Hazards

Digitales Geländemodell

Informationen über Sturzkörper

repräsentative Sturzblockgröße

Gesteinsdichte

Informationen über Transitzonen und Ablagerungsbereiche

Reibungswerte

Oberflächenrauigkeit

Forstparameter

SAGA-Modul Rock HazardZone Datengrundlagen

Sturzprozesse

Page 30: Natural Hazards

Grenzgefälle

Ausbreitungsexponent

Persistenzfaktor

Anzahl der Iterationen

SAGA-Modul Rock HazardZone Steuerungsparameter

Sturzprozesse

Kalibrierung auf Basis von Fernerkundungs-

und Geländedaten

Page 31: Natural Hazards

Ausgabeparameter

Durchgangshäufigkeit (Anzahl von Blockdurchgängen)

simulierte Maximalgeschwindigkeit

Position der abgelagerten Blöcke

SAGA-Modul Rock HazardZone

Sturzprozesse

Page 32: Natural Hazards

SAGA-Modul Rock HazardZone Random Walk

Durchgangshäufigkeiten bei 1000 Iterationen

1 Ausgangszelle

Sturzprozesse

Page 33: Natural Hazards

SAGA-Modul Rock HazardZone Rechenzeit

Steiermarkweit:

ca. 15 Millionen

potenzielle “source

area pixels”

Sturzprozesse

Page 34: Natural Hazards

Gelände-

rauigkeit

SAGA-Modul Rock HazardZone Modellaufbau

Sturzprozesse

Page 35: Natural Hazards

+ 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

Page 36: Natural Hazards

Datengrundlage - Forstparameter

Page 37: Natural Hazards

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

Page 38: Natural Hazards

Blockgrößen – Beispiele

Hierlatzkalk

Wettersteinkalk

Dachsteinkalk

Volumenklasse Durchmesser

I > 0,5 m

Sturzprozesse

Page 39: Natural Hazards

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

Page 40: Natural Hazards

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Sturzprozesse

Page 41: Natural Hazards

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 42: Natural Hazards

Modellierte Abbruchgebiete

Dispositionsmodellierung

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 43: Natural Hazards

Reibungskoeffizient

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 44: Natural Hazards

Modell – Output 1

Szenario mit Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 45: Natural Hazards

Modell – Output 2

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Szenario mit Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Page 46: Natural Hazards

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

Page 47: Natural Hazards

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 48: Natural Hazards

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 49: Natural Hazards

Gefahrenhinweiskarten Beispiel Gußwerk

Page 50: Natural Hazards

Methodenvergleich

Abbruchzonen

empirische Modellierung

Sturzprozesse

Page 51: Natural Hazards

Abbruchzonen

Trajektorienmodell: Szenario ohne Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Sturzprozesse

Methodenvergleich

Page 52: Natural Hazards

Abbruchzonen

Trajektorienmodell: Szenario mit Berücksichtigung der aktuellen Waldbedeckung

Sturzprozesse

Methodenvergleich

Page 53: Natural Hazards

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

Page 54: Natural Hazards

Verfügbarkeit im GIS Steiermark

www.waldatlas.steiermark.at

Page 55: Natural Hazards

Flachgründige Rutschungen

Foto: GBA

Page 56: Natural Hazards

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:

Page 57: Natural Hazards

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

Page 58: Natural Hazards

Trainingsdaten - Ereignisinventare

Flachgründige Rutschungen aus ALS-Daten nicht ableitbar

Ereignisinventare nur in Ausnahmefällen verfügbar (Beispiel Gasen-

Haslau, Ereignis 2005)

Modellierung ohne Ereignisinventar

Flachgründige Rutschungen

Page 59: Natural Hazards

Modellierung

2-stufige Vorgangsweise

1. Erzeugung eines Trainingsdatensatz („hypothetisches“ Ereignisinventar)

Deterministische Modellierung: mechanisch-hydrologisch

2. Statistische Modellierung

Logistische Regression

Flachgründige Rutschungen

Page 60: Natural Hazards

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

Page 61: Natural Hazards

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

Page 62: Natural Hazards

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

Page 63: Natural Hazards

Foto: GBA

Reichweitenmodellierung

Hangmure Gasen (2005)

Flachgründige Rutschungen

Page 64: Natural Hazards

Hangmure Gasen

(2005)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 65: Natural Hazards

Hangmure Gasen

(2005)

Anriss

Wirkung

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 66: Natural Hazards

Hangmure Gasen

(2005)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 67: Natural Hazards

Hangmure Gasen

(2005)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 68: Natural Hazards

SAGA-Modul DF HazardZone Modellaufbau

Flachgründige Rutschungen

Dispositionsmodell

Page 69: Natural Hazards

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 70: Natural Hazards

Gefahrenhinweiskarte

Anrissdisposition

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 71: Natural Hazards

Disposition

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 72: Natural Hazards

Ausbreitung (Test)

Reichweitenmodellierung

Flachgründige Rutschungen

Page 73: Natural Hazards

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

Page 74: Natural Hazards
Page 75: Natural Hazards

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)

Page 76: Natural Hazards

Ausblick

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

geringere räumliche Auflösung (10m vs. 2m)

geringere inhaltliche Auflösung

hohe zeitliche Auflösung und Aktualität

Page 77: Natural Hazards

Ausblick

Operationalisierung der Reichweitenmodellierung für flachgründige

Rutschungen und Hangmuren

Aktualisierung der Reichweitenmodellierung nach Änderungen der

Waldbedeckung

Erstellung von Gefahrenkarten unter Einbeziehung der Auftretens-

wahrscheinlichkeit

Page 78: Natural Hazards

JOANNEUM RESEARCH

Forschungsgesellschaft mbH

Institute for Information and

Communication Technologies

www.joanneum.at/digital

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Herwig Proske & Christian Bauer