Anwendungen für Naturgefahren - Sturzprozesse und Rutschungen

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

2. Anwendungen für Naturgefahren
Hochwasser
Lawinen
Tiefgründige Rutschungen
Flachgründige Rutschungen
Sturzprozesse (Steinschlag, Felssturz)

3. 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

4. Hochwasser - Risikokarten
Landnutzung aus Corine Landcover 2006

5. Hochwasser - Risikokarten
Landnutzung aus Land Information System Austria 2012

6. 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)

7. Gebäude- und Wohnungs-
register: Haupt-, Neben-
wohnsitz, Beschäftigte
Gebäude – Kubatur
aus ALS - NDSM
Ergebnis: Betroffene
je Gebäude
Hochwasser - Disaggregierung

8. 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.

9. 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

10. Lawinenschutzwirkung des Waldes
www.waldatlas.steiermark.at

11. Modellierung von Sturz- und Rutschprozessen
Aktueller Stand, Anwendungsbeispiele und Ausblick
Herwig Proske & Christian Bauer DMA User Workshop, Graz, 20.März 2017

12. Inhalt
Datengrundlagen
Aktueller Stand
Modellierung von Sturzprozessen – Methoden und Beispiele
Modellierung von Rutschungen – Methoden und Beispiele
Ausblick

13. Fernerkundungsdaten
Satellitendaten
Orthofotos
Lasercanner-Daten (ALS-Daten)
Digitales Geländemodell
Digitales Oberflächenmodell
Datengrundlagen
…und daraus abgeleitete Daten

14. Forstwegenetz Steiermark
Datengrundlagen

15. +
Archivdaten, Gefahrenzonenpläne,…
Geländedaten
Geologische Karten
Datengrundlagen

16. Datengrundlagen
Anforderungen an Daten:
inhaltliche Richtigkeit
Aktualität
Repräsentativität
exakte geographische Verortung
ausreichende, prozessrelevante Differenzierung

17. Auswertung von Laserscannerdaten
Datengrundlagen

18. Aktueller Stand
Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)
Rutschungen
Niederösterreich: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für
Projekt MoNOE

19. Aktueller Stand
Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)
Flachgründige Rutschungen und
Hangmuren
Tiefgründige Rutschungen
Steiermark: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

20. 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

21. Aktueller Stand
Sturzprozesse (Felssturz und Steinschlag)
Flachgründige Rutschungen und
Hangmuren
Tiefgründige Rutschungen
Steiermark: Flächendeckende Gefahrenhinweiskarten für

22. Abbruchzone
Transitzone
Ablagerungsbereich
Abbruchmodellierung
Steinschlag und Felssturz
Reichweitenmodellierung

23. 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

24. Empirische Reichweitenmodellierung
Berechnungsgrundlage: einfache geometrische Beziehungen
Sturzprozesse

25. Empirische Reichweitenmodellierung
Beispiel Niederösterreich (Projekt MoNOE)

26. 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

27. Berechnungsansatz:
Prozessbasierte Algorithmen
Berechnung unabhängig von detaillierter Sturzkinematik
„2,5 D“ – Sprunghöhe bleibt unberücksichtigt
Sturzprozesse
GIS-basierte Trajektorienmodelle

28. 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

29. Digitales Geländemodell
Informationen über Sturzkörper
repräsentative Sturzblockgröße
Gesteinsdichte
Informationen über Transitzonen und Ablagerungsbereiche
Reibungswerte
Oberflächenrauigkeit
Forstparameter
SAGA-Modul Rock HazardZone
Datengrundlagen
Sturzprozesse

30. Grenzgefälle
Ausbreitungsexponent
Persistenzfaktor
Anzahl der Iterationen
SAGA-Modul Rock HazardZone
Steuerungsparameter
Sturzprozesse
Kalibrierung auf Basis von Fernerkundungs-
und Geländedaten

31. Ausgabeparameter
 Durchgangshäufigkeit (Anzahl von Blockdurchgängen)
 simulierte Maximalgeschwindigkeit
 Position der abgelagerten Blöcke
SAGA-Modul Rock HazardZone
Sturzprozesse

32. SAGA-Modul Rock HazardZone
Random Walk
Durchgangshäufigkeiten bei 1000 Iterationen
1 Ausgangszelle
Sturzprozesse

33. SAGA-Modul Rock HazardZone
Rechenzeit
Steiermarkweit:
ca. 15 Millionen
potenzielle “source
area pixels”
Sturzprozesse

34. Gelände-
rauigkeit
SAGA-Modul Rock HazardZone
Modellaufbau
Sturzprozesse

35. + 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

36. Datengrundlage - Forstparameter

37. 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

38. Blockgrößen – Beispiele
Hierlatzkalk
Wettersteinkalk
Dachsteinkalk
Volumenklasse Durchmesser
I > 0,5 m
Sturzprozesse

39. 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

40. Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk
Sturzprozesse

41. Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

42. Modellierte Abbruchgebiete
Dispositionsmodellierung
Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

43. Reibungskoeffizient
Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

44. Modell – Output 1
Szenario mit Berücksichtigung der
aktuellen Waldbedeckung
Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

45. Modell – Output 2
Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk
Szenario mit Berücksichtigung der
aktuellen Waldbedeckung

46. 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

47. Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

48. Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

49. Gefahrenhinweiskarten
Beispiel Gußwerk

50. Methodenvergleich
Abbruchzonen
empirische Modellierung
Sturzprozesse

51. Abbruchzonen
Trajektorienmodell:
Szenario ohne Berücksichtigung
der aktuellen Waldbedeckung
Sturzprozesse
Methodenvergleich

52. Abbruchzonen
Trajektorienmodell:
Szenario mit Berücksichtigung
der aktuellen Waldbedeckung
Sturzprozesse
Methodenvergleich

53. 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

54. Verfügbarkeit im GIS Steiermark
www.waldatlas.steiermark.at

55. Flachgründige Rutschungen
Foto: GBA

56. 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:

57. 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

58. Trainingsdaten - Ereignisinventare
 Flachgründige Rutschungen aus ALS-Daten nicht ableitbar
 Ereignisinventare nur in Ausnahmefällen verfügbar (Beispiel Gasen-
Haslau, Ereignis 2005)
Modellierung ohne Ereignisinventar
Flachgründige Rutschungen

59. Modellierung
2-stufige Vorgangsweise
1. Erzeugung eines Trainingsdatensatz („hypothetisches“ Ereignisinventar)
Deterministische Modellierung: mechanisch-hydrologisch
2. Statistische Modellierung
Logistische Regression
Flachgründige Rutschungen

60. 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

61. 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

62. 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

63. Foto: GBA
Reichweitenmodellierung
Hangmure Gasen (2005)
Flachgründige Rutschungen

64. Hangmure Gasen
(2005)
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

65. Hangmure Gasen
(2005)
Anriss
Wirkung
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

66. Hangmure Gasen
(2005)
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

67. Hangmure Gasen
(2005)
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

68. SAGA-Modul DF HazardZone
Modellaufbau
Flachgründige Rutschungen
Dispositionsmodell

69. Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

70. Gefahrenhinweiskarte
Anrissdisposition
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

71. Disposition
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

72. Ausbreitung (Test)
Reichweitenmodellierung
Flachgründige Rutschungen

73. 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

75. 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)

76. Ausblick
Basis: near real-time Waldmonitoring mittels Sentinel-2 Daten:
geringere räumliche Auflösung (10m vs. 2m)
geringere inhaltliche Auflösung
hohe zeitliche Auflösung und Aktualität

77. Ausblick
Operationalisierung der Reichweitenmodellierung für flachgründige
Rutschungen und Hangmuren
Aktualisierung der Reichweitenmodellierung nach Änderungen der
Waldbedeckung
Erstellung von Gefahrenkarten unter Einbeziehung der Auftretens-
wahrscheinlichkeit

78. JOANNEUM RESEARCH
Forschungsgesellschaft mbH
Institute for Information and
Communication Technologies
www.joanneum.at/digital
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Herwig Proske & Christian Bauer