Einsatz satellitenbasierter Fernerkundung und terrestrischer Fotografie zur (halb-)automatischen Erfassung und Analyse von Gleitschnee-Ereignissen

Semi-automated detection and analysis of glide-snow events using satellite-based remote sensing and terrestrial photography

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-37361
  • Gleitschneelawinen stellen Lawinenwarndienste und Sicherheitsverantwortliche, insbesondere von Verkehrsinfrastrukturen, jeden Winter vor große Herausforderungen. Eine Kombination aus teilweise lang andauernder Gefährdung, großen Unsicherheiten bei der Vorhersagbarkeit und fehlenden Möglichkeiten für Kontrollmaßnahmen ist hierfür die Ursache. Der Prozess des Schneegleitens und die sich daraus entwickelnden Gleitschneelawinen sind bisher relativ wenig untersucht worden. Der Winter 2011/12 hat eindrücklich die bestehenden Wissenslücken aufgezeigt. Ein ungewöhnlich trockener, sonniger und warmer Herbst 2011, gefolgt von einem schneereichen Frühwinter hatte vor allem auf der Alpennordseite zuGleitschneelawinen stellen Lawinenwarndienste und Sicherheitsverantwortliche, insbesondere von Verkehrsinfrastrukturen, jeden Winter vor große Herausforderungen. Eine Kombination aus teilweise lang andauernder Gefährdung, großen Unsicherheiten bei der Vorhersagbarkeit und fehlenden Möglichkeiten für Kontrollmaßnahmen ist hierfür die Ursache. Der Prozess des Schneegleitens und die sich daraus entwickelnden Gleitschneelawinen sind bisher relativ wenig untersucht worden. Der Winter 2011/12 hat eindrücklich die bestehenden Wissenslücken aufgezeigt. Ein ungewöhnlich trockener, sonniger und warmer Herbst 2011, gefolgt von einem schneereichen Frühwinter hatte vor allem auf der Alpennordseite zu einer außergewöhnlichen Gleitschneeaktivität mit vielen Sachschäden und Unfalllawinen geführt. In der Regel öffnen sich vor dem Abgang einer Gleitschneelawine sogenannte Gleitschneerisse in der Schneedecke, welche aufgrund der frei werdenden dunklen Geländeoberfläche meist gut sichtbar sind. Damit stellen Gleitschneelawinen die einzige Lawinenart dar, bei welcher der Gefahrenbereich vor dem Lawinenabgang prinzipiell erkennbar und damit genau lokalisierbar ist. Eine optische Erfassung und Überwachung der Entstehung und zeitlichen Entwicklung von Gleitschnee-Ereignissen, d. h. Gleitschneerissen und Gleitschneelawinen, bietet sich daher an. Eine neue Generation räumlich sehr hoch auflösender Satellitendaten eröffnet seit etwa Anfang des neuen Jahrtausends die Möglichkeit, die satellitenbasierte Fernerkundung bei Fragestellungen in der Lawinenforschung und für die operationelle Lawinenwarnung einsetzen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals unterschiedliche Ansätze für eine (halb-)automatische, satellitenbasierte Erfassung von Gleitschnee-Ereignissen untersucht. Eine großräumige Erfassung der Gleitschneeaktivität kann zum einen für die Einschätzung und Vorhersage des Gefahrenpotentials genutzt werden. Zum anderen kann sie dem Aufbau eines, bisher fehlenden, systematischen und flächendeckenden Datensatzes dienen, welcher als Grundlage für die verschiedensten Anwendungen in Forschung und Praxis benötigt wird. Die heute operierenden, räumlich sehr hoch auflösenden Satellitensysteme haben jedoch eine Wiederkehrfrequenz, die eine Verfolgung der kurzfristigen Entstehung und Entwicklung von Gleitschneerissen und eine hinreichend genaue Bestimmung des Abgangszeitpunktes von Gleitschneelawinen noch nicht zulassen. Um ein besseres Verständnis im Hinblick auf diese kurzfristig ablaufenden Prozesse zu erlangen und Fortschritte hinsichtlich einer zeitlich präzisen Gefahrenvorhersage und Warnung zu erzielen, wurden daher zudem zeitlich hoch aufgelöste fotografische Intervallaufnahmen von zwei Gleitschneehängen in den Wintern 2008/09 und 2011/12 vorgenommen und manuell ausgewertet. Grundlage für die satellitenbasierte Erfassung war ein 25 km² großer Ausschnitt einer Szene des räumlich sehr hoch auflösenden panchromatischen WorldView-1 Satelliten vom 28.04.2008 über dem Hochtal von St. Antönien in den östlichen Schweizer Alpen. Getestet wurden zwei unterschiedliche Ansätze für die automatische Erfassung von Gleitschnee-Ereignissen, welche neben dem Einbezug von spektralen Eigenschaften auch die Möglichkeit bieten, weitere erklärende Variablen, wie Gelände- oder Formparameter, zu berücksichtigen. Zum einen war dies ein pixelbasierter Ansatz, der hauptsächlich auf einer statistischen Modellierung mittels eines Generalisierten Additiven Modells (GAM), beruht. Zum anderen ein Ansatz, welcher auf einer objektorientierten Bildanalyse basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl beim pixelbasierten als auch beim objektbasierten Klassifikationsansatz Gleitschnee-Ereignisse, welche sich innerhalb einer geschlossenen Schneedecke befinden und bei denen die dunkle Geländeoberfläche zu sehen ist, mit einer hohen Genauigkeit erfasst werden. Die (halb-)automatische Erfassung eignet sich damit besonders für Gebiete bzw. Situationen mit einzelnen Gleitschnee-Ereignissen innerhalb einer ansonsten geschlossenen Schneedecke und nur wenigen bis keinen sonstigen aperen Flächen. Die größte Herausforderung bei beiden getesteten Ansätzen ist die Trennung der schneefreien Gleitschnee-Ereignisflächen von sonstigen aperen Flächen. Insbesondere der Klassifikationsansatz auf Pixelebene mittels eines GAMs zeigt, dass eine Kombination aus spektralen und topographischen Variablen in der Lage ist, innerhalb der aperen Bereiche zu differenzieren. So wird beispielsweise bei einer 70-prozentigen Sensitivität ein Spezifitätsniveau von 71% erreicht und dies bei einer Detektierungsrate von 79% und einem durchschnittlich erfassten Flächenanteil pro Referenzpolygon von 51%. Der hohe Anteil an sonstigen aperen Flächen auf dem untersuchten Satellitenbildausschnitt, gerade in typischen Gleitschneehängen, stellt allerdings eine schwierige Ausgangssituation dar und führt bei hohen Sensitivitätsanteilen zu hohen Falsch-Positiv-Raten. Bessere Klassifikationsergebnisse sind in Zukunft in erster Linie über Fortschritte bei der Vorprozessierung und Ausmaskierung der Satellitendaten zu erwarten, wofür eine Fusion mit räumlich weniger hoch auflösenden, dafür aber multispektralen Sensoren notwendig ist. Im Hinblick auf eine zukünftig anzustrebende kontinuierliche Überwachung der Gleitschneeaktivität, insbesondere der Rissentwicklung, verspricht der pixelbasierte Ansatz bessere Möglichkeiten. Die oftmals komplexen Gleitschnee-Ereignisformen werden beim pixelbasierten im Vergleich zum objektbasierten Ansatz, bei welchem die Objektformen stärker generalisiert werden, deutlich präziser erfasst. Damit besteht prinzipiell die Möglichkeit auch geringfügige Veränderungen zwischen zwei Aufnahmezeitpunkten, z. B. eine Risserweiterung, erfassen zu können. Die Auswertung der fotografischen Intervallaufnahmen ergab einen hohen Anteil an beobachteten Gleitschneelawinenabgängen ohne (erkennbare) Rissöffnung und mit nur sehr kurzer Rissüberdauerung (< 1h) von zusammen 67,5% aller registrierten Lawinen. Nur für die verbleibenden gut 30% der Gleitschneelawinen mit einer längeren Zeitverzögerung erscheint eine Beobachtung der Rissentwicklung möglich und sinnvoll. Insbesondere bei der Gleitschneelawinenaktivität aber auch bei den Rissöffnungen wurde ein deutlicher Tagesgang festgestellt – dies auch nach erfolgter Aufteilung der Datensätze in „Hochwinter-“ und „Frühjahrsperioden“. Etwa 10% aller Gleitschneelawinen ereigneten sich, ohne dass vorher an der Anrisskrone ein Riss zu erkennen war, direkt oberhalb eines vorausgegangenen Gleitschnee-Ereignisses. Auch weitere Beobachtungen von Gleitschneerissöffnungen und Gleitschneelawinen, welche offensichtlich durch vorausgegangene Gleitschnee-Ereignisse in der direkten Umgebung induziert wurden, lassen darauf schließen, dass in diesen Fällen die Stabilitätsverhältnisse im Hang eine entscheidende Rolle für die Auslösung spielen. Abschließend lässt sich festhalten, dass sich der satellitengestützte Ansatz zurzeit vor allem für den Aufbau großräumiger und langfristiger Erhebungen von Gleitschnee-Ereignissen eignet, welche u. a. eine Grundlage für die Weiterentwicklung der Erfassungsalgorithmen darstellen. Für bekannte Gleitschneehänge mit jährlich wiederkehrenden Ereignissen und konkreter Bedrohung für Infrastrukturen, stellt die terrestrische Hangbeobachtung mit Fotokameras zurzeit die beste Möglichkeit für eine kontinuierliche Überwachung dar. Um die Methode in Zukunft auch tatsächlich zur Gefahrenfrüherkennung und Warnung einsetzen zu können, ist eine automatisierte (Echtzeit-)Auswertung erforderlich. Eine der wichtigsten zu klärenden Fragestellungen zukünftiger Untersuchungen wird es jedoch sein müssen, ob eine Beobachtung der Gleitschneeaktivität (z. B. der Gleitraten) überhaupt eine verlässliche Gefahrenvorhersage zulässt und diese für temporäre Schutzmaßnahmen (z. B. Evakuierungen oder Sperrungen von Verkehrswegen) in der überwiegenden Anzahl der Fälle auch zeitlich ausreichend ist.show moreshow less
  • Glide-snow avalanches are a recurring challenge for avalanche warning services and avalanche control programs because they are difficult to predict and hard to trigger artificially. Processes leading to snow gliding on the ground as well as the evolution of glide cracks and glide avalanches are still poorly understood. This lack of knowledge became apparent in win-ter 2011/12. An extremely dry and warm fall season followed by a snowy early winter season led to extraordinary glide-snow activity with much damage and accidents all over the north-ern Alps. The occurrence of glide avalanches is frequently indicated by glide cracks. Due to the strong contrast between the dark ground and theGlide-snow avalanches are a recurring challenge for avalanche warning services and avalanche control programs because they are difficult to predict and hard to trigger artificially. Processes leading to snow gliding on the ground as well as the evolution of glide cracks and glide avalanches are still poorly understood. This lack of knowledge became apparent in win-ter 2011/12. An extremely dry and warm fall season followed by a snowy early winter season led to extraordinary glide-snow activity with much damage and accidents all over the north-ern Alps. The occurrence of glide avalanches is frequently indicated by glide cracks. Due to the strong contrast between the dark ground and the surrounding snow areas, these cracks are easy to detect in visual examination. This offers, in contrast to other types of avalanches, the possibility for an optical detection and monitoring of glide-snow events, i.e. glide cracks and glide avalanches. Since the beginning of this millennium a new generation of satellite sensors with very high spatial resolution has offered the possibility of using remote sensing approaches for avalanche research and warning issues. For the first time this work investigates different methods to automatically detect glide-snow events with space-borne remote sensing. An area-wide detection of glide-snow activity is important for avalanche forecasting and safety assessments. Further it could be used to systematically build up a dataset with a large cov-erage. Such a dataset is presently lacking yet is needed for many applications related to ava-lanche research and warning. However, satellite revisiting times are currently not adequate to monitor glide crack evolution in detail and to determine the time of release. To achieve a better knowledge of these short time scale processes, terrestrial and temporal high resolution time-lapse photography of two slopes that are known for glide-snow events were made dur-ing the winter seasons 2008/09 and 2011/12. A panchromatic image of the valley of St. Antönien (Eastern Swiss Alps) was used for the satellite based approach. The image was taken by the WorldView-1 sensor on April 28th 2008 and covered 25 km². Two different methods including spectral attributes as well as to-pographic parameters or parameters relating to the shape of objects were tested regarding their potential to automatically detect glide-snow events from the satellite image. The first approach was pixel-based and included statistical modeling using a generalized additive model (GAM). The second approach included an object-based image analyzing method. Re-sults showed that glide-snow events within completely snow-covered slopes were mapped with high accuracy by both approaches. However, the challenge for both classification ap-proaches was to separate aper glide-snow areas from other snow free areas in the pan-chromatic imagery. In particular the pixel-based approach showed that a differentiation of these two types of snow-free areas is generally possible. On a 70% sensitivity level a speci-ficity of 71% and a detection rate of 79% could be achieved. A prerequisite for better classifi-cation results in the future are improvements related to the preprocessing and masking of satellite images. These improvements can be achieved by data fusion with multispectral data. However, higher spectral resolution is frequently accompanied by a coarser spatial resolution. Compared to the object-based approach, the pixel-based approach allowed for a more precise detection of the shapes of the glide-snow events. It is thus considered the more appropriate method for multi-temporal change detection investigations in the future. The analyses of the images collected by the terrestrial time-lapse photography showed a high incidence of 67.5% of glide avalanches with no identifiable glide-cracks on a previous photo or only short time-lags (<1 h) between crack opening and subsequent avalanche. Fur-thermore the glide-snow activity had a clear diurnal cycle with most events occurring at noon. This diurnal cycle was observed independently of the type of snow gliding, i.e. for periods with a cold and dry (early and mid-winter conditions) as well as for periods with an isothermal and wet snowpack (spring conditions). Approximately every tenth glide avalanche occurred directly above and not below a previous glide-snow event. The surrounding stability condi-tions of the snowpack are thus considered important for the occurrence of these events. The study led to the conclusion that the satellite-based approach can be used for an area-wide baseline detection of glide-snow events. This baseline dataset can be used among other applications to develop and improve detection algorithms. For slopes that are known for a high annual glide-snow activity threatening infrastructure, terrestrial time-lapse photog-raphy offers the best monitoring possibilities. To use this method in future for an operational glide avalanche warning, an automatic real-time detection and analysis of glide-snow events is a prerequisite. However, one of the crucial questions to answer in future work is whether the monitored glide-snow activity is a reliable indicator to forecast, warn and initiate temporal protection measurements or not.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian Feick
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-37361
Referee:Matthias Braun
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Date of final exam:2013/07/04
Release Date:2013/10/04
Tag:GAM; Gleitschneelawine; fotografische Intervallaufnahmen; object-based image analysis; objektbasierte Bildanalyse; remote sensing; statistische Modellierung
automated detection; avalanche; glide-snow; statistical modelling
SWD-Keyword:Fernerkundung; Lawine; Detektion; Satellitenfernerkundung
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 006 Spezielle Computerverfahren
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
9 Geschichte und Geografie / 91 Geografie, Reisen / 910 Geografie, Reisen
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht