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Einsatz satellitenbasierter Fernerkundung und terrestrischer Fotografie zur (halb-)automatischen Erfassung und Analyse von Gleitschnee-Ereignissen (2013)
Feick, Sebastian
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 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.
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