Neue Monitoring- und Vorhersagetech­nologien zum kooperativen Risikomanage­ment

Titel des Projekts

Extremereignisse in kleinen und mittleren Einzugsgebieten (EXTRUSO)
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Förderung

© ESF

Europäischer Sozialfonds (ESF) Förderprogramm für Nachwuchsforschergruppen

Motivation

Die kontinuierliche Erwärmung der Atmosphäre durch den Klimawandel führt zu einer Intensivierung des Wasserkreislaufes und damit zu einer erhöhten Variabilität des zukünftigen Klimas. Deshalb muss in Zukunft mit einer höheren Eintrittswahrscheinlichkeit von Starkregenereignissen und den daraus resultierenden hydrologischen Extremereignissen gerechnet werden. Diese in der Regel kleinräumig auftretenden Extreme sind schwierig zu beobachten. Weder das sächsische Niederschlagsmessnetz noch das Pegelmessnetz Sachsen weisen eine ausreichende Messnetzdichte für die Erfassung und Vorhersage solcher Ereignisse auf. Weiterhin sind Daten aus dem Niederschlagsradar mit zu großen Unsicherheiten verbunden, während Satellitenfernerkundung und numerische Wettervorhersagemodelle zu grob aufgelöst sind. So fehlt in Sachsen ein Hochwasserfrühwarnsystem für kleinräumige Extremereignisse. Hier setzt das Projekt EXTRUSO an: Am Beispiel kleiner und mittlerer Einzugsgebiete werden innovative Techniken zur räumlich und zeitlich hochaufgelösten Beobachtung und Simulation kleinräumig auftretender Extremereignisse entwickelt. Im Rahmen einer Kooperation zwischen den Professuren Hydrologie, Meteorologie, Photogrammetrie und Geoinformatik, werden auf Grundlage anwendungsspezifischer Fernerkundungstechniken, moderner low-cost Sensorik und Geoinformationstechnologien neue Formen operationeller Monitoringsysteme zur effizienten Verdichtung der vorhandenen Beobachtungsnetze erzeugt. Gleichzeitig sollen historische Analysen und prädiktive Modellierung kleinräumiger Extremereignisse mit unterschiedlichen Klimaszenarien helfen, die zu erwartenden Effekte des Klimawandels besser abzuschätzen. Die entstehenden Informationsgrundlagen dienen als Basis zu entwickelnder Frühwarnsysteme und zukünftiger Anpassungsstrategien.

Zielstellung

Durch Kombination photogrammetrischer Verfahren (structure-from-motion, Extraktion von Wasserlinien) sollen Geländemodelle kleiner Einzugsgebiete mit Genauigkeiten im Zentimeterbereich generiert werden. Dazu kommen eine Kamera und ein Kompaktlaserscanner auf einem UAV (unmanned aerial vehicle) und einem UWV (unmanned water vehicle) zum Einsatz. Detaillierte Informationen über die Landnutzung und -bedeckung werden mit Hilfe fernerkundlicher Methoden aus Satellitendaten, geometrisch höchstaufgelösten UAV-Daten sowie weiteren administrativen Geodaten (z.B. ATKIS) erhoben. Das UWV wird zusätzlich mit einer 360°-Kamera zur Umgebungskartierung und einer Unterwasserkamera zur Erfassung der Geometrie und Bedeckung des Gewässergrundes ausgestattet. Eine Veränderungsdetektion auf der Basis von Aufnahmen vor und nach Extremereignissen erlaubt Rückschlüsse auf die Mechanismen in Hydrosystemen.

Durch die automatische Erkennung von Wasserständen in Bildern soll eine räumlichzeitliche Verdichtung von Pegelnetzwerken erfolgen. Dies ist insbesondere für das Monitoring in kleinen Einzugsgebieten relevant, die keine ausreichende Pegelausstattung aufweisen. Hierzu werden aus Aufnahmen von fest installierten Kameras mit einem Telemetriemodul oder von Smartphone-Aufnahmen mit Methoden der Bildverarbeitung Wasserlinien extrahiert, die durch photogrammetrische Verfahren in Wasserstände transformiert werden.

Relevante Publikationen

Projektpartner

• Prof. Dr. Niels Schütze, Dipl.-Hydrol. Diana Spieler, Dipl.-Phys. Robert Mietrach, M.Sc. Thomas Singer (Professur für Hydrologie)

• Prof. Dr. Lars Bernard, Dr.-Ing. Stefan Wiemann, M.Sc. Robert Krüger (Professur für Geoinformatik)

• Prof. Dr. Christian Bernhofer, Dr. Firas Aljanabi, M.Sc. Thanh Thi Luong (Professur für Meteorologie)

Kontakt

• Anette Eltner,  Hannes Sardemann