Google4Habitat:

Die Entwicklung eines fernerkundungsbasierten

Google-Earth-Engine-Tools

Beschreibung Google4Habitat

Problemstellung

Der Hochwasserschutz in Deutschland ist für Mensch, Umwelt und Wirtschaft von großer Bedeutung. Für die Vorhersage von Hochwasserereignissen sowie die Planung und Optimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen dienen dabei hydrodynamisch-numerische Modelle (HN-Modelle). Aktuell werden hierfür an Gewässern nur pauschale, für größere räumliche Einheiten konstante Rauheitsbeiwerte als Eingangsgröße verwendet. Da diese die berechneten Wasserspiegellagen jedoch maßgeblich beeinflussen besteht darin ein dringendes Verbesserungspotenzial.

Die Rauheitsbeiwerte sind stark von jahreszeitlich variierenden Oberflächeneigenschaften und Vegetationsstrukturen abhängig. Bisher waren die Zeitabstände zwischen den Satellitenaufnahmen allerdings zu groß, sodass eine detaillierte zeitliche Auswertung kaum möglich war. Durch die freie Plattform Google Earth Engine (GEE) stehen jedoch umfangreiche Cloud‑Computing‑Kapazitäten und Satellitenbilddaten mit geringem zeitlichem Abstand (5‑ bis 10‑tägige Wiederholungszeit) zur Verfügung, was neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet (Gorelick et al., 2017; Herrmann, 2022).

Was ist Google4Habitat?

Mit Google4Habitat wurde darauf basierend ein fernerkundungsbasiertes GEE-Tool entwickelt, welches automatisch Vegetationsstrukturtypen in Flusslandschaften erfassen soll. Auf Basis dieser Ergebnisse können Rauheits- bzw. Widerstandsbeiwerte anhand der Vegetationsstrukturen abgeleitet und daraufhin in den HN-Modellen integriert werden. Dadurch werden diese Modelle für die Planungspraxis optimiert um gefährdete Stellen rechtzeitig zu identifizieren und frühzeitige Warnung ausgeben zu können.

Das Ziel: Schäden im Bezug auf Hochwasserschutz minimieren.

Vorgehensweise

Auswahl und Analyse der Untersuchungsgebiete:

Als Ausgang wurden mehrere Flussabschnitte ausgewählt, die möglichst unterschiedliche Flusstypen repräsentieren und sämtliche relevanten Vegetationsstrukturen enthalten.

Anschließend wurden für jedes Gebiet häufig vorkommende, flusstypspezifische Vegetationsstrukturen festgelegt. Dabei wurden diese, soweit möglich, den entsprechenden Biotop‑ und FFH‑Lebensraumtypen zugeordnet. Zusätzlich wurden charakteristische Standorteigenschaften wie das dominante Substrat, der Boden‑Wasser‑Haushalt sowie die Hydro‑ und Morphodynamik erfasst.

Pro Vegetationstyp wurden etwa 50 Referenzpunkte aus bereits vorhandenen Luftbildern ausgewählt. Diese Punkte wurden anschließend im Gelände verifiziert und bei Bedarf angepasst

Drohnenbefliegung:

Die Untersuchungsgebiete wurden zusätzlich mithilfe einer DJI Mavic 3 Multispectral-Drohne mit Multispektralkamera und RTK-Modul abgeflogen. Aus den Befliegungsdaten entstanden anschließend Orthofotos, digitale Geländemodelle sowie digitale Oberflächenmodelle.

Vorgehen in Google4Habitat:

Mithilfe Google4Habitat wurden die Referenzpunkte jedes Vegetationsstrukturtyps auf Basis der erfassten oder vorhandenen Eingangsdaten charakterisiert.

Bei den Eingangsdaten handelt es sich um:

Drohnenfotos
Orthofotos
Satellitenbilder (Sentinel-2)
Landsat-Satellitenbilder (Landsat-8)
Vegetationshöhe (in Klassen)
Oberflächenrauheiten
Exposition
Seehöhe auf Basis der erstellten Geländemodelle

Das Ergebnis ist eine Vegetationsstrukturtypenkarte auf Basis der verwendetet Satellitenpixel

Genauere Abgrenzung:

Für die genauere Abgrenzung der Vegetationstypen wurden in QGIS die auf 1m reduzierten Orthofotos anhand ihrer Textur in homogene Oberflächenstrukturen gruppiert. Dieses segmentierte Luftbild wurde anschließend mit der klassifizierten Vegetationsstrukturtypenkarte verschnitten. Der Typ mit der größten Deckung innerhalb eines segmentierten Polygons wurde schlussendlich dem finalen Polygon zugewiesen. Das Ergebnis ist eine räumlich hoch aufgelöste Vegetationsstrukturtypenkarte.

Vorteile und Möglichkeiten

Vorteile

Durch Test an unterschiedlichen Fluss- und Auentypen ist das Tool auf unterschiedliche Fließgewässer anwendbar.
Durch verfügbare, regelmäßig aktualisierte Satellitenbilder können jahreszeitlich variierende Oberflächeneigenschaften und Vegetationsstrukturen berücksichtigt werden

Möglichkeiten

Integrieren der Ergebnisse in HN-Modelle
Analyse von Auswirkungen ausgewählter Hochwasserereignisse in Hinblick auf die kurz- bis mittelfristige Entwicklung der Ufer- und Auenvegetation
Erfassung von Veränderungen der Flussmorphologie
Zeitreihenanalysen und Monitoring durch Wiederholung der Segmentierung und Klassifizierung zu unterschiedlichen Zeitpunkten

Untersuchungsgebiete

Um eine breite Anwendbarkeit des GEE-Tools zu gewährleisten und die Übertragbarkeit auf die wichtigsten Flusstypen in Deutschland zu ermöglichen, wurde das Werkzeug bundesweit an acht unterschiedlichen Flusstypen eingesetzt. Die ausgewählten Untersuchungsgebiete umfassen dabei alle wesentlichen Vegetationsstrukturtypen von Fließgewässern der Alpen, der Voralpen, der Mittelgebirge und des Norddeutschen Tieflandes (Flusstypen nach Pottgießer und Sommerhäuser, 2008):

„Flusstyp der Alpen und des Alpenvorlandes – Kleine Flüsse der Jungmoräne des Alpenvorlandes“:
Ammer (bei Weilheim)
„Flusstyp der Mittelgebirge – Große Flüsse des Mittelgebirges“:
Blies (bei Blieskastel)
„Flusstyp der Mittelgebirge – Kiesgeprägte Ströme“:
Rhein (Rastatter Rheinaue)
„Flusstyp des Norddeutschen Tieflandes – Kiesgeprägte Tieflandflüsse“:
Mulde (zwischen Bad Düben und Eilenburg)
„Flusstyp des Norddeutschen Tieflandes – Sandgeprägte Ströme“:
Elbe (bei Lenzen)

Zu Untersuchung der durch die Vegetation veränderten Rauheiten wurde das GEE-Tool in drei weiteren Untersuchungsgebieten angewendet, für die bereits HN-Modelle entwickelt wurden bzw. aktuell entwickelt werden:

„Flusstyp der Alpen und des Alpenvorlandes – Fließgewässer der Alpen“:
Isar (zwischen Krüner Wehr und Sylvensteinspeicher)
„Flusstyp des Mittelgebirges – Karbonatische fein- bis grobmaterialreiche Mittelgebirgsflüsse“:
Donau (Donauursprung beim Zusammenfluss von Brigach und Breg)
„Flusstyp der Alpen und des Alpenvorlandes – Große Flüsse des Alpenvorlandes“:
Lech (Ausleitungsstrecke Litzauer Schleife)