Detektion und Kartierung von Lawinenabgängen mit Hilfe von Differenzbildern aus TerraSAR-X Daten

Abstract

Lawinen sind eine der größten Naturgefahren im Alpenraum und spielen für immer mehr Wintersportler eine Rolle. Auch die Infrastruktur wird durch Schneerutsche oft bedroht. Ebenso gibt es aber auch kleine Lawinen, die den Menschen nicht direkt betreffen, sondern z.B. Wege blockieren und Hütten zerstören. Deshalb werden diese Lawinen auch nicht aufgezeichnet, was zum Ziel dieser Arbeit führt. Denn um bessere Lawinenmodelle und Gefahrenkarten zu erstellen und damit die Lawinenforschung zu unterstützten, ist es wichtig Lawinen zu kartieren. Bei dieser Arbeit geht es um die automatisierte Detektion von unentdeckten Lawinenabgängen anhand von Radardaten. Denn diese verfügen über den Vorteil, unbegehbares Gelände, wetter- und tageszeitunabhängig, zu kartieren. Da die automatisierte Detektion auf optischen Daten und auf TerraSAR-X-Einzelbilder nicht ausreichend funktionierte, wird in dieser Arbeit die Detektion mit Differenzbildern aus TerraSAR-X-Daten untersucht. Hierfür werden Daten aus verschiedensten Quellen verwendet (Radardaten, Referenzdaten, Digitale Geländemodelle, Vektorlayer, usw.). Zur ersten Untersuchung werden die Einzelbilder der Radardaten zu einem Differenzbild verrechnet und untersucht, ob die Lawinen darauf visuell zu detektieren sind. Es werden optische Daten, sowie Radarbilder verwendet und miteinander verglichen um möglichst viele Lawinen zu finden. Des Weiteren werden textur- und amplitudenbasierte Filter auf die Radardaten angewendet, um mögliche Lawinen hervorzuheben. Durch Analysieren der genauen Reflexionswerte einer Lawine und Darstellung dieser als Reflexionsdiagramm wird der Unterschied der Lawinen auch mathematisch bestimmt. Durch die Auswertung eines Histogramms einer Lawine und der unberührten Schneedecke wird untersucht, ob dies zu bestätigen ist. Im nächsten Schritt wird die Anwendbarkeit der Reflexionseigenschaften auf andere Lawinen getestet. Dies geschieht durch eine Schwellenwertklassifikation der texturierten Differenzbilder, bei der die ungestörte Schneedecke und die Lawine jeweils eine Klasse darstellen. Die klassifizierten Lawinen werden außerdem auf ihre Plausibilität hin überprüft. Dabei sind Neigung, Fließrichtung und Lawinengröße die Validierungsmöglichkeiten. Am Ende werden die Lawinen in plausible und unplausible Lawinen unterteilt und kartiert. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass das visuelle Detektieren von Lawinen auf Radarbildern nur schwer möglich ist. Denn die Wetterverhältnisse und Radareffekte haben einen großen Einfluss auf die Qualität der Detektion. Ist der zeitliche Abstand zwischen Abgang und Aufnahme der Lawine sehr groß und handelt es sich in dieser Zeit um eine instabile Wetterlage, dann kann die Lawine durch Schnee und Metamorphose verändert werden. Es braucht damit bessere zeitliche Auflösung oder bessere Wetterverhältnisse im Untersuchungszeitraum (dieser müsste angepasst werden), um mögliche Lawinen zu finden. Die Ergebnisse zeigen, dass Radareffekte vor allem sensorzugewandte Lawinen betreffen und diese nahezu unkenntlich machen. Sensorabgewandte Lawinen hingegen können recht gut detektiert werden. Die Diagramme beweisen, dass es einen Unterschied zwischen Lawine und ungestörter Schneedecke gibt. Die Reflexionswerte der Lawine sind wegen der Oberflächenrauigkeit der Ablagerungszone immer höher als die ihrer Umgebung. Und auch die Häufigkeit großer Pixelwerte ist bei der Lawine höher als bei der ungestörten Schneedecke. Die verändert sich nur wenig in der Zeit des Lawinenabgangs. Die Anwendbarkeit der Ergebnisse auf andere Lawinen wird anhand der Analysen bewiesen. Zu 56,21 % sind die klassifizierten Lawinen auch plausibel. Allerdings ist die Bestimmung subjektiv, da die entsprechende Referenz fehlt, die Lawinen auch zu validieren. Dennoch zeigt dieses Ergebnis, dass die automatisierte Detektion von Lawinen möglich ist, wenn Parameter, wie die zeitliche Auflösung und die Verfügbarkeit von Referenzdaten, und damit die Überprüfung der Reflexionswerte mehrerer Lawinen, verbessert werden.