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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-15391
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1539/


Ramminger, Gernot

Erfassung von Sturmschäden mit Hilfe moderner Radar-Fernerkundungssystemen

Assessment of storm damages using modern radar remote sensing systems

Dokument1.pdf (1.658 KB) (md5sum: 9d6ce92155010d0071da3f65a53d5e15)

Kurzfassung in Deutsch

Der Orkan „Lothar“ verursachte an Weihnachten 1999 sehr große Schäden innerhalb des Waldes in Baden-Württemberg, Frankreich und der Schweiz. Meteorologische Untersuchungen legen nahe, dass solche Ereignisse in Zukunft mit höherer Wahrscheinlichkeit auftreten als vor ca. 1950. Wichtigste Aufgabe der Forstbehörden nach einer großräumigen Sturmkatastrophe ist die Erfassung des Schadausmaßes und die Lokalisation der Schäden, damit die wichtigsten Maßnahmen der Sturmschadensbewältigung umgehend geplant und durchgeführt werden können.
Die vorliegende Arbeit untersucht das Anwendungspotential zurzeit verfügbarer und in naher Zukunft zur Verfügung stehender Radarsysteme für die Kartierung der Sturmflächen innerhalb des Waldes.
Für die Erfassung der Sturmflächen werden zwei Untersuchungsgebiete ausgewählt, für die teilweise bereits im Jahr 2000 digitale FoGIS Daten der Landesforstverwaltung Baden-Württemberg zur Verfügung standen und die gleichzeitig hohe Sturmschäden, verursacht durch den Orkan „Lothar“, zu vermelden hatten. Währen das Untersuchungsgebiet 1 mit den Forstbezirken Ettenheim, Kenzingen und Lahr ein eher bewegtes Relief aufweist, ist das Untersuchungsgebiet 2 im Rheintal in der Nähe der Stadt Offenburg sehr flach.
Untersucht werden die satellitengetragenen Systeme ERS-1 und ERS-2 und Daten des kanadischen Satelliten Radarsat 1. Für die Auswertung der ERS-1 und ERS-2 Daten stehen Kohärenzdaten von vor und kurz nach dem Sturm zur Verfügung. Bei Radarsat 1 stehen ebenfalls Datensätze von vor und nach dem Sturm zur Verfügung. Zusätzlich zu den satellitenbasierten Systemen, sind für das Untersuchungsgebiet 1 auch flugzeugbasierte X- und L-Band Daten des experimentellen E-SAR Systems des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt verfügbar. Auf Basis der E-SAR Daten wurden Daten des ab 2005 zur Verfügung stehenden Radarsatelliten TerraSAR simuliert und in die Auswertung miteinbezogen.
Ferner stehen zu den genannten Radar-Fernerkundungsdaten digitale FoGIS Daten, digitale Topographische Karten im Maßstab 1:25.000, BWI-Daten, das digitale Höhenmodell des Landesvermessungsamtes und sämtliche innerhalb des Projekts Sturmmon verwendeten Fernerkundungsdaten zur Verfügung. Die Auswertungen sämtlicher Erfassungsvarianten wird mit Hilfe eines im Gelände erstellten und unter Verwendung digitaler Luftbilder im Maßstab 1:18.000 in eine GIS-Umgebung übertragenen Referenzdatensatzes durchgeführt.
Für die Erfassung der Sturmflächen mit Hilfe der verfügbaren Radardaten werden visuelle, halbautomatische und automatische Interpretationsverfahren angewendet. Die automatischen Varianten werden dabei mit einem segmentbasierten Ansatz und einer anschließenden Klassifizierung durchgeführt. Für die Auswahl der für die Klassifizierung mit dem Nearest-Neighbor-Verfahren am Besten geeigneten Kanäle, wird jeweils eine schrittweise Diskriminanzanlyse durchgeführt.
Als wichtige Zusatzinformation werden die digitalen FoGIS Daten direkt in die untersuchten Erfassungsoptionen eingebunden. Dadurch können im Vorfeld Gebiete, in denen in der Regel keine Sturmschäden im Wald auftreten, wie z.B. Nicht-Waldflächen, Nichtholzbodenflächen und Bestände jünger 30 Jahre, von der Interpretation ausgeschlossen werden.
Für eine Bewertung der Ergebnisse werden diese anschließend mit den Nutzeranforderungen der Landesforstverwaltung Baden-Württemberg verglichen und diskutiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erfassung der Sturmflächen mit Hilfe von Radardaten ab einer Schadflächen von ca. 2,0 – 4,0 ha möglich ist. Kleinere Flächen von 0,5 bis 1,0 ha können teilweise mit Abstrichen an die Genauigkeit erkannt werden. Die Ausnahme hiervon bilden die Daten von Radarsat 1, mit denen keine Sturmflächen zu erfassen sind. Die Trennung von Wald und Nichtwald ist dafür in allen Fällen möglich. Generell kann festgestellt werden, dass die Erfassungsgenauigkeit mit geringer werdender geometrischer Auflösung sinkt. So sind die Genauigkeiten, die mit den E-SAR Daten erzielt werden, höher, gegenüber denen von TerraSAR. Weiter kann den Ergebnissen entnommen werden, dass die visuelle Interpretation in den meisten Fällen bessere Genauigkeiten erzielt, als die automatischen Auswerteverfahren. Die Verwendung von Kohärenzdaten bei der Auswertung kann die Interpretation der Bilddaten erheblich verbessern.
Insgesamt sind die erzielten Erfassungsgenauigkeiten im Vergleich mit der Verwendung hochauflösender optischer Satellitendaten oder Luftbilder schlechter. Keine der hier untersuchten Optionen genügt den Anforderungen der Landesforstverwaltung an einen schnellen Überblick über das Schadausmaß. Zukünftig zur Verfügung stehende satellitenbasierte Radarsysteme wie TerraSAR und Radarsat 2 sollten nochmals auf ihre Eignung zur Erfassung von Sturmflächen überprüft werden.


Kurzfassung in Englisch

Hurricane “Lothar” caused significant damage in forests throughout the German state of Baden-Württemberg, France and Switzerland during Christmas 1999. Meteorological investigations suggest that such events will occur more frequently in the future than in the period proceeding 1950. The most important duties for forestry authorities after a large-scale storm catastrophe is to assess the scale and location of damage, so that salvage operations can be planned and effectively applied.
This dissertation investigates the potential application of current and future radar systems for the mapping of storm damage within forests.
Storm damage was surveyed in two separate study areas, for which partly complete digital FoGIS data collected by the Baden-Württemburg Forest Administration and reports of the damage caused by hurricane “Lothar” were available. Study area 1 included the hilly region encompassing the forest districts of Ettenheim, Kenzingen and Lahr, while study area 2 in the Rhine Valley covered the flat area outside the town of Offenburg. The ERS-1 and ERS-2 satellite-borne systems were assessed during the study, together with data from the Canadian satellite Radarsat 1. Coherence data collected before and shortly after the storm were used to analyse the ERS-1 and ERS-2 data. Datasets collected by Radarsat 1 before and after the storm were also assessed. In addition to satellite data, X and L-band data from the German Aerospace Centre’s experimental air-borne E-SAR system was also available for study area 1. This data was used to simulate and assess the potential of data that will be available from the TerraSAR satellite from 2005.
In addition to the satellite and FoGIS data mentioned above, topographic maps in the scale of 1:250,000, BWI data, digital elevation models from the local land surveying authority and remote sensing data from the Sturmmon project were also made available. Evaluations of each assessment variant were transferred to a GIS environment with the help of digital aerial photographs taken over the study areas in the scale of 1:18,000.
In addition to visual interpretation, semi-automatic and automatic interpretation methods were applied in order to assess storm-damaged areas from the available radar data. The automatic variants were processed using a segment-based approach that was followed by classification. A stepwise discriminant analysis was conducted in order to select the channel most suitable for classification using the Nearest Neighbour method.
Digital FoGIS data included very important addition information that was combined directly with each of the surveying options. Thus, areas not normally damaged by storms, such as non-forest surfaces, stands with few large trees or stands younger than 30-years-old, could be immediately excluded from further interpretation.
The results were then assessed and compared with the requirements of the Baden-Württemberg Forest Adminstration.
The results indicate that radar data can be used successfully to survey storm damage in destroyed forest stands between 2.0 and 4.0 hectares in size. Smaller areas of between 0.5 and 1.0 hectare could also be recognised, however with reduced accuracy. Radarsat 1 data was an exception to these results, however, as this system failed to recognise any storm damage from the study areas. Each of the surveying options managed to separate forest areas from non-forest areas. It can be generally stated that data collection accuracy diminished with reduced geometric resolution. Accuracy was therefore higher with the E-SAR data than with the TerraSAR data. Furthermore, the results indicate that higher accuracy was obtained in most cases by visual interpretation than by the automatic methods. The use of coherence data during the analysis clearly improved the interpretation of the image data.
The accuracy of the assessed methods generally proved to be lower than results obtained by high-resolution optical satellites or by aerial photographs. None of the options assessed met the Forest Administration’s requirements for a more rapid means of surveying the scale of storm damage. Satellite-borne radar systems, such as TerraSAT and Radarsat 2, should be examined again in the future to assess their suitability for surveying storm damaged in forests.


SWD-Schlagwörter: Radar , Radarfernerkundung , Sturmschaden , Satellitenbild , Satellitenbildauswertung
Freie Schlagwörter (deutsch): E-SAR , eCognition , visuelle Interpretation , GIS
Freie Schlagwörter (englisch): storm , damage , assessment , remote sensing
Thesaurus Sozialwissenschaften 50200
Institut: Institut für Forstökonomie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Koch, Barbara (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.11.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 13.12.2004
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