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Fernerkundung

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Fernerkundungs-Sensoren am Boden, auf Drohnen, Flugzeugen oder Satelliten werden immer mehr zu einem wichtigen Werkzeug in der Naturgefahrenforschung. So lassen sich nach Katastrophenereignissen schnell flächendeckende, räumlich hochaufgelöste Daten erheben, auch in Gebieten, die vom Boden aus nur schwer zugänglich sind.

 

Das SLF erforscht, wie solche Sensorsysteme in Zukunft optimal im hochalpinen Gelände eingesetzt werden können. Folgende Arbeiten stehen im Fokus:

  • detailliertes Vermessen und Kartieren von Lawinen, Murgängen und Steinschlagereignissen
  • Erheben von aktuellen und präzisen digitalen Geländemodellen in hochalpinen Gebieten
  • Erfassen der kleinräumigen Schneehöhenvariabilität
  • grossflächiges Kartieren von Schneetypen
  • Charakterisieren von Schutzwald-Eigenschaften
 

Detektion und Kartierung von Lawinen

Aktuelle Informationen über Lawinenniedergänge sind essentiell für die Lawinenwarnung und Lawinenforschung. Nach Extremereignissen wie dem Winter 1999 können Fernerkundungssensoren eingesetzt werden, um die Lawinen grossflächig zu kartieren. Dabei sind vor allem die Anrisszonen, die Auslaufdistanzen und die Ablagerungshöhen von grossem Interesse. Mit neu entwickelten Verfahren zur automatisierten Erkennung von Lawinenabgängen lassen sich die riesigen Datenmengen effizient und schnell auswerten. Diese Informationen sind auch essenziell, um lawinendynamische Modelle zu validieren.

Zur Überwachung von kritischen Hängen, zum Beispiel über Strassen oder Siedlungen, können Radar-Sensoren eingesetzt werden. Diese haben den Vorteil, dass sie auch bei schlechter Sicht (Nebel, Schneefall, Nacht) Daten liefern. Die Forschenden testen bodengestützte Radar-Sensoren am Dorfberg in Davos und haben entdeckt, dass bereits die Beschleunigung der Schneedecke vor dem Abgang einer Gleitschneelawine gemessen werden kann.

 
 

Digitale Geländemodelle

Digitale Geländemodelle (DEM) sind die Grundlage für die numerische Simulation von Massenbewegungen wie Lawinen, Murgänge oder Steinschläge mit RAMMS und für viele weitere Forschungsanwendungen. Wissenschaftler des SLF erforschen verschiedene Technologien zur Herstellung von präzisen Geländemodellen im Hochgebirge wie LiDAR oder photogrammetrische Bildkorrelation (s. unten). In ausgewählten Testgebieten mit extremen Geländeeigenschaften quantifizieren sie die erreichten Genauigkeiten und identifizieren systematische Fehler. Sie untersuchen auch, wie sich Geländemodellqualität und Auflösung auf die Simulationsresultate auswirken.

 

Vermessung von Lawinenexperimenten

Im SLF Testgelände Vallée de la Sionne (Gemeinde Arbaz) können grosse Lawinen künstlich ausgelöst werden. Um von diesen seltenen und für die Forschung sehr wertvollen Ereignissen optimal profitieren zu können, verwenden die Forschenden auch Fernerkundungstechnologie: Die Schneeoberfläche wird dabei vor und nach dem Lawinenabgang mit Laser Scanning genau vermessen. Während des Abgangs nutzen die Wissenschaftler Fotogrammmetrie, um das Volumen der Staubwolke und die Frontgeschwindigkeit zu ermitteln. Eine Thermalkamera misst die Schneetemperaturen in der Lawine. Diese Daten werden dann für die Validierung und Kalibration des Lawinendynamik-Modells RAMMS verwendet.

 

Kleinräumige Variabilität der Schneehöhe

Informationen über die Schneehöhe und ihre räumliche Variabilität sind wichtig für zahlreiche Anwendungen in der Schnee- und Lawinenforschung sowie für die Hydrologie. Heute wird die Schneehöhe vorwiegend durch Punktmessungen an Stationen erhoben, diese Methoden können aber die räumliche Variation im alpinen Gelände nicht erfassen. Forschende des SLF testen fernerkundungsbasierte Methoden, um die Schneehöhe grossflächige und lückenlos zu erheben und sie evaluieren deren Potential für operationelle Einsätze. Mit flugzeuggestützten Messungen lassen sich Messgenauigkeiten von 30 cm erreichen und grosse Flächen, zum Beispiel das gesamte Davoser Dischmatal , erfassen. Laser Scanning und Drohnen decken zwar nur kleinere Flächen ab, erreichen aber Messgenauigkeiten von 5 – 10 cm im Vergleich zu manuellen Referenzmessungen. Der erreichte Detaillierungsgrad und die hohe Präzision eröffnen neue Möglichkeiten für zahlreiche Anwendungen in Forschung und Praxis.

 

Kartierung von Schneetypen

Die Reflexion der Sonnenstrahlung im nahinfraroten Bereich ist stark von Schneeeigenschaften wie der Korngrösse oder dem Gehalt an flüssigem Wasser abhängig. Insbesondere grobkörniger Altschnee und angefeuchteter Schnee erscheinen deutlich dunkler im Bild als zum Beispiel feinkörniger Triebschnee. Deshalb können optische Fernerkundungsinstrumente genutzt werden, um verschiedene Schneetypen zu unterschieden. Das SLF testet sowohl drohnen-, flugzeug- wie auch satellitengestützte Instrumente auf ihre Eignung für die Schneetypenkartierung.

 

Erfassung von Schutzwald-Eigenschaften für die Naturgefahren-Modellierung

Wald ist in der Schweiz der flächenmässig wichtigste Schutz gegen Lawinen und Steinschläge. Aber wie kann die Wirkung des Schutzwaldes möglichst gut erfasst und in Modellierungen einbezogen werden? Das SLF untersucht, inwiefern Drohnen und Laser Scanning genutzt werden können, um wichtige Grössen wie Walddichte, Baumarten und Totholz im Schutzwald zu erfassen. Diese Informationen fliessen in Simulationen mit RAMMS ein.

 

Fernerkundungs-Sensoren

Fernerkundungsinstrumente lassen sich grob in vier Gruppen unterteilen:

Optische Sensoren (passiv) messen das an der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht in verschiedenen Wellenlängen und können so interessante Informationen über die Oberfläche von Objekten liefern. Anhand von optischen Bildern, aufgenommen aus mehreren Blickwinkeln, können fotogrammetrisch Geländemodelle berechnet werden. Optische Daten sind meist relativ einfach interpretierbar und haben eine sehr hohe räumliche Auflösung, allerdings sehen diese Sensoren nicht durch Wolken und können nicht bei schlechtem Wetter eingesetzt werden.

Thermale Sensoren (passiv) messen die langwellige Strahlung, die Objekte an der Erdoberfläche abstrahlen. Diese abgestrahlte Energie ist abhängig von der Temperatur und dem Material und kann deshalb in genaue Temperaturen der Objektoberfläche umgerechnet werden. Die Lufttemperatur spielt dabei keine Rolle, da Luft für die Thermalstrahlung beinahe vollständig durchlässig ist. Diese Technologie wird oft dafür eingesetzt, Stellen mit hohem Wärmeverlust bei Gebäuden zu finden, ist aber auch sehr interessant für Anwendungen in der Naturgefahrenforschung.

Radar-Sensoren (aktiv) senden Radarwellen aus und messen den Signalanteil, welcher an der Erdoberfläche reflektiert wird. Radarwellen können Wolken durchdringen und auch bei schlechtem Wetter wichtige Informationen liefern. Zudem können die längeren Wellen auch in Materialien wie Schnee eindringen und auch Informationen über tieferliegende Schichten liefern. Allerdings sind Radardaten relativ schwierig zu interpretieren, hier besteht noch Forschungsbedarf.

LiDAR Sensoren (aktiv) senden Wellen im sichtbaren oder nahinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums aus und messen die Laufzeit bis zur Erdoberfläche und zurück. Daraus lassen sich sehr präzise Modelle der Geländeoberfläche erstellen. Diese Technologie kann aber nur von Flugzeugen und Helikoptern aus eingesetzt werden und ist deshalb auf kleinere Flächen beschränkt.

Alle diese Sensor-Systeme werden am SLF eingesetzt.