Nutzung von Satellitendaten für Aufgaben der Stadtentwässerung

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1 Nutzung von Satellitendaten für Aufgaben der Stadtentwässerung Dr. Heike Bach Vista GmbH Gerhard Würzberg IB Schlegel, München

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3 Nutzung von Satellitendaten und GIS für Aufgaben der Stadtentwässerung Vortragende: Dr. Heike Bach Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH Gerhard Würzberg Regierungsbaumeister Schlegel GmbH & Co.KG Wie können Satellitenbilder in der kommunalen Stadtentwässerung eingesetzt werden? Als Inputs für einen Generalentwässerungsplan (GEP); Zur Ermittlung des Versiegelungsgrads pro Flurstück für die Gesplittete Abwassergebühr; Als Informationsquellen für die Stadtplanung. Satellitendaten haben den Vorteil, dass sie weitestgehend automatisch, zeiteffizient und somit kostengünstig zur Datenerfassung bzw. fortschreibung genutzt werden können. Derzeit ist die Nutzung von Satellitendaten für die kommunale Stadtentwässerung aber noch nicht verbreitet, so dass methodische Entwicklungen und Demonstrationen notwendig waren und dazu eine Pilotstudie (gefördert durch die ESA) durchgeführt wurde. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 2

4 Welche Zielsetzung / Motivation hatte die Zusammenarbeit zwischen Schlegel und VISTA? Erarbeitung eines neuen Verfahrens, Satellitendaten für die Stadtentwässerung zu nutzen. Enge Zusammenarbeit von verschiedenen Dienstleistern, die Ihren speziellen Fähigkeiten ergänzen: VISTA: Satellitendaten und GIS- gestützte Auswertung; Schlegel: hydrodynamische Modellierung und GEP Erstellung, so dass die Kommune ein Produkt aus einer Hand erhalten kann. Demonstration der Methode für die Stadt Lindau in Zusammenarbeit mit den kommunalen Verantwortlichen zur Validierung und objektiven Bewertung der Ergebnisse. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 3 Pilotanwendung: Generalentwässerungsplan für einen Stadtteil von Lindau Kommune hat die Sorgfaltspflicht, die Bürger vor Schäden durch Überflutung bei Starkniederschlägen zu schützen. Aus diesem Grund sollte der Generalentwässerungsplan (GEP) einer Gemeinde auf dem aktuellen Stand gehalten werden. Durch den GEP wird der korrekte Ist-Zustand des Kanalnetzes ermittelt, Schwachstellen ggfs. aufgezeigt, aber auch Zukunftsprognosen erarbeitet. Zur Erstellung eines GEP werden u. a. hydraulische Eigenschaften der Landoberfläche wie Versiegelungsgrad, Gefälle und Fließweg benötigt. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 4

5 Anforderung an die Fernerkundungsdaten Räumlich sehr hochauflösende Satellitendaten (z. B. 1 m) für kleinräumige Differenzierung der Landnutzung. Multispektrale Daten (sichtbar und nahes Infrarot) für exakte Oberflächenklassifikation in versiegelte (Dächer, Straßen etc.) und unversiegelte Flächen. Aktuelle Satellitenbilder, da städtische Bereiche schnell anwachsen und sich verändern. Beste Aufnahmezeitpunkte im Frühjahr (bevor Bäume austreiben) oder im späten Herbst. Satellitenszene vom 21. April /10. März Moosburger Umwelttechnikforum 5 Entwickeltes Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenparameter aus Satellitendaten Datenbeschaffung Bestellung bei Satellitendatenanbieter und Import Multiresolution Merging Advanced IHS Transformat. Laser DGM Laser DGM, Wahrscheinlichkeitsmasken Output für hydrodynamisches Modell GIS Nachbearbeitung Oberflächenparameter pro Flurstück / Kanal GIS Integration und Orthorektifizierung mit DGM Fuzzy Logic basierte multispektrale Oberflächenklassifikation 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 6

6 Beispiel Multiresolution Merging Panchromatisch Nach Multispektral Advanced (B-G-R) IHS Transformation Auflösung: 14 m (B-G-R) Auflösung: 1 m 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 7 Beispiel Klassifizierung gesamtes Stadtgebiet versiegelt Dach unversiegelt IKONOS Szene / Untersuchungsgebiet Ergebnis der Klassifikation 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 8

7 Beispiel Klassifizierung Ausschnitt IKONOS Szene Kanaleinzugsgebiete Ergebnis der Klassifikation versiegelt Dach unversiegelt 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 9 Eingangsdaten und Ausgabeinformation Satellitendaten Versiegelte Fläche Laser - DGM Kanaleinzugsgebiet Kanalsystem Fernerkundungsdaten für die Oberflächencharakterisierung von Abflusseigenschaften Gefälle Fliessweg Ausgabe der Informationslayer aus der Fernerkundungsanalyse für die hydrodynamische Kalkulation 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 10

8 Validierung der abgeleiteten Versiegelungsgrade durch Vergleich mit anderen Methoden Verglichen mit Auswertungen aus Luftbildern und anderen konventionellen Methoden unterschied sich der Anteil der Versiegelung aus dem Satellitenbild im Durchschnitt um weniger als 10%. Feldbegehungen zeigten, dass jede Methode unterschiedliche Stärken und Schwächen besitzt. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 11 Nutzung der Oberflächeninformation in der hydrodynamischen Modellierung mit SFBS SFBS ist hauseigenes Programm für hydrodynamische Kanalnetzund Schmutzfrachtberechnungen Übernahme folgender Parameter aus der Satellitenbildauswertung: Versiegelungsgrad (Anteil befestigte und unbefestigte Fläche am Einzugsgebiet) Fließweg (Länge des Wasserweges bis zum Kanal) Gefälle (Neigung der Geländeoberfläche) Bisher konventionelle Bestimmung der genannten Parameter über Auswertung von Luftbildern, Digitalen Flurkarten, Begehungen etc. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 12

9 Oberflächenabfluss in SFBS Bemessungsregen Niederschlag Abflussganglinie von befestigter Fläche Durchlässige Fläche Befestigte Fläche Abflussganglinie des Teileinzugsgebietes Abflussganglinie von durchlässiger Fläche Zum Kanalnetz Kanalstrecke 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 13 Ergebnis: Generalentwässerungsplan (Ausschnitt) Überlastungsgrad der Kanäle (multiple of discharge capacity) (Vielfaches der Abflussleistung) Overloading of the sewer ? > 3.00 Abstand Wasserspiegel zu Kanaldeckel 1.49 m 1.00 m 0.99 m 0.50 m Water level under the street 0.49 m 0.01 m 0.00 m street über Gelände flooding 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 14

10 Ergebnis: URBANSENSE Ein neuartiges Verfahren URBANSENSE wurde entwickelt, das es erlaubt, einen GEP auf Grundlage von Fernerkundungsdaten, GIS-Methoden und hydrodynamischer Modellierung kostengünstig und aktuell zu erstellen. Nach erfolgreicher Pilotanwendung in einem Stadtteil Lindaus wird URBANSENSE nun für das gesamte Stadtgebiet von Lindau genutzt. Ein aktueller GEP wird der Stadt Lindau in 2010 zur Verfügung stehen. Diese hohe Akzeptanz der Stadtentwässerung Lindau wurde auch durch eine umfangreiche Validierung erreicht. Für die Validierung installierte die Stadt Lindau ein geeignetes Niederschlags- sowie ein Abflussmessgerät an der Auslassstelle des Kanalsystems. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 15 Validierung der Berechnung durch Vergleich mit Abflussmessungen Simulierter Abfluss mit URBANSENSE (lila) im Vergleich zu gemessenen Abflüssen (grün) nach Kalibrierung URBANSENSE 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 16

11 Vergleich der hydraulischen Berechnungsergebnisse mit Modellniederschlag Straßenüberflutung und Wasserstand im Kanal berechnet aus den Inputdaten der konventionellen Methode und mit URBANSENSE. URBANSENSE 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 17 Diskussion Methodenvergleich Zwischen konventioneller Methode und URBANSENSE waren Ergebnisse im Bezug auf Versiegelungsgrad, Gefälle und Fließstrecke pro Kanaleinzugsgebiet recht ähnlich. Sie konnten ohne Einschränkungen und mit hohem Qualitätsanspruch bei der Berechnung des GEP genutzt werden. Die Satellitendaten liefern realistische Werte der Versiegelung. Beide Methoden liefern bei der hydrodynamischen Berechnung des GEP annährend gleiche Ergebnisse. Unterstützt den Einsatz von Satellitendaten. Inputdaten aus allen Methoden benötigten eine Kalibrierung, um zu berücksichtigen, dass nicht gesamte versiegelte Flächen an das Kanalnetz angeschlossen sind. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 18

12 Ausblick Gesplittete Abwassergebühr Der Anteil versiegelter Fläche kann optional auch zur Berechnung des Versiegelungsgrades pro Flurstück verwendet werden und in die Kalkulation der Gesplitteten Abwassergebühr einfließen. Die Kosten für die Regenwasserbeseitigung werden dabei nach dem Verursacherprinzip auf Basis der versiegelten Fläche pro Flurstück gerecht verteilt. Eine Abschätzung des Versieglungsgrades pro Flurstück ist nach Angaben des Bayerischer Gemeindetag (BayVGH Beschluss vom ZB ) ausreichend. Dieses kann mit URBANSENSE gewährleistet werden. Mit Fernerkundungsdaten ist eine große räumliche, kostengünstige und zeitsparende Auswertung möglich. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 19 Beispiel: Gesplittete Abwassergebühr Satellitendaten Versiegelung pro Flurstück Versiegelungsgrad pro Flurstück ermittelt auf Grundlage von Fernerkundungsdaten Genauigkeiten von ca. 90 % werden erzielt. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 20

13 Zusammenfassung Auf Grundlage hochauflösender Satellitendaten wurden digitale, räumliche Informationen für die Erstellung/Fortschreibung eines GEP bereitgestellt. Neues satellitenbasiertes Verfahren liefert realistische Oberflächeninformationen zur Versiegelung im Vergleich zur konventionellen Methode. Vorteile von URBANSENSE liegen in der detaillierten großräumigen Beschreibung des Stadtgebietes, der hohen zeitlichen Aktualität der Information, der nachvollziehbaren Methodik und der kostengünstigen Bereitstellung. Für zwei Starkniederschlagsereignisse stimmen die im Kanal gemessenen Abflusswerte mit den simulierten sehr gut überein und bestätigen Nutzung von URBANSENSE. 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 21 Danksagung Wir danken den Stadtentwässerungswerken der Stadt Lindau und insbesondere Herrn Andreas Bucher für die Unterstützung des Projektes und Bereitstellung der Beispieldaten. Diese Pilotanwendung wurde von der ESA im Rahmen von ESA s Data User Element (DUE) gefördert wurde (AO/1-4808/05/I-EC). 9./10. März Moosburger Umwelttechnikforum 22

14 Kontakt Dr. Heike Bach Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH Gabelsbergerstraße München Tel Gerhard Würzberg Regierungsbaumeister Schlegel GmbH & Co.KG Guntherstraße München Tel