Großräumiges Hochwassermonitoring Möglichkeiten, Grenzen, Chancen der Fernerkundung. Ergebnisdokumentation

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1 Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) Workshop am 5./6. Dezember 2018 in Koblenz Großräumiges Hochwassermonitoring Möglichkeiten, Grenzen, Chancen der Fernerkundung Ergebnisdokumentation 7. März 2019 Bearbeitung: Herbert Brockmann, BfG Sonja Hennecke, BfG Dr. Michael Hovenbitzer, BKG Dr. Michael Judex, BBK Dr. Fabian Löw, BBK Dr. Silke Mechernich, BfG Silke Rademacher, BfG Yvonne Strunck, BfG

2 0.1 Inhaltsverzeichnis 0.1 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Veranlassung Zusammenfassung der Vorträge und der vortragsbezogenen Diskussionen Hochwassererfassung mittels Fernerkundungsmethoden Möglichkeiten und Grenzen satellitengestützter Hochwassererfassung Anforderungen an die Fernerkundung zur Unterstützung des Hochwassermonitorings Aufbereitung und Analyse der Themen-Cafés Vorbemerkungen Wissenslücken, die möglichst mit Fernerkundungstechniken zu schließen sind Sinnvolle (Fernerkundungs-)Produkte Anforderungen an die Produktbereitstellung Veranlassungen zur Zielerreichung Fazit Anlagen Anlage 1: Programm des Workshops Anlage 2: Limitationen bei der Nutzung von Satellitenfernerkundungsdaten Anlage 3: Zusammenstellung der Flipchart-Ergebnisse der Themencafés Seite 2 von 34

3 0.2 Abkürzungsverzeichnis AKNZ BBK BKG BfG DLR Copernicus CEMS EFAS ESA JRC FGG FuE GeoPDF GIS GMLZ HN HQ HW HWRM-RL LANDSAT MODIS Rapid Mapping TG W/F TG K/F WMS WFS ZKI Akademie für Krisenmanagement, Notfallplanung und Zivilschutz Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Bundesanstalt für Gewässerkunde Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Europäisches Erdbeobachtungsprogramms mit den Sentinel-Satelliten Copernicus Emergency Management Service, Dienst von Copernicus für Katastrophen -und Krisenmanagement European Flood Awareness System Europäische Weltraumorganisation (European Space Agency) Gemeinsame Forschungsstelle (Joint Research Centre) der Europäischen Kommission Flussgebietsgemeinschaften Forschung und Entwicklung geospatial PDF (Portable Document Format) von TerraGo Geographisches Informationssystem Gemeinsames Melde- und Lagezentrum im BBK (einzig autorisierte Stelle in Deutschland, um Produkte des CEMS anzufordern) hydronumerisch abflussbezogene Hochwasserkennzahl Hochwasser Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie ziviler Erdbeobachtungssatellit der NASA Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, satellitengestütztes Bildgebungs-Radiospektrometer. CEMS-Leistungen und -Produkte, Notfallkartierung für unmittelbare/n Katastropheneinsatz/-hilfe Teilnehmergruppe der Wasserwirtschaft und der Fernerkundung Teilnehmergruppe des Katastrophenschutzes und der Fernerkundung Web Map Service Web Feature Service Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation im DLR Seite 3 von 34

4 1 Veranlassung Die zeitnahe Bereitstellung digitaler und kartographisch aufbereiteter räumlicher Informationen von Hochwasserereignissen ist nach wie vor oft nicht zufriedenstellend realisierbar. Dies gilt insbesondere für die operationelle Datenverfügbarkeit und die erforderliche Ergebniszuverlässigkeit vor dem Hintergrund der möglichen Auflösungen und Genauigkeiten. Hier lässt das europäische Erdbeobachtungsprogramms Copernicus neue fachliche und wirtschaftliche Potenziale erwarten. Vor diesem Hintergrund veranstalteten - die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG, Ressortforschungseinrichtung des Bundes mit Beratungs- und FuE-Aufgaben auf dem Gebiet der Gewässerkunde), - das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK, Fachbehörde für Zivilschutz und Katastrophenhilfe des Bundes), - das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG, zentraler Dienstleister des Bundes für topographische Grundlagendaten, Kartographie und geodätische Referenzsysteme) einen gemeinsamen Workshop mit dem Ziel, lösungsorientierte Ansätze zu erarbeiten. Zielgruppe waren die entsprechenden Ausführungsebenen der Wasserwirtschaft der Länder, der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, des Katastrophenschutzes und der Fernerkundungsfachdienste der Bundes-, Länder- und Kommunalverwaltungen. Im ersten Teil wurden auf der Basis von Vorträgen das Copernicus-Programm sowie weitere Möglichkeiten der großräumigen Fernerkundung vorgestellt (s. Anlage 1). Darauf aufbauend erfolgte eine Gegenüberstellung und Diskussion der schon heute und in naher Zukunft nutzbaren Daten und Dienste im Hochwasserkontext größerer Fließgewässer. Im zweiten Teil wurde nach drei Initiierungsvorträgen der Einsatz von Fernerkundungstechniken im Hochwasserfall in Themen-Cafés erarbeitet (s. Anlage 1). Hierbei wurden die Nutzeranforderungen und Umsetzungsstrategien in der Wasserwirtschaft und im Katastrophenschutz entsprechend dem Stand der Technik zugrundegelegt. Im Folgenden werden die Ergebnisse dieses Workshops dokumentiert. Seite 4 von 34

5 2 Zusammenfassung der Vorträge und der vortragsbezogenen Diskussionen 2.1 Hochwassererfassung mittels Fernerkundungsmethoden Das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus zur Unterstützung im Krisenfall Hochwasser; Dr. Michael Judex, Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe Einer kurzen Einführung in das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus folgte die Darstellung des Copernicus-Dienstes für Krisen- und Katastrophenmanagement (engl. Copernicus Emergency Management Service CEMS). Am Beispiel der Notfallkartierung des Hochwassers der Elbe 2013 und der Vermögenswerte-Kartierung in Deutschland wurden die beiden unterschiedlichen Komponenten des CEMS Rapid Mapping und Risk and Recovery Mapping vorgestellt. Zusätzlich wurde der Anforderungsprozess für den CEMS über den nationalen Kontaktpunkt GMLZ erläutert. Weitere Informationen zum Anforderungsprozess: s/copernicus_node.html Weitere Informationen zu Copernicus: Weitere Informationen zu den CEMS Modulen für Notfallkartierung und Risikoanalysen (englischsprachige Broschüren): Nutzung von Satellitendaten während des Hochwassers 2013; Frank Friedrich, Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt Anhand der Deichbrüche und der damit zusammenhängenden Überflutungen beim Hochwasser an Elbe und Saale im Juni 2013 wurde der Einsatz von Fernerkundungsdaten für den zentralen Einsatzstab des Landesbetriebes für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft dargestellt. Dabei wurden auch die Möglichkeiten zur Verifizierung von Deichbruchsimulationen vorgestellt. Erfahrungen mit dem Einsatz von Copernicus beim Hochwasserereignis im Dezember 2017 in Niedersachsen; Dietmar Dallmann, Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz Am Beispiel des Hochwasserereignisses im Dezember 2017 in Niedersachsen wurden die Erfahrungen des Hochwassermonitorings mit dem CEMS dargestellt. Hervorgehoben wurde die einfache Aktivierung, die schnelle Bereitstellung der Ergebnisse innerhalb von 36 Stunden, aber auch die teilweise Ungenauigkeit der bereitgestellten Hochwassermaske. Zusätzlich wurde die notwendige frühzeitige Klärung personeller Ressourcen innerhalb der anfordernden Behörde betont. Seite 5 von 34

6 Flugzeuggestützte Erfassung von scheitelnahen 3D-Hochwasserinformationen 2013; Petra Walther, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie; Herbert Brockmann, Bundesanstalt für Gewässerkunde Häufig werden flächendeckend genaue 3D-Informationen (Überschwemmungsgrenzen, Wasserspiegellagen, z.b. U 95 < 15 cm in der Höhe) und georeferenzierte Dokumentationen (z.b. Orthophotos) eines Ereignisses benötigt. Diese Anforderungen sind i.d.r. nicht auf der Basis von Satellitendaten erfüllbar. Die Produkte sind eine wesentliche Voraussetzung für vielfältige, im Nachgang zu bearbeitende Aufgabenstellungen (z.b. zur Optimierung der HN- Modellierung). Vor diesem Hintergrund wurden die entsprechenden 2013er Luftbildbefliegungen mit den Ergebnissen u.a. an Elbe, Saale, Mulde und Weißer Elster diskutiert. 2.2 Möglichkeiten und Grenzen satellitengestützter Hochwassererfassung Die Copernicus-Prozesskette von der Initiierung bis zum Nutzerprodukt Hochwassermaske ; Dr. Annett Wania, Joint Research Center der Europäischen Kommission In diesem Vortrag wurde insbesondere die Rapid Mapping-Komponente des Copernicus Emergency Management Services vorgestellt und der Arbeitsablauf der Notfallkartierung im Hochwasserereignisfall erläutert. Ein weiterer Fokus des Beitrags lag auf der Kombination des Hochwasser-Frühwarnsystems EFAS mit der Notfallkartierung. Limitationen bei der Nutzung von Satellitenfernerkundungsdaten; Dr. Fabian Löw, Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe Die Nutzung von Satellitenfernerkundungsdaten unterliegt im Allgemeinen einigen Einschränkungen. Es wurden die unterschiedlichen Anforderungen an die Satellitenfernerkundung im Ereignisfall dargestellt und herausgearbeitet, dass die Satellitenfernerkundung aufgrund von Ungenauigkeiten im Aufnahmesystem, Ungenauigkeiten der Auswertung oder wegen der Anforderung einer zeitnahen Datenbereitstellung Limitationen ausgesetzt ist. Anmerkung: Da die Präsentation nicht zur Verfügung gestellt werden kann, erfolgt eine ausführliche Darlegung des Sachverhaltes in der Anlage 2. Geotopographische Basisleistungen der Vermessungsverwaltungen des Bundes und der Länder; Sven Baltrusch, Landesamt für innere Verwaltung Mecklenburg-Vorpommern; Geotopographische Basisleistungen des BKG im Bundesbereich; Dr. Michael Hovenbitzer, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Es wurden die verschiedenen geotopographischen Produkte des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie vorgestellt, insbesondere das Landbedeckungsmodell LBM-DE und das Projekt zur Erstellung von Satellitenbild-Mosaiken. Zusätzlich wurden die verfügbaren Datenbestände des Landesamts für innere Verwaltung des Landes Mecklenburg-Vorpommern und das Datenbereitstellungskonzept für Sentinel-2-Mosaike betrachtet. Seite 6 von 34

7 Aktuelle Entwicklungen und Perspektiven der luft- und satellitenbasierten Datenerfassung/-auswertung; Carolin Lange und Marc Wieland, DLR, Zentrum für Kriseninformation Es wurden das Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) und seine Dienstleistungen für nationale Bedarfsträger vorgestellt. Als Beispiele für die Nutzung zum Monitoring eines Hochwasserereignisses wurden die drei verschiedenen Hochwasserservices (Terra- SAR-X, Sentinel 1 und 2) genauer betrachtet. Durch die Verbesserung der Datenverfügbarkeit und Auflösung können existierende Produkte verbessert und die aktuelle Produktpalette erweitert werden. 2.3 Anforderungen an die Fernerkundung zur Unterstützung des Hochwassermonitorings Fernerkundung in der bayerischen Wasserwirtschaft; Dr. Natalie Stahl-van Rooijen, Bayerisches Landesamt für Umwelt Der Vortrag erläuterte die Ergebnisse der CEMS-Aktivierung für das Hochwasserereignis in Simbach am Inn, welches in Juni 2018 von einer Sturzflut ausgelöst wurde. Die Erfassung der Schäden aus Satelliten- und Luftbildern lieferten aufgrund der verschiedenen räumlichen Auflösung Ergebnisse unterschiedlicher Qualität. Fernerkundungsprodukte für den Katastrophenschutzstab; Andre Bumann, Landesverwaltungsamt Sachsen-Anhalt An verschiedenen Beispielen wurde gezeigt, wie Fernerkundungsprodukte die obere Katastrophenschutzbehörde in Sachsen-Anhalt bei der Wahrnehmung ihrer Aufgaben im Ereignisfall und der Führung der Landeslage unterstützen können. Zusätzlich wurde die Nutzung von Satellitendaten für die Planung von Großereignissen und die Vorbereitung darauf, wie zum Beispiel das Festwochenende anlässlich des Reformationsjubiläums im Mai 2017 in der Lutherstadt Wittenberg, durch das Landesverwaltungsamt gezeigt. Unterstützung des Katastrophenrisikoschutzeinsatzes vor Ort durch Fernerkundung; Sven Dunkel, Stadt Frankfurt Neben den Aufgaben der Fernerkundung im Brand- und Katastrophenschutz wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden der Fernerkundung (Satellitenbilder, Luftbilder) gegenübergestellt. Außerdem wurde dargestellt, inwieweit Produkte, die auf Satellitendaten basieren, im Hochwasserfall die Einsatzplanung unterstützen können. Seite 7 von 34

8 3 Aufbereitung und Analyse der Themen-Cafés 3.1 Vorbemerkungen Um alle Teilnehmer des Workshops einzubinden und einen breiten Austausch zu ermöglichen, wurde das Format eines World-Cafés gewählt. An acht Stationen wurden mit wechselnden Besetzungen vier Fragestellungen nacheinander diskutiert. Die Fragen lauteten: 1. Welche Wissenslücken bestehen und sind möglichst mit Fernerkundungstechniken zu schließen? (s. Kap. 3.2) a) Im Ereignisfall b) Im Nachgang 2. Was sind sinnvolle (Fernerkundungs-)Produkte? (s. Kap. 3.3) a) Im Ereignisfall b) Im Nachgang 3. Welche Anforderung haben Sie an die Produktbereitstellung? (s. Kap. 3.4) a) Im Ereignisfall b) Im Nachgang 4. Was ist zu veranlassen, um die formulierten Ziele zu erreichen? (s. Kap. 3.5) Die Gruppen setzten sich an fünf Stationen aus Teilnehmenden der Wasserwirtschaft und der Fernerkundung (TG W/F) und an drei Stationen aus Teilnehmenden des Katastrophenschutzes und der Fernerkundung (TG K/F) zusammen. Die Ergebnisse wurden auf insgesamt 56 Flipcharts (sieben Fragen, acht Stationen) visualisiert (s. Anlage 3) und allen Teilnehmern vorgestellt. Im Folgenden werden darauf aufbauend die wesentlichen Ergebnisse zusammenfassend aufgeführt. 3.2 Wissenslücken, die möglichst mit Fernerkundungstechniken zu schließen sind Im unmittelbaren HW-Ereignisfall: - Grundsätzliche Wissenslücken (insbesondere von der TG W/F angeführt): unklare Kommunikationswege zur Aktivierung des CEMS zur Notfallkartierung für unmittelbare/n Katastropheneinsatz/-hilfe (Rapid Mapping) Verfügbarkeit von bereits existierenden Daten bzw. Datenprodukten (Fernerkundungsdaten, Geobasisdaten, In-situ-Messdaten) Fernerkundungsdaten, die aktuell bzw. in naher Zukunft erfasst werden und welche Techniken bzw. Methoden dabei zum Einsatz kommen (z.b. wann findet im betroffenen Gebiet der nächste Überflug mit welchem Träger (Satelliten/Flugzeug/Drohne) und welchem Sensor (optisch oder Radar) statt?) Vorgehen der Fernerkundungsdatenaufbereitung (Transparenz und Zwischenschritte) allgemeiner Zustand der Infrastruktur (z.b. Anlagensicherheit) Seite 8 von 34

9 - Unmittelbar ereignisbezogene fachliche Wissenslücken: aktuelle Wassertiefen mit flächendeckenden pixelbasierten Genauigkeitsangaben aktuelle und erwartete maximale Überschwemmungsgrenzen mit flächendeckenden pixelbasierten Genauigkeitsangaben aktuelle Fließ- und Ausbreitungsgeschwindigkeit, verbleibende Zeit bis zu einem kritischen Wasserstand bzw. bis zum HW-Scheitel aktueller Abgleich zwischen der Reallage und HN-Modellergebnissen zu erwartende Schadenspotenziale (Zustand und erwartete Entwicklung der HW- Schutzanlagen, Verkehrsinfrastruktur, Ver-/Entsorgungseinrichtungen, Anlagen mit Gefahrstoffumgang etc.) zur Fokussierung der Einsatzschwerpunkte besondere Interessenslagen im Kontext der Öffentlichkeitsarbeit Im Nachgang eines HW-Ereignisfalls: - Grundsätzliche und allgemein fachliche Wissenslücken (insbesondere von der TG W/F angeführt): Potenziale der Fernerkundungsmethoden Weiterentwicklungen der Fernerkundungstechnologie infolge von Ereigniserkenntnissen umfassende Informationen bezüglich der Existenz (Themen, Auflösungen, Genauigkeiten) und Möglichkeit zum Abruf der Datenprodukte (nationale Quellen, CEMS-Risk und Recovery-Produkte) Bewertung und Validierung der Defizite in der Informationsbereitstellung aus dem Ereignisfall - Unmittelbar ereignisbezogen fachliche Wissenslücken: maximale Überschwemmungsgrenzen, flächendeckend mit einer Lagegenauigkeit 1 m maximale Wasserstandeshöhen, flächendeckend mit einer Höhengenauigkeit 0,1 m pixelbasierte Angaben zu Lage- und Höhengenauigkeiten HQ-bezogene Einordnung des Ereignisses und des Ereignisverlaufs (zeitliche/örtliche Quantifizierung und Validierung) Einordnung von Deichbrüchen und der Verläufe der sich anschließenden Überflutungen (zeitliche/örtliche Quantifizierung und Validierung u.a. von Fließwegen, Fließgeschwindigkeiten, Wassertiefen) webbasierte Darstellung historischer Ereignisse als Referenzzustände zur Optimierung des HW-Schutzes und Identifikation potenzieller Retentionsräume qualitative Bewertung aller zum Einsatz gekommenen hydraulischen Modelle, auch im Kontext festgesetzter Überschwemmungsgebiete qualitative und quantitative Schadensinventarisierung (Sachschäden an Infrastruktur, Agrarflächen etc.) Katastropheneinsatznachbereitung mit Beurteilung getroffenen Maßnahmen Seite 9 von 34

10 3.3 Sinnvolle (Fernerkundungs-)Produkte Im unmittelbaren HW-Ereignisfall: - Angeforderte aktuelle Produkte bzw. Zwischenprodukte: großflächige homogene, soweit wie möglich plausibilisierte georeferenzierte Überschwemmungskartierungen mit Lage der maximal zu erwartenden sowie historischen Überschwemmungsgrenzen mit standardisierten vollständigen Metainformationen einschließlich Genauigkeitsangaben klein- und großmaßstäbige Bilder (optisch oder Radar) Animation des Verlaufs des Ereignisses Monitoring der Infrastruktur mit den kritischen Anlagen (Hot Spots der Schäden, Bodenbewegungen, Auftreten von Qualmwasser, Durchfeuchtung, Schadstoffeinträge etc.) Produktbereitstellung in allen geläufigen Datenformaten und über WMS-Dienste mit flächendeckender Verfügbarkeit auch in mobilen Endgeräten Im Nachgang eines HW-Ereignisfalls: - Angeforderte aktuelle Produkte bzw. Zwischenprodukte: großflächige korrigierte und plausibilisierte, georeferenzierte Überschwemmungskartierungen, insbesondere der HW-Scheitelsituation, mit Lage der maximalen sowie historischen Überschwemmungsgrenzen, mit standardisierten vollständigen Metainformationen einschließlich Genauigkeitsangaben hoch aufgelöste Orthophotos der HW-Scheitelsituation flächendeckende Höhe des maximalen Wasserstandes (3D-Wasserspiegellagen) bzw. der maximalen Wassertiefe Differenzkartierungen der topographischen Geländeveränderungen (Quantifizierung von Erosion und Ablagerung) Bauwerksdokumentation mit klassifizierter Schadenskarte, Skala für Schadensursache (z.b. Umweltschadstoffe, Dammbrüche ), Schadensgrad und Einfluss auf die Bauwerkssicherheit Animation des Ereignisverlaufs, insbesondere bei Versagensfällen wie Deichbrüchen Auswertung der lokalen Überflutungsdauer, Bodenfeuchte/Vernässung, Bodengrundwasserstände mit Korrelationen zu überregional relevanten Pegelständen 3.4 Anforderungen an die Produktbereitstellung Im unmittelbaren HW-Ereignisfall: - Bedarfe: soweit wie möglich behörden- und bedarfsträgerübergreifende Web-Dienste o zur Beschreibung verfügbarer, möglichst standardisierter Produkte o zur Bereitstellung verfügbarer, möglichst standardisierter Produkte o zu veranlassten Datenerfassungen und Produkterstellungen o zur verbesserten Information über Daten- und Produktanforderungsmöglichkeiten und -wege Seite 10 von 34

11 permanentes Monitoring der HW-Ereignisse und der Bodenfeuchte durch den CEMS Sicherstellung von Deutschsprachigkeit auf allen Ebenen und Portalen Im Nachgang eines Ereignisfalls: - Bedarfe: soweit wie möglich behörden- und bedarfsträgerübergreifende Web-Dienste (s. S. 10) kostenfreie Bereitstellung aller Daten und Produkte Bereitstellung der erfassten Rohdaten für ergänzende Analysen Übersicht über alle Fernerkundungs-Aktivitäten und -Produkte eines HW-Ereignisses (Copernicus, flugzeuggestützte Befliegungen etc.) Produktkataloge von vergangenen Ereignissen, aufbereitete Archiv- und Originaldaten Dokumentation eines kontinuierlichen Hochwassermonitorings mit durchgängiger Schadensbewertung (ohne gesonderte Bedarfsanzeige), auch für Gewässer der 2. und 3. Ordnung Einhaltung des Bearbeitungsgrundsatzes: Genauigkeit vor Schnelligkeit, aber so schnell wie möglich Interaktionsmöglichkeiten zwischen den Datenproduzenten und Bedarfsträgern Sicherstellung von Deutschsprachigkeit auf allen Ebenen und Portalen 3.5 Veranlassungen zur Zielerreichung - Grundsätzlich erforderliche Organisations- bzw. Kommunikationsformen: Entwicklung von Handlungsketten mit klaren, einfachen Anforderungsabläufen frühzeitig im Vorfeld von HW-Ereignissen (mit Akteuren, kostenfreie Priorisierung von Datenerfassungsmaßnahmen etc.) Etablierung von GIS- und Fernerkundungskoordinatoren in den Behörden und/oder Einsatzzentralen (Fachberater zu Systemen und Datenprodukten, Ansprechpartner über Ländergrenzen hinweg etc.) Einrichtung einer flussgebietsbezogenen Koordinierungsstelle aller Datenerfassungsmaßnahmen im HW-Ereignisfall zur Vermeidung von Redundanzen und dgl. Realisierung automatischer ereignisbezogener Aktivierungen von Datenerfassungsund Produkterstellungsmaßnahmen (z.b. über Messprogramme mit allen fachlich relevanten Anforderungen und Umsetzungen sowie den notwendigen Organisationsformen und geklärten Finanzierungsfragen) regelmäßige/r behördenübergreifende/r Schulungen und Erfahrungsaustausch (u.a. Grenzen und Möglichkeiten der Fernerkundung) im Zusammenwirken aller Bedarfsträger und -decker Bereitstellung von maßgeschneiderten Info-Flyern und Leitfäden zu Produkten, Abläufen und Services Umsetzung von Pilotprojekten - Fachlich optimierte Nutzerprodukte: Definition von Produktstandards, wenn geboten gerichtsfest Einbeziehung aller, soweit fachlich sinnvoll verfügbarer Daten (Fernerkundungsdaten, In-situ-Messdaten, HN-Modellergebnisse etc.) bei der Produkterstellung Seite 11 von 34

12 Verbesserung der Produktqualität (Entwicklung von zuverlässigeren Auswertealgorithmen, automatischen Fehlerkorrekturen mit Genauigkeitsangaben etc.) gemeinsame Bearbeitung von Pilotanwendungen - Produktbereitstellung: Schaffung vereinheitlichter Web-Dienste gem. Abschn. 3.4 und von Datenhaltungen, zentral und behördenübergreifend, für alle relevanten Metadaten, Produkte und Ansprechpartner kostenfreie Bereitstellung aller im Krisenfall benötigten Informationen und Produkte für alle behördlichen Bedarfsträger wie Fachbearbeitung, Stabsstelle, Krisenstäbe Klärung der Datennutzungsbedingungen, einschließlich inwieweit die Produkte öffentlich zugänglich sind, im Vorfeld eines HW-Ereignisses Sicherstellung von Deutschsprachigkeit auf allen Ebenen und Portalen Seite 12 von 34

13 4 Fazit Der Workshop verfolgte das Ziel der anforderungsorientierten Verbesserung des großräumigen Hochwassermonitorings mittels Fernerkundungsdaten. Dazu präsentierten und diskutierten Bedarfsträger und Bedarfsdecker der entsprechenden Ausführungsebenen des Bundes, der Länder und Kommunen die aktuellen Sachstände und Potenziale der flugzeug- und satellitengestützten Möglichkeiten. Grundsätzlich ist festzustellen, dass es nach wie vor an Wissen und Informationen über die verfügbaren Fernerkundungsprodukte und die Aktivierungsmöglichkeiten von entsprechenden Diensten zur Datenbereitstellung während und nach einem Hochwasserereignis fehlt. Gefordert wurden standardisierte Workflows, die im Ereignisfall behördenübergreifend abgearbeitet werden können. Ebenso sollten Bedarfe und Produktrealisierungen auch behördenübergreifend abgestimmt werden, da sich nur so unnötige Datenlücken bzw. Mehrfacharbeiten vermeiden lassen. Dabei ist sicherzustellen, dass flächendeckend zuverlässige Produkte in vergleichbarer Qualität und Quantität mit Metainformationen verfügbar sind bzw. so optimiert werden, dass sie zukünftig entsprechend zur Verfügung gestellt werden können. Explizit gefordert wurden in diesem Zusammenhang standardisierte Qualitätsangaben (Auflösungen, Genauigkeiten mit Sicherheitswahrscheinlichkeiten) zu den Produkten. Aus den vorgenannten Defiziten lassen sich konkrete Handlungsempfehlungen im Fernerkundungskontext ableiten. Es sollten geeignete hierarchieunabhängige und behördenübergreifende Kommunikationskanäle verbessert werden. Dazu gehören auch regelmäßige Schulungen über im und nach dem Hochwasserfall verfügbare Informationen und Produkte sowie der Aufbau von abgestimmten Handlungsketten zur Datenerfassung und kostenfreien Produktbereitstellung. Aus fachlicher Sicht bedarf es der Standardisierung von praxistauglichen produktbezogenen Qualitätsangaben für eine flächendeckend konsequente Anwendung. Darüber hinaus sind Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu forcieren, um kurzbis mittelfristig absehbar praxistaugliche Verfahrenslösungen in die Routineanwendung zu überführen. Genannt sei hier insbesondere die Prozessierung durchgängig belastbarer Überschwemmungsgrenzen auf der Basis von Radardaten. Die Ergebnisse des Workshops sollten von den ausrichtenden Behörden BfG, BBK und BKG in realisierbare Verbesserungsmaßnahmen überführt werden. Ein Folgeworkshop in ca. zwei Jahren wurde auf der Veranstaltung für zielführend erachtet, um den dann aktuellen Sachstand zu präsentieren und zu diskutieren, aber auch um initiierte und umgesetzte Maßnahmen zu evaluieren. Seite 13 von 34

14 Anlagen Anlage 1: Programm des Workshops Mittwoch, 5. Dezember :00 Begrüßung und Einführung Petra Herzog, BfG, Abteilungsleiterin Quantitative Gewässerkunde Hochwassererfassung mittels Fernerkundungsmethoden Moderation: Dr. Christian Schweitzer, Umweltbundesamt 13:20 Das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus zur Unterstützung im Krisenfall Hochwasser Dr. Michael Judex, Dr. Fabian Löw, BBK 13:45 Nutzung von Satellitendaten während des Hochwassers 2013 Frank Friedrich, Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt 14:10 Erfahrungen mit dem Einsatz von Copernicus beim Hochwasserereignis im Dezember 2017 in Niedersachsen Dietmar Dallmann, Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz 14:35 Flugzeuggestützte Erfassung von scheitelnahen 3D-Hochwasserinformationen 2013 Petra Walther, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie; Herbert Brockmann, BfG 15:00 Kaffeepause Möglichkeiten und Grenzen der satellitengestützten Hochwassererfassung Moderation: Prof. Dr. Uwe Sörgel, Universität Stuttgart 15:45 Die Copernicus-Prozesskette von der Initiierung bis zum Nutzerprodukt Hochwassermaske Dr. Annett Wania, Joint Research Center der Europäischen Kommission 16:10 Limitationen bei der Nutzung von Satellitenfernerkundungsdaten Dr. Fabian Löw, BBK 16:35 Geotopographische Basisleistungen der Vermessungsverwaltungen des Bundes und der Länder Sven Baltrusch, Landesamt für innere Verwaltung Mecklenburg-Vorpommern, Dr. Michael Hovenbitzer, BKG 17:00 Aktuelle Entwicklungen und Perspektiven der der luft- und satellitenbasierten Datenerfassung/-auswertung Marc Wieland, Carolin Lange, DLR, Zentrum für Kriseninformationen 17:25 Zusammenfassung und Diskussion Herbert Brockmann, BfG 17:45 Ende des ersten Veranstaltungstages Seite 14 von 34

15 Donnerstag, 6. Dezember 2018 Anforderungen an die Fernerkundung zur Unterstützung des Hochwassermonitoring Moderation: Dr. Dieter Rieger, Bayer. Landesamt für Umwelt 08:30 Fernerkundung in der bayerischen Wasserwirtschaft Dr. Natalie Stahl-van Rooijen, Bayerisches Staatsministerium für Umwelt 08:45 Fernerkundungsprodukte für den Katastrophenschutzstab Andre Bumann, Landesverwaltungsamt Sachsen-Anhalt 09:00 Unterstützung des Katastrophenschutzeinsatzes vor Ort durch die Fernerkundung Sven Dunkel, Stadt Frankfurt 09:15 Pause 09:25 Einführung in die Themen-Cafés Dr. Michael Judex, BBK 09:30 Themen-Café I: Nutzeranforderungen Silke Rademacher, BfG 10:35 Ergebnispräsentation 11:00 Kaffeepause 11:20 Themen-Café II: Umsetzungsstrategien Dr. Michael Hovenbitzer, BKG 12:25 Ergebnispräsentation 12:50 Resümee und Ausblick Herbert Brockmann, BfG 13:00 Ende der Veranstaltung Seite 15 von 34

16 Anlage 2: Limitationen bei der Nutzung von Satellitenfernerkundungsdaten Dr. Fabian Löw, BBK Satellitenbildfernerkundung wird zunehmend für die Kartierung von Hochwasserflächen im Ereignisfall eingesetzt. Operative Dienste, bspw. der Copernicus Emergency Management Service (CEMS) 1 oder ZKI_DE 2, können auf Anfrage Auswertungen (digitale Hochwasserkarten) von Satellitenbildern bereitstellen, in denen die räumliche Ausdehnung des Hochwassers oder das Schadensausmaß dargestellt sind. Idealerweise sollen diese Karten als Grundlage für Entscheidungen während der Einsatzbewältigung zur Verfügung stehen. Doch wie schnell stehen die Auswertungen zur Verfügung? Sind die Karten verlässlich? Gibt es Einschränkungen? Hochwasserkarten werden durch die Analyse von Satellitenbildern erstellt. In diesem Kontext gibt es zwei Aspekte, die potenziell zu Ungenauigkeiten und Einschränkungen in der Verwendung dieser Technologie führen: (i) Limitationen des Aufnahmesystems und (ii) Fehler in der Auswertung der Satellitenbilder. Für die Bilderzeugung erfassen Satelliten den Zustand und Veränderungen der Erdoberfläche, indem sie entweder die von der Erdoberfläche reflektierte, elektromagnetische Strahlung der Sonne aufzeichnen (Optische Systeme), oder indem sie eine eigene Strahlungsquelle verwenden (Radar-Systeme). Satelliten umkreisen die Erde in mehreren hundert Kilometern Höhe und auf festen Umlaufbahnen, den sog. Satellitenorbits 3. Während eines Überflugs erfassen sie stets zur selben Ortszeit einen begrenzten Ausschnitt der Erdoberfläche, der abhängig von den Eigenschaften des Sensors wenige Kilometer bis mehrere Hundert Kilometer groß sein kann (vgl. Abb. 1). Abbildung 1: Illustration des generellen Zusammenhangs zwischen räumlicher Auflösung und räumlicher Abdeckung Erdbeobachtungssatelliten fliegen in circa km hohen, sonnensynchronen Umlaufbahnen (den sog. Low Earth Orbits, LEO). Darin passiert ein Satellit einen Punkt auf der Oberfläche der Erde immer zur selben Ortszeit. Seite 16 von 34

17 Neuere Satelliten können sehr detailreiche Aufnahmen machen, d.h. deren räumliche Auflösung (Pixelgröße) ist sehr hoch bei einigen Sensoren bis zu 30 cm pro Bildpixel. Darauf erkennt man überflutete Gebäude, zerstörte Brücken oder sogar einzelne Autos. Allerdings können solche Systeme aus technischen Gründen nur relativ kleine Gebiete aufzeichnen, bspw. 10 mal 10 Kilometer. Denn generell gilt: je größer das durch einen Satelliten in einer Aufnahme erfasste Gebiet, desto geringer ist die räumliche Auflösung und damit der Detailgrad. Satellitenaufnahmen mit einer hohen räumlichen Auflösung erhält man gegenwärtig nur mit optischen Systemen. Deren geringe räumliche Abdeckung reicht dann nicht immer zur Erfassung von großräumigen Ereignissen. Aufgrund der häufig dichten Bewölkung während Hochwasserlagen sind die Aufnahmen zum Zeitpunkt des Ereignisses aber oft unbrauchbar, weil optische Satelliten nicht durch die Wolkendecke blicken können. Da Satelliten unverändert auf ihren festgelegten Orbits fliegen, muss man oft mehrere Tage warten, bis wieder eine wolkenfreie Aufnahme desselben oder eines anderen Satelliten des betroffenen Gebiets aufgenommen werden kann. Dies führt letztlich dazu, dass die aus optischen Aufnahmen erstellten Lagebilder trotz ihres Detailreichtums für die Nutzung in der Einsatzbewältigung bereits veraltet sind. Eine Alternative zu den optischen Systemen sind Radarsatelliten. Diese nutzen ihre eigene Energiequelle, um die Erdoberfläche mithilfe von Radarstrahlen zu beleuchten (vgl. Abb.Abbildung 2). Diese Technik kann bei Tag und bei Nacht und durch Wolken hindurch eingesetzt werden. Radarsatelliten können auch bei starker Bewölkung Hochwasserflächen erfassen, und zwar zwei Mal täglich, morgens und abends. Dieser potenzielle Vorteil kommt allerdings auf Kosten einer geringeren räumlichen Auflösung, denn Radaraufnahmen sind i.d.r. gröber als optische Aufnahmen. Einzelne Gebäude oder zerstörte Brücken lassen sich damit nur noch schwer oder gar nicht erfassen. Um das zu verdeutlichen: Ein Großteil der in den Notfallkartierungen des CEMS verwendeten Radardaten hatte eine räumliche Auflösung (Pixelgröße) von 4 30 m (siehe Vortrag Dr. Annett Wania) 4. Zudem unterliegen Radarstrahlen vielfältigen Wechselwirkungen mit der Erdoberfläche. Dies führt insbesondere in urbanen oder bewaldeten Regionen dazu, dass Hochwasser nicht immer genau erfasst werden kann Studien deuten darauf hin, dass in urbanen Regionen manchmal mehr Hochwasser detektiert wird, als dort zum Zeitpunkt der Aufnahme tatsächlich vorhanden war, während in Wäldern die tatsächliche Fläche des Hochwassers manchmal unterschätzt wird. Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise von passiven (links) und aktiven (rechts) Satelliten. Die Skala im unteren Teil der Abbildung zeigt das elektromagnetische Spektrum 4 Gilt für den Zeitraum: April 2017 bis November Seite 17 von 34

18 Letztlich können die zuvor genannten Aspekte zu Ungenauigkeiten und einigen Besonderheiten führen, die bei der Interpretation und Nutzung von Hochwasserlagekarten berücksichtigt werden sollten: 1) Die aus Satellitenbildern abgeleiteten Hochwasserinformationen sind oft älter als der Zeitpunkt, wenn ein Hochwasserscheitel eine Region erreicht, d.h. das maximale Schadensausmaß wird nicht immer erfasst. Um dies zu verdeutlichen: Im Durchschnitt vergehen circa 52 Stunden zwischen der Aktivierung des CEMS und der Bereitstellung der ersten digitalen Hochwasserkarten, davon können alleine einige Stunden bis zu 2 Tage für die Bereitstellung geeigneter Satellitenbilddaten vergehen 5. 2) Um für das gesamte betroffene Gebiet Hochwasserinformationen zu erhalten, können Aufnahmen von mehreren Satelliten kombiniert und analysiert werden. Oft ist das die einzige Möglichkeit, überhaupt einen zeitnahen und vollständigen Überblick zu bekommen. Das führt aber dazu, dass die Hochwasserinformation in einer Lagekarte aus mehreren, einige Stunden oder sogar Tage auseinander liegenden Aufnahmen stammen. Die Hochwasserinformationen in den Karten sind dann unterschiedlich alt. 3) Die Analyse von Satellitenbildern kann fehlerhaft sein, oder sie ist durch inhärente Sensoreigenschaften ungenau. Wegen dieser Fehler ist die Genauigkeit einer Karte nie 100%. Außerdem sind Fehler in Lagekarten räumlich ungleich verteilt. Aus Radardaten abgeleitete Hochwasserflächen können auf Wiesen genauer sein als bspw. in urbanen und bewaldeten Gebieten. Ist Satellitenbildfernerkundung dann überhaupt ein verlässliches Mittel zur Lageerfassung? Die Antwort lautet wie so oft: Das hängt davon ab. Die Stärke der Fernerkundung ist die flächenhafte und konsistente Erfassung von Hochwasser auch in unzugänglichen Gebieten, bei Tag und bei Nacht. Das ist gerade bei großen und lange anhaltenden Lagen ein unschätzbarer Vorteil, wenn Lageinformationen von Einsatzkräften vor Ort nur lückenhaft erhoben werden können. Aufgrund der Archivierung von Satellitenbildern bietet die Fernerkundung zudem die Möglichkeit, bereits in der Vergangenheit liegende Ereignisse zu dokumentieren insofern geeignete Aufnahmen vorliegen. Durch die fortschreitende Entwicklung und die Starts von Satelliten mit besseren Sensoreigenschaften könnte die Zeitspanne zwischen der Anforderung und dem Bereitstellen der Aufnahmen in Zukunft noch verkürzt werden. Durch die Kopplung von Hochwasservorhersagen 6 und Satellitendatenbestellung erprobt das JRC gegenwärtig, inwieweit Satellitenbilder schon vor dem Ereigniseintritt bzw. vor einer offiziellen Nutzeranfrage an den CEMS bestellt werden können. Wenn ein Gebiet mit hoher Wahrscheinlichkeit von Hochwasser betroffen sein wird, könnten die Satellitenbilder bereits vor dem Eintreffen des Hochwasserscheitels geordert und damit die Zeitspanne zwischen Aufnahmezeitpunkt und Ereignisverlauf verkürzt werden. Ob damit künftig (nahe) Echtzeit-Informationen für die Einsatzunterstützung zur Verfügung stehen werden, bleibt allerdings offen, wenn nicht sogar fraglich. Eine mögliche Lösung ist die Kombination von unterschiedlichen Sensoren: Satelliten, Einsatzflugzeuge, Drohnen, In-situ-Sensoren (bspw. Messpegel), aber auch die Auswertung von Social Media liefern komplementäre Informationen, die kombiniert zu einem umfassenden und aktuellen Lagebild beitragen könnten. 5 Dieser Wert wurde für den Zeitraum ermittelt. 6 Das JRC testet hierfür Hochwasserwarnungen des europäischen (EFAS, bzw. globalen (GloFAS, Hochwasservorhersagesystems. Seite 18 von 34

19 Anlage 3: Zusammenstellung der Flipchart-Ergebnisse der Themen-Cafés Frage 1: Welche Wissenslücken bestehen und sind möglichst mit Fernerkundungstechniken zu schließen? a) Im Ereignisfall Seite 19 von 34

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21 Frage 1: Welche Wissenslücken bestehen und sind möglichst mit Fernerkundungstechniken zu schließen? b) Im Nachgang Seite 21 von 34

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23 Frage 2: Was sind sinnvolle (Fernerkundungs-)Produkte? a) Im Ereignisfall Seite 23 von 34

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25 Frage 2: Was sind sinnvolle (Fernerkundungs-)Produkte? b) Im Nachgang Seite 25 von 34

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27 Frage 3: Welche Anforderungsverfahren haben Sie an die Produktbereitstellung? a) Im Ereignisfall Seite 27 von 34

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29 Frage 3: Welche Anforderungsverfahren haben Sie an die Produktbereitstellung? b) Im Nachgang Seite 29 von 34

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31 Frage 4: Was ist zu veranlassen, um die formulierten Ziele zu erreichen? Seite 31 von 34

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