Umwelt 4.0

Digitalisierungsmaßnahme „Umwelt 4.0“: Nutzung digitaler Geländemodelle und Copernicus-Daten

In diesem Projekt werden Geländeveränderungen über mehrjährige Zeiträume aus Satellitendaten, LIDAR Daten und weiteren geologischen Quellen gesammelt und digital dargestellt. Somit können Massenbewegungen und Bodenbewegungen leichter erkannt und erfasst werden.

Faktenbox Umwelt 4.0
Bild: Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)

Fakten zum Projekt

Projektbearbeiter: Dr. Michael Rudolf +++ Laufzeit: 01.01.2022 – 31.12.2024 +++ Projektfinanzierung: Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) +++ Kooperationsprojekt mit dem Fachgebiet Fernerkundung und Bildanalyse

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Bodenbewegungen im Bereich der Messe Frankfurt gemessen durch Persistent Scatterer Interferometry (Dreiecke) aus Copernicus-Daten. Daten: BGR (PSI-Daten) und HVBG (Oberflächenmodell).
Bodenbewegungen im Bereich der Messe Frankfurt gemessen durch Persistent Scatterer Interferometry (Dreiecke) aus Copernicus-Daten. Daten: BGR (PSI-Daten) und HVBG (Oberflächenmodell).

Großflächige Setzungen und Hebungen stellen eine erhebliche Gefährdung für Gebäude dar. Diese werden vor allem durch sich ändernde Grundwasserstände und Bergbautätigkeiten hervorgerufen. Während die Absenkung des Grundwassers oder Bodens durch Bergbau, Industrie oder Baumaßnahmen regional leicht eingrenzbar ist, können klimawandelbedingte Veränderungen nur schlecht vorhergesagt werden. Bereits heute können Schäden an Gebäuden in Kassel, Offenbach und Wiesbaden beobachtet werden, die sich auf solche Bodenbewegungen zurückführen lassen. Satellitenbeobachtungen über einen längeren Zeitraum liefern präzise Bewegungsdaten von Bauwerken und Strukturen im Abstand von wenigen Tagen. Aus regelmäßigen Befliegungen mit flugzeuggestützten Laserscannern können hochaufgelöste digitale Gelände- und Oberflächenmodelle erstellt werden. Diese Daten sollen im Projekt zusammengeführt und mit weiteren Datenquellen, wie z.B. geologischen Karten, bekannten setzungsempfindliche Schichten, hydrogeologischen und klimatischen Daten verknüpft werden. So können auftretende Bodenbewegungen und sogar Massenbewegungen bereits früh erkannt werden und ggf. Maßnahmen eingeleitet werden. Anhand dieser Ergebnisse können zukünftige Entscheidungen zu Vorschriften oder auch Informationen für die breite Öffentlichkeit zu Risikogebieten erstellt werden.

Klassifizierte Bodenbewegungen um den Hohen Meißner im Norden Hessens. Kartengrundlage: ESRI.
Klassifizierte Bodenbewegungen um den Hohen Meißner im Norden Hessens. Kartengrundlage: ESRI.

Zunächst wird die Datengrundlage auf die Verwendbarkeit hin überprüft. Hierbei konnte bereits festgestellt werden, dass die vorliegenden Geländemodelle verschiedene Artefakte aus der Prozessierung beinhalten und erneut aus den Rohdaten berechnet werden müssen. Im Anschluss an die Prüfung werden die Daten entsprechend aufbereitet und in einer Geodatenbank zusammengefasst. Die PSI-Daten werden aus unregelmäßig verteilten Punktdaten in eine flächige Darstellung im 250 m Raster zusammengeführt. Diese soll möglichst aussagekräftig sein und representativ für die jeweilige Region stehen. Hierbei ist vorallem die ungleiche Verteilung der Punkte zwischen bebautem und unbebautem Gebiet, sowie die starke Streuung einzelner Datenpunkte zu beachten. Die einzelnen Daten werden anschließend in Pilotregionen auf Vergleichbarkeit und Plausibilität geprüft und in einem Gesamtbild zusammengefasst. Wichtige Meilensteine sind:

  • Vergleichbarkeit der Datenquellen in Pilotregionen, später in ganz Hessen
  • Ein Bodenbewegungsatlas mit möglichen Ursachen (z.B. geologisch oder anthropogen)
  • Ein Tool zur einfachen Detektion von kritischen Bodenbewegungen

Publikationen

  • Rudolf, M., Krzepek, K., Homuth, B., Henk, A., Iwaszczuk, I.: Time series analysis of ground motion service data using inversion: Determining the causes of subsidence and annual fluctuations in southern Hesse, Germany, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. DOI:10.1109/JSTARS.2024.3400698

Konferenzbeiträge

  • Rudolf, M., Krzepek, K., Homuth, B., Henk, A., Iwaszczuk, I.: Inversion-based Time Series Analysis of PS-InSAR Data: Uncovering the Origins of Subsidence and Annual Fluctuations in Southern Hesse, Germany, EGU General Assembly 2024, DOI:10.5194/egusphere-egu24-10088
  • Krzepek, K., Rudolf, M., Homuth, B., Henk, A., Iwaszczuk, I., (2023,), Detection and classification of large-scale ground motion from remote sensing data: A case study in Hesse, Germany, Preprint, DOI: 10.5194/egusphere-egu23-13046 .
  • Homuth, B., Krzepek, K., Rudolf, M., Iwaszczuk, D., Henk, A., (2023): Automatische Detektion großflächiger Bodenbewegungsmuster in Hessen mittels Radarinterferometrie und Laserscan, Jahrestagung Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.V..
  • Krzepek, K., Rudolf, M., Homuth, B., Henk, A., Iwaszczuk, I., (2023,), Raster Representation of Ground Motion Service Data and Automated Hot-Spot Detection, Joint Urban Remote Sensing Event JURSE)., DOI:10.1109/JURSE57346.2023.10144217.
  • Krzepek et al. 2022, Bodenbewegung in Hessen: Kacheldarstellung der BBD Daten und automatisierte Detektion von Hot Spots, Poster, BBD Workshop „Der operationelle BBD und seine Entwicklungspotentiale“, Geozentrum Hannover.

Status Quo & Ausblick

Die Bestimmung von Bodenbewegungen in ganz Hessen ist abgeschlossen. Aktuell wird die finale Klassifikation durchgeführt und in einem Bodenbewegungsatlas zusammengeführt.