M. Siegmann, A. Heller - aus

berg.schnee.lawine - GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE
GIS-basierte Lawinengefahren_ analyse unter Berücksichtigung
des Lawinenlageberichts
VON MARCEL SIEGMANN UND ARMIN HELLER
D
lese Untersuchung soll klären, inwieweit es möglich ist, eine Lawinengefahrenkarte auf Grundlage des Lawinenlageberichts mithilfe eines Geographischen Informationssystems (GIS) zu erstellen. Im ersten Schritt werden
die grundlegenden Informationen des Lawinenlageberichts unter Zuhilfenahme
der Elementaren Reduktionsmethode (ERM) und eines Höhenmodells verknüpft.
Die ERM teilt den Hang anhand der jeweils vorherrschenden Gefahrenstufe und der
Hangneigung in Gefährdungsbereiche ein. Zur Darstellung der Zusatzinformationen
wird im zweiten Schritt eine automatisierte Geländeformerkennung durchgeführt.
Die darin genannten geomorphologischen Formen können anschließend als besonders gefährdete Bereiche ausgewiesen werden. Durch die Erstellung einer Gefahrenkarte anhand der Basisinformationen konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Dazu wurde die Gefahrenkarte anhand von digitalisierten Skitouren analysiert. Mit
Zunahme der Gefahrenstufe nimmt der Anteil der Streckenteile mit geringem Risiko
ab. Für die Arbeitsschritte wurden drei Modelle mit dem Geographischen Informationssystem ArcGIS (ESRI) entwickelt, die für jedes Höhenmodell mit einer Auflösung
von 10 Metern verwendet werden können.
Methode
Für die Erstellung einer Gefahrenkarte wurde auf die ERM nach Munter (2009) zurückgegriffen (siehe Abbildung 1). Die ERM verknüpft die Lawinengefahrenstufe mit
der Hangneigung und empfiehlt passende Verhaltensregeln:
• Gering: Vorsichtig verhalten ab 40° Hangneigung.
• Mäßig: Verzicht ab 40°, vorsichtig verhalten ab 35°.
• Erheblich: Verzicht ab 35°, vorsichtig verhalten ab 30°.
• Groß: Verzicht ab 30°, vorsichtig verhalten bei unter 30°.
GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE —
Gefahrenstufe
gemäss SLF
1 gering
2 mässig
4_,
berg.schnee.lawine •
3 erheblich
4 gross
extrem steil
40°
571.,
rn
*ä;
cs,
et,
sehr steil
35°
steil
30°
mässig steil
Für Hangneigung
zählt die
steilste Stelle ...
•
Geringes Risiko
Relativ sicher, wenn
keine speziellen
Gefahrenzeichen
... im Bereich der Spur
Erhöhtes Risiko
Ausbildung und Erfahrung
notwendig
im ganzen Hang
so Hohes Risiko
Verzicht empfohlen
... im ganzen Hang
inkl. Einzugs- und
Auslaufbereich
--- Wenig Erfahrene
bleiben besser unterhalb dieser Linie
Abb. 1: Elementare Reduktionsmethode (Utelli und Eisenhut 2012).
Laut Munter (2009) ließen sich mithilfe der Reduktionsmethode mindestens zwei
Drittel der tödlichen Lawinenunfälle vermeiden. Kraml und Fuhrer (2006) überprüften die Lawinenunfälle der Wintersaisons 1997/98 bis 2002/03 und stellten fest,
dass „bei konsequenter Anwendung der ERM mindestens 70 % der Lawinenunfälle
vermieden werden können".
Zusätzlich gilt die allgemeine Gefahrenstufe nur für die Kombination aus ungünstiger
Hang- und Höhenlage. Die Gefahrenstufe außerhalb dieser Schnittmenge kann um
eine Stufe herabgesetzt werden (Munter 2009).
Im zweiten Schritt wurde versucht, eine automatisierte Geländeformerkennung von
Bergkämmen, Rinnen und Mulden durchzuführen. Da der Wind als Baumeister der
Lawinen gilt, sind die oben genannten Geländeformen besonders von Schneeverfrachtungen betroffen, was häufig eine erhöhte Gefahr darstellt (Würtl et al. 2009).
Um eine dynamische Gefahrenkarte zu erstellen, die je nach Lawinenlagebericht
angepasst werden kann, wurden drei Modelle entwickelt, die aufeinander aufbauen. Das erste Modell Topographic Position analysiert Kämme, Rinnen und Mulden.
Das zweite Modell Lawinenskala berechnet die Gefahrenstufen Gering, Mäßig und
Erheblich für ein bestimmtes Gebiet. Das dritte Modell Gefahrenkarte verknüpft die
errechneten Gefahrenstufen und integriert gefährdete Geländeformen anhand des
aktuellen Lawinenlageberichts.
berg.schnee.lawine - GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE
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Legende
Erheblich
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Gefährdungsbereiche
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•
Erhöhte Vorsicht
_••
+ Einsenkungen
Verzicht
+ Einsenkungen
ei
Felswand
///, Auslaufgebiete
10
1_
0,25
0,5
1
t
1 Kilometer
1
1
Abb. 2: Gefahrenstufe Erheblich, Felswand ab 55° Hangneigung (Siegmann 2013).
Ein weiterer wichtiger Punkt, der bei der ERM beachtet werden. muss, ist der einbezogene Betrachtungsraum. Dieser variiert je nach Gefahrenstufe. Bei Gefahrenstufe
Gering ist nur die Hangneigung der eigenen Spur ausschlaggebend, während bei
Gefahrenstufe Mäßig die steilste Stelle innerhalb einer 20-Meter-Umgebung um die
eigene Spur beurteilt wird. Bei Gefahrenstufe Erheblich wird die steilste Stelle des
Hangs oberhalb der Spur als relevant erachtet, da es bei dieser Gefahrenstufe schon
zu Fernauslösungen kommen kann (Würtl et. al. 2009). Die Gefahrenstufen Groß und
Sehr Groß werden nicht berücksichtigt, weil in diesen Klassen spontane Selbstauslösungen möglich sind, die nicht berechnet werden können.
Die Gefahrenstufe Erheblich zu simulieren, stellte eine der größten Herausforderungen dar, weil Fernauslösungen auch Tourengeher in einem Gelände betreffen können,
das eine niedrigere Hangneigung als 30° aufweist. Es mussten Kriterien gefunden
werden, die dieses Szenario abdecken können. Hierzu wurde auf die Parameter von
GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE —
berg.schneelawine
›.• Gefahrenkarte_3
Allg. Gefahrenstufe
Gefahrenstellen
05.01 - 10.01.13
vorw. (schwarz)
r
Ei
Gefalvdete Expositionen
Oid values
flew values
Steilhänge
Tendenz
_
heute
Input: Höhenmodel
DAGe_Oatenedvretta.gdbeTM10
r--
2
2
2
So
Mo
Di Mi Do
2;2;
4111
01.1.1P.
S • I
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Y
6
(odeteEnbiesi
8
( save,j
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Input: Gefahrenstufe Höheretee 2
\Gis_Daten‘kewertung.gdötMaeteig
Höhenstufe 2
A 2300m
Höhenstufe 1
8egnn der Hoheretee 2in Metern
23M
Input. Gefahr eretee Hoheretee 1
D.‘Ge_Oaten‘Auswettino.odo‘Gering
LJ
OUTPUT: Gefahrenanalysekarte
D: \Ge_Datentagebencht.gdb Gefahrentorte
OK
LCancel_j Fröntonments..j Shon Help » 1
Abb. 3: Eingabe der Parameter in das entwickelte Tool Gefahrenkarte (Siegmann 2013).
Utelli und Eisenhut (2012) zurückgegriffen, die für die typische Skifahrerlawine, die
Schneebrettlawine, gelten:
• Die Fernauslösung sowie die Auslaufdistanz sind maximal über eine Horizontaldistanz von 250 Metern möglich.
• Der Auslaufbereich befindet sich in Fließrichtung des Anrissbereiches.
• Ab 20° Neigung stoppt das Schneebrett.
Die Kriterien basieren teilweise auf Erfahrungen und Expertenwissen und sind nicht
wissenschaftlich verifiziert.
Diese Parameter wurden in das Modell Lawinenskala integriert (siehe Abbildung 2).
Um Auslaufgebiete von Lawinen zwischen 20° und 30° Hangneigung zu finden, wird
eine hydrologische Abflusssimulation durchgeführt. Bei dieser vereinfachten Modellannahme wird also davon ausgegangen, dass eine Lawinenbahn die gleiche Fließrichtung wie Wasser hat. Die Oberflächenrauigkeit und die Anrissmächtigkeit müssen
nicht berücksichtigt werden, weil die maximale Auslaufstrecke in Abhängigkeit von
der Hangneigung berechnet wird.
Das Modell Gefahrenkarte ist für den Anwender das wichtigste Tool, weil es den aktuellen Lawinenlagebericht in einer Gefahrenkarte visualisiert. Dazu müssen folgende
Parameter in das Tool eingegeben werden, die aus dem Lawinenlagebericht leicht
abzulesen sind (siehe Abbildung 3):
berg.schnee.lawine - GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE
•
•
•
•
Gefährdete Hangexpositionen
Gefahrenstufe der Höhenstufe 1
Beginn der Höhenstufe 2 in Metern
Gefahrenstufe der Höhenstufe 2
Die Gefahrenstufen werden dann mithilfe von Booleschen Operatoren verknüpft.
Liegt ein Bereich in der Schnittmenge aus gefährdeter Hangexposition und gefährdeter Höhenlage, wird ihr die Gefahrenstufe der Höhenstufe 2 zugewiesen. Liegt ein
Bereich innerhalb der Höhenstufe 2 und außerhalb der gefährdeten Exposition, wird
ihr die Gefahrenstufe der Höhenstufe 1 zugewiesen. Bereiche innerhalb der Höhenstufe 1 bekommen die dafür zugewiesene Gefahrenstufe in allen Hangexpositionen.
Gilt für das gesamte Gebiet nur eine Höhenstufe, müssen als Input für die einzutragenden Höhenstufen des Tools jeweils die gleichen Gefahrenstufen ausgewählt
werden und der Beginn der Höhenstufe 2 auf 0 Meter gesetzt werden.
Neben den grafischen Basisinformationen des Lawinenlageberichts sollen ebenfalls
die Zusatzinformationen des Textfeldes in der Gefahrenkarte dargeStellt werden. Da
die beschriebenen gefährdeten Bereiche der Zusatzinformationen oftmals in Bezug
zu geomorphologischen Formen stehen, wurde entschieden, ein Tool zu entwickeln,
das eine automatisierte Geländeformerkennung durchführen kann. Für die Wiedergabe der Zusatzinformationen spielen vor allem die Geländeformen Rinnen, Mulden
und Bergkämme eine wichtige Rolle, weshalb nur diese Geländeformen berücksichtig wurden. Hierbei musste beachtet werden, dass die Analyse anhand konstanter
Grenzwerte berechnet werden kann, um das Tool auf jedes Höhenmodell mit unterschiedlicher Größe und Auflösung anwenden zu können. Da das Thema der Geländeformerkennung sehr komplex ist, wurden drei bekannte Analysemethoden verglichen
und die geeignetsten verwendet (vergleiche Weiss 2001; Jenness 2006; Coops et al.
1998; Klingseisen et al. 2004; Heller 2011).
Die Geländeformerkennung nach Coops et al. (1998) basiert auf einer Kombination
aus verschiedenen topografischen Attributen mit festgelegten Grenzwerten. Der entwickelte Algorithmus entstand in Australien für ein Höhenmodell mit 20-Meter-Auflösung, weshalb die Frage aufkam, wie gut er sich für den Alpenraum eignet. Eine
Untersuchung von Rauter et al. (2006) zur GIS-gestützten Analyse zur Berechnung
potenzieller Abbruchgebiete in Kärnten zeigte, dass der Algorithmus auch auf ein
Höhenmodell mit 10-Meter-Auflösung innerhalb des Alpengebietes anwendbar ist.
Durch den Vergleich der Grenzwerte zwischen Coops et al. (1998) und Klingseisen et
al. (2004) stellte sich heraus, dass die überarbeiteten Grenzwerte von Klingseisen et
GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE - berg.schnee.lawine
Abb. 4: Klassifizierung von Rinnen,'Mulden und Bergkämmen (Siegmann 2013).
al. (2004) nach Generalisierung der Daten sehr gute Ergebnisse aufwiesen. Das mithilfe der Grenzwerte entwickelte Landform-Tool stand nicht zur Verfügung, sodass
ein Modell mit den gleichen Eigenschaften programmiert wurde.
Die Klassifizierung von Mulden und Rinnen kann nach der Bearbeitung anhand von Generalisierungstools sofort in die Gefahrenkarte integriert werden (siehe Abbildung 4).
Ergebnisse
Abbildung 5 zeigt eine bespielhafte Gefahrenkarte aus dem Untersuchungsgebiet im
Vorarlberger Teil der Silvretta Gruppe in Österreich. Die allgemeine Gefahrenstufe ist
Erheblich. Die gefährdete Höhenlage liegt bei über 2.200 Metern in den Expositionen
Nordwest, Nord, Nordost. Zusätzlich sind die digitalisierten Skirouten des Alpenvereins dargestellt.
berg.schnee.lawine - GIS-BASIERTE LAW1NENGEFAHRENANALYSE
Legende
Skitouren
Gefahrenbereiche
Erhöhte Vorsicht
+ Einsenkung
Verzicht
+ Einsenkung
Felswand
0,5
1
2 Kilometer
Abb. 5: Beispielhafte Umsetzung eines Lawinenlageberichts (Siegmann 2013)
Auf einer solchen Gefahrenkarte lassen sich Gefährdungsbereiche schnell erkennen,
sodass eine geeignete Skitour gewählt werden kann. Sie soll die Tourenplanung unterstützen und keinesfalls die Begutachtung des Geländes vor Ort ersetzen.
Es musste die Frage gestellt werden, wie man die erstellten Karten überprüfen kann.
Dazu wurde eine Skitourenanalyse durchgeführt. Die Skitouren der Alpenvereinskar-
GIS-BASIERTE LAW1NENGEFAHRENANALYSE —
berg.schnee.lawine
Analyse der Skirouten des DAV mithilfe der
Gefahrenkarte
Beispiel LLB
Erheblich
68%
58%
12%
12%
20%
29%
--- Geringes Risiko
Vorsichtig verhalten
Mäßig
Gering
71%
11%
18%
3 Verzicht
95% 5%
Abb. 6: Analyse der Skirouten des DAV mithilfe der Gefahrenkarte (Siegmann 2013).
te wurden digitalisiert und in ein Raster mit 10-Meter-Auflösung konvertiert. Für
die Berechnung der Daten wurden die jeweiligen Gefahrenklassen und die dazugehörende Klassifikation für Rinnen und Mulden zusammengefasst. Skitouren, die
Felsgelände durchqueren, wurden der am höchsten vorkommenden Gefahrenklasse
zugeordnet. Mögliche Zusatzinformationen des Lawinenlageberichts (LLB) flossen in
keine der Skiroutenanalysen ein.
Neben den allgemeinen Gefahrenstufen wurden die Skirouten mithilfe eines Beispiels
des Lawinenlageberichts durchgerechnet. Der beispielhafte Lawinenlagebericht
weist in der Schnittmenge aus gefährdeter Höhenlage oberhalb von 2.200 Metern
und den gefährdeten Hangexpositionen Nordwest bis Nordost eine erhebliche Lawinengefahr auf. Außerhalb dieser Schnittmenge herrscht mäßige Lawinengefahr.
Abbildung 6 zeigt, dass die Gefahrenkarte logische Ergebnisse liefert. Mit Anstieg der
Lawinengefahr sollte auf immer mehr Streckenteile der Skirouten verzichtet werden.
Beachtlich ist, dass auch bei Gefahrenstufe Erheblich noch fast 60 % der Streckenteile mit geringem Risiko begangen werden können. Dies liegt allerdings auch an dem
Untersuchungsgebiet, das durch sehr lange und flache Täler geprägt ist. Die Aussage
lässt sich auf keinen Fall auf andere Untersuchungsgebiete übertragen.
Bei der Skitourenanalyse für den beispielhaften Lawinenlagebericht ist gut erkennbar, dass die Schnittmenge aus gefährdeter Hangexposition und Höhenlage einen
wesentlichen Einfluss auf die Skitourenplanung hat. Es können immerhin 10 % mehr
Streckenteile begangen werden als bei der generellen Gefahrenstufe Erheblich. Dar-
berg.schnee.lawine - GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE
auf weist auch Munter (2009) deutlich hin: „Der Spielraum (bei erheblich bis 34° und
bei mäßig bis 39°) ist immer noch erstaunlich groß und reicht mir vollkommen aus.
Vor allem wenn man sich den Umstand zunutze macht, dass die Gefahrenstufe des
LLB nur für die angegebene ungünstige Hang- und Höhenlage gilt [...]."
Conclusio
Diese Untersuchung konnte zeigen, dass die Erstellung einer Gefahrenkarte unter
Verwendung des Lawinenlageberichts (LLB) grundsätzlich möglich ist. Die Grundinformationen des Lawinenlageberichts wurden mithilfe der Elementaren Reduktionsmethode (ERM) visualisiert. Die von Hellberg und Semmel (2009) vorgeschlagenen,
und seit der Wintersaison 2014/15 eingeführten Piktogramme des Lawinenlageberichts zur schnelleren Erfassung der Hauptproblemstellen könnten helfen, die Gefahrenkarte aussagekräftiger zu machen. Sie konnten in diesem Artikel jedoch noch
nicht berücksichtigt werden.
Der Hauptkritikpünkt bei der Erstellung einer Gefahrenkarte ist, dass der regional
gültige Lawinenlagebericht auf einen Einzelhang übertragen wird. Lokale Besonderheiten können dabei nicht berücksichtigt werden. Durch den Trend hin zu lokalen
Lawinenlageberichten (LO.LA) steigt die Attraktivität von Gefahrenkarten, weil für
jedes Gebiet eine speziell angepasste Karte erstellt werden kann.
Insgesamt musste festgestellt werden, dass noch Forschungsbedarf für die angewandte Geoinformatik im Bereich Lawinengefahrenanalyse besteht. Forschungsarbeiten stehen in diesem Bereich meist im Zusammenhang mit Katastrophenlawinen.
Daher zeigt diese Untersuchung erste Ansätze und wirft damit eine Vielzahl neuer
Fragen auf, die es zu beantworten gilt. Interessant wäre zum Beispiel ein Vergleich
der Gefahrenkarten zwischen der Elementaren Reduktionsmethode und der DAVSnowcard, die im Gegensatz zur ERM einen nicht linearen Verlauf der Gefährdungsbereiche vorgibt.
GIS-BASIERTE LAWINENGEFAHRENANALYSE - berg.schnee.lawine
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