Wie lassen sich Überschwemmungen kartieren, selbst wenn dichte Wolken die Sicht von Satelliten versperren? Im Beitrag zeigen wir Ihnen, wie sich Wasserflächen aus SAR-Satellitendaten extrahieren lassen. Außerdem erfahren Sie, welche Werkzeuge und Deep-Learning-Modelle Ihnen dafür in ArcGIS zur Verfügung stehen.
Wenn verheerende starke Niederschläge und Sturm-Tiefs Landstriche überschwemmen, können optische Satelliten oft nicht das Ausmaß der Lage erfassen. Sturmwolken, starker Regen und Dunkelheit bilden eine visuelle Barriere, die Rettungskräfte und Analysten des Katastrophenschutzes im Dunkeln tappen lässt.
Was, wenn es eine Möglichkeit gäbe, diese Hindernisse zu durchdringen und genau zu erkennen, wo sich Wasser die Landschaft geflutet hat?
Hier kommt Synthetic Aperture Radar (SAR) ins Spiel, eine bemerkenswerte Technologie, die anstelle von sichtbarem Licht Radarwellen verwendet, um detaillierte Bilder der Erdoberfläche zu erstellen. Ein erweiterter Blick auf die Erde, welcher ungehindert von Wetterbedingungen rund um die Uhr erkennt.
Wie funktioniert SAR?
SAR sendet aktiv Radarimpulse aus und misst, wie diese von verschiedenen Oberflächen zurückgeworfen werden. Wasser hat eine einzigartige Radarsignatur und unterscheidet sich deutlich von trockenem Land, Vegetation oder städtischen Gebieten. Dies macht SAR unglaublich leistungsfähig bei der Erkennung von Wasser und Hochwassergrenzen, selbst während eines schweren Sturms.
Radar-Analysen in ArcGIS
ArcGIS bietet umfangreiche Werkzeuge, die SAR-Satellitendaten in Hochwasser- und Gewässerkarten als Handlungsgrundlage verwandeln. Mit den Werkzeugen der SAR-Analyse in ArcGIS Pro und Deep-Learning-basierten Modellen zur Gewässererkennung können Hochwassergrenzen identifiziert und zeitaufwendige manuelle Analysen in schnelle automatisierte Prozesse umwandeln.
Ganz gleich, ob permanente Gewässer wie Flüsse oder Hochwasserereignisse bei einem Katastrophenereignis. Die SAR-Technologie von ArcGIS bietet leistungsstarke Funktionalitäten.
Durch die Integration in ArcGIS:
- kann über den Living Atlas sofort auf globale SAR-Daten zugegriffen,
- können Vorher-Nachher-Szenarien von Überschwemmungen mit intuitiven Werkzeugen verglichen und
- mit nur wenigen Klicks Algorithmen zur Wasserextraktion angewandt werden.
Methoden zur Extraktion von Wasser aus SAR-Daten
Für die Extraktion von Wasser aus SAR-Daten gibt es verschiedene Methoden, welche sich auf Grundlage ihrer verwendeten Technologien unterscheiden. Jede Methode bietet ein unterschiedliches Maß an Komplexität, Flexibilität und Geschwindigkeit, sodass die Wahl von der zu analysierenden Fragestellung abhängt.
- Wenn SAR-Bilder schnell erkundet und Hochwasserbedingungen vergleichen werden sollen, ohne Daten herunterladen zu müssen, ist der Sentinel-1 Explorer der einfachste Ausgangspunkt.
- Wenn mehr Kontrolle, Anpassungsmöglichkeiten oder wiederholbare Workflows nötig sind, bieten die Geoverarbeitungswerkzeuge in ArcGIS Pro eine vollständige Analyseumgebung.
- Wenn die Priorität auf der automatisierten Erkennung von Gewässern mit minimalem Einrichtungsaufwand liegt, ist das vortrainierte Deep-Learning-Modell die effizienteste Option.
| Methode | Kenntnisstand | Am besten geeignet für... | Datenanforderungen | Vorteile |
|---|---|---|---|---|
| Sentinel-1 Explorer | Einstegende | Schnelle visuelle Vergleiche von Hochwasser vor und nach Ereignissen | Keine Downloads erforderlich; die Anwendung nutzt Daten aus Living Atlas | - Schnell, intuitiv, browserbasiert - ideal für die Erkundung globaler SAR-Daten - interaktive Werkzeuge wie Swipe |
| ArcGIS Pro SAR-Geoverarbeitungswerkzeuge | Einsteigende bis Fortgeschrittene | Detaillierte Analysen, benutzungsdefinierte Workflows und präzise Extraktion | Erfordert das Herunterladen und Vorbereiten von SAR-Daten; DGM optional | - Volle Kontrolle über die Verarbeitungsschritte - unterstützt Kalibrierung, Terrain-Flattening und Despeckling |
| Deep-Learning-Modell zur Extraktion von Gewässern | Fortgeschrittene bis Profis | Automatisierte Wassererkennung in großem Maßstab mit minimalem manuellem Aufwand | Erfordert die Vorverarbeitung von Sentinel-1-SAR-Daten und die Installation von Deep-Learning-Bibliotheken | - Kein Modelltraining erforderlich - ideal für sich wiederholende Prozesse oder große Flächen |
1 – Sentinel-1 Explorer mit dem Wasserindex
Sollen Bilder vor und nach einer Überschwemmung schnell verglichen werden? Mit dem Sentinel-1 Explorer ist dies möglich. Die Webanwendung bietet dabei einen bedienfreundlichen Einstieg in die SAR-Analyse. Dank dem Living Atlas sind Sentinel-1-SAR-Daten leicht zugänglich.
Der eigentliche Clou? Dieser globale Datensatz reicht bis ins Jahr 2014 zurück und bietet somit historische Hochwasserinformationen. Egal, ob für die Forschung oder Krisenmanagement – der Zugriff auf die Daten erfolgt direkt über den Browser, ohne Download.
Die SAR-Daten können nach dem Erkunden direkt heruntergeladen werden: Herunterladen von Sentinel-1-Daten. Alternativ kann auf diese über den Living Atlas zugegriffen werden.
- Map Viewer in ArcGIS Online oder ArcGIS Pro öffnen und Sentinel-1-Daten einladen.
- Hier stehen nun die gleichen Optionen für Verarbeitungsvorlagen wie im Explorer zur Verfügung.
2 – Geoverarbeitungswerkzeuge der SAR-Analyse-Werkzeuge in ArcGIS Pro
Da SAR-Daten Bänder mit nicht sichtbaren Wellenlängen enthalten, besteht eine gängige Methode zur Analyse von SAR-Daten darin, ein Farbkompositbild zu erstellen, um die Daten leichter interpretieren zu können. Ein Farbkompositbild verwendet Bandkombinationen für die Kanäle ROT, GRÜN und BLAU, um ein Farbbild zu erstellen. Mehr Informationen unter:
Alternativ erstellt das Geoverarbeitungswerkzeug “Wasser extrahieren” Polygone durch Klassifizierung von Radarrückstreuung.
Schritte in ArcGIS Pro
- Herunterladen von SAR-Satellitendaten (unterstützte Sensordaten).
- Vorbereiten der SAR-Daten:
- Für Offshore-Anwendungen wird das Geoverarbeitungswerkzeug “Radiometrische Kalibrierung anwenden” genutzt, um eine Gamma-Nought-Kalibrierung durchzuführen.
- Für Onshore-Anwendungen wird das Geoverarbeitungswerkzeug “Radiometrische Kalibrierung anwenden” genutzt, um eine Beta-Nought-Kalibrierung durchzuführen. Anschließend wird das Geoverarbeitungswerkzeug “Radiometric Terrain Flattening anwenden” genutzt, um Gemma-Nought mit einem Terrain-Flattening zu genrieren.
- Optional: Verwenden des Geoverarbeitungswerkzeug Despeckle und/oder das Werkzeug Thermales Rauschen entfernen, um Rauschen zu reduzieren.
- Vorbereitete Daten und optional das DGM einbinden.
- Ausführen klicken. Das Werkzeug erstellt nun Polygone für Wasserflächen und Landflächen.
3 – Extraktion von Gewässern mit einem Deep-Learning-Modell
Hinweis: Vor der Verwendung von Deep-Learning-Modellen, müssen die erforderlichen Deep-Learning-Bibliotheken installiert werden. Weitere Informationen sind unter Deep Learning Libraries Installers for ArcGIS zu finden.
Das Verwenden von vortrainierten Deep-Learning-Modellen, welche bereits für die Erkennung, von beispielsweise Gewässern in SAR-Bildern, trainiert wurden, spart Zeit und Arbeitsschritte. Dabei muss kein eigenes Modell trainiert, sondern vortrainierte Modelle können aus dem Living Atlas heruntergeladen, in ArcGIS Pro integriert und angewandt werden. Das Modell Water Body Extraction – USA eignet sich ideal für Gewässer wie Flüsse und Seen.
Das Lernprogramm Überschwemmungen mit SAR-Daten und Deep Learning kartieren bietet eine schrittweise Anleitung für die Umsetzung dieser Methoden in selbst gewählten Interessengebieten. Es wird dabei gezeigt, wie Sentinel-1-Daten heruntergeladen, die erforderlichen Verarbeitungsschritte angewendet und mithilfe des Deep-Learning-Modells und der Binary-Thresholding-Technik aussagekräftige Hochwasserinformationen extrahiert werden können.
Die Zukunft der Hochwasser-Resilienz
Da der Klimawandel die Wetterverhältnisse weltweit verschärft, werden Werkzeuge wie die in ArcGIS Pro verfügbaren Synthetic Aperture Radar-Werkzeuge für den Aufbau widerstandsfähiger Communitys unerlässlich. Die Fähigkeit, die Auswirkungen von Überschwemmungen schnell zu bewerten, den Rückgang des Wassers zu verfolgen und Wiederaufbaumaßnahmen zu planen, kann den Unterschied zwischen einer effektiven Reaktion und einem langwierigen Katastropheneinsatz ausmachen.
Starten mit Radar-Analysen
Wer tiefer in das Thema Radar-Analysen einsteigen möchte, findet in dieser Story zu Synthetik Aperature Radar wertvolle Tipps und Grundlagen bis zur Anwendung in ArcGIS.
