Use Case 2 - Test Sommersturmschäden 2017

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Abb. 1: Screenshot aus der Webanwendung. Mithilfe der Legende können potenzielle Schadflächen (gelb bis rot), Wolken (grau schraffiert) und Flächen mit keinen Daten (grau ausgefüllt) unterschieden werden. Das blau umrandete Symbol stellt einen Link auf Sentinel Playground bereit, sodass das zugrundeliegende Satellitenbild einfach visuell überprüft werden kann.

Im Rahmen des zweiten Use-Cases wurde eine Methode für die automatische Bereitstellung von schweizweiten Hinweiskarten für Sommersturmschäden auf Basis von Sentinel-2-Satellitenbildern entwickelt. Als Beispiel und für den Praxistest wurden die Sommerstürme (Ende Juli und Anfang August) im Jahr 2017 ausgewählt. Zwischen dem 5.7.2017 und dem 19.8.2017 können alle verfügbaren Sentinel-2-Aufnahmen, welche mindestens einen Teil der Schweiz abdecken, vom Benutzer/Benutzerin ausgewählt werden. So kann nach einem Sturmereignis rasch geprüft werden, ob eine brauchbare, sprich möglichst wolkenfreie, Aufnahme zur Verfügung steht. Daraufhin werden im Kartenviewer potenzielle Veränderungsflächen angezeigt, falls welche vorhanden sind.

Diese ausgewiesenen Veränderungsflächen basieren auf der Abnahme des Normalized Burn Ratio Vegetationsindexes (NBR). In einem Vorgängerprojekt (Weber & Rosset, 2019) hat sich dieser Index als geeignet für die Detektion von Sturmschadflächen erwiesen.

Abb. 2: Darstellung der beiden Sentinel-Orbits, welche die Fläche der Schweiz abdecken. An einem Aufnahmedatum wird entweder Orbit 108 oder 65 erfasst. Für den überlappenden Bereich ist die Bildverfügbarkeit am höchsten (alle 2-3 Tage).

Die Werte in der Legende des Kartenviewers stellen die Abnahme des NBR multipliziert mit 100 dar, gemittelt pro Veränderungsfläche (Polygon). Die Multiplikation mit 100 erfolgt dabei lediglich aus Speicherplatzgründen (Ganzzahl statt Dezimalzahl). Die Differenzbildung erfolgt aus dem Bild des ausgewählten Datums und einem Referenzzustand vor dem vermuteten Ereignis / ausgewählten Datum. Als Referenz wird ein möglichst wolkenfreies Komposit aller verfügbaren Bilder der 45 Tage vor dem ausgewählten Datum verwendet. Werte näher bei -100 weisen auf stärkere Schäden hin. Die Veränderungspolygone wurden dabei mittels Schwellenwert (-15) und ab einer Mindestgrösse von 5 Aren ausgeschieden. Auch Wolken werden angezeigt (siehe Abb. 1), um fehlerhafte Rückschlüsse auf das Nichtvorhandensein von Schäden zu vermeiden. Das gleiche gilt für sogenannte NoData- Flächen, das heisst Flächen, für die zum gewählten Zeitpunkt keine Sentinel-2-Daten zur Verfügung stehen (siehe Abb. 1).

Da die Schweiz durch zwei Orbits abgedeckt wird, wird an einem Aufnahmedatum immer nur ein Teil der Fläche der Schweiz erfasst (siehe Abb. 2). Der andere Teil wird im Kartenviewer jeweils als NoData-Fläche gekennzeichnet.

Einschränkungen

Abb. 3: Gute räumliche Abgrenzung von flächigen Schäden für ein Sturmereignis in Nussbaumen TG am 2.8.2017. Die erste wolkenfreie Aufnahme nach dem Sturm war am 15.8.2017 verfügbar. Die ausgewiesenen Schadflächen wurden mit Referenzdaten der WSL (in Gelb) abgeglichen.

Die Resultate wurden teilweise mit Referenzdaten der WSL validiert und erwiesene flächige Schäden konnten gut erkannt und abgegrenzt werden (siehe Abb. 3). Jedoch werden bis dato auch diverse Flächen fälschlicherweise als Schadflächen ausgeschieden. Dies geschieht insbesondere an Wolkenrändern, sowie im Zusammenhang mit Schnee oder Schattenwurf an steilen Nordhängen. In diesen Fällen ist bei der Interpretation der Ergebnisse besondere Vorsicht geboten.

Nach Möglichkeit sollte immer ein wolkenfreier Aufnahmezeitpunkt ausgewählt werden. Zu diesem Zweck wird für jedes Aufnahmedatum ein Direkt-Link auf Sentinel Playground bereitgestellt (siehe blau umrandetes Symbol in Abb. 1), sodass jedes Bild einfach visuell überprüft werden kann. Aufnahmedatum und Bildausschnitt werden dabei im Link gespeichert und direkt übernommen. In Nussbaumen TG betrug die Wartezeit zwischen dem Sturm vom 2.8.2017 und der nächsten verfügbaren wolkenfreien Aufnahme zum Beispiel 13 Tage (siehe Abb. 3).

Das genaue Vorgehen zur Auswahl einer brauchbaren Aufnahme wird im untenstehenden Video noch erklärt und veranschaulicht.

Eine anspruchsvolle Situation stellt sich zudem im Winter: Vegetationszustand, Beleuchtungsintensität, Wolken, Schatten und Schnee stellen zusätzliche Herausforderungen dar, weshalb Ergebnisse zu Winterstürmen bisher nicht veröffentlicht wurden. Ein möglicher Lösungsansatz wäre eine Kombination mit Sentinel-1 Daten, welche von Bewölkungs- und Beleuchtungsintensität nicht beeinflusst werden (siehe dazu ein laufendes Projekt an der WSL).

Video-Tutorial : Basics für den korrekten Gebrauch

Das folgende Video erläutert die Benutzung der Webanwendung «Test Sommersturmschäden 2017»:

Hintergrundinformationen zur Methode

Für jede Sentinel-2-Aufnahme innerhalb der definierten Zeitspanne (5.7. bis 19.8.2017) wurde zuerst der NBR berechnet (NBRAktuell). Wolken wurden dabei mittels der ESA Wolkenmaske ausgeschieden. Daraufhin wurde der NBR für die Referenzperiode berechnet, welche als das 45-Tages-Fenster vor dem ausgewählten Aufnahmedatum definiert wurde.

Zu diesem Zweck wurde zuerst mittels der unter Use Case 1 beschriebenen NDVI Maximum Komposit Methode aus allen verfügbaren Aufnahmen innerhalb der 45-tägigen Zeitspanne ein möglichst wolkenfreies Komposit erstellt. Für dieses wurde dann wiederum der NBR berechnet (NBRReferenz). Aus diesen beiden Bildern wurde daraufhin die Differenz gebildet (∆NBR), und die Veränderungsflächen wurden mittels Schwellenwert ausgeschieden. Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht das Vorgehen.


Abb. 4: Darstellung des Arbeitsflusses zu Use-Case 2. Für jede Sentinel-2-Aufnahme wird der NBR berechnet (NBR Aktuell). Daraufhin wird der NBR für die Referenzperiode berechnet, welche als das 45-Tages-Fenster vor dem ausgewählten Aufnahmedatum definiert wurde. Zu diesem Zweck wird aus allen verfügbaren Aufnahmen innerhalb der 45-tägigen Zeitspanne ein möglichst wolkenfreies Komposit erstellt, für welches wiederum der NBR berechnet wird (NBR Referenz). Aus diesen beiden Bildern wird die Differenz gebildet (∆NBR), und die Veränderungsflächen werden mittels Schwellenwert ausgeschieden.


Dieser Prozess erfolgte wie beschrieben zunächst testweise für den Sommer 2017, jedoch ist die automatisierte Bereitstellung der Veränderungsflächen für die ganze Schweiz möglich. Dabei würden die Informationen für alle verfügbaren Aufnahmen innerhalb der letzten 45 Tage ab dem jeweils aktuellen Datum mittels sogenannten «rollenden Archiven» zur Verfügung gestellt werden. Die vollautomatische Analyse und Bereitstellung der Resultate sollte innerhalb von 2-5 Tagen nach Bildaufnahme möglich sein.

Datenbezug

Die Veränderungsflächen können hier als ein einziger Polygon-Layer via WMS oder WFS Dienst bezogen werden (Tipps und Informationen zu Einbindung und Verarbeitung der Daten gibt es hier). Für jede ausgeschiedene Veränderungsfläche wurden neben dem Zeitpunkt (time) zudem Flächengrösse (area), sowie Mittelwert (mean), Maximalwert (max) und 90%-Quantil (p90) der NBR-Differenzwerte berechnet und als Attribute in den Vektordaten gespeichert. Wie schon erwähnt, wurden die NBR Differenzen aus Speicherplatzgründen mit 100 mulipliziert, und Veränderungslfächen mittels Schwellenwert (-15) und ab einer Mindestgrösse von 5 Aren ausgeschieden. Das Attribut class differenziert zwischen Veränderungsflächen (class = 1), Wolken (class = -1), und NoData (class = -2).