Satellitendaten verbessern Hochwasserprognosen

Mathematik gegen die Hochwassergefahr: An der Technischen Universität (TU) Wien werden aus den Daten von ESA-Satelliten Information über Bodenfeuchtigkeit und Hochwasserrisiko berechnet.

In Australien beginnt man, die Schäden der verheerenden Flutkatastrophe zu reparieren, eine Fläche größer als Deutschland und Frankreich zusammen stand dort unter Wasser. Auch in Zukunft werden sich Hochwasserkatastrophen nicht verhindern lassen, doch zumindest die Präzision von Hochwasser-Prognosen wird deutlich steigen. Das Team von Prof. Wolfgang Wagner am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) der TU Wien entwickelt mathematische Methoden, mit denen aus Satellitendaten der europäischen Weltraumbehörde ESA die Bodenfeuchtigkeit berechnet werden kann. In einem gemeinsamen Projekt mit der australischen Wissenschaftsorganisation CSIRO hilft das Mathematik-Know-How der TU Wien nun, Hochwasser besser zu verstehen und vorherzusagen.

Mit Mikrowellen durch Wolken sehen

Gewöhnliche Satellitenfotos sind für die Hochwasserforschung nutzlos, wenn Wolken dem Satelliten den Blick auf die Erde verdecken. Man arbeitet daher mit Mikrowellenstrahlung, die alle Wolken problemlos durchdringt. Der ESA-Satellit Envisat, der täglich vierzehnmal die Erde umkreist,  sendet Mikrowellen-Pulse gezielt auf den Boden und misst die Intensität, mit der die Strahlen reflektiert werden.
Man erreicht damit eine Auflösung der Erdoberfläche von wenigen Metern. Diese Daten für sich alleine sind freilich noch nicht besonders aufschlussreich: „Zunächst müssen die Daten georeferenziert, also exakt geographischen Punkten zugeordnet werden“, erklärt Dr. Annett Bartsch, Assistentin am IPF der TU Wien. Um aus den Satelliten-Messergebnissen eine geschlossene Landkarte zu berechnen benötigt man ein dreidimensionales Relief der Erdoberfläche und genaue Information über die Aufnahmegeometrie des Satelliten.

Gewaltige Datenbanken für die Hochwasserprognose

Die große Herausforderung ist es dann, aus den Mikrowellen-Daten Information über Bodenfeuchtigkeit und Überschwemmungsgebiete herauszuholen. Wie die Mikrowellen-Daten mit Wasser zusammenhängen, wird allerdings von vielen Faktoren bestimmt – etwa vom Bodentyp oder der Vegetation. Für jedes einzelne untersuchte Oberflächenstück müssen über Jahre hinweg Daten gesammelt werden. Erst wenn man diese Zeitreihen statistisch untersucht, und die für die Jahreszeit typischen Normalwerte mit den aktuellen Werten vergleicht, kann man aus den Satellitenmessungen zuverlässige Daten gewinnen. „Wir können auf diese Weise kontinuierlich überwachen, wie viel Wasser im Boden gespeichert ist. So wissen wir, ob noch mehr Wasser aufgenommen werden kann, oder die Überschwemmungsgefahr schon sehr hoch ist“, erklärt Prof. Wolfgang Wagner. Terabyte an Messwerten von der gesamten Erdoberfläche sind für diese Datenanalysen an der TU Wien gespeichert.

Letztendlich soll es möglich werden, dass der Computer von alleine Anomalien erkennt und Alarm schlägt, wenn die Überschwemmungsgefahr besonders hoch ist. Dazu sollen die mathematischen Modelle der TU Wien zusätzlich mit hydrologischen Modellen und konkreten Wettervorhersagen verknüpft werden.

Rückfragehinweise:
Prof. Wolfgang Wagner
Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung
Technische Universität Wien
Gußhausstr. 25-29, 1040 Wien
Telefon: +43-1-58801-12225
wolfgang.e122.wagner(at)tuwien.ac.at

Dr. Annett Bartsch
Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung
Technische Universität Wien
Gußhausstr. 25-29, 1040 Wien
Telefon: +43-1-58801-12221
annett.bartsch(at)tuwien.ac.at