Satellitenfernerkundung zur Erfassung von Schuttstromgebieten

Murgänge sind gewaltige Ströme, die entstehen, wenn Starkregen oder Überschwemmungen lockeren, sandigen Boden in Gebirgsregionen durchfeuchten und verdünnen. Sie sind weltweit in Regionen mit einzigartiger Topografie und besonderen Landformen weit verbreitet und richten weitaus größere Zerstörungskraft an als einzelne Einstürze, Erdrutsche oder Überschwemmungen. Murgänge stellen durch ihre zerstörerische Wirkung und die damit einhergehende Verschüttung eine Gefahr für Menschenleben und Eigentum dar.

In der Vergangenheit gestaltete sich die geologische Katastrophenforschung im Gelände in dünn besiedelten Gebieten mit hohen Bergen und gefährlichen Straßen schwierig. Fernerkundungsmethoden bieten jedoch Vorteile wie ein großes Sichtfeld, schnelle Datenerfassung, kontinuierliche Beobachtung und keine Geländebeschränkungen und werden daher in den letzten Jahren vermehrt zur Untersuchung von Murgangkatastrophen eingesetzt.

△Fernerkundungsüberwachung von Schuttströmen

Die Extraktion von Schuttströmen kann auf Superpixeln erfolgen, die mit der SLIC-Methode unter Verwendung relevanter Spektralindizes zur Extraktion von Schuttstromregionen gewonnen wurden.

Zunächst wird das Bild mithilfe der SLIC-Methode segmentiert. Dabei wird die Anzahl der segmentierten Regionen bestimmt und basierend auf diesen Regionen werden Startpunkte gleichmäßig im Bild verteilt. Anschließend werden innerhalb der Umgebung jedes zugewiesenen Startpunkts neue Startpunkte ausgewählt und die Gradientenwerte aller Pixel in dieser Umgebung berechnet. Der Pixel mit dem kleinsten Gradienten wird dann als neuer Startpunkt verwendet, um zu verhindern, dass er als Konturgrenzpunkt festgelegt wird. Jedem Pixel wird anhand einer Clustermetrik ein Clusterlabel zugewiesen. Da jedes Pixel von mehreren Startpunkten aus untersucht wird, hat jedes Pixel einen Abstand zu seinen umgebenden Startpunkten. Der Startpunkt mit dem geringsten Abstand wird als Clusterzentrum für dieses Pixel ausgewählt. Die Regionszentren werden dann neu berechnet und das Clustering iterativ anhand der Metrik optimiert, bis der Fehler konvergiert.

(a) K=100

b) K=300

(c) K=500

△Regionensegmentierung basierend auf der SLIC-Methode

Nach der Generierung der Segmentierungsregionen werden für jede segmentierte Region der Vegetationsindex NDVI, der verbesserte Wasserindex PNDWI und der spektrale Mittelwert jedes Bandes berechnet. Basierend auf der visuellen Interpretation des Murganggebiets im Bild wird der Wertebereich für den Vegetationsindex, den Wasserindex und die Spektralwerte jedes Bandes im Murganggebiet bestimmt und ein Schwellenwert zur Überwachung des Murganggebiets im Untersuchungsgebiet festgelegt.

Das Gebiet der Murganginformationen in Sanyanyu, Kreis Zhouqu, Autonomer Bezirk Gannan der Tibeter, Provinz Gansu, das durch Inversion auf der Grundlage dieser Methode gewonnen wurde, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.