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Das Projekt

Entwicklung einer Softwarelösung für ein Hochwassermanagement unter Bürgerbeteiligung

Das Ziel dieses BMBF-geförderten Projekts „VGI4HWM“ (Förderkennzeichen: 01IS15042A) ist die Entwicklung einer Softwarelösung zur Unterstützung des Hochwassermanagements durch mobile VGI-Daten (Volunteered Geopgraphic Information, d.h. von Freiwilligen erhobene Geo-Daten).
Das bedeutet:

  • Bürger und Bürgerinnen sammeln für das Hochwassermanagement wichtige Daten, die andersweitig sonst nicht zur Verfügung stehen würden, wie z.B. den Wasserstand. Kleine Gewässer (2. Ordnung) in Städten und Kommunen sind zumeist nicht mit kostenintensiven Pegelmessanlagen ausgestattet und somit unbeobachtet. Gerade hier sind VGI-Wasserstanddaten wertvoll, um eine Datenbasis aufzubauen oder zu erweitern.
  • Die Messung der Daten geschieht für Freiwillige möglichst einfach und anwenderfreundlich mit dem Smartphone und einer hierfür entwickelten App.
  • Diese wichtigen Daten stehen den Einsatzkräften während eines Hochwassers sofort zur Verfügung. Dies führt zu einem besseren Überblick über die Situation im Einzugsgebiet und ermöglicht einen zielgerichteten aktiven Hochwasserschutz. Hierbei spielt das Dashboard eine entscheidende Rolle. Dort werden alle Daten zusammengefasst und auf Karten dargestellt.

Aktiver Hochwasserschutz erfordert ausreichend lange Vorwarnzeiten. Da kleine Gewässer schnell auf konvektive (gewitterartige) Starkniederschläge reagieren, sind die entsprechenden Vorbereitungszeiten ab dem Beginn eines Niederschlagsereignisses jedoch gering. Durch die Nutzung von meteorologischen Vorhersagen lassen sich Vorwarnzeiten verlängern. Die meteorologischen Vorhergesageprodukte COSMO-DE, ICON und RADVOR liefert der Deutsche Wetterdienst kostenlos über die Open Data Initiative. Auf Basis dieser Vorhersagen bietet die Plattform somit:

  • Auf das Einzugsgebiet angepasste Warnungen vor Starkniederschlägen auf Grundlage von DWD-Vorhersageprodukten.
  • Warnungen vor Hochwasser unter Verwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen.

Die Synergien im Projekt sensibilisieren Bürger und Bürgerinnen verstärkt gegenüber Hochwassergefahren und helfen dabei, Hochwasserschäden zu verringern. Die Bereitstellung von aktuellen Informationen stellt für Ämter und Einsatzzentralen eine Entlastung dar. Zudem geschieht das Sammeln der Daten kosteneffizient durch freiwillige Helfer. Frühzeitig an Verantwortliche herausgegebene Gefahrenwarnungen können längere Reaktionszeiten ermöglichen und unterstützen so den aktiven Hochwasserschutz.

VGI4HWM-Plattform


Bürger sammeln Informationen

Bürgerinnen und Bürger spielen eine zentrale Rolle. Sie können mittels eines Smartphones und der VGI4HWM-App (Anwendung) wichtige Informationen für den Hochwasserschutz sammeln und bereitstellen. Die Informationen werden zentral gepeichert und analysiert, um Städte und Kommunen bei der Bewältigung von Hochwasserschutzmaßnahmen zu unterstützen. Kommunen und Städte haben darüber hinaus die Möglichkeit, durch Mitarbeiter im Außeneinsatz regelmäßige Messungen vornehmen zu lassen.
Gegenüber anderen Konzepten, die nach einem Hochwasser die sozialen Medien nach Daten durchforsten, bietet die Smartphone-App ermöglicht Informationen gezielt bereitzustellen. Alle eingehenden Daten sind für Einsatzkräfte durch mitgesendete Orts- und Zeitangaben direkt auf einer webbasierten Benutzeroberfläche (Dashboard) an einer Karte einsehbar. Die nachfolgende Tabelle zeigt, welche Informationen sich mittels der Smartphone-App sammeln lassen und wie diese im Hochwassermanagement von Hilfe sein können.

Von Bürgern gesammelte Daten und Informationen


Den Wasserstand mit dem Smartphone bestimmen

Eine Kernfunktionalität der mobilen Anwendung liegt in der Bereitstellung von innovativen bildbasierten Methoden zur Messung des Wasserstandes. Durch Einbeziehen der im Smartphone integrierten Orientierungssensoren kann auf diese Weise der Wasserstand von freiwilligenen Helfern auf einfache und robuste Art und Weise an ausgewählten Messstandorten ermittelt werden. Zur Messung stehen dabei verschiedene bildbasierte Messmethoden zur Verfügung. Ein Video zeigt hier die Funktionsweise der Messverfahren anhand einer älteren Entwicklungsversion. Die folgende Abbildung illustriert das Vorgehen zum Bestimmen des Wasserstandes mit Hilfe der Methode "Korrespondenzpunkte":

  1. Zunächst nimmt der Nutzer mit der App ein Foto von dem Gewässer auf. Auf diesem sind die Anschlagslinie des Wasserspiegels und ein Referenzobjekt zu sehen. Im Beispiel ist das Referenzobjekt an einem Geländer an einer Brücke und mit vier roten Punkten markiert.
  2. Anschließend sind die im Bild eingeblendeten vier Punkte so zu ziehen, dass diese mit den roten Referenzpunkten auf dem Foto übereinstimmen.
  3. Im letzten Schritt sind zwei weitere Punkte so zu ziehen, dass die hiermit verschobene Linie der Anschlagslinie des Wasserstands im Gewässer entspricht. Der Wasserstand wird schließlich von der App durch die Lage der vom Nutzer verschobenen Punkte berechnet. Über drücken des Buttons „Absenden“ wird der Wasserstand bereitgestellt.

Wie lässt sich der Wasserstand mit dem Smartphone ablesen


Die mobile Applikation

Die mobile Applikation stellt alle Funktionen zum Aufnehmen und Senden von Daten bereit. Darüber hinaus liefert die Applikation auch wichtige Informationen für den Anwender. Neben dem Messen des Wasserstands lassen sich mit der App einfach Fotos aufnehmen und absenden.
Um den aktuellen Niederschlag vor Ort zu bewerten, kann dieser in eine von vier Klassen eingeteilt werden, wie die untere Abbildung zeigt. Diese Information ist für Einsatzkräfte hilfreich, um z.B. zu prüfen, ob Niederschlagsvorhersagen auch tatsächlich so eintreten.
Die Schätzung der Schneehöhe, wie diese im Umfeld des aktuellen Standorts vorzufinden ist, lässt sich ebenso mit einem Regler einstellen. Bei allen Daten wird zusätzlich der per GPS bestimmte Standort übermittelt, so dass die Daten im Dashboard auf der Karte angezeigt werden können.

Nutzer haben außerdem die Möglichkeit, aufgenommene Bilder und gemessene Wasserstände anderer Nutzer anzusehen. Auch andere Informationen wie z.B. Hochwassergefahrenkarten, Informationen zum Projekt und Hilfen lassen sich anzeigen. Einsatzkräfte können zudem Benachrichtigungen direkt auf das Smartphone senden, falls dies gewünscht wird.
Die Privatsspäre der Nutzer wird dabei jederzeit geschützt. Standortdaten werden nur zur Aufnahme von Daten erhoben. Persönliche Daten sind nicht anzugeben, lediglich ein Pseudonym ist beim einmaligen Anmelden notwendig. Die Applikation wird im Frühjahr 2018 im Google Play Store für Android Betriebssysteme veröffentlicht.

Verfügbare Fotos und Hochwassergefahrenkarte ansehen, Niederschlagsereignis bewerten


Das Dashboard liefert die Übersicht für Einsatzkräfte

Die VGI4HWM-Plattform bereitet die von den Freiwilligen gesammelten Daten auf. Einsatzkräften gewährt dann die Web-Oberfläche des Dashboards eine Übersicht über aktuelle und historische Daten sowie aktuelle Vorhersagen. Beispielsweise lassen sich alle in einem auswählbaren Zeitraum gesammelten Fotos, Niederschläge oder Schneehöhen anhand Karten darstellen. Weitere Darstellungen zeigen z.B. die vorhergesagten Niederschlagssummen Niederschlagssummen, Unwetterwarnungen oder die vorhergesagten Wasserstände Wasserstände an. Die Web-Oberfläche bietet außerdem die Möglichkeit, Nutzer der App zu benachrichtigen. Auf diese Weise lassen sich Nutzer beispielsweise informieren, wenn gerade dringend Messdaten benötigt werden.
Das Dashboard lässt sich komfortabel am Computer-Monitor oder unterwegs auf einem Smartphone betrachten und bedienen.

Mockup als Beispiel für das Dashboard


Bewertung von vorhergesagten Niederschlägen

Mit der Änderung des Gesetzes über den Deutschen Wetterdienst am 25.07.2017 stehen ausgesuchte meteorologische Vorhersageprodukte des DWD bundesweit entgeltfrei zur Verfügung. Damit ist es möglich, individuelle und lokalisierte Hinweise auf mögliche Gefahrensituationen durch Starkniederschläge zu geben.
Niederschlagsbasierte Vorhersagewarnsysteme leiten die Gefährdung direkt aus dem vorhergesagten Niederschlag ab. Der vorhergesagte Niederschlag wird zu Dauerstufen aggregiert und mit Schwellenwerten verglichen.
Statistische Auswertungen langjähriger Beobachtungswerte oder meteorologischer Modelldaten sind in der Regel notwendig, um diese Schwellenwerte regional zu ermitteln. Eine Verknüpfung der Schwellenwerte mit unterschiedlichen Jährlichkeiten ermöglicht den Einbezug der Statistiken aus dem KOSTRA-Atlas des DWD.

Generell ist die Vorhersage von Niederschlagen mit Unsicherheiten behaftet. Diese bestehen in der räumlichen Verortung der Niederschlagszellen, dem Zeitpunkt, in dem der Niederschlag fällt, sowie in den Niederschlagsintensitäten.
Folgende Ansätze werden genutzt um den Unsicherheiten zu begegnen:

  • Eine Vergrößerung des Gebiets, über dem der Niederschlag ausgewertet wird, vermindert die Wahrscheinlichkeit, in der Vorhersage falsch lokalisierte Niederschläge zu unterschlagen. Auf Niederschlagsereignisse in nächster Nähe zum Einzugsgebiet wird hingewiesen, da diese auf Grund der räumlichen Unsicherheit das eigene Gebiet trotzdem betreffen könnten. Informationen stehen so für Niederschläge im dem Einzugsgebiet und der Umgebung zur Verfügung und ermöglichen durch die Einteilung in Warnzonen eine bessere Übersicht.
  • Freiwillige können die Intensität des aktuellen Niederschlags einschätzen. Sollte nach einer Vorhersage Starkregen einsetzen, kann dies durch VGI-Niederschlagseinschätzungen überprüftwerden. Die räumliche Verteilung der eingehenden Daten lassen auch sich mit offiziellen Radarbildern vergleichen.

Konzeption und Ablauf der Bewertung der Niederschlagsvorhersage


Vorhersage von Durchflüssen und Wasserständen

Optional arbeitet ein Hochwasservorhersagesystem voll automatisiert im Hintergrund. Somit sind Vorhersagen des Wasserstandes und Durchflüsse für Fließgewässerabschnitte im Einzugsgebiet möglich. Aktuell können Abflussbeiwertverfahren oder das Hydrologische Modellierungssystem ArcEGMO in die VGI4HWM-Plattform eingebunden werden. Die Einsatzmöglichkeiten der mit dem Smartphone gemessenen VGI-Wasserstände sind dabei vielfältig:

  • Sie dienen zur Einschätzung der aktuellen Situation am Dashboard und zur Prüfung der Verlässlichkeit der lokalen Hochwasservorhersagen
  • Über die Zeit wird von Freiwilligen eine Datenbasis aufgebaut, die den Einsatz von Niederschlags-Abfluss-Modellen erlaubt.
  • Bestehende und operationell (fortlaufend) betriebene Niederschlags-Abfluss-Modelle benötigen aktuelle Pegelmesswerte, um Fehler in der Abbildung des Einzugsgebietszustands, die sich über die Zeit einschleichen können, zu minimieren (Modellnachführung). VGI-Wasserstände ersetzen hier nicht vorhandene Pegelmesswerte.

Liegen vorhergesagte Durchflüsse oder Wasserstände über festgelegten Schwellenwerten, lassen sich Warnungen unterschiedlichen Rangs ausrufen. Diese können mit den Warnungen aus der Niederschlagsbewertung kombiniert und als Gefahrenhinweise an Verantwortliche ausgeben werden.

Beispiel für eine Hochwasservorhersage mit mehreren Produkten und Modellen


Mitmachen

Sie möchten mithelfen?
Mitmachen kann jeder innerhalb der Pilotgebiete. Vorraussetzungen sind ein Smartphone und die installierte Applikation.
Unsere beiden Pilotgebiete sind:

  • Das Einzugsgebiet des Pleißenbach in Chemnitz. Als Projektpartner steht uns hier die Stadt Chemnitz beiseite.
  • Das Einzugsgebiet der Rossel in Roßlau. Als Projektpartner steht uns hier die Stadt Dessau-Roßlau beiseite.

Das Ziel ist es, zusammen mit den Projektpartnern, zu Beginn des Jahres 2018 in eine zunächst geschlossene Testphase zu treten.
Im Frühling 2018 soll dann die öffentliche Testphase beginnen.
Wir werden die Termine hierzu zeitnahe auf der Homepage veröffentlichen und die Applikation im Google PlayStore bereitstellen.


Projektpartner

Logo BAH Berlin Logo HTW Berlin Logo gefördert vom BMBF

Assoziierte Projektpartner (Pilotanwender)

Logo LHW Sachsen-Anhalt Logo Stadt Dessau Logo Stadt Chemnitz

Kontakt

BAH - Büro für Angewandte Hydrologie
Dr. Bernd Pfützner
Köberlesteig 6
D-13156 Berlin
030 / 49 91 37 02
www.bah-berlin.de

HTW Berlin - Hochschule für Technik und Wirtschaft
Prof. Dr. Frank Fuchs-Kittowski
Wilhelminenhofstraße 75A, Gebäude C Raum 175
12459 Berlin
030 / 5019 3372
www.htw-berlin.de


vgi4hwm (at) htw-berlin.de
www.vgi4hwm.de