A regional-scale landslide mapping following extreme rainfall using freely available remote sensing data

Wenn schwerer Regen auf steile, bewaldete Hügel fällt, kann der Boden manchmal nachgeben und Erde, Gestein sowie Bäume den Hang hinuntergleiten lassen. Diese Ereignisse, bekannt als Erdrutsche oder Erdkatastrophen, sind gewaltige Naturkräfte, die Landschaften umgestalten und ernsthafte Risiken für Menschen und Infrastruktur darstellen. Um zu verstehen, wo diese Gefahren liegen und wie man sich auf sie vorbereiten kann, erstellen Wissenschaftler Karten, die genau aufzeichnen, wo Erdrutsche stattgefunden haben. Traditionell erforderte das Erstellen dieser Karten Teams von Menschen, die mit dem Auto herumfuhren, Hügel hinaufwanderten und die Grenzen jedes gefundenen Rutschers manuell zeichneten. Dieser Prozess ist langsam, teuer und oft unmöglich schnell nach einer großen Katastrophe abzuschließen, wenn die Zeit kritisch ist. In den letzten Jahren haben sich Wissenschaftler jedoch an Satelliten aus dem Erdorbit gewandt, um zu helfen. Diese Maschinen können Bilder der Erde aus dem Weltraum aufnehmen, und durch den Vergleich von Bildern, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, können sie Veränderungen im Land erkennen, wie etwa dort, wo Bäume durch einen Erdrutsch entfernt wurden.

Anfang 20ziualy verursachte eine Serie intensiver Stürme, die rekordverdächtige Regenmengen auf das Wilsons River Einzugsgebiet in New South Wales, Australien, abregneten, tausende Erdrutsche in der Region, die Straßen beschädigten und Gemeinden isolierten. Während die Überschwemmungen gut dokumentiert waren, hatte noch niemand bisher eine vollständige Karte der Erdrutsche erstellt, die in diesem riesigen, bewaldeten Gebiet auftraten. Forscher der Southern Cross University machten sich daran, diese Lücke zu schließen. Sie entwickelten eine neue Methode, um diese Katastrophen schnell und genau unter Verwendung ausschließlich kostenloser Satellitendaten und Standard-Computertools zu kartieren. Ihr Ziel war es, ein zuverlässiges Inventar jedes Erdrutsches in der Region zu erstellen, ohne jeden einzelnen Ort zu Fuß besuchen zu müssen, um eine entscheidende Grundlage für die zukünftige Sicherheitsplanung und die Wiederaufbaubemühungen zu schaffen.

Das Team begann damit, die Landschaft durch die Augen eines Satelliten namens Sentinel-2 zu betrachten, der detaillierte Bilder der Erdoberfläche aufnimmt. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Maß namens Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), eine Methode zur Quantifizierung, wie grün und gesund die Pflanzen sind. Gesunde Wälder reflektieren Licht auf eine bestimmte Weise, die sie sehr grün erscheinen lässt, während nackter Boden oder beschädigte Vegetation anders aussieht. Durch den Vergleich von Bildern, die vor den Stürmen im Mai 2021 und nach den Überschwemmungen im Mai 2022 aufgenommen wurden, konnten die Forscher Gebiete identifizieren, in denen das Grün plötzlich verschwunden war. Diese dunklen Flecken auf der Karte deuteten darauf hin, wo die Vegetation entfernt worden war, was ein starkes Anzeichen für einen stattgetretenen Erdrutsch ist.

Das bloße Suchen nach fehlendem Grün reicht jedoch nicht aus. Die Stürme ließen auch Flüsse anschwellen, Ufer erodieren und Schlamm in den Überschwemmungsgebieten ablagern, was ebenfalls die Vegetation entfernt und ähnliche dunkle Flecken auf den Satellitenbildern erzeugt. Wenn sich die Forscher nur auf die Satellitenbilder verlassen hätten, hätten sie Flusserosion mit tatsächlichen Erdrutschen verwechselt und so eine Karte voller Fehler erstellt. Um dies zu lösen, entwickelten die Forscher einen schrittweisen Filterprozess, um die echten Rutsche von den Flussschäden zu trennen. Zuerst entfernten sie jeglichen Vegetationsverlust, der zu nah an den Flussufern stattfand, da sie wussten, dass Erdrutsche meist an Berghängen und nicht im Wasser beginnen. Als Nächstes untersuchten sie die Form des Geländes. Sie wussten, dass Erdrutsche selten auf flachem Boden oder sehr sanften Hängen auftreten, sodass sie alle Veränderungen herausfilterten, die in niedrigen Höhenlagen oder auf flachem Gelände auftraten. Sie legten auch eine Mindestgröße für die erfassten Merkmale fest und ignorierten winzige Stellen mit fehlender Vegetation, bei denen es sich wahrscheinlich nur um Rauschen in den Daten handelte und nicht um echte Katastrophen.

Nachdem das Team den Computer durch diese Filter laufen ließ, blieben den Forschern tausende Kandidaten übrig, die wie Erdrutsche aussah. Aber die Arbeit war noch nicht getan. Das Team überprüfte jeden dieser Kandidaten manuell, indem es hochauflösende Luftaufnahmen betrachtete – im Grunde zoomte es hinein, um zu sehen, ob die Form und der Standort des Merkmals wirklich zu einem Erdrutsch passten. Sie entfernten verbleibende Fehlalarme, wie etwa Gebiete, in denen Landwirte Land gerodet hatten oder in denen Bäume aus anderen Gründen abgestorben waren. Diese sorgfältige menschliche Überprüfung stellte sicher, dass die endgültige Karte genau und vertrauenswürdig war.

Das Ergebnis dieses Prozesses war ein umfassendes Inventar von 3.689 distinkten Erdrutsch-Polygonen, die eine Gesamtfläche von 6,91 Quadratkilometern innerhalb des 1.871 Quadratkilometer großen Untersuchungsgebiets abdeckten. Die Karte zeigte, dass die Erdrutsche nicht gleichmäßig über die Region verteilt waren. Stattdessen waren sie stark konzentriert in den steilen, höher gelegenen nördlichen Teilen des Einzugsgebiets, insbesondere rund um die Städte Nimbin und The Channon. Im Gegensatz dazu gab es in den flacheren, tiefer gelegenen Gebieten nahe dem Fluss nur sehr wenige Rutschungen. Die Forscher fanden heraus, dass die Dichte der Erdrutsche in den Teilgebieten Leycester Creek und Goolmangar Creek am höchsten war, wo das Gelände am steilsten ist.

Um ihre Arbeit zu verifizieren, besuchten die Forscher mehrere Standorte vor Ort und verglichen ihre Ergebnisse mit der von ihnen erstellten Karte. Sie stellten fest, dass jeder einzelne Erdrutsch, den sie besuchten, von ihrer Methode korrekt identifiziert worden war. Sie führst auch einen Abgleich ihrer Karte mit Regierungsunterlagen über Straßensperrungen und Reparaturprojekte durch und fanden eine starke Übereinstimmung zwischen den von ihnen kartierten Gebieten und den Orten, an denen die schwersten Schäden aufgetreten waren. Dies bestätigte, dass ihr Ansatz das wahre Ausmaß der Katastrophe erfolgreich erfasst und gleichzeitig die irreführenden Signale von Flusserosion und anderen Nicht-Erdrutsch-Ereignissen ignoriert hatte.

Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, detaillierte Karten von Erdrutschen auf regionaler Ebene schnell und kostengünstig unter Verwendung frei verfügbarer Daten zu erstellen. Durch die Kombination von Satellitenbildern mit einfachen Regeln über die Form und den Standort des Landes und dem Abschluss durch eine sorgfältige menschliche Prüfung produzierten die Forscher ein Werkzeug, das von Katastrophenmanagern und lokalen Behörden genutzt werden kann. Dieses Inventar bietet eine solide Grundlage für das Verständnis, wie die Landschaft auf die extremen Regenfälle reagiert hat, und hilft Beamten dabei, zukünftige Stürme zu planen, die Wiederherstellung beschädigter Infrastruktur zu verwalten und Gemeinschaften vor ähnlichen Ereignissen in den kommenden Jahren zu schützen.