Überschwemmungen und Fernerkundung

Als Überschwemmung bezeichnet man einen Zustand, bei dem eine normalerweise trockenliegende Bodenfläche vollständig von Wasser bedeckt ist. Dies kann sich ereignen, wenn Wasser bei starker Wasserführung (Hochwasser), durch Rückstau (Eisversetzung) oder durch Dammbrüche über die seitliche Begrenzung des Gewässerbettes (Ausuferung) tritt.

Die katastrophalsten Überschwemmungen treten bei Starkregenunwettern auf. Dabei verwandeln sich harmlose Bäche innerhalb kürzester Zeit in reißende Ströme (sog. 'Blitzfluten', engl. 'flash floods'). Aber auch langsam steigende Hochwasserstände sind gefährlich, da es zu Destabilisierung von Dämmen und somit zu Dammbrüchen kommen kann. (Beispiel: Teesta III Dam in Sikkim

Eine weitere Überschwemmungsursache stellen Sturmfluten dar. Sie treten zumeist auf, wenn Orkane der Mittelbreiten oder Tropische Wirbelstürme die jeweiligen Küstenbereiche überqueren.

Die am meisten von Überschwemmungen betroffenen Regionen der Erde befinden sich in den Monsungebieten der Tropen und Subtropen. Vor allem in Indien und Südostasien gibt es fast jedes Jahr zur Regenzeit entlang der größeren Flüsse zum Teil über viele Wochen anhaltende Überschwemmungen.

Nicht jede Überschwemmung ist schädlich. So gäbe es z. B. in Wüstengebieten ohne das regelmäßige Über-die-Ufer-Treten von Flüssen wie dem Nil abseits von Oasen kein fruchtbares Land für den Acker- und Gartenbau (Nährstoff- und Sedimenttransport, Auffüllung vom Grundwasser), und unter ökologischen Aspekten gelten naturbelassene Feuchtgebiete, die regelmäßig überschwemmt werden, als wertvoll.

Auch in Deutschland gibt es Kulturlandschaften, deren Bewohner ihren Wohlstand der Fruchtbarkeit ihres Landes verdanken, welche wiederum durch Sedimente zu erklären ist, die nach Überschwemmungen auf dem Boden zurückblieben. Dies trifft beispielsweise auf das Artland zu, das großenteils im Hase-Binnendelta liegt.

Die Rolle der Fernerkundung

Hochwasserereignisse sind sehr unterschiedlich und können große Gebiete über Wochen hinweg betreffen oder plötzlich auftreten und nur wenige Stunden andauern, was ihre Vorhersage, Reaktion und Bewältigung erschwert. Daher ist die Untersuchung des zeitlichen und räumlichen Ausmaßes und der Schwere von Hochwasserereignissen durch Vor-Ort- und Fernbeobachtungen von entscheidender Bedeutung, um Notfallmaßnahmen zu informieren und die Hochwasservorhersage und -prävention zu verbessern.

Fernerkundung spielt eine wichtige Rolle bei der Überwachung und Bewertung von Überschwemmungen. Satellitenbilder und andere Fernerkundungsdaten ermöglichen es, großflächige Überschwemmungsgebiete zu erfassen, die Ausdehnung der Überflutung zu kartieren und Schäden zu analysieren. Diese Informationen sind entscheidend für die Hochwasserbekämpfung, -schutzplanung und -warnung.

Großflächige Abdeckung: Satelliten können weite Gebiete in kurzer Zeit erfassen, was besonders bei ausgedehnten Überschwemmungen nützlich ist.
Kleinräumige, höchstaufgelöste Abdeckung: Drohnen vermögen zeitnah und flexibel Lagebilder vor Ort übermitteln.
Wetterunabhängigkeit: Radarsatelliten wie Sentinel-1 können durch Wolken und bei Nacht Daten sammeln, was bei anhaltenden Niederschlägen von Vorteil ist.
Regelmäßige Aufnahmen: Satelliten liefern kontinuierlich Daten, was die Beobachtung der Entwicklung von Überschwemmungen ermöglicht.

Fernerkundung bietet somit wertvolle Möglichkeiten für ein effektives Überschwemmungsmanagement, von der Prävention bis zur Schadensbeurteilung.

Techniken zur Überwachung von Hochwasser

Extreme Hochwasserereignisse aufgrund tropischer Stürme und Hurrikane können in räumlichen und zeitlichen Ausmaßen auftreten, die über die Reichweite von Vor-Ort-Techniken wie Wasserstandsmessern, Schwimmmessern, Strömungsmessern, akustischen Doppler-Strömungsprofilern (ADCPs), Druckwandlern und Sedimentprobenahmen hinausgehen. Diese Sensoren erfassen häufig Parameter wie Tiefe, Druck und Fließgeschwindigkeit des Wassers sowie die Sedimentkonzentration an bestimmten Orten, sodass Hochwasservorhersagen nur auf der Ebene des jeweiligen Flussabschnitts möglich sind. In-situ-Techniken können auch durch hohe Strömungen und die Zerstörung der Messinfrastruktur durch die Überschwemmung unbrauchbar werden. Darüber hinaus ist das globale Flusspegelmessnetz aufgrund hoher Wartungs- und Betriebskosten rückläufig. Trotz dieser Einschränkungen sind In-situ-Daten nach wie vor wertvoll für die Kalibrierung und Validierung von Hochwasservorhersagemodellen, insbesondere wenn sie durch Satellitendaten ergänzt werden.

Optische und Synthetic Aperture Radar (SAR)-Satellitenbilder werden häufig verwendet, um den Beginn, die Dauer und den Rückgang von Hochwasser zu verfolgen und Informationen über Ausmaß, Wasserstand, Tiefe und Volumen des Hochwassers für Hochwassermaßnahmen und -minderung zu liefern. Im Gegensatz zu optischen Instrumenten können SAR-Instrumente unabhängig von Bewölkung oder Beleuchtung Bilder aufnehmen, was sie für die Hochwasserkartierung in Gebieten mit anhaltender Rauchbedeckung aufgrund von Infrastrukturschäden wertvoll macht.

Vergleich verschiedener Arten der Hochwassermessung per Satellit
Satellitensensor- Typ	Spektralbereich	Abdeckung
Optisch	400 nm - 2500 nm (sichtbar, NIR, SWIR)	Global, beeinflusst durch Wolkendecke
SAR	Mikrowellen (L-band, C-band, X-band)	Global, unbeeinflusst durch Wolkendecke

Während das Potenzial optischer Satellitenbilder für die Hochwasserkartierung bereits seit den frühen 1970er Jahren bekannt ist, haben die jüngsten Fortschritte in den Bereichen numerische Modellierung, Datenverarbeitung, Internet der Dinge (IoT) und frei zugängliche EO-Daten den Nutzen der Fernerkundung für die Hochwassermodellierung und -vorhersage erweitert. Fernerkundungsdatensätze sind mittlerweile so weit fortgeschritten, dass sie Hochwasserbekämpfungsteams, Risikomanagementmaßnahmen und präventive Planungen wirksam unterstützen können. Daten zu Niederschlagsmustern, Bodenfeuchte, Oberflächenabfluss, Schneefall und saisonalem Wasserabfluss sowie zur Topografie ermöglichen eine Risikobewertung der Hochwasseranfälligkeit eines Gebiets, was die präventive Planung unterstützen kann.

Beispielprodukte: Der Normalised Difference Water Index (NDWI) and der Normalised Difference Vegetation Index (NDVI)

Der Normalised Difference Water Index (NDWI) ist eine Fernerkundungsmessung, die Gewässer in Satellitenbildern hervorhebt, wodurch überschwemmte Gebiete leichter zu erkennen sind. Vegetationsverlust und -schäden während Hochwasserereignissen können mithilfe von Satellitenbildern erfasst werden, und der Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) kann berechnet werden, um das Ausmaß der Überschwemmung zu bestimmen. Der NDVI wird in der Regel aus dem roten und dem NIR-Spektrum abgeleitet, während der NDWI aus dem grünen und dem NIR-Spektrum abgeleitet wird.

Die von der NASA bereitgestellten Echtzeitdaten aus dem Programm „Land, Atmosphere Near real-time Capability for Earth observation” (LANCE) umfassen Messungen zu Überschwemmungen und Oberflächengewässern, zur oberirdischen Biomasse-Dichte, zur Bodenbedeckung, zu Blattflächenindizes, zur Oberflächenreflexion und zur Vegetationsgrünheit, die zur Entwicklung des NDWI und NDVI verwendet werden können.

Die folgenden Abbildung enthält ein optisches Bild von Sentinel-2 (links) und ein SAR-Bild von Sentinel-1 (rechts) der Überschwemmungen in Pakistan im August 2022. Das mittlere Bild zeigt den NDWI, das die überschwemmten Gebiete in Blau hervorhebt.

Überschwemmungen in Pakistan im August 2022 Quelle: ESA / eoPortal

Das Beispiel Valencia

Der Naturpark Albufera ist eines der artenreichsten Feuchtgebiete an der Küste Europas. Die Wasserqualität des Parks, in dem über 372 Vogelarten und gefährdete Süßwasserfische leben, hat sich nach den katastrophalen Überschwemmungen Ende Oktober 2024 in der Region Valencia (Spanien) erheblich verschlechtert.

Dies zeigt sich in der Veränderung der Farbe des Wassers, die auf diesen Copernicus Sentinel-2-Bildern vom 26. November 2023 und 30. November 2024 zu sehen ist. Auf dem Bild von 2023 zeigt die Lagune ihre charakteristische dunkelblaue Farbe. Im Gegensatz dazu zeigt das Bild aus dem Jahr 2024 hellere, trübe Farbtöne im Wasser, die auf Sedimente und Verunreinigungen hinweisen, die durch das Hochwasser eingetragen wurden. Siehe auch 'The Impact of the Floods South of Valencia through the eyes of Copernicus Sentinel-2'; 'A Week of Rain Across Spain'; 'Valencia Floods''

Offene Daten der Copernicus-Sentinel-Satelliten sind von zentraler Bedeutung für die Überwachung globaler Überschwemmungen. Sie liefern wertvolle Erkenntnisse nicht nur während des Ereignisses selbst, sondern auch bei der Bewertung der langfristigen Auswirkungen auf die umliegenden Gemeinden und Ökosysteme.

Auswirkungen der Überschwemmungen in Valencia auf das Feuchtgebiet Albufera Quelle: Copernicus

Relevante Satellitenmissionen

Sentinel-1 Sentinel-2 Sentinel-3 Sentinel-6	Copernicus, das Erdbeobachtungsprogramm der Europäischen Kommission, besteht aus der Sentinel-Familie von Satellitenmissionen, die gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der KOM koordiniert werden. Sentinel-1, -2 und -3 bestehen jeweils aus zwei Satelliten, die 2014, 2015 bzw. 2016 gestartet wurden, um Daten zu sammeln, die zur Erkennung und Kartierung von Überschwemmungen verwendet werden können. Sentinel-1 und -2 liefern hochauflösende Bilder für das Hochwasserwarnsystem des Copernicus-Katastrophen- und Krisenmanagements (EMS), das weltweit (GloFAS) oder in Europa (EFAS) verfügbar ist. Diese Systeme unterstützen Vorbereitungsmaßnahmen und helfen bei der Katastrophenhilfe, indem sie Hochwasserkarten erstellen und Schadensbewertungen liefern. Sentinel-6 Michael Freilich, gestartet im November 2020, nutzt SAR-Bildgebung zur Messung des Meeresspiegelanstiegs, der Ozeanzirkulation sowie der atmosphärischen Temperatur und Luftfeuchtigkeit, was zum Verständnis beiträgt, wie sich diese Faktoren auf Küstenlinien und Überschwemmungen auswirken.
SMOS	SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) wurde im November 2009 gestartet und ist ein Mikrowellen-Bildgebungssatellit, der von der ESA im Rahmen des Earth Explorer-Programms betrieben wird. Das an Bord befindliche Mikrowellen-Bildgebungsradiometer mit Apertursynthese (MIRAS) liefert nahezu in Echtzeit globale Beobachtungen zur Bodenfeuchte und zum Salzgehalt der Ozeane, die für Anwendungen in der Wettervorhersage und Hochwasservorhersage von entscheidender Bedeutung sind.
VIIRS	Das VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) trägt zur Verbesserung der Wetter-, Hochwasser- und Sturmvorhersagen bei, indem es den Wolkengehalt misst, um Niederschläge vorherzusagen. Es nutzt sichtbare und infrarote Bilder, um Langzeitdaten zur Landvegetation zu erfassen, was bei der Bewertung von Hochwasserschäden hilft, sowie zur Erfassung von Meeresoberflächenmerkmalen wie der Meeresoberflächentemperatur, die wichtige Informationen über die potenzielle Sturmintensität liefert und somit Hochwasservorhersagen unterstützt. VIIRS fliegt an Bord der Satellitenmissionen Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) der NASA und NOAA, NOAA-20 und NOAA-21. NOAA-20 und NOAA-21, die im November 2017 bzw. November 2022 gestartet wurden, sind Teil des Joint Polar Satellite System (JPSS)-Programms von NOAA und NASA. Suomi NPP ist ein Wettersatellit, der im Oktober 2011 gestartet wurde.
MODIS	MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), entwickelt vom Goddard Space Flight Center der NASA, ist ein Instrument an Bord der NASA-Satelliten Aqua (EOS/PM-1) und Terra (EOS/AM-1). Aqua und Terra, die im Mai 2002 bzw. Dezember 1999 gestartet wurden, sind gemeinsame Missionen im Rahmen des ESE-Programms (Earth Science Enterprise) der NASA. MODIS sammelt umfangreiche Daten über die Erdatmosphäre, die Landoberfläche, die Ozeane und die Kryosphäre. Die großflächigen Bilder werden zur Verfolgung von Überschwemmungen verwendet, insbesondere von großflächigen Überschwemmungen, die durch Hurrikane oder tropische Stürme verursacht werden. Auf jede MODIS-Beobachtung wird ein Algorithmus zur Wassererkennung angewendet, die zusammengesetzt werden, um Fehler zu reduzieren und Hochwasser von erwartetem Oberflächenwasser zu unterscheiden. Das MODIS Near Real-Time Global Flood Product ist ein tägliches, nahezu globales Produkt mit einer Auflösung von ~250 m, das Hochwasser und Oberflächenwasser anzeigt, das durch den zweimal täglichen Überflug der optischen Sensoren von MODIS erkannt und von LANCE der NASA verarbeitet wird. MODIS wurde inzwischen durch VIIRS ersetzt.
SWOT	SWOT (Surface Water Ocean Topography) ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, CNES, CSA und UKSA, das im Dezember 2022 gestartet wurde. Diese schwadgebundene SAR-Altimetriemission sammelt hochauflösende Daten über das Oberflächenwasser der Erde und ermöglicht so eine präzise Überwachung des Ausmaßes und der Dynamik von Überschwemmungen. SWOT liefert detaillierte Informationen über den Wasserstand in Binnengewässern, die zur Kalibrierung und Verfeinerung von Hochwasservorhersagemodellen verwendet werden können.
GPM	Die GPM-Mission (Global Precipitation Measurement) ist eine von der NASA und der JAXA betriebene Multisatellitenkonstellation. Das Hauptraumfahrzeug der Konstellation, das GPM Core Observatory (gebaut von der NASA), wurde im Februar 2014 gestartet, um globale Niederschläge, Verdunstung und den Wasserkreislauf zu untersuchen. Diese globale Erfassung der Niederschläge auf der Erde mithilfe des aktiven Mikrowellen-DPR (Dual-Frequency Precipitation Radar) und des passiven Mikrowellen-GMI (GPM Microwave Imager) an Bord verbessert die Vorhersage von Hochwassergefahren.
ICEYE Microsatellites Constellation	Das kommerzielle Erdbeobachtungsunternehmen (EO) ICEYE Ltd. mit Sitz in Espoo, Finnland, hat die X-Band-SAR-Satellitenkonstellation entwickelt und gebaut, deren Start im Dezember 2018 erfolgte. Die Konstellation liefert hochauflösende SAR-Bilder für die kommerzielle Hochwasseranalyse.
Weitere Missionen	RISAT-1 and RISAT-2 (Radar Imaging Satellite) EOS-01 (Earth Observation Satellite - 01) GF-1 (Gaofen-1) RADARSAT-1 NovaSAR-1 GeoXO (Geostationary Extended Observations)

Weitere Informationen:

Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation - ZKI (DLR)
How the EU Space Programme supports flood preparedness — the role of the European Flood Awareness System (EFAS) (Copernicus)
Monitoring and Modeling Floods using Earth Observations (ARSET)
Radar Remote Sensing for Flood Monitoring (ARSET)
Breakthroughs in satellite remote sensing of floods (Frontiers in Remote Sensing)
Überflutungsmonitoring mit Sentinel-1 Radardaten (ArcGIS Blog)
Water Pours Into Australia’s Lake Eyre (NASA Earth Observatory)
A Destructive Glacial Outburst Flood in Peru (NASA Earth Observatory)
Flood Monitoring (eoPortal)