38 2 · 2019 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städte im Krisenmodus? Ziehen Städte Naturkatastrophen an? Weltweit drängen Menschen in die Städte. Flächenhafte Expansion und Konzentration von Menschen, Werten und Infrastruktur sind physische Ausprägungen globaler Urbanisierung (zum Beispiel [1]). Seit 2008 leben erstmalig mehr als 50 Prozent der Menschen in Städten. Dieser Trend setzt sich laut Prognose der Vereinten Nationen weiter fort: Im Jahr 2050 werden etwa zwei Drittel der Weltbevölkerung in Städten oder städtischen Zentren leben [2]. „Städte sind vielleicht eine der komplexesten Schöpfungen der Menschheit, nie fertig, nie definitiv. Sie sind wie eine Reise, die nie endet“ [3]. Der Siegeszug von Städten ist in ihrem diversifizierten Angebot an Arbeitsmöglichkeiten und Infrastruktur, Bildung, sowie kulturellen Unterhaltungsangeboten begründet. Gleichzeitig sind Städte jedoch Brennpunkte, wenn es um Probleme wie Ressourcenverbrauch, Umweltbelastung oder soziale Fragen geht. Ballungsräume sind einem erhöhten Risiko von Kriminalität, Terroranschlägen, aber auch Technik- und Umweltgefahren ausgesetzt (Bild 1). Aber - provokativ gefragt - ziehen Städte auch Naturkatastrophen an? Heute sind doppelt so viele Menschen bedroht wie noch vor 40 Jahren, da der Mensch immer mehr potenziell gefährdete Gebiete immer dichter besiedelt, so lautet eine der zentralen Schlußfolgerungen des Atlas zur Gefährdung der Menschheit [4]. Die Analyse basiert auf der Untersuchung der sechs großen Naturgefahren - Erdbeben, Vulkanausbrüche, Tsunamis, tropische Wirbelstürme, tropische Sturmfluten und Hochwasser -, welche mit der Information zur bebauten Fläche und Bevölkerung verschnitten werden. Rund eine Milliarde Menschen in 155- Ländern der Erde sind von Hochwasser und Überschwemmungen bedroht, während laut Analyse 414 Millionen Menschen Gebiete in der unmittelbaren Nähe der aktivsten Vulkane bewohnen. Erdbeben ist die Naturgefahr, von der die meisten Menschen potenziell betroffen sind. So hat sich die Anzahl der Menschen, die in seismischen Risikogebieten leben, innerhalb der letzten 40 Jahre fast verdoppelt. Erdbeben haben aber rein statistisch nicht zu- oder abgenommen [5]. Städte ziehen also diesbezüglich keineswegs Naturgefahren an. Im Zusammenhang mit der steigenden Anzahl der bedrohten Menschen steht somit der Begriff der Urbanisierung. Das globale Bevölkerungswachstum sowie die Attraktivität von Städten machen viele Stadtregionen zu zunehmend exponierten Entitäten. Extreme Naturereignisse müssen aber nicht unbedingt immer gleich zu Katastrophen werden. Wann wird eine Gefahr zum Risiko? Eine Naturgefahr ist ein durch natürliche Prozesse ausgelöster Vorgang, der Schäden verursachen oder Opfer fordern kann. Die Betonung liegt auf dem Wort „kann“. Wenn sich im betroffenen Gebiet keine Menschen oder Güter befinden, gibt es keine Exposition und es können damit auch keine Schäden verursacht werden. Somit dürfen wir eine Naturgefahr nicht per se als Risiko bezeichnen. Diesbezüglich hat in den letzten Jahren in der Risikoforschung ein Paradigmenwechsel stattgefunden: von der Quantifizierung und Analyse von Naturgefahren hin zur Identifikation und Abschätzung von Exposition und Vulnerabilität. Konsequenzen einer Naturgefahr werden durch die Exposition und die Vulnerabilität der davon betroffenen Entität entstehen [6]. Gerade urbane Regionen, die durch Was passiert, wenn... Exposition und Vulnerabilität urbaner Räume gegenüber Naturgefahren Naturgefahren, Andenregion, Urbanisierung, Risikoanalyse, Kettenreaktionen, Exposition Elisabeth Schöpfer, Patrick Aravena Pelizari, Christian Geiß, Torsten Riedlinger, Hannes Taubenböck Weltweit wachsen städtische Ballungsräume und neue Megalopolen entstehen. Die Konzentration von Menschen, Gebäuden, Infrastruktur, etc. macht Städte besonders verletzlich gegenüber Naturgefahren. Die Andenregion mit Millionenstädten wie Lima oder Santiago de Chile ist eine durch Naturereignisse stark gefährdete Region. Erdbeobachtungsdaten und Daten aus neuen Medien haben das Potenzial Exposition und Vulnerabilität mit Hilfe innovativer Methoden räumlich und thematisch hoch aufgelöst und zeitlich aktuell zu bestimmen. Welche urbanen Strukturen, welche Gebiete sind dabei besonders betroffen? 39 2 · 2019 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städte im Krisenmodus? die Konzentration von Gebäuden und Infrastruktur, Wertschöpfungsketten, etc. charakterisiert sind, stellen Werte dar, die potenziell zerstört werden können. Das Risiko bestimmt sich somit aus (Natur-) Gefahr, Exposition und Vulnerabilität. Die Gefahr, das heißt die Gefährdung wird durch die Intensivität und Eintrittswahrscheinlichkeit eines Naturereignisses beschrieben. Die Exposition beschreibt den geographischen Ort und die Elemente (Menschen oder Gegenstände), die einer Gefahr ausgesetzt sind, während die Vulnerabilität die Verletzlichkeit, das heißt den potenziellen Schaden, bezeichnet. Risiken entstehen somit aus der Überlagerung dieser drei Risikokomponenten (zum Beispiel: [7], [8]). Naturgefahren-Hotspot Anden Die Andenregion ist eine durch Naturgefahren und die Auswirkungen des Klimawandels stark gefährdete Region. Erdbeben, Tsunamis, Hangrutschungen, Vulkaneruptionen, Waldbrände oder Überflutungen treten hier auf engstem Raum auf. Eine Gefahr kommt dabei selten allein: Ein Hochwasser kann einen Erdrutsch auslösen oder ein Erdbeben kappt die Strom- und Wasserversorgung, so dass sich Situationen für Betroffene und Einsatzhelfer verschärfen können (Bild 2). Das Verbundprojekt RIESGOS (Multi-Risiko Analyse und Informationssystemkomponenten für die Andenregion) zielt dabei darauf ab, diese komplexen Multi-Risiko-Situationen zu erforschen. Dafür werden in Kooperation mit Partnern aus Chile, Ecuador und Peru gemeinsam Methoden zur Analyse komplexer Multi-Risiko-Situationen und damit verbundenen kaskadierenden Effekten entwickelt [9]. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse und Ergebnisse werden durch die Entwicklung von entsprechenden Webservices in einen Demonstrator überführt, welcher modular und flexibel aufgebaut als Multi-Risiko-Informationssystem dienen soll. Dadurch können die Ergebnisse mit den Kooperationspartnern in den spezifischen südamerikanischen Andenländern zielgerichtet ausgetauscht werden. Darüber hinaus können auch deren eigene Dienste dank der Nutzung anerkannter Standards in den Demonstrator integriert werden. Die Ergebnisse und Entwicklungen sollen Behörden im Bereich des Katastrophenrisikomanagements und des Zivilschutzes zugänglich gemacht werden und ihnen ermöglichen, komplexe Multi-Risiko-Szenarien zu analysieren und dadurch Risiken zu verstehen und das Katastrophenmanagement zu verbessern. Die Bestimmung der Exposition und Vulnerabilität von urbanen Räumen gegenüber Naturgefahren ist dabei ein zentrales Element. Exposition und Vulnerabilität sollen helfen den Risikoraum Stadt Bild 1: Der Blick von oben auf die Hafenstadt „El Callao“ im Einzugsbereich der peruanischen Hauptstadt Lima. © Torsten Riedlinger, DLR THEMA Städte im Krisenmodus? Bild 2: Tsunami-Warnschilder an der peruanischen Küste vor der Hauptstadt Lima. © Torsten Riedlinger, DLR 40 2 · 2019 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städte im Krisenmodus? besser zu verstehen. Doch wie können die immer komplex werdenden Elemente einer Stadt systematisch erfasst und beschrieben werden? Exposition - wichtige Informationen aus Satellitendaten Erdbeobachtungsdaten bieten ein enormes Potenzial, um exponierte Entitäten wie Städte und Stadtregionen in ihrer physischen Erscheinungsform zu erfassen, über die Zeit zu beobachten und bezüglich ihrer Verwundbarkeit zu analysieren. Durch den „Blick von oben“ können unterschiedliche Strukturen erfasst und charakterisiert werden. Die Fernerkundung stellt dafür eine große Vielfalt unterschiedlicher Aufnahmeinstrumente zur Verfügung, welche in Form einer synergetischen Datenauswertung zu neuen geographischen, raumwissenschaftlichen Erkenntnissen führen. Doch erst durch die technische und thematische Verarbeitung von Satellitenbilddaten entsteht räumliche Information, welche hilft die exponierten Elemente (zum Beispiel Gebäudestrukturen oder Straßenwegenetze) raum-quantitativ ableiten zu können. Für die Abschätzung der exponierten Elemente der gebauten Umwelt wurde eine Reihe an Grundlagenverfahren entwickelt und evaluiert. Dies ist zwingend erforderlich, da hochgenaue Geoinformation zum Siedlungsraum oftmals nicht vorhanden, nicht zugänglich oder nur inkonsistent vorhanden ist. Ein zentrales Element ist dabei die Entwicklung eines automatischen Verfahrens zur generischen morphologischen Charakterisierung der Siedlungsstruktur bezüglich der Bebauungshöhe und -dichte. Diese beiden Parameter sind die wichtigsten beschreibenden Variablen der Bebauungsmorphologie und sollen die räumlich hochgenaue Disaggregation von exponierter Bevölkerung und Gebäudetypologien erlauben. Um diese beiden Parameter großflächig abzuleiten, wurde ein Bearbeitungsablauf entwickelt, der auf global verfügbaren Satellitenfernerkundungsdaten und -produkten basiert. Dabei werden der Global Urban Footprint (GUF, [10]), multispektrale optische Sentinel-2-Bilddaten der Europäischen Copernicus- Mission [11] sowie digitale Oberflächenmodelle der TanDEM-X Mission [12] genutzt (Bild 3). Zunächst werden, basierend auf dem GUF, welcher die gebaute von der nicht gebauten Umwelt abgrenzt, Siedlungsareale automatisch von unbewohnten Gebieten unterschieden. Diese Information wird verwendet, um innerhalb von Siedlungsarealen die Höhen von Gebäudestrukturen aus den TanDEM-X-Oberflächenmodellen zu extrahieren- [13]. Dies geschieht mit einer speziellen Methode, welche automatisierte Bildklassifikation und -filterung integriert. Im Weiteren werden Siedlungsareale unter Nutzung der optischen Sentinel- 2-Satellitendaten automatisch nach intra-urbanen Vegetationsflächen, von der Erdoberfläche erhabenen Objekten - den Gebäuden - und verbleibender Siedlungsfläche unterschieden. Objekte, die von der Erdoberfläche erhaben sind, werden im Folgenden für die Berechnung der Bebauungshöhe und -dichte herangezogen. Dabei zeigen die Ergebnisse, welche Bild 3: Global verfügbare Eingangsdaten (links) und die abgeleitete intra-urbane Landbedeckung (rechts). © DLR Bild 4: Bebauungshöhe und -dichteverteilung im Großraum Santiago de Chile - Valparaíso - Viña del Mar abgeleitet aus Satellitendaten. © DLR 41 2 · 2019 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städte im Krisenmodus? mit über drei Millionen Gebäudegeometrien aus Katasterinformationen verglichen wurden, sowohl eine hohe Genauigkeit der Höhenschätzung (etwa ein bis zwei Stockwerke Abweichung abhängig von der Siedlungsstruktur) als auch der Dichteableitung (maximal 20 Prozent Abweichung bei passender Parametrisierung) und unterstreichen somit eine valide Charakterisierung der Siedlungsstruktur [14]. In Kombination lassen die gewonnenen Informationen über die intra-urbanen Siedlungsflächen und Siedlungshöhen eine differenzierte morphologische Charakterisierung urbaner Räume zu. Bild 4 zeigt die integrierte Darstellung der abgeleiteten Parameter Bebauungsdichte und Bebauungshöhe für den Großraum Santiago de Chile - Valparaíso - Viña del Mar, wobei die Balkenfarbe die Bebauungsdichte und die Balkenhöhe die Bebauungshöhe wiedergibt. Wie Bild 4 zeigt, lässt sich die dreidimensionale physische Morphologie großflächiger urbaner Siedlungen auch in Gebieten mit einer komplexen Topographie, wie der Großraum Santiago de Chile - Valparaíso - Viña del Mar, gut wiedergeben. Dieser ist stark durch die chilenischen Kordilleren geprägt. In Santiago lassen sich im Zentrum großräumig mittelhohe, starkverdichtete Strukturen erkennen, welche von niedrigeren Bebauungen von hoher bis sehr hoher Dichte abgelöst werden. Ein hochgebautes Band von sehr hoher bis mittlerer Dichte, das sich vom Zentrum Santiagos in Richtung Nordosten zieht, gibt unter anderem die hochgebauten Business Districts Santiagos („Sanhattan“) gut wieder. Des weiteren werden die etwas höher gelegenen Gunstlagen am östlichen Rand der Stadt, welche durch Bauten von niedriger Höhe und niedriger bis mittlerer Bebauungsdichte geprägt sind, gut erfasst (Bild 5). Eingegrenzt durch die Ausläufer der Kordilleren, weist Valparaíso weitgehend eine hohe Bebauungsdichte auf. Mittlere bis hohe Gebäudehöhen befinden sich im küstennahen Stadtzentrum sowie in der Umgebung des Hafens (Bild 6). Die gewonnenen Daten finden ihre Anwendung in der großflächigen Bewertung der Vulnerabilität urbaner Siedlungsräume gegenüber Naturgefahren. So wird die Kombination von Bebauungsdichte und Bebauungshöhe verwendet, um wichtige Expositionskennzahlen, wie die räumliche Verteilung von Bevölkerung und Gebäudestrukturtypen, die oftmals nur aggregiert auf relativ groben administrativen Raumeinheiten vorliegen, mit einem höheren Detailgrad abzubilden. In einem finalen Analyseschritt werden die Daten mit den Informationen zu den Naturgefahren kombiniert, um die Folgen bereits im Vorfeld abschätzen zu können und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Fazit Obwohl wir im Informationszeitalter leben, haben wir hinsichtlich Naturgefahrenrisiken nach wie vor erhebliche Wissenslücken. Großflächiges Wissen über die Exposition und die Vulnerabilität von Regionen, Ländern oder Kontinenten beruht überwiegend auf sehr generalisierten Zahlen. Ein hoher Detailgrad bei Geoinformation, um diese generalisierten Zahlen empirisch belastbar bereit zu halten, ist allerdings in vielen Teilen unseres Planeten nicht existent. Die Fernerkundung aus dem All hat sich in jüngster Vergangenheit zu einer zentralen Datenquelle entwickelt, um diese Wissenslücken reduzieren zu können. Der Anstieg verfügbarer Satellitendaten, die gestiegenen Möglichkeiten zur Prozessierung der Daten und jüngste Entwicklungen hinsichtlich Bildanalyseverfahren (zum Beispiel maschinelle Lernverfahren) machen es heute möglich, thematisch und geometrisch hoch auslösende Geoinformation (Bild 2) für große Räume mit hohen Genauigkeiten bereit zu stellen. Erdbeobachtungsdaten haben zudem in Kombination mit (Geo-)Daten aus neuen Medien (etwa aus sozialen Netzwerken) das Potenzial Bild 5: Santiago de Chile mit Blick auf den Finanzdistrikt „Sanhattan“ und dem Gran Torre Santiago, dem höchsten Gebäude Südamerikas. © Elisabeth Schöpfer, DLR Bild 6: Ein Blick auf die dichtbesiedelten Hügel von Valparaíso. © Elisabeth Schöpfer, DLR 42 2 · 2019 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städte im Krisenmodus? Exposition und Vulnerabilität räumlich, thematisch sowie zeitlich hoch aufgelöst zu bestimmen, um Informationen - insbesondere für die sich schnell veränderlichen urbanen Strukturen - als Beitrag für eine Risikobewertung von Städten gegenüber Naturgefahren zu generieren. Danksagung Die vorgestellten Ergebnisse stammen zum Teil aus dem Projekt „RIESGOS“, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 03G0876A gefördert und vom Projektträger Jülich (PtJ) im Auftrag des BMBF betreut wird. LITERATUR: [1] Taubenböck, H., Esch, T., Felbier, A., Wiesner, M., Roth, A., Dech S.: Monitoring of mega cities from space. In: Remote Sensing of Environment, vol. 117 (2012), S. 162-176. [2] United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division: World Population Prospects: The 2017 Revision, Key Findings and Advance Tables, 2017. ESA/ P/ WP/ 248. [3] UN-HABITAT: State of the World’s Cities 2008/ 2009 - Harmonious Cities. TAYLOR & FRANCIS, 2008. ISBN 978-1-84407-696-3. [4] Pesaresi, M., Ehrlich, D., Kemper, T., Siragusa, A., Florczyk, A.J., Freire, S., Corbane, C.: Atlas of the Human Planet 2017: Global Exposure to Natural Hazards, EUR 28556 EN, doi: 10.2760/ 19837. [5] Bilham, R.: The seismic future of cities. Bulletin of Earthquake Engineering, vol. 7 (2009), S. 839-887. [6] Taubenböck, H., Post, J., Roth, A., Zosseder, K., Strunz, G., Dech, S.: A conceptual vulnerability and risk framework as outline to identify capabilities of remote sensing. Nat. Hazards and Earth Sys. Sci., vol. 8, no. 3 (2008), S. 409-420. [7] Birkmann, J.: Measuring Vulnerability to Natural hazards - Towards Disaster Resilient Societies. New York, United Nations University. (2006), S. 524. [8] Geiß, C., Taubenböck, H.: Remote sensing contributing to assess earthquake risk: from a literature review towards a roadmap. Natural Hazards, 68 (2013), S. 7-48. [9] RIESGOS (2019): Multi-Risiko Analyse und Informationssystemkomponenten für die Andenregion. URL: http: / / www.riesgos.de (26/ 04/ 2019). [10] Esch, T., Taubenböck, H., Roth, A., Heldens, W., Felbier, A., Thiel, M., Schmidt, M., Müller, A. Dech, S.: TanDEM- X mission: New perspectives for the inventory and monitoring of global settlement patterns. Journal of Applied Remote Sensing. vol 6., issue 1 (2012). [11] Drusch, M., Del Bello, U., Carlier, S., Colin, O., Fernandez, V., Gascon, F., Hoersch, B., Isola, C., Laberinti, P., Martimort, P., Meygret, A., Spoto, F., Sy, O., Marchese, F., Bargellini, P.: Sentinel-2: ESA’s Optical High-Resolution Mission for GMES Operational Services. Remote Sens. Environ., vol. 120 (2012), S. 25-36. [12] Zink, M., Bachmann, M., Brautigam, B., Fritz, T., Hajnsek, I., Moreira, A., Wessel, B., Krieger, G.: TanDEM-X: The New Global DEM Takes Shape. IEEE Geosci. Remote Sens. Mag., vol. 2, no. 2 (2014), S. 8-23. [13] Geiß, C., Aravena Pelizari, P., Bauer, S., Schmitt, A., Taubenböck, H.: Automatic Training Set Compilation for DTM Generation with TanDEM-X DSM Data and Sentinel-2 Imagery. IEEE Remote Sensing Letters, 2019. Unter Begutachtung. [14] Geiß, C., Leichtle, T., Wurm, M., Aravena Pelizari, P., Standfuß, I., Zhu, X. X., So, E., Siedentop, S., Esch, T., and Taubenböck, H.: Large-Area Characterization of Urban Morphology - Mapping Built-Up Height and Density with the TanDEM-X Mission and Sentinel-2. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observation and Remote Sensing, 2019, im Druck. AUTOR*INNEN Dr. Elisabeth Schöpfer Wissenschaftliche Mitarbeiterin Projektleiterin RIESGOS Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Earth Observation Center (EOC) Kontakt: Elisabeth.Schoepfer@dlr.de Patrick Aravena Pelizari Wissenschaftlicher Mitarbeiter Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Earth Observation Center (EOC) Kontakt: Patrick.AravenaPelizari@dlr.de Dr. Christian Geiß Wissenschaftlicher Mitarbeiter Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Earth Observation Center (EOC) Kontakt: Christian.Geiss@dlr.de Dr. Torsten Riedlinger Stellvertretender Abteilungsleiter „Georisiken und zivile Sicherheit“ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Earth Observation Center (EOC) Kontakt: Torsten.Riedlinger@dlr.de Dr. Hannes Taubenböck Gruppenleiter „Stadt und Gesellschaft“ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Earth Observation Center (EOC) Kontakt: Hannes.Taubenboeck@dlr.de