Entscheidungsunterstützung im Hochwasser- management ‒ Integration von Kritischer Infrastruk- tur und Notfallrouting auf der Basis freier Geodaten

Abstract

Die OpenFloodRiskMap (OFRM) ist ein Entscheidungsunterstützungssystem, welches Entscheidungsträger in der Alarm- und Einsatzplanung und im Hochwasserfall in der Identifi- zierung Kritischer Infrastrukturen (KI) und Navigation zu KI unterstützt. Durch die Zusammenarbeit mit verschiedenen Kommunen wurde die OFRM an deren Bedürfnisse im Hochwassermanagement angepasst, zudem wurden die frei verfügbaren OpenStreetMap-Daten als allgemein zugängliche Da- tengrundlage integriert. Im Praxisbericht wird der Beitrag der OFRM zu Hochwassermanagement an- hand des Fallbeispiels Evakuierung veranschaulicht.

Full text

412 Praxisbeitrag
Entscheidungsunterstützung im Hochwasser-
management ‒ Integration von Kritischer Infrastruk-
tur und Notfallrouting auf der Basis freier Geodaten
Melanie Eckle1, João Porto de Albuquerque1,2,3, Benjamin Herfort1, Alexander Zipf1
1GIScience Chair, Universität Heidelberg · eckle@stud.uni-heidelberg.de
2Centre for Interdisciplinary Methodologies, University of Warwick, UK
3Department of Computer Systems/ICMC, University of São Paulo, Brazil
Zusammenfassung: Die OpenFloodRiskMap (OFRM) ist ein Entscheidungsunterstützungssystem,
welches Entscheidungsträger in der Alarm- und Einsatzplanung und im Hochwasserfall in der Identifi-
zierung Kritischer Infrastrukturen (KI) und Navigation zu KI unterstützt. Durch die Zusammenarbeit
mit verschiedenen Kommunen wurde die OFRM an deren Bedürfnisse im Hochwassermanagement
angepasst, zudem wurden die frei verfügbaren OpenStreetMap-Daten als allgemein zugängliche Da-
tengrundlage integriert. Im Praxisbericht wird der Beitrag der OFRM zu Hochwassermanagement an-
hand des Fallbeispiels Evakuierung veranschaulicht.
Schüsselwörter: Entscheidungsunterstützungssystem, OpenStreetMap, Kritische Infrastrukturen, Vo-
lunteered Geographic Information (VGI), Notfallroutenplanung
Abstract: The OpenFloodRiskMap is a decision support system which supports decision makers in the
identification of Critical Infrastructure (CI) and in emergency routing. These tasks can be supported
both during pre-disaster planning and in response to a flood event. OFRM was developed in coopera-
tion with different municipalities in Germany to have functionalities that are well-suited to their re-
quirements in flood risk management. Furthermore, OFRM builds upon the openly accessible Open-
StreetMap data. This paper illustrates the contribution of OFRM to flood risk management using an
evacuation scenario.
Keywords: Decision support systems, OpenStreetMap, Critical Infrastructure, Volunteered Geogra-
phic Information (VGI), emergency routing
1 Projektidee und Motivation
Im Hochwassermanagement sowie in der Alarm- und Einsatzplanung benötigen Entschei-
dungsträger aktuelle und detaillierte Daten um Hilfsaktionen koordinieren, angepasste Maß-
nahmen ergreifen und potenziell Kritische Infrastrukturen (KI) identifizieren zu können. Laut
der KRITIS Strategie sind KI „Organisationen und Einrichtungen mit wichtiger Bedeutung
für das staatliche Gemeinwesen bei deren Ausfall oder Beeinträchtigung nachhaltig wirkende
Versorgungsengpässe, erhebliche Störungen der öffentlichen Sicherheit oder andere drama-
tische Folgen eintreten würden“ (BUNDESMINISTERIUM DES INNERN 2009). Die Anschaffung
und Pflege offizieller Daten sind jedoch kostspielig, weswegen Kommunen oftmals nicht
über eine aktuelle und detaillierte Datengrundlage verfügen. Laut Beschluss der Europäi-
schen Gemeinschaft war jede Kommune verpflichtet bis Ende 2015 individuelle Hochwas-
seralarm- und Einsatzpläne zu entwickeln (THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL
OF THE EUROPEAN 2007). Diese Richtlinie konnte aufgrund der ungenügenden Datenverfüg-
barkeit bis heute von vielen nicht erfüllt werden.
AGIT ‒ Journal für Angewandte Geoinformatik, 2-2016. © Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH,
Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-622-2, ISSN 2364-9283, doi:10.14627/537622056.
Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der
Creative Commons Attribution Lizenz verbreitet wird (http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/).

M. Eckle et al.: Entscheidungsunterstützung im Hochwassermanagement mit freien Geodaten 413
Die OpenFloodRiskMap (OFRM) ermöglicht Kommunen diese Aufgabe durch die Verwen-
dung freier Geodaten (bekannt als Volunteered Geographic Information ‒ VGI) zu bewälti-
gen. VGI hat sich in den letzten Jahren verstärkt im Katastrophenmanagement und insbeson-
dere im Hochwassermanagement etabliert. Eines der bekanntesten VGI-Projekte ist die Open-
StreetMap (OSM) (R
AMM
&
T
OPF
2010). Die online Weltkarte besteht aus von internationa-
len Freiwilligen gesammelten Geoinformationen, die je nach Anwendungsfall und unter Be-
achtung der Open Data Commons Open Database License (ODbL)
1
verwendet werden dür-
fen. Mithilfe der OFRM können Entscheidungsträger das Potenzial der OSM-Daten auch im
Hochwassermanagement nutzen.
In der Konzeptualisierung der OFRM wurden Entscheidungsträger verschiedener Kommu-
nen miteinbezogen um die Anwendung bestmöglich an deren Bedürfnisse anpassen zu kön-
nen. In den in diesem Rahmen geführten Expertengesprächen wurden Evakuierung und Ver-
sagen des technischen Hochwasserschutzes zu den bedeutendsten Szenarien für die Alarm-
und Einsatzplanung sowie den Einsatzfall erklärt.
Nach einer kurzen Vorstellung der OFRM-Struktur wird im vorliegenden Praxisbeitrag ver-
anschaulicht, wie Entscheidungsträger das Entscheidungsunterstützungssystem in einem
konkreten Szenario, in diesem Fall der Evakuierung, nutzen können.
2 Struktur der OpenFloodRiskMap (OFRM)
2.1 Objektartenkatalog Kritischer Infrastrukturen
Objektartenkataloge enthalten generell keine Angaben über KI und erlauben folglich keine
direkte KI-Selektion auf Objektebene. Internationale Rahmenwerke verfügen jedoch über
Kategorisierungen in kritische Sektoren und Branchen, welche des Weiteren erlauben eine
Folgeauswahl von KI auf Objektebene vorzunehmen (A
USTRALIAN
G
OVERNMENT
2010,
B
UNDESMINISTERIUM DES
I
NNERN
2009, OAS &
DRDE 1991, T
HE
C
OUNCIL OF THE
E
URO
-
PEAN
U
NION
2008). Die Sektoren- und Branchenauswahl des Bundesministeriums des Innern
beinhaltet im direkten Vergleich die umfassendste Auflistung kritischer Sektoren und wurde
aufgrund dessen bereits von H
ERFORT
et al. (2015) genutzt um einen KI-Objektartenkatalog
zu erstellen (s. Abb. 1).
Abb. 1:
Sektorenübersicht
1
http://opendatacommons.org/licenses/odbl/ (15.04.2016).

414 AGIT – Journal für Angewandte Geoinformatik · 2-2016
Dieser KI-Objektartenkatalog wurde in der OFRM zur Identifikation von KI im OSM-Da-
tensatz genutzt.
2.2 In die OFRM integrierte OSM-Services zur Selektion von KI und
Integration der KI in Notfallroutenplanung
Die zunehmende Ausbreitung und der wachsende Detailgrad in OSM führten zu der Ent-
wicklung zahlreicher OSM-spezifischer Werkzeuge. Diese können zur Auswahl von OSM-
Daten und zum OSM-basierten Routing genutzt werden. Die overpass API (OLBRICHT 2015)
und der OpenRouteService (SCHMITZ et al. 2008) wurden in angepasster Form in die OFRM
integriert um die Abfrage von KI und Routing zu KI in der OSM-Datenbank unter Berück-
sichtigung von Hochwasserverhältnissen zu ermöglichen. Die OSM-Services, sowie deren
Funktionalitäten wurden in ECKLE et al. (2016) vorgestellt.
3 OpenFloodRiskMap-Fallbeispiel Evakuierung
Ein Prototyp der OFRM steht in der öffentlichen Version unter https://ofrm.de zur Verfü-
gung. Auch nichtregistrierte Nutzer können hier die OFRM-Kernfunktionen testen. Regis-
trierte Nutzer können darüber hinaus individuelle Abfragen speichern und editieren sowie
eigene Objekte ergänzen und Erweiterungen, wie die Abbildung von Hochwassergefahren-
karten, nutzen. Letztere wurden von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Natur-
schutz Baden-Württemberg für die interne Verwendung zur Verfügung gestellt. Um einen
Überblick über alle OFRM-Funktionalitäten zu ermöglichen wurde für die folgende Ausfüh-
rung die nichtöffentliche OFRM-Version verwendet.
3.1 Identifikation KI Objekte für Evakuierung
Im Fall eines Hochwassers sind Entscheidungsträger für den Schutz und die Versorgung po-
tenziell gefährdeter KI verantwortlich. Um diese identifizieren zu können benötigen Ent-
scheidungsträger folglich Informationen über potenziell betroffene Gebiete und KI-Stand-
orte. Durch den KI-Objektartenkatalog und den Zugriff auf die overpass API können die KI-
Standorte direkt in der aktuellen OSM-Datenbank identifiziert und selektiert werden. Die in
der OFRM verfügbaren Hochwassergefahrenkarten ermöglichen zudem die Identifizierung
von potenziellen Überflutungsflächen. Auf diese Weise können Entscheidungsträger zum ei-
nen Lagekarten zur besseren Übersicht über potenziell betroffene KI erstellen und zum an-
deren bedeutende und potenziell betroffene KI, wie etwa Krankenhäuser, Schulen und Kin-
dergärten, in der Evakuierung priorisieren. Im ersten Schritt werden hierfür die für das Sze-
nario Evakuierung bedeutenden KI in der KI-Objektauswahl in der OFRM selektiert und für
den potenziellen Überflutungsbereich abgefragt. Um weitere Informationen über ein KI Ob-
jekt zu erhalten, wie etwa Kapazitäten und Ausstattung, kann das gewünschte Objekt in der
Karte selektiert werden. Die OSM-Kennung des Objektes ist zudem ein direkter Link zu dem
iD Editor2, einem online OSM-Editierprogramm. Dieser Editor kann genutzt werden um Ob-
jektinformationen hinzuzufügen oder zu verändern (s. Abb. 2).
2 http://wiki.openstreetmap.org/wiki/DE:ID (26.01.2016).

M. Eckle et al.: Entscheidungsunterstützung im Hochwassermanagement mit freien Geodaten 415
Abb. 2: Objekttypbasierte Evakuierungsabfrage in der OpenFloodRiskMap
3.2 Notfallroutenplanung in der Evakuierung
Um KI zu evakuieren müssen Entscheidungsträger nach der KI-Identifizierung zu den rele-
vanten KI navigieren. Der integrierte OpenRouteService ermöglicht Nutzern einen Start- und
Endpunkt über die Adresssuche, durch das Hinzufügen eines neuen Punktes in die Karte oder
durch die Auswahl eines Objektes aus den Ergebnissen der KI-Objektabfrage zu definieren.
Basierend auf dieser Auswahl kann die kürzeste Route zu KI unter Berücksichtigung von
potenziell überfluteten Gebieten berechnet werden. Die Ergebnisse der Routenplanung, die
Wegdauer und -strecke, werden innerhalb der Routenanfrage angezeigt.
Alle Anfragen können von registrierten Nutzern gespeichert und erneut aufgerufen werden.
Dies ermöglicht Entscheidungsträgern Anfragen für Szenarien, wie Evakuierung, vorzube-
reiten und im Einsatzfall abzurufen. Die Ergebnisse werden von der aktuellen OSM-Daten-
bank abgefragt und können durch die Druckfunktion auch im Feld genutzt werden.

416 AGIT – Journal für Angewandte Geoinformatik · 2-2016
Abb. 3: Notfallrouting in Evakuierungsszenario in der OpenFloodRiskMap
4 Diskussion und Ausblick
Die OFRM ermöglicht potenziell gefährdete KI zu identifizieren und unter Berücksichtigung
von Hochwasserverhältnissen zu diesen zu navigieren. Während die OFRM durch die OSM-
Datenbasis weltweit genutzt werden kann, ist es bedeutend die OSM-spezifischen Einschrän-
kungen zu berücksichtigen. Da es sich um eine VGI-Plattform handelt besteht eine Hetero-
genität der OSM-Daten bezüglich Qualität und Detailgrad, welche mit der Aktivität der
OSM-Gemeinschaft in Verbindung steht. Folglich sollte in der Planungsphase die Verfüg-
barkeit bedeutender KI getestet werden. Gegebenenfalls können OSM-Daten ergänzt und
verbessert werden, auch mit Unterstützung der lokalen OSM-Community.
Neben OSM stehen registrierten Nutzern auch offizielle Daten in Form der Hochwasserge-
fahrenkarten zur Verfügung. Das Ziel der Open-Government-Data-Initiative3 ist es Verwal-
tungen dazu zu bewegen staatliche Daten unter Open-Data-Lizenz der Allgemeinheit bereit-
zustellen. Durch die Ergänzung von staatlichen hochwasserrelevanter Daten könnte die
OFRM eine noch umfassendere Informationsquelle darstellen, ohne Einschränkungen hin-
sichtlich Nutzergruppen. Zudem könnten durch Verwendung staatlicher Daten die OSM-
Daten verifiziert und mögliche Haftungs- bzw. Verantwortlichkeitsfragen geklärt werden.
3 http://opengovernmentdata.org/ (26.01.2016).

M. Eckle et al.: Entscheidungsunterstützung im Hochwassermanagement mit freien Geodaten 417
Danksagung
Die Autoren danken der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-
Württemberg (LUBW) für die Unterstützung im Rahmen des “Klimopass“ Programms. Be-
sonderer Dank geht zudem an Leiner & Wolff GmbH für die gute Zusammenarbeit im Pro-
jekt sowie an Joachim Fritz und Frank Lamm vom Tiefbauamt Offenau und Karlsruhe für
deren praktische Einsichten. J. P. Albuquerque dank darüber hinaus der CAPES (grant no.
12065-13-7) und der Universität Heidelberg (Excellence Initiative II / Action 7).
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