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DISASTER
RESEARCH
DAYS 2020
Book of
Abstracts
Konferenzband
WEBINAR
SERIES
OCTOBER
13 — 22
186 187
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Monitoring von gravitativen
Massenbewegungen mittels
terrestrischem Laserscanning
und terrestrischer Radar-
Interferometrie am Beispiel
des Hüttschlag-Felssturzes
ERIK KUSCHEL¹, ANNA SARA AMABILE ²,
WOLFGANG STRAKA ³, GERALD VALENTIN ⁵
MARC OSTERMANN ², JOHANNES HÜBL ⁴
CHRISTIAN ZANGERL ³
Organisationen:
¹ Department für Bautechnik und Naturgefahren, Universität für Bodenkultur, Wien, Österreich;
² Geologische Bundesanstalt, Abteilung Ingenieurgeologie, Wien, Österreich
³ Institut für Angewandte Geologie, Universität für Bodenkultur, Wien, Österreich;
⁴ Institut für Alpine Naturgefahren, Universität für Bodenkultur, Wien, Österreich;
⁵ Landesgeologischer Dienst Salzburg, Salzburg, Österreich.
Abstract
Gravitative Massenbewegungen stellen, bedingt
durch den steigenden Bedarf an Siedlungsraum und
dem Klimawandel, zunehmend eine Bedrohung für
Mensch und Infrastruktur in den Alpen dar. Das Lang-
zeit-Monitoring von gravitativen Massenbewegun-
gen ist jedoch oftmals schwierig, da die Installation
von In-Situ-Messgeräten kostspielig und aufwendig
ist. Für eine fundierte Gefahrenbeurteilung sind je-
doch zeitlich und räumlich hochauflösende Daten
erforderlich. Am Beispiel des Felssturzgebietes bei
Hüttschlag (Salzburg) wird ein kombinierter Ansatz,
bestehend aus terrestrischer Radarinterferometrie
(GB-InSAR) und terrestrischem Laserscanning (TLS),
getestet. 2019 ereigneten sich an einer ca. 100 m
hohen Felswand bei Hüttschlag drei Felsstürze, wo-
bei einzelne Blöcke mit Kubaturen von bis zu ca. 200
m³ den Talboden erreichten. Das Untersuchungs-
gebiet liegt in den Bündnerschiefern, die in diesem
Bereich aus Kalkglimmerschiefern, Grünschiefern
und Kalkphylliten aufgebaut sind. Im Rahmen einer
ersten Testphase wurde mittels terrestrischer Ra-
darinterferometrie von November 2019 bis Mai
2020 die Felsflanke des Abbruchgebietes auf aktu-
elle Hangdeformationen untersucht und mit terres-
trischen Laserscans, die in regelmäßigen Intervallen
durchgeführt wurden, ergänzt. Im Zuge dieses Bei-
trages werden I) der Aufbau des Monitoringsystems;
II) dessen Implementation als Monitoring und Früh-
warnsystem für verschiedene gravitative Naturge-
fahren; III) Vor- und Nachteile des Messsystems; und
IV) die vorläufigen Ergebnisse zum Felssturz in Hütt-
schlag präsentiert.
erik.kuschel@boku.ac.at, annasara.amabile@geologie.ac.at
Einleitung
Gravitative Massenbewegungen, wie
Felsstürze, Steinschläge, Rutschungen
und Muren sind natürlich auftretende
Prozesse in alpinen Räumen, insbesond-
re in den tief eingeschnittenen alpinen
Tälern. Durch den steigenden Bedarf
an Siedlungsraum und die Veränderung
durch den Klimawandel besonders im
Hochgebirge, stellen diese Prozesse zu-
nehmend eine Bedrohung für Mensch und
Infrastruktur in den Alpen dar. Vermehrt
werden modernen Methoden des Risiko-
managements (Risikoanalyse, Risikobe-
wertung und Risikosteuerung eingesetzt,
um mit möglichst effizientem Aufwand
ein annehmbares Maß an Sicherheit zu
gewährleisten (Zangerl et al., 2008). Als
Basis einer fundierten Risikoanalyse ist
eine umfassende Gefahrenbeurteilung
und Prozessanalyse durchzuführen, die
neben anderen spatio-temporalen Daten
besonders Deformationsmessungen mit
einer adäquaten räumlichen und zeit-
lichen Auflösung benötigt. Das Lang-
zeit-Monitoring und die Installation von
Frühwarnsystemen im Bereich von ex-
trem langsamen bis langsamen (mm bis
wenige cm pro Jahr) gravitativen Massen-
bewegungen, gestaltet sich jedoch oft-
mals schwierig, da i) die Installation von
In-Situ-Messgeräten oder geologischen
Untergrunderkundungen zu gefährlich
oder kostspielig sind und ii) etablierte
Fernerkundungsmethoden nicht die not-
wendige Messgenauigkeit oder räumliche
Auflösung besitzen.
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts
wurde daher für die Messung der andau-
ernden Deformationen im Absturzbereich
des Hüttschlag-Felssturzes ein Mess-
system basierend auf i) terrestrischem
Laserscanning (TLS) und ii) terrestrischer
Radarinterferometrie (Gb-InSAR) instal-
liert. In diesem Beitrag werden i) der Auf-
bau des Messsystems; II) der potenzielle
Einsatz als Frühwarnsystem für Felsstür-
ze; III) die Vor- und Nachteile des Mess-
systems; und IV) die vorläufigen Ergeb-
nisse dieser Analysen präsentiert.
Der Hüttschlag-Felssturz
Das Untersuchungsgebiet befindet sich
auf der orographisch rechten Flanke des
Großarltales in der Gemeinde Hüttschlag
(Karteis, Salzburg) (Abbildung 1). Hier er-
eigneten sich 2019 an einer ca. 100 m
hohen Felswand drei Felsstürze, welche
sich jeweils durch Steinschläge ankündig-
ten. Bei den Felsstürzen selbst lösten sich
Einzelblöcke, die teilweise ein Volumen
von mehr als 200 m³ aufwiesen, einige
erreichten den Talboden (Abbildung 2),
wobei Siedlungsgebiet und Infrastruktur
(Straße, Radweg) jedoch nicht beschädigt
wurden.
Geologisch betrachtet liegt das Untersu-
chungsgebiet in den Bündnerschiefern,
die in diesem Bereich aus Kalkglimmer-
schiefern, Grünschiefern und Kalkphyl-
liten aufgebaut sind (Exner, 1956). Die
Schieferung fällt flach bis mittelsteil Rich-
tung Norden ein. Zusätzlich finden sich
im Abbruchgebiet markant ausgeprägte
Kluftsysteme mit großer Erstreckung,
die maßgeblich die Entstehung des Fels-
sturzes und die Kluftkörper beeinflussten.
Im Zuge einer Befliegung am 23.07.2019
stellte der Landesgeologische Dienst des
Landes Salzburgs, anhand von frischen
Abbildung 1: Felssturz bei Hüttschlag
am 17. Juni 2020.
Abbildung 2: Einzelblöcke mit einem Volu-
men von über 200 m³ erreichten den Talboden
während der Felssturzereignisse.
und bis zu 1 m breiten Zerrspalten im
Ablösebereich fest, dass sich ein weite-
rer Teilbereich der Felsflanke stark auf-
gelockert hat und empfahl die Installa-
tion eines geeigneten Monitoringsystems
(Valentin, 2019).
Das Monitoringsystem
Nach den drei Felssturzereignissen wur-
de 2019 mit einer intensiven messtech-
nischen Überwachung der Felsflanke
und der abgelagerten Felssturzmasse
am Hangfuß begonnen. Hierfür wurden
im Rahmen einer ersten Testphase ein
terrestrisches Radarinterferometer (LI-
SALab; Ellegri Ltd.) von November 2019
bis Mai 2020 installiert. Die Messungen
wurden im Ku Frequenzbereich (central
frequency: 17.2 GHz; wavelength: 17.44
mm) mit einer synthetischen Aperatur
von bis zu 2.8 m durchgeführt. Das Ra-
darsystem wurde in Hüttschlag als Echt-
zeit-Monitoringsystem (C-Gb-InSAR)
und Frühwarnsystem, mit einer Mess-
frequenz von 10 Minuten betrieben, wo-
durch Bewegungen von wenigen mm bis
m pro Tag in Blickrichtung (line of sight)
erfasst werden konnten (siehe auch Ca-
sagli et al., 2010; Monserrat et al., 2014).
Zusätzlich wurde die Massenbewegung
mittels multi-temporalen terrestrischen
Laserscanning (RIEGL VZ-4000) in regel-
mäßigen Abständen mit hoher Punkt-
dichte vermessen.
Die Kombination von GB-InSAR und TLS
wurde gewählt, da multi-temporales ter-
restrisches Laserscanning sich als kos-
teneffiziente Fernerkundungsmethode
für das Monitoring von gravitativen Mas-
senbewegungen etabliert hat (Jaboyedoff
et al. 2012; Abellan et al. 2014). Dieses
ermöglicht die Generierung hochgenau-
er digitaler Geländemodelle mittels 3D-
Punktwolken und die multi-temporale
Quantifizierung von Veränderungen der
Geländeoberfläche. TLS ist jedoch nur be-
dingt für das kontinuierliche flächenhafte
Deformationsmonitoring und als Warn-
system für sehr langsame bis langsame
(mm bis wenige cm pro Jahr) Felsbewe-
gungen geeignet. Die Messgenauigkeit
von TLS-Punktwolken ist abhängig von
der Messdistanz, der Oberflächenrauig-
keit und dem Messwinkel. Dadurch kön-
nen unter Feldbedingungen in alpinen
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Einsatzgebieten nur LODs (Level of De-
tection) von mehreren cm bis dm erreicht
werden (Fey et al., 2017). Daher wird TLS
häufig mit anderen Verfahren der Fern-
erkundung oder der Vermessung (z.B.
satellitengestütztes InSAR, GNSS, Tachy-
metrie) kombiniert eingesetzt.
Die terrestrische Radarinterferometrie
hingegen ermöglicht eine kontinuierliche
Deformationsmessung in vordefinierten
Zeitintervallen, wobei theoretisch Mess-
reichweiten von über vier Kilometern
mit Messgenauigkeiten im sub-milli-
meter Bereich erreicht werden können
(Abbildung 3). GB-InSAR-Systeme kön-
nen auch zur Überwachung von Hängen
und Felswänden eingesetzt werden, für
welche andere Systeme (z.B. ALS, satel-
litengestütztes InSAR) nur bedingt oder
keine Daten liefern können (Monserrat
et al., 2014; Tarchi et al., 2003). Die ter-
restrische Radarinterferometrie erlaubt
daher ein Echtzeit-Monitoring von gra-
vitativen Massenbewegungen in steilen
Felsflanken mit einer hohen zeitlichen
und räumlichen Auflösung. Durch die
Implementierung der TLS-Punktwolken
wurden die zweidimensionalen GB-InSAR
Deformationsmessungen auf ein drei-
dimensionales Geländemodell projiziert.
Zusätzlich wurde im Talboden ein auto-
matisches Kamerasystem installiert, um
Steinschlag- und Felssturzereignisse op-
tisch zu dokumentieren.
Die Terrestrischen
Laserscans
Die Erfassung des gesamten Felssturz-
abbruchgebietes und der Steinschlager-
eignisse ab dem 27.11.2019 erfolgte auf
Basis der multi-temporalen terrestrischen
Laserscans und der verfügbaren ALS-
Punktwolke (Airborne Laser Scanning)
von 2018. Die Registrierung und Georefe-
renzierung der TLS-Punktwolke erfolgte
mittels ICP-Algorithmen (Iterative Closest
Point), welche diese, über korrespondie-
rende Flächen, auf die bestehende geore-
ferenzierte ALS-Punktwolke registrierte.
Für diese Berechnungen wurden Oberflä-
chen, die potenziell durch Verschiebungen
beeinflusst sind (z.B. Blockschuttkegel,
Felssturzabbruchfläche, baulich veränder-
te Flächen) nicht berücksichtigt. Alle wei-
teren TLS-Punktwolken wurden analog
auf die georeferenzierte TLS-Punktwolke
registriert. Die Berechnung der Oberflä-
chenveränderungen erfolgte mittels der
Geomorphic Change Detection Software
(Wheaton, 2008; Wheaton et al., 2009).
Aus den digitalen Höhenmodellen der ALS
und TLS Messungen konnte ein Felssturz-
volumen (alle 3 Ereignisse zusammen) von
ca. 41000 m³ berechnet werden (Abbil-
dung 4).
Die Terrestrische
Radarinterferometrie
Die Verschiebungen, der durch die Fels-
stürze, freigelegten Abbruchfläche und
des Blockschuttkegels wurde mittels
GB-InSAR untersucht (Abbildung 5). Hier-
für wurden aus jeweils zwei SAR-Bildern
ein Interferogramm berechnet mit dem,
durch »Phase-Unwrapping«, die Ver-
schiebungen in LOS berechnet wurden
(Agliardi et al., 2013). Um den Einfluss von
atmosphärischen und anthropogenen
Störfaktoren zu minimieren, wurde für
die Berechnung der Verschiebungsraten
der 24h-Mittelwert aller SAR-Messun-
gen verwendet (Abbildung 4). Aufgrund
unterschiedlich hoher Bewegungsraten
der Felsflanke und des Blockschuttkegels
war eine getrennte Auswertung nötig. Die
lokalen 2D-Radardaten wurden auf Basis
der TLS-Punktwolken in 3D-Daten trans-
formiert. Dies ermöglicht die Projektion
der GB-InSAR-Daten auf Fotos (Abbil-
dung 5) und einen Vergleich der Verschie-
bungen mit den TLS-Messungen. Hierbei
zeigte sich, dass die GB-InSAR-Messun-
gen die absoluten Verschiebungen im
Vergleich zu den TLS-Daten unterschät-
zen, zumal die Radarinterferometrie nur
Bewegungen in Blickrichtung (LOS) de-
tektieren kann.
Die hohe Messgenauigkeit und -frequenz
von GB-InSAR-Systemen ermöglicht das
Deformationsverhalten von Massenbe-
wegungen, wie den Felssturz von Hütt-
schlag, im Detail zu studieren. Ziel dabei
ist i) instabile Bereiche zu lokalisieren, ii)
Beschleunigungen zuverlässig und früh-
zeitig zu erkennen, iii) den Einfluss von
verschiedenen Faktoren (z.B. Nieder-
schlag, Schneeschmelze, Temperatur etc.)
auf das Bewegungsverhalten zu untersu-
chen, und iv) wenn vorhanden, zyklische
Deformationen (z.B. thermische Kontrak-
tion und Expansion) messtechnisch zu
erfassen. Eine detaillierte Auswertung
hinsichtlich der Kinematik und dem zeit-
lich-variablen Deformationsverhalten der
Felsflanke ist noch ausständig.
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wurde eine Kombina-
tion von terrestrischer Radarinterfero-
metrie und terrestrischem Laserscanning
als Beispiel eines modernen Monitoring-
und Frühwarnsystems zur Untersuchung
von Massenbewegungen vorgestellt. Der
kombinierte Versuchsaufbau ermöglich-
te ein hochgenaues und flächenhaftes
(2D/3D) Monitoring von unterschiedli-
chen Prozessen (Deformationsverhalten
einer instabilen Felsflanke, Steinschlag-
frequenz und Intensität; Kriechverhalten
des Schuttkegels) welches durch den
Einsatz von klassischen Monitoringsys-
temen (Tachymetrie, GNSS, Extensome-
ter) nicht möglich ist. Die Schwächen der
einzelnen Methoden, wie die geringere
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Abbildung 3: GB-InSAR Messdaten: A) InSAR-Bild der Amplitude (24-Mittelwert) vom 30.11.2019;
A) InSAR-Bild der Amplitude (24-Mittelwert) vom 23.02.2020; C) Kohärenz zwischen zwei SAR-Bil-
dern vom 30.11.2019 und 23.02.2020; D) Radar-Interferogramm mit der Deformation im Zeitraum
30.11.2019 - 23.02.2020 in Blickrichtung (LOS) in mm.
Abbildung 4: Oberflächenveränderung durch
den Felssturz auf Basis des ALS-2018 und
TLS-2020 mit TLS-Scanpositionen und GB-
InSAR-Standort.
Abbildung 5: A) Foto des Hüttschlag-Felssturzes betrachtet vom Standort des GB-InSAR-Systems am 30.11.2019; B) Deformation in Blick-
richtung (LOS) für den Zeitraum 27.11.2019 -13.02.2020 in mm, projiziert auf das Foto. Die Messungen im Bereich des Blockschuttkegels
sind nicht repräsentativ, da die Bewegungen innerhalb der Messperiode zu schnell waren.
Messgenauigkeit von TLS können durch
den Einsatz von GB-InSAR-Systemen
ausgeglichen werden. Das vorgestellte
System bietet die Möglichkeit, geologi-
sche Naturgefahren, wie den Hüttschlag-
Felssturz, mit einer hohen zeitlichen und
räumlichen Auflösung zu untersuchen
und ermöglicht dadurch das Prozessver-
ständnis zu erhöhen und eine fundierte
Gefahrenbeurteilung durchzuführen.
Danksagung
Wir möchten der Gemeinde Hüttschlag
und dem Geologischen Dienst des Landes
Salzburg für die Unterstützung zu diesem
Projekt danken.
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