Case Study
Hexagons hochauflösende Luftbilder und Höhendaten als Grundlage nachhaltigen Wasserverbrauchs in Südkalifornien
Hochpräzise Luftbilddaten unterstützen den Rancho California Water District bei der Umsetzung von Wasserschutzinitiativen sowie Erfüllung von Regularien, wie beispielsweise das Bewässerungsverbot von nicht-funktionellen Rasenflächen bei Dürreperioden. Durch die Nutzung dieser detaillierten Daten lässt sich die Förderung nachhaltigen Wasserverbrauchs optimieren.
Kevin Corbley
Berater für Geodäsie und Start-ups bei Corbley Communications Inc., Colorado, USA.
Der Rancho California Water District (Rancho Water) versorgt eine Bevölkerung von mehr als 150.000 Einwohnern auf einer Fläche von rund 40.500 Hektar, welche die Stadt Temecula, Teile der Stadt Murrieta und nicht eingemeindete Gebiete des Riverside County umfasst. Südöstlich von Los Angeles gelegen, wird die Wasser- und Abwasserversorgung des Bezirks über 39 Reservoirs verteilt, die sowohl aus natürlichen Quellen als auch aus Aufbereitungsanlagen gespeist werden.
Wie vom California Department of Water Resources (DWR) vorgeschrieben, hält sich Rancho Water im täglichen Betrieb an verantwortungsvollen und nachhaltigen Wasserverbrauch. In Dürrezeiten gelten noch strengere Richtlinien. Dies war Anfang 2023 der Fall, als das Versorgungsgebiet von Rancho Water – wie ein Großteil des gesamten Bundesstaates – mit den Folgen lang anhaltender niederschlagsarmer Perioden und wiederkehrender Dürreperioden zu kämpfen hatte, die durch den Klimawandel noch verschärft wurden. Angesichts der Wasserknappheit sahen sich die Behörden gezwungen, entsprechende Maßnahmen zu treffen, um für künftige Perioden mit eingeschränkter Wasserversorgung gewappnet zu sein.
Im Rahmen seiner Initiative zur Einhaltung der Wasserschutzgesetze und Vorbereitung einer bevorstehenden Tarifstudie für Wasserpreise hat der Bezirk ein Projekt zur Identifikation nicht-funktionell genutzter Rasenflächen ins Leben gerufen. Zusätzlich zielte die Analyse darauf ab, den Wasserbedarf parzelliert in Verbindung mit verschiedenen Landbedeckungstypen zu ermitteln.
Für die Erstellung von Karten zur Klassifikation der Bodenbedeckung sowie der bewässerten Flächen für den gesamten Bezirk hat Rancho Water einen Resale-Partner aus dem Hexagon Content Program, DCSE Inc. aus Laguna Hills in Kalifornien, beauftragt. DCSE ist ein Ingenieur-, GIS- und IT-Beratungsunternehmen, das sich auf die Entwicklung von Wasser-, Abwasser- und Nachhaltigkeitslösungen für Versorger und Regierungsbehörden spezialisiert hat. Das Rancho Water-Projekt startete im Frühjahr 2023.
Größe des Rancho California Water District
Abbildung 1. Bei Verwendung von Luftbildern mit einer 60-Zentimeter-Auflösung (links) zur Erstellung der Karte für Bodenbedeckung (rechts) klassifizierte das Modell die Bäume fälschlicherweise als Gras. (Quelle: DCSE, Inc.)
Genauigkeitsgrad von Luftbildern mit einer Auflösung von 60 Zentimetern
KLASSIFIKATION DER BODENBEDECKUNG FÜR DEN WASSERSCHUTZ
Die Inititiativen zur Wassernachhaltigkeit in Kalifornien beinhalten die Einbindung der Bürger auf allen Ebenen, insbesondere auch der privaten Hausbesitzer. Da private Haushalte, insbesondere solche mit Rasenflächen, einen hohen Wasserverbauch aufweisen, konzentriert sich der Berechnungsprozess darauf, die Flächen von Bäumen, Rasen, Pools, Dächern, unbebautem Land, undurchlässigen Oberflächen (z. B. Einfahrten, Terrassen) und Kunstrasen in jeder dieser Parzellen zu identifizieren und zu vermessen. Die Informationen dienen dazu, Bewässerungspläne zu erstellen und sogar Programme zu Rasenerneuerung und Rückerstattung für Hausbesitzer zu verwalten.
Außerdem wollte der Bezirk nicht-funktionelle Rasenflächen identifizieren, die nur der Dekoration dienen, wie beispielsweise Mittelstreifen. Im Gegensatz zum Gartenbereich von Wohnimmobilien erfüllt diese Art des Rasens nur den Zweck der Ästhetik. Die Identifikation dieser Flächen ist wichtig, da die jüngste Gesetzgebung des Bundesstaates die Nutzung von Trinkwasser für deren Bewässerung verbietet, selbst außerhalb von Dürreperioden.
DCSE hatte bereits an ähnlichen, vom DWR ausgeschriebenen Projekten im Bundesstaat gearbeitet und ist deshalb kompetenter Partner, wenn es um Berechnungen von Bodenbedeckung geht. Für einen früheren Auftrag hatte die Firma kostenlose Bilddaten vom US-Ministerium für Landwirtschaft erhalten. Erstellt aus luftgestützten Aufnahmen, bietet dieser Vier-Band-Rasterdatensatz (RGBN) eine räumliche Auflösung von 60 Zentimetern.
Die Fernerkundungsanalysten bei DCSE setzten KI-gestützte Klassifikationsmodelle ein, um die gewünschten Landnutzungsdaten zu erhalten. Der Prozess identifizierte die verschiedenen Klassen mit einer durchschnittlichen Genauigkeitsrate von 94 %. Bei genauerem Hinsehen stellten die Wissenschafler allerdings ein Problem fest. Grasrasen und Bäume wurden mit unakzeptablen Fehlerquoten miteinander verwechselt, wobei die Klassifikationsgenauigkeiten im Durchschnitt zwischen 85 % und 93 % lagen.
Die ähnlichen spektralen Signaturen von gesundem Gras und Laubbäumen führten zu dieser Fehlklassifikation. „Das sind gute Ergebnisse, aber keine hervorragenden, insbesondere auf der Parzellenebene“, sagte Dr. Tarlan Razzaghi, Remote Sensing Manager bei DCSE. "Die Darstellung von bewässertem Rasen und Bäumen in einer Klasse wäre entsprechend den Anforderungen des DWR zwar akzeptabel, aber einige Bezirke möchten Gras und Rasen separat klassifiziert haben."
Rancho Water war einer jener Bezirke, die eine genaue Rasenflächenvermessung benötigten. Zum einen lassen sich mit dieser Analyse zu finanzieller Unterstützung berechtigte Kunden identifizieren, die ihren Rasen durch entsprechend nachhaltige Pflanzen ersetzen. Das Rasenersatzprogramm definiert die Anreizbeträge basierend auf der Quadratmeterzahl des ersetzten Rasens. Zum anderen verlangte der Bezirk hinsichtlich der Einhaltung staatlicher Bewässerungsvorschriften nicht-funktioneller Flächen eine genaue Vermessung dieser Klasse.
Abbildung 2. Nach dem Einsatz von 15-Zentimeter-Luftbildern und Höhendaten wurden die in Abbildung 1 falsch klassifizierten Bäume korrekt klassifiziert, und die Rasenflächen sowie die dekorativen Rasenstreifen wurden detailgenauer dargestellt. (Quelle: DCSE, Inc.)
SENKUNG DES WASSERVERBRAUCHS DANK HOCHWERTIGER LUFTBILDDATEN
Aufgrund der von Rancho Water definierten Genauigkeitsanforderungen entschied sich DCSE dafür, höherwertige Datensätze aus dem Hexagon Content Program zu verarbeiten. Diese umfangreiche Bibliothek hochauflösender Luftbild- und Höhendaten wurde im Jahr 2022 für den gesamten Bundesstaat Kalifornien aktualisiert. Der Datenbestand steht für zeitliche Konsistenz und hohe Genauigkeit über große geografische Gebiete hinweg, da die Luftaufnahmen nur in Perioden mit hohem Sonnenstand und unter dunst- und wolkenfreien Bedingungen durchgeführt werden.
DCSE erhielt Hexagons 15-Zentimeter, Vier-Band-Luft-Orthobilder, die den Bezirk abdecken, zusammen mit einem Digitalen Oberflächenmodell (DOM) mit 15 cm Genauigkeit. Die Wissenschaftler wendeten dieselben Klassifikationsmodelle an, um Klassen anhand spektraler Signaturen in der Orthobildgebung zu unterscheiden. Sie haben jedoch auch einen Höhenfilter unter Verwendung der DOM-Daten erstellt. Dieser trennte die Rasen- und Baumflächen basierend auf ihrer Höhe im DOM, wobei 1,5 Meter als Schwellenwert dienten.
„Mit den hochauflösenden Luftbildern des Hexagon Content Programs und den DOM überstieg die Genauigkeit für Rasen- als auch Baumklassen 96 %“, sagte Razzaghi. „Außerdem verbesserte sich die Genauigkeit der Flächenmessungen durch Einsatz der detailgenaueren 15-cm-Bilddaten von Hexagon im Vergleich zu den kostenlosen 60-cm-Bilddaten.“
„Dank der genauen Klassifikationen und Messungen, die durch Hexagons hochauflösende Bilder und Höhendaten bereitgestellt werden, können Bezirke staatliche Vorgaben erfüllen und gleichzeitig faire und gerechte Dienstleistungen für Verbraucher erbringen“, sagt Liviu Rosu, GIS-Coordinator bei Rancho Water.
DCSE lieferte die Klassifikationsdaten an Rancho Water in Form von Vektoren und Tabellen. Alle Ergebnisse wurden auf der Ebene einzelner Parzellen-Polygone tabelliert. Bei deren Eingabe in die GIS-Anwendung des Bezirks wurden die Klassen und Messungen den spezifischen Grundstücksadressen zugeordnet. Darüber hinaus konnte der Bezirk Rasenflächen auf nicht-wohnwirtschaftlich genutzten Grundstücken als nicht-funktionellen Rasen kategorisieren.
„Wie das Rancho Water-Projekt zeigt, hat die Verbesserung der Nachhaltigkeit bei Lösungen, die Hexagon für kritische Branchen weltweit entwickelt, oberste Priorität“, sagte John Welter, President Geospatial Content Solutions, bei Hexagons Geosystems Division. „Unser Ziel ist es, Daten in dem Maße bereitzustellen, dass Kunden Umweltressourcen intelligenter nutzen können.“
Genauigkeitsgrad von hochauflösenden Luftbildern aus dem Hexagon Content Program und DOM.
