An Intelligent GIS-Based Approach to Flood Prediction and Mapping from Multiple Data Sources
Ein intelligenter, GIS-basierter Ansatz zur Hochwasservorhersage und -kartierung aus mehreren Datenquellen
Volodymyr Hnatushenko, Vita Kashtan, Viktoriia Hnatushenko
Accurate flood mapping is essential for disaster risk reduction, especially under increasingly frequent extreme rainfall events. This study presents a methodology that integrates geospatial, hydrometeorological, and remote sensing data with advanced machine learning to generate reliable flood zone maps. The approach combines Digital Elevation Model (DEM) derived indicators such as slope, curvature, and Topographic Wetness Index (TWI) with drainage density, land use, hydrographic networks, infrastructure data, and satellite imagery, along with precipitation and water level time series. The July 2021 flood in Klüsserath, Rhineland-Palatinate (Germany), was used as a case study. The performance of XGBoost, LightGBM, FocalLGBM, and their combinations was compared against the proposed integrated framework. While individual models achieved high accuracy, they showed limitations in delineating flood extents due to class imbalance and fragmented predictions. The integrated methodology achieved superior results, with an accuracy of 0.99, F1-score of 0.89, and IoU of 0.79, outperforming both single algorithms and combined models (e. g., LightGBM + FocalLGBM). Error analysis confirmed that the method maximizes true positives while minimizing false positives and negatives, ensuring greater reliability for decision-making. These results demonstrate that integrating heterogeneous data with spatial post-processing significantly improves the physical consistency of flood mapping and provides a robust tool for risk assessment, evacuation planning, and infrastructure protection.
Eine genaue Hochwasserkartierung ist für die Katastrophenvorsorge unerlässlich, insbesondere angesichts immer häufiger auftretender extremer Niederschlagsereignisse. Diese Studie stellt eine Methodik vor, die georäumliche Daten, hydrometeorologische Daten und Fernerkundungsdaten mit fortschrittlichem maschinellem Lernen integriert, um zuverlässige Hochwasserzonenkarten zu erstellen. Der Ansatz kombiniert aus Digitalen Höhenmodellen (DEM) abgeleitete Indikatoren wie Neigung, Krümmung und Topographischer Feuchtigkeitsindex (TWI) mit Entwässerungsdichte, Landnutzung, hydrographischen Netzwerken, Infrastrukturdaten und Satellitenbildern sowie Zeitreihen zu Niederschlag und Wasserstand. Als Fallstudie diente die Überschwemmung im Juli 2021 in Klüsserath, Rheinland-Pfalz (Deutschland). Die Leistung von XGBoost, LightGBM, FocalLGBM und deren Kombinationen wurde mit dem vorgeschlagenen integrierten Rahmen verglichen. Einzelne Modelle erzielten zwar eine hohe Genauigkeit, zeigten jedoch aufgrund von Klassenungleichgewichten und fragmentierten Vorhersagen Einschränkungen bei der Abgrenzung des Ausmaßes von Überschwemmungen. Die integrierte Methodik erzielte mit einer Genauigkeit von 0,99, einem F1-Score von 0,89 und einem IoU von 0,79 überlegene Ergebnisse und übertraf damit sowohl einzelne Algorithmen als auch kombinierte Modelle (z. B. LightGBM + FocalLGBM). Die Fehleranalyse bestätigte, dass die Methode die Anzahl der echten Positive maximiert und gleichzeitig die Anzahl der falschen Positive und Negative minimiert, wodurch eine höhere Zuverlässigkeit für die Entscheidungsfindung gewährleistet wird. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Integration heterogener Daten mit räumlicher Nachbearbeitung die physikalische Konsistenz der Hochwasserkartierung erheblich verbessert und ein robustes Werkzeug für die Risikobewertung, Evakuierungsplanung und den Schutz der Infrastruktur darstellt.
Keywords: Flood mapping; topographic features; boosting machine learning algorithms; remote sensing imagery
Schlüsselwörter: Hochwasserkartierung, topographische Merkmale, Boosting-Algorithmen für maschinelles Lernen, Fernerkundungsbilder
DOI: 10.14627/avn.2026.1.3
Der Volltext der aktuellen Artikel (< 3 Monate) aus dem Artikelarchiv steht für
avn-Abonnenten
nach dem Login
zur Verfügung.