Heute vormittag kam in einem OSM-Channel die Frage auf, wie man den Bereich ermitteln kann, den die Feuerwehr beim Löschen rund um einen Hydranten abdecken kann. Die Annahme war dabei, dass die Feuerwehr bis zu 250 Meter lange Schläuche legen kann – aber nur entlang von Wegen, also nicht „kreisförmig“ rund um den Hydrantenstandort. Dort, wo die Feuerwehr mit ihren Schläuchen nicht hinkommt, bietet sich ein größeres Risiko im Fall eines Brandes, oder im Umkehrschluss ein Potential für zusätzliche Hydranten.

Abb. 1: Von Hydranten versorgte und nicht versorgte Bereiche in Schrems, Niederösterreich. Schwarz hervorgehobene Gebäude und straffierte Bereiche liegen außerhalb der Erreichbarkeit von Hydranten (wobei im Nordwesten vermutlich noch keine Hydranten gemappt wurden).

Diese kleine Aufgabenstellung ist ein ideales Beispiel dafür, wie OSM-Daten für Geodatenanalysen verwendet werden können. Im OSM-Universum haben wir viele Werkzeuge zur Verfügung, um geografische Fragen mit einfachen Mitteln zu beantworten, beispielsweise Overpass (vor zwei Wochen erst zeigte beispielsweise Discostu36, wie man mit OSM-Daten Standorte für Grünpfeile für den Radverkehr ermitteln kann).

Heute möchte ich den Fokus mal auf QGIS lenken, ein freies Geoinformationssystem (GIS), das die meisten sicherlich kennen, aber nur die wenigsten aktiv nutzen. Dabei bringt QGIS von allen verfügbaren Mitteln sicherlich mit die meisten Analysemöglichkeiten mit und ist nach etwas Eingewöhnungszeit auch nicht schwer zu bedienen.

Vorbereitungen und Datenbezug

Der Fall unserer Hydranten ist eine einfache Erreichbarkeitsanalyse: Welchen Bereich kann ich innerhalb einer bestimmten Zeit oder einer bestimmten Distanz von einem Startpunkt aus erreichen? Zahlreiche Routing-Dienste können solche Isodistanzen ermitteln, man benötigt aber meist einen Zugang oder API-Key und muss oft auch Geld dafür zahlen. Mit den nativen Werkzeugen von QGIS kann man das Ergebnis jedoch in wenigen Schritten selbst ermitteln und braucht noch nicht mal Plugins dafür (von denen es einige für Isochronen-Auswertungen gibt).

1) Daten herunterladen und in QGIS öffnen: Über Werkzeuge wie Overpass Turbo, das Quick-OSM-Plugin von QGIS oder die Geofabrik-Downloads kann man gezielt gewünschte OSM-Daten beziehen – in unserem Fall reicht eine einfache Overpass-Abfrage für Hydranten, das Wegenetz und optional noch Gebäude. Die extrahierten Daten lassen sich in Overpass Turbo als GeoJSON in einem Geodatenformat abspeichern und direkt in QGIS öffnen.

2) Daten reprojizieren: Um Entfernungen in Metern zu ermitteln, kommen wir nicht drumrum, die Daten vorher in ein metrisches Koordinatensystem umzuwandeln (schließlich liegen die Schläuche unserer Feuerwehr flach auf dem Boden und werden in Metern gemessen – und nicht in Breiten- und Längengraden auf der runden Erdkugel). In Mitteleuropa sind das beispielsweise die UTM-Zonen 32 oder 33. Also das QGIS-Werkzeug „Layer reprojizieren“ (reproject layer) auswählen und unter „Ziel-KBS“ das gewünschte System auswählen (z. B. „EPSG:25833“ für die UTM-Zone 33).

Anmerkung: Viele wichtige Werkzeuge lassen sich in QGIS über die Menüleiste erreichen, z. B. unter „Vektor“. Eine vollständige Liste aller Werkzeuge bietet die Verarbeitungswerkzeuge-Ansicht, die sich über „Ansicht” > „Bedienfelder“ > „Verarbeitungswerkzeuge“ einblenden lässt.

Erreichbarkeit von Hydranten ermitteln

3) Welche Bereiche werden von Hydranten versorgt? Zum nativen Funktionsumfang von QGIS gehört das Werkzeug „Dienstbereich (aus Layer)“ (service area from layer), welches uns die eigentliche Erreichbareitsanalyse ermöglicht. Als „Netzwerk-Vektorlayer“ wählen wir das Straßennetz, als „Startpunkt-Vektorlayer“ die Hydranten. Der „zu berechnende Wegetyp“ bleibt bei „kürzester“, und als „Reisekosten“ geben wir unsere maximale Schlauchlänge, also 250 Meter ein. Als Ergebnis erhalten wir je Hydrant ein Wegenetz, welches er „abdecken“ kann – und alle Wegenetze zusammen ergeben den Gesamtbereich, der in dieser Gemeinde über Hydranten mit Löschwasser versorgt werden kann.

4) Welche Bereiche werden im Umkehrschluss nicht von Hydranten versorgt? Ziehen wir diesen gesamten versorgten Bereich von unserem Eingangs-Wegenetz ab, erhalten wir die Bereiche, welche nicht mit Hydranten versorgt sind. Bevor wir diese Differenz ermitteln, sollten wir die versorgten Bereiche um einen kleinen Betrag puffern und somit von Linien in eine (dünne) Fläche umwandeln – so stellen wir sicher, dass die versorgten Bereiche geometrisch zuverlässig aus unserem Wegenetz ausgeschnitten werden: Werkzeug „Puffer“ (buffer) auf den Dienstbereich anwenden und als Abstand z. B. einen Meter auswählen.

Es entstehen viele Einzelflächen, die wir über „Auflösen“ (dissolve) zu einer Einzelfläche verschmelzen können. Dann die Differenz (difference) mit dem Wegenatz als Eingabelayer und dem leicht gepufferten Versorgungsbereich als Überlagerungslayer anwenden.

Abb. 2: „Dienstbereich“ eines beispielhaften Hydranten, unter der Annahme, dass man von ihm aus eine Schlauchstrecke von 250 Metern länge anlegen kann. Für das letzte Haus einer Stichstraße kann es im Brandfall knapp werden.

Nicht erreichte Gebäude: Potentielle neue Hydrantenstandorte

5) Welche Gebäude können im Brandfall nicht von Hydranten erreicht werden? Als Zugabe können wir nun noch Gebäude identifizieren, die im Brandfall nicht mit Löschwasser aus Hydranten erreicht werden können. Dafür gibt es verschiedenstee Möglichkeiten: Mit zusätzlichen Isochronen-Plugins für QGIS (siehe unten) ließen sich die versorgten Bereiche beispielsweise direkt als Flächen abbilden und man müsste nur prüfen, welche Gebäude außerhalb dieser Flächen liegen. Wir wollen aber lieber streng vom Wegenetz ausgehen und könnten statt dessen abfragen, ob die jeweils nächstgelegene Straße versorgt oder unversorgt ist – müssten dann aber noch Entfernungen zu dieser Straße bzw. zum nächsten Hydranten berücksichtigen.

Eine sehr einfache Alternative ist, für jedes Gebäude zu ermitteln, ob es fernab versorgter Wege liegt. Dafür die Gebäude um einen größeren Betrag (z.B. 50 Meter) puffern, sodass die Puffer in den meisten Fällen den nächstgelegenen Weg erreichen. Dann alle Puffer „nach Position extrahieren“ (extract by location), die „getrennt“ (disjoint) von den versorgten Bereichen sind. Die übrig bleibenden Puffer kann man wieder um -50 Meter puffern (also schrumpfen) und aus den originalen Gebäuden diejenigen auswählen („Nach Position extrahieren“), die diese schneiden (intersect).

Der Nachteil dieser Variante: Manche Gebäude sind weiter als 50 Meter vom nächstgelegenen Weg entfernt aber dennoch nah genug an einem Hydranten bzw. versorgten Straße. Diese würden als unversorgte Gebäude identifiziert werden, fallen in einer manuellen Nachkontrolle des Ergebnisses aber leicht auf und können bei Bedarf aus dem Ergebnis gelöscht werden.

6) Wo werden weitere Hydranten benötigt? Aus den identifizierten, nicht mit Hydranten versorgten Gebäuden ergeben sich potentielle neue Hydrantenstandorte – idealerweise im Umfeld dieser Gebäude. Daher lassen sich mögliche Standorte einfach identifizieren, in dem die unversorgten Gebäude wieder mit einem Puffer (z. B. 125 Meter oder maximal 250 Meter) versehen werden – innerhalb dieser Fläche fehlen Hydranten (oder sind einfach noch nicht in OSM erfasst).

Abb. 3: Unversorgte Gebäude und Potentialflächen für Hydranten.

Ausblick: Weitere Analysemöglichkeiten

Nach dem die Frage beantwortet war, wo möglicherweise Hydranten fehlen, kam gleich die nächste interessante Frage auf: Bei unterschiedlichen Einsätzen werden auch unterschiedliche (Feuerwehr-)Fahrzeuge bzw. Ausrüstungen benötigt. Nicht jedes Feuerwehrfahrzeug hat jede Ausrüstung an Bord. Lässt sich im Notfall auch ermitteln, welche Feuerwache mit dieser Ausrüstung den kürzesten Weg zum Einsatzort hat? Professionelle Einsatzleitsysteme, die insbesondere für ihr Routing teils auf OSM-Daten zurückgreifen, können diese Frage vermutlich in Echtzeit beantworten. Aber in kleineren Gemeinden kann auch dies eine einfache GIS-Frage sein.

Spätestens hier sollte man sich mit Plugins für Erreichbarkeits- und Netzwerkanalysen in QGIS beschäftigen, beispielsweise die ORS Tools des OpenRouteService. Sie bieten erweiterte Möglichkeiten für Erreichbarkeitsanalysen, beispielsweise die Generierung von Isochronen-Flächen. Hier in die Details einzusteigen soll aber nicht Gegenstand dieses Blogbeitrags sein.

Abb. 4: Isochronen für zwei ausgewählte Rettungswachen. Angenommen, diese beiden Wachen besitzen eine bestimmte Aussattung, die im Notfall benötigt wird: Welche liegt am nächsten am Einsatzort?

Ich hoffe aber, das Praxisbeispiel konnte veranschaulichen, welche Analysemöglichkeiten OSM im Zusammenspiel mit QGIS mit relativ einfachen Mitteln bietet. Den Möglichkeiten sind dabei kaum Grenzen gesetzt, solange eine ausreichende Diche an OSM-Daten vorhanden ist: Vielleicht lohnt sich mal ein Blick darauf, wo in eurer Gegend die Dichte der Spielplätze, Restaurants oder Ein-Euro-Shops am höchsten ist? Wo gibt es Wohngebiete, die nicht mit dem Nahverkehr erreichbar sind oder in denen man nicht im Supermarkt einkaufen kann? Wo in einer Stadt gibt es viele Parkplätze, aber keine Straßenbäume? Sicherlich habt ihr eigene Ideen oder habt schonmal über eigene Auswertungen nachgedacht oder diese durchgeführt und könnt darüber berichten.