Towards urban pluvial flood mapping using data-driven models | Kartierung städtischer Überschwemmungen mit datengesteuerten Modellen

English. Casualties and damages from urban pluvial flooding are increasing. Triggered by short, localized, and intensive rainfall events, urban pluvial floods can occur anywhere, even in areas without a history of flooding. Urban pluvial floods have relatively small temporal and spatial scales. Although cumulative losses from urban pluvial floods are comparable, most flood risk management and mitigation strategies focus on fluvial and coastal flooding. Numerical-physical-hydrodynamic models are considered the best tool to represent the complex nature of urban pluvial floods; however, they are computationally expensive and time-consuming. These sophisticated models make large-scale analysis and operational forecasting prohibitive. Therefore, it is crucial to evaluate and benchmark the performance of other alternative methods. The findings of this cumulative thesis are represented in three research articles. The first study evaluates two topographic-based methods to map urban pluvial flooding, fill–spill–merge (FSM) and topographic wetness index (TWI), by comparing them against a sophisticated hydrodynamic model. The FSM method identifies flood-prone areas within topographic depressions while the TWI method employs maximum likelihood estimation to calibrate a TWI threshold (τ) based on inundation maps from the 2D hydrodynamic model. The results point out that the FSM method outperforms the TWI method. The study highlights then the advantage and limitations of both methods. Data-driven models provide a promising alternative to computationally expensive hydrodynamic models. However, the literature lacks benchmarking studies to evaluate the different models' performance, advantages and limitations. Model transferability in space is a crucial problem. Most studies focus on river flooding, likely due to the relative availability of flow and rain gauge records for training and validation. Furthermore, they consider these models as black boxes. The second study uses a flood inventory for the city of Berlin and 11 predictive features which potentially indicate an increased pluvial flooding hazard to map urban pluvial flood susceptibility using a convolutional neural network (CNN), an artificial neural network (ANN) and the benchmarking machine learning models random forest (RF) and support vector machine (SVM). I investigate the influence of spatial resolution on the implemented models, the models' transferability in space and the importance of the predictive features. The results show that all models perform well and the RF models are superior to the other models within and outside the training domain. The models developed using fine spatial resolution (2 and 5 m) could better identify flood-prone areas. Finally, the results point out that aspect is the most important predictive feature for the CNN models, and altitude is for the other models. While flood susceptibility maps identify flood-prone areas, they do not represent flood variables such as velocity and depth which are necessary for effective flood risk management. To address this, the third study investigates data-driven models' transferability to predict urban pluvial floodwater depth and the models' ability to enhance their predictions using transfer learning techniques. It compares the performance of RF (the best-performing model in the previous study) and CNN models using 12 predictive features and output from a hydrodynamic model. The findings in the third study suggest that while CNN models tend to generalise and smooth the target function on the training dataset, RF models suffer from overfitting. Hence, RF models are superior for predictions inside the training domains but fail outside them while CNN models could control the relative loss in performance outside the training domains. Finally, the CNN models benefit more from transfer learning techniques than RF models, boosting their performance outside training domains. In conclusion, this thesis has evaluated both topographic-based methods and data-driven models to map urban pluvial flooding. However, further studies are crucial to have methods that completely overcome the limitation of 2D hydrodynamic models.

German. Die Zahl der Todesopfer und Schäden durch Überschwemmungen in Städten nimmt zu. Ausgelöst durch kurze, lokal begrenzte und intensive Niederschlagsereignisse können urbane pluviale Überschwemmungen überall auftreten - sogar in Gebieten, in denen es in der Vergangenheit keine Überschwemmungen gab. Urbane pluviale Überschwemmungen haben eine relativ geringe zeitliche und räumliche Ausdehnung. Obwohl die kumulativen Verluste durch urbane pluviale Überschwemmungen vergleichbar sind, konzentrieren sich die meisten Hochwasserrisikomanagement- und -minderungsstrategien auf Fluss- und Küstenüberschwemmungen. Numerisch-physikalisch-hydrodynamische Modelle gelten als das beste Instrument zur Darstellung der komplexen Natur städtischer pluvialer Überschwemmungen; sie sind jedoch rechenintensiv und zeitaufwändig. Diese anspruchsvollen Modelle machen groß angelegte Analysen und operationelle Vorhersagen unerschwinglich. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Leistung anderer Methoden zu bewerten und zu vergleichen, die komplexe hydrodynamische Modelle ersetzen könnten. Die Ergebnisse dieser kumulativen Arbeit werden in drei Forschungsartikeln dargestellt. In der ersten Studie bewerte ich zwei topografiebasierte Methoden zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten, die Fill-Spill-Merge-Methode (FSM) und den topografischen Nässeindex (TWI), indem ich sie mit einem hochentwickelten hydrodynamischen Modell vergleiche. Die FSM-Methode identifiziert überschwemmungsgefährdete Gebiete innerhalb topografischer Senken, während die TWI-Methode eine Maximum-Likelihood-Schätzung verwendet, um einen TWI-Schwellenwert (τ) auf der Grundlage von Überschwemmungskarten aus dem hydrodynamischen 2D-Modell zu kalibrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die FSM-Methode die TWI-Methode übertrifft. Anschließend werden die Vorteile und Grenzen beider Methoden aufgezeigt. Datengesteuerte Modelle stellen eine vielversprechende Alternative zu rechenintensiven hydrodynamischen Modellen dar. In der Literatur fehlt es jedoch an Benchmarking-Studien zur Bewertung der Leistung, Vorteile und Grenzen der verschiedenen Modelle. Die räumliche Übertragbarkeit von Modellen ist ein entscheidendes Problem. Die meisten Studien konzentrieren sich auf Flussüberschwemmungen, was wahrscheinlich auf die relative Verfügbarkeit von Abfluss- und Regenmesserdaten für Training und Validierung zurückzuführen ist. Außerdem betrachten sie diese Modelle als Black Boxes. In der zweiten Studie verwende ich ein Hochwasserinventar für die Stadt Berlin und 11 prädiktive Merkmale, die potenziell auf eine erhöhte pluviale Hochwassergefahr hinweisen, um die Anfälligkeit für pluviale Überschwemmungen in Städten zu kartieren. Dazu verwende ich ein Faltungsneuronales Netzwerk (CNN), ein Künstliches Neuronales Netzwerk (ANN) und die Benchmarking-Modelle Random Forest (RF) und Support Vector Machine (SVM). Ich untersuche den Einfluss der räumlichen Auflösung auf die implementierten Modelle, die Übertragbarkeit der Modelle im Raum und die Bedeutung der prädiktiven Merkmale. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Modelle gut abschneiden und die RF-Modelle den anderen Modellen innerhalb und außerhalb des Trainingsbereichs überlegen sind. Die Modelle, die mit feiner räumlicher Auflösung (2 und 5 m) entwickelt wurden, konnten hochwassergefährdete Gebiete besser identifizieren. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass der Aspekt das wichtigste Vorhersagemerkmal für die CNN-Modelle ist, und die Höhe für die anderen Modelle. Während Hochwasseranfälligkeitskarten überschwemmungsgefährdete Gebiete identifizieren, stellen sie keine Hochwasservariablen wie Geschwindigkeit und Wassertiefe dar, die für ein effektives Hochwasserrisikomanagement notwendig sind. Um dieses Problem anzugehen, untersuche ich in der dritten Studie die Übertragbarkeit datengesteuerter Modelle auf die Vorhersage der Überschwemmungstiefe in städtischen Gebieten und die Fähigkeit der Modelle, ihre Vorhersagen durch Transfer-Learning-Techniken zu verbessern. Ich vergleiche die Leistung von RF- (das beste Modell in der vorherigen Studie) und CNN-Modellen anhand von 12 Vorhersagemerkmalen und den Ergebnissen eines hydrodynamischen Modells. Die Ergebnisse der dritten Studie deuten darauf hin, dass CNN-Modelle dazu neigen, die Zielfunktion auf dem Trainingsdatensatz zu verallgemeinern und zu glätten, während RF-Modelle unter Overfitting leiden. Daher sind RF-Modelle für Vorhersagen innerhalb der Trainingsbereiche überlegen, versagen aber außerhalb davon, während CNN-Modelle den relativen Leistungsverlust außerhalb der Trainingsdomänen kontrollieren können. Schließlich profitieren die CNN-Modelle mehr von Transfer-Learning-Techniken als RF-Modelle, was ihre Leistung außerhalb der Trainingsbereiche erhöht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit sowohl topografiebasierte Methoden als auch datengesteuerte Modelle zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten bewertet wurden. Weitere Studien sind jedoch von entscheidender Bedeutung, um Methoden zu entwickeln, die die Beschränkungen von 2D-hydrodynamischen Modellen vollständig überwinden.