122
Nicole KAMP, Bakk. rer. nat. (0560512) USING HIGHRESOLUTION AIRBORNE LIDARDATA FOR LANDSLIDE MAPPING IN THE EASTERN ALPS Master’s Thesis for the Degree of Master of Natural Science Submitted to the Institute of Geography and Regional Science University of Graz, Austria Advised by Univ.Prof. Dr. rer. nat. Oliver Sass Graz, 2012

USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

 

Nicole KAMP, Bakk. rer. nat. 

(0560512) 

 

 

USING HIGH‐RESOLUTION AIRBORNE LIDAR‐DATA 

FOR LANDSLIDE MAPPING IN THE EASTERN ALPS 

 

 

 

Master’s Thesis 

 

 

for the Degree of 

Master of Natural Science 

 

 

Submitted to the 

Institute of Geography and Regional Science 

University of Graz, Austria 

 

 

Advised by 

Univ.‐Prof. Dr. rer. nat. Oliver Sass 

 

 

 

Graz, 2012 

Page 2: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2 / 122 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This work is dedicated to my grandparents,  

Ferdinand E. Scheiber (1936 – 2009) and Augustine Scheiber (1932 – 2012),  

who passed away much too early and who I miss every single day! 

 

   

Page 3: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

      

3 / 122 

 

 

 

 

Declaration 

I hereby declare that the work in this master’s thesis is the result of my own investigation, except 

where otherwise stated. Neither the entirety of this thesis, nor any parts contained within it, has 

been previously accepted or is simultaneously being submitted for any other degree. 

 

 

 

__________________________ 

Nicole Kamp 

Graz, May 2012   

Page 4: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

      

4 / 122 

Preface and Acknowledgments 

 

This master’s thesis was written within the scope of the perennial LiDAR campaign (2008 – 2012) 

of  the  Provincial  Government  of  Styria,  Board  of  Works  –  Geoinformation  Staff  Office.  The 

Geoinformation Staff Office also provided the LiDAR and vector data used in this thesis, as well as 

the ArcGIS 10.0 Software Package, including ArcInfo License and Licenses for 3D – Analyst, Spatial 

Analyst  and  LP360  Extensions.  Further  scientific  assistance  on  the  part  of  the  Provincial 

Government  of  Styria,  Board  of Works  –  Geoinformation  Staff  Office  was  given  by  DI  Rudolf 

Huetter. 

 

Since  the  beginning  of  my  studies  at  the  Alpen‐Adria  University  of  Klagenfurt,  Institute  of 

Geography and Regional Studies, my main concern has been with GIS and Remote Sensing. The 

bachelor  study at  this University provided a good basic knowledge  in  these  two  research  fields.  

During my master’s study at the University of Graz,  Institute of Geography and Regional Science 

my main  focus has been with geomorphology and processes of  the earth‐surface.   Since March 

2010  I  have  had  the  chance  to  be  involved  in  the  Styrian  LiDAR  campaign.  This  cooperation 

delivers  a wide  basic  knowledge  of  techniques  in GIS  analysis  using  ArcGIS  software  products, 

programming with  Python  scripts,  and  utilizing  different  aspects  of  airborne  laser  scanning.  By 

combining  this  basic  knowledge  in  GIS  and  Remote  Sensing  with my  interests  for  LiDAR  and 

geomorphological  processes my master  thesis  entitled  "Using  High‐Resolution  Airborne  LiDAR‐

Data for Landslide Mapping in the Eastern Alps" was born. Internationalisation is the main reason 

for choosing English as the language for my thesis. 

 

I  would  like  to  thank  the  staff  of  the  Provincial  Government  of  Styria,  Board  of  Works  – 

Geoinformation Staff Office, especially DI Rudolf L. Huetter, for his assistance with all my software 

and  LiDAR problems and DI Babara Piskaty, who helped me with all mathematical and  remote 

sensing  problems,  Mag.  Bernadette  Kreuzer  for  helping  me  with  cartographic  and  layout 

questions and Mag. Susanne Tiefengraber for allowing me to use her archaeological sites ‐ vector‐

dataset. 

 

I would also  like to thank Professor Dr. rer. nat. Oliver Sass for supervising my thesis and for his 

patience. 

Page 5: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

      

5 / 122 

Special  thanks  to  both  DI  Joachim  Niemeyer,  Leibniz  University  of  Hannover,  Institute  of 

Photogrammetry and Geoinformation and Dr. Martin Rutzinger, University of Innsbruck, Institute 

of Geography, for helping me with the edge detection tool and for allowing me to implement their 

approaches  in my  tools,  to Dr.  Jeff  Jenness, a US American wildlife biologist and GIS analyst  for 

allowing me  to  use  and  implement  his  ArcGIS  Landfacet  Corridor  Tool  in my  ArcGIS  Landslide 

Mapping  Toolbox  and  Mark  Sappington,  a  US  American  GIS  specialist  from  

Lake Mead National Recreation Area, Nevada  for allowing me  to adapt his  “Vector Ruggedness 

Measure” python script for my research. 

 

I  would  also  like  to  thank  Dr.  Christian  Bauer,  Joanneum  Research  and  Dr.  Ingomar  Fritz, 

Universalmueum  Joanneum, Geology and Palaeontology  for giving me assistance  in  the  field of 

geomorphology and mass‐denudations, Dr. Bernhard Hoefle, University of Heidelberg, Institute of 

Geography  for  sending me  information  about  geomorphology  and  its  application  in  LiDAR,  and 

Dustin Hoover, University of Arkansas at Fayetteville, Department of Geosciences and Matthew 

Balazs, University of Alaska Fairbanks, Department of Geology and Geophysics  for proofreading 

my master’s thesis. 

 

Last, but not least very special thanks go to my family, friends and to my boyfriend Michael Haid 

for everything they did for me. Without them I would not be where I am now. 

 

Page 6: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

      

6 / 122 

Abstract 

Using High‐Resolution Airborne LiDAR‐Data for Landslide Mapping in the Eastern Alps (Province 

of Styria, Austria) 

   

Key Words: LiDAR, Geomorphology, Landslides, Raster, DTM, Extraction  

 

Due  to  the  increasing  frequency  of  natural  disasters  like  floods  and  landslides,  the  active  remote  sensing 

technique  LiDAR  (Light  Detection  and  Ranging),  has  become  a  topic  of  great  interest  to  the  Provincial 

Government of Styria, Federal Republic of Austria. In an on‐going project from 2008 to 2012 high‐resolution 3D 

airborne LiDAR data of the Province of Styria, an area about 16,000 km² in south‐eastern Austria, were collected 

with a vertical accuracy of ±15 cm and a positional accuracy of ±40 cm. These data were processed  to create 

Digital Terrain Models (DTM) and Digital Surface Models (DSM) at 1 m resolution.  

 

High  resolution  DTMs  can  be  used  in  different  geo‐related  applications  like  geomorphological  mapping  or 

natural  hazard  mapping.  Because  of  their  high  degree  of  accuracy,  DTMs  depict  various  natural  and 

anthropogenic terrain features such as erosion scarps, alluvial fans, landslides, old creeks, topographic edges and 

karst formations, as well as walking paths and roads. Additionally LiDAR data allows the detection and outlining 

of these different geomorphological and anthropogenic  features within a GIS environment, geoprocessing and 

analysing  techniques, mathematical, statistical, and  image processing methods, and  the open source scripting 

language  Python.  As  a  result  complex workflows  and  new  geoprocessing  tools  can  be  implemented  in  the 

standard ArcGIS workspace and are provided as easy‐to‐use toolbox contents. 

 

The  landslide phenomena  take  centre  stage of  the  research work of  the author. Therefore  the main  focus  is 

targeted on  sliding movements out of  soils and bedrock with different  velocities.  Factors  like gravity directly 

affect slope stability and cause complex mass movements with a downslope‐directed sliding movement of bed‐ 

and/or loose‐rock and soil material. 

 

On the following pages the author presents the results of her master’s thesis, a semi‐automatic ArcGIS landslide 

mapping  toolbox using high‐resolution  LiDAR data  in  the  rock masses of  the Eastern Alps  (Province of Styria, 

Austria).  This  toolbox  is  based  on  analysing  and modeling  different  land  surface  parameters  such  as  slope, 

variance of slope, curvature or roughness. The ArcGIS Landslide Mapping Tool points out endangered regions in 

the Province of Styria and shows the quantity of landslides in a specific area. 

   

Page 7: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

      

7 / 122 

Kurzfassung 

Anwendung von hochauflösenden Airborne LiDAR Daten zur Kartierung von Hangrutschungen in 

den Ostalpen 

 

Schlüsselwörter: LiDAR, Geomorphologie, Hangrutschungen, Raster, DTM, Extraktion 

 

Die  Steiermärkische  Landesregierung,  Landesbaudirektion  ‐  Stabsstelle Geoinformation  startete  aufgrund  der 

ständigen  Zunahme  von  Naturkatastrophen  wie  Hochwasserkatastrophen  oder  Hangrutschungen  eine 

mehrjährige Airborne LiDAR (Light Detection and Ranging) Befliegungskampagne im Zeitraum 2008 bis 2012. Im 

Zuge  dieses  Projekts wurden  hoch‐auflösende  3D  Airborne  LiDAR  Daten  der  gesamten  Steiermark mit  einer 

Fläche  von  über  16.000  km²  in  Südost‐Österreich  und  einer  vertikalen  Genauigkeit  von    ±15  cm  und  einer 

Lagegenauigkeit  von  ±40  cm,  gesammelt.  Diese  Daten  werden  zu  Digitalen  Gelände Modellen  (DGM)  und 

Digitalen Oberflächen Modellen mit einer Auflösungen von 1 m weiterverarbeitet. 

 

Durch die hohe Auflösung eignen  sich diese Daten hervorragend  für die Kartierung  von  geomorphologischen 

Formen  oder  Naturkatastrophen.  Die  hohe  Genauigkeit  des  DGM  lässt  verschiedenste  natürliche  und 

anthropogene  Formen, wie  zum  Beispiel  Erosionskanten,  Schwemmfächer, Hangrutschungen,  alte  Flussläufe, 

topografische Kanten und Karstformen, sowie Wanderwege und Straßen sichtbar werden und ermöglicht eine 

Detektion  und Abgrenzung  dieser  unterschiedlichen  geomorphologischen  und  anthropogenen  Strukturen mit 

Hilfe  von  ArcGIS  Geoprozessierungs‐  und  Analyse‐Techniken,  mathematischen,  statistischen  und 

Bildverarbeitungs‐Methoden  und  der  open‐source  Skriptsprache  Python.  Komplexe  Arbeitsschritte  und  neue 

Geoprozessierungs‐Werkzeuge können somit in eine ArcGIS Arbeitsumgebung implementiert werden und liefern 

einfach nutzbare Toolbox‐Inhalte. 

 

Das  Hangrutschungs‐Phänomen  steht  im  Mittelpunkt  dieser  Forschungsarbeit.  Dabei  richtet  sich  das 

Hauptaugenmerk  auf  gleitende  Erdbewegungen mit  unterschiedlichen  Geschwindigkeiten  aus  Bodenmaterial 

oder Festgestein. Faktoren, wie Gravitation, beeinflussen direkt die Hangstabilität und verursachen komplexe, 

hangabwärts gerichtete, gleitende  Massenbewegungen aus Fest‐ und Lockgesteinen, sowie Bodenmaterial. 

 

Auf den nächsten  Seiten präsentiert die Autorin die Ergebnisse  ihrer Masterarbeit, eine automatische ArcGIS 

Landslide Mapping Toolbox  für eine semi‐automatische Detektion von Hangrutschungen aus hochauflösenden 

LiDAR  Daten in den Ostalpen (Steiermark, Österreich). Diese Toolbox basiert auf einer Analyse und Modellierung 

unterschiedlicher  Parameter  der  Landoberfläche,  wie  Hangneigung,  Varianz  der  Neigung,  Krümmung  oder 

Rauigkeit. Mit  dieser  ArcGIS  Landslide Mapping  Toolbox werden  gefährdete  Gebiete  in  der  Steiermark  und 

räumliche Verteilung von Hangrutschungen in einem speziellen Gebiet aufgezeigt. 

Page 8: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

Contents 

8 / 122 

Contents 

 

1.  Introduction........................................................................................................................ 14 

1.1  Research Objectives ............................................................................................................ 14 

1.2  Goals and Limitations .......................................................................................................... 15 

1.3  Methodology ....................................................................................................................... 16 

 

2.  Basics .................................................................................................................................. 18 

2.1  Airborne LiDAR .................................................................................................................... 18 

2.1.1  Definition ................................................................................................................................. 18 

2.1.2  Measurement technique ......................................................................................................... 19 

2.1.3  ASPRS LAS Format and Classification of LiDAR Point Cloud Data ............................................ 21 

2.1.4  Digital Terrain Models (DTMs) and Digital Surface Models (DSMs) ........................................ 24 

2.2  Landslides ............................................................................................................................ 25 

2.2.1  Definition and Classification .................................................................................................... 25 

2.2.2  Landslide Body (see Figure 8) .................................................................................................. 29 

2.2.3  Triggers .................................................................................................................................... 30 

2.3  Landslides in the field of LiDAR – State of the Art .............................................................. 32 

 

3.  Study Areas ........................................................................................................................ 35 

3.1  General Settings .................................................................................................................. 35 

3.1.1  Geographical Position .............................................................................................................. 36 

3.2  Geology and Soils ................................................................................................................ 39 

3.3  Vegetation, Land Use and Climate ...................................................................................... 42

Page 9: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

Contents 

9 / 122 

4.  LANDSLIDE MAPPING – Theoretical Part ............................................................................. 44 

4.1  Software Description ........................................................................................................... 44 

4.1.1  ArcGIS and Extensions (ESRI) ................................................................................................... 44 

4.1.2  LP360 for ArcGIS ...................................................................................................................... 45 

4.1.3  Python ...................................................................................................................................... 46 

4.2  Data ..................................................................................................................................... 46 

4.2.1  LiDAR Data ............................................................................................................................... 46 

4.2.2  Vector Data .............................................................................................................................. 48 

4.3  Land Surface Parameters .................................................................................................... 49 

4.3.1  Hillshade .................................................................................................................................. 50 

4.3.2  Slope ........................................................................................................................................ 50 

4.3.3  Variance of Slope ..................................................................................................................... 51 

4.3.4  Aspect ...................................................................................................................................... 51 

4.3.5  Variance of Aspect ................................................................................................................... 52 

4.3.6  Curvature ................................................................................................................................. 52 

4.3.7  Roughness ................................................................................................................................ 53 

4.3.8  Contour Lines ........................................................................................................................... 53 

4.4  Triangular Irregular Network (TIN) ...................................................................................... 54 

4.5  Topographic Position Index ................................................................................................. 55 

4.5.1  TPI Elevation ............................................................................................................................ 56 

4.5.2  TPI Slope .................................................................................................................................. 57 

4.6  SMORPH Landslide Risk Model ........................................................................................... 58

Page 10: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

Contents 

10 / 122 

5.  Landslide Mapping – Practical Part ..................................................................................... 59 

5.1  Manual Landslide Mapping ................................................................................................. 60 

5.1.1  Manual Landslide Mapping Workflow .................................................................................... 60 

5.2  Verification and Results of Manual Landslide Mapping...................................................... 65 

5.2.1  Verification of manually mapped landslides ........................................................................... 65 

5.2.2  Results of the manual landslide mapping ............................................................................... 73 

5.3  Semi‐Automatic Landslide Mapping ................................................................................... 79 

5.3.1  Basic Workflow ........................................................................................................................ 80 

5.3.2  Semi‐automatic Landslide Mapping Toolbox .......................................................................... 84 

5.4  Results ................................................................................................................................. 97 

5.4.1  Intermediate Data (Landslide Mapping Toolbox) .................................................................... 97 

5.4.2  Potential Landslides ............................................................................................................... 101 

5.4.3  Limitations ............................................................................................................................. 106 

5.4.4  Adaptability of a semi‐automatic landslide mapping ............................................................ 109 

 

6.  Conclusions and Perspectives ........................................................................................... 110 

 

References ............................................................................................................................... 114 

Page 11: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

Index of Figures 

11 / 122 

Index of Figures 

 

Fig. 1. Methodical development of the master's thesis (source: AUTHOR’S ILLUSTRATION, 2012) ........................................ 17 

Fig. 2. Helicopter of the Styrian LiDAR campaign and box with the laser scanner (source: AUTHOR’S IMAGE, 2010) ......... 19 

Fig. 3. Schematic LiDAR Data Measurement Technique (source: MTC, 2003) .................................................................. 21 

Fig. 4. Example of LiDAR Intensity (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ....................................................................... 22 

Fig. 5. Example of LiDAR Return Number (sources: Styrian Lidar Campaign, 2011 and Noaa, 2008) ............................... 22  

Fig. 6. Classified LiDAR Point Cloud (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ..................................................................... 23 

Fig. 7. Landslide Classification (source: GEONET, 2011) ..................................................................................................... 27 

Fig. 8.  Landslide Body (source: Geological Hazards Program, 2011)                                                                                         29  

Fig. 9. Relief image of the Province of Styria (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ............... 36 

Fig. 10. Study Area 1, Spielberg bei Knittelfeld ‐ LiDAR DTM and DSM                               

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)...................................................................................... 38 

Fig. 11. Study Area 2 Wald am Schoberpass ‐ LiDAR DTM and DSM    

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)...................................................................................... 38 

Fig. 12. Geology and soil maps of Study Area 1 (sources: GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA, 2011 AND BMLFUW & BFW, 2009) 40 

Fig. 13. Geology and soil maps of Study Area 2 (sources: GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA, 2011 AND BMLFUW & BFW, 2009) 41 

Fig. 14. Study Area 1 ‐ RGB and CIR orthophotos (source: GIS STYRIA, 2012) .................................................................... 43 

Fig. 15. Study Area 2 ‐ RGB and CIR orthophotos (source: GIS STYRIA, 2012) .................................................................... 43 

Fig. 16. ArcGIS product line (source: ESRI, 2011) ............................................................................................................... 44 

Fig. 17. LP360 surface (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ......................................................................................... 45 

Fig. 18. Classified LiDAR Point Cloud (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ................................................................... 47 

Fig. 19. Hillshade and slope images (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ............................. 50 

Fig. 20. Variance of slope and aspect images (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ................................................ 51 

Fig. 21. Variance of aspect and vertical curvature images                                                                                                               

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)...................................................................................... 52 

Fig. 22. Roughness image and contour lines (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ............... 53 

Fig. 23. TIN and TIN 3D Model (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ..................................... 54 

Fig. 24. Slope Position Classification at different scales (source: JENNESS et al., 2011, p. 45ff.) ........................................ 55 

Fig. 25. TPI elevation images (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ....................................... 56 

Fig. 26. TPI slope images (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ............................................. 57 

Fig. 27. Smorph image (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ................................................. 58 

Fig. 28. Schematic landslide sketch and schematic profile view of a landslide   

(source of left image: GEOLOGICAL HAZARDS PROGRAM, 2011 and source of right image: AUTHOR’S ADAPTATION) .................. 61 

Fig. 29. Visualization of land surface parameters (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ....... 62 

Fig. 30. Visualization of land surface parameters (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ....... 63 

Fig. 31. Landslide example 1 – model and reality (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 67 

Fig. 32. Landslide example 2 – model and reality (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 68

Page 12: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

Index of Figures 

12 / 122 

Fig. 33. Landslide example 3 – model and reality (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 69 

Fig. 34. Landslide example 4 – model and reality (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 70 

Fig. 35. Landslide example 5 – model and reality (data basis: Styrian Lidar Campaign, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011)71 

Fi. 36. Landslide example 6 – model and reality (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) .. 72 

Fig. 37. Map of landslide main scarps of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 74 

Fig. 38. Map of landslide areas of Study Area 1(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ........... 74 

Fig. 39. Map of landslide main scarps in combination the local geology of Study Area 1                                                   

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)...................................................................................... 75 

Fig. 40. Map of landslide main scarps of Study Area 2 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 76 

Fig. 41. Map of landslide areas of Study Area 2 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) .......... 77 

Fig. 42. Map of landslide main scarps in combination the local geology of Study Area 2                                                   

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)...................................................................................... 78 

Fig. 43. Continuous Loop (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) ........................................................................................ 82 

Fig. 44. Basic Workflow of Semi‐Automatic Landslide Mapping (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) ............................ 83 

Fig. 45. Tool 1 – Land Surface Parameters (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ............................................................. 84 

Fig. 46. Workflow of Tool 1 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 85 

Fig. 47. Tool 2 – Topographic Position Index (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .......................................................... 86 

Fig. 48. Workflow of Tool 2 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 86 

Fig. 49. Tool 3 – Smorph (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ......................................................................................... 87 

Fig. 50. Workflow of Tool 3 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 88 

Fig. 51. Tool 4 – Roughness (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 89 

Fig. 52. Workflow of Tool 4 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 89 

Fig. 53. Tool 5 – Edge Detection (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ............................................................................. 90 

Fig. 54. Workflow of Tool 5 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 91 

Fig. 55. Tool 6 – Forest Roads (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ................................................................................. 92 

Fig. 56. Workflow of Tool 6 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 92 

Fig. 57. Tool 7 – Streams (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ........................................................................................ 93 

Fig. 58. Workflow of Tool 7 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................................... 94 

Fig. 59. Tool 8 – Potential Landslides (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ..................................................................... 95 

Fig. 60.Workflow of Tool 8 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ..................................................................................... 96 

Fig. 61. Aperture of generalised TIN of Study Area 1 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ............................................. 98 

Fig. 62. Aperture of generalised TIN of Study Area 2 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ............................................. 99 

Fig. 63. Aperture of results of Study Area 1 of the “ForestStreets” and “Streams” tools                                               

(source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) ............................................................................................................................... 100 

Fig. 64. Aperture of results of Study Area 2 of the “ForestStreets” tool (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .............. 100 

Fig. 65. Results of the semi‐automatic mapping tool in Study Area 1 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................. 104 

Fig. 66. Results of the semi‐automatic mapping tool in Study Area 2 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................. 105 

Fig. 67. Diverse terrain surface structures (STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ................................................................... 112 

Page 13: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

Index of Tables 

13 / 122 

Index of Tables 

 

Table 1. ASPRS Standard LiDAR Point Classes (source: ASPRS, 2010) ................................................................................ 23 

Table 2. Landslide Classification according to CRUDEN & VARNES, 1996 ............................................................................. 25 

Table 3. Landslide Causes (source: LANDSLIDE HAZARDS PROGRAM, 2011) ............................................................................ 31 

Table 4. List of papers and articles (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) .................................................................... 33‐34 

Table 5. Geographical position of the study areas (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ...... 35 

Table 6. List of important parameters (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ......................... 37 

Table 7.  Main equipment of the Styrian LiDAR – campaign (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) ............................... 46 

Table 8. In this thesis main used vector data (source: GIS STYRIA, 2012) ........................................................................... 48 

Table 9. Visibility of landslide features in different raster images (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) ......................... 64 

Table 10. Manually mapped landslides (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) ....................... 73 

Table 11. Overview of the 8 contiguous tools of the Landslide Mapping Toolbox (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 81 

Table 12.  Aperture of the results of Study Area 1 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) ............................................... 101 

Table 13.  Aperture of the results of Study Area 2 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) ............................................... 102 

Table 14.  Statistics of the semi‐automatic landslide mapping (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) ............................ 103 

Table 15.  Reasons for poor results in the two study areas (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) .......................... 106‐108 

Page 14: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

1. INTRODUCTION 

14 / 122 

1. INTRODUCTION 

 

1.1   Research Objectives 

The  main  research  goals  of  the  author’s  master  thesis  with  the  title  “Using  High‐Resolution 

Airborne  LiDAR‐Data  for  Landslide Mapping  in  the  Eastern  Alps”  are  two‐fold.  The  first main 

objective  is to discover the possibilities of the application of airborne LiDAR (Light Detection and 

Ranging)  data  for  geomorphological  mapping,  in  particular  landslide  mapping.  The  second 

objective is to develop a possible technique for a raster‐based semi‐automatic landslide mapping. 

To address these objectives, the author has created an ArcGIS toolbox with a package of tools that 

extract different  landslide and other geomorphological  features  such as  scarps,  forest  roads, or 

streams  from  the  LiDAR DTM.  This  is done by  combining  geomorphometric  landscape  analysis, 

ArcGIS  geoprocessing  and  analysing  techniques,  as well  as mathematical,  statistical  and  image 

processing operations. The tool was designed in a way that anyone, who is familiar with LiDAR and 

its use in geomorphology, can use it, regardless of his or her previous knowledge about a specific 

study area. 

 

The high potential of  the active  remote  sensing  technique LiDAR, also known as Airborne Laser 

scanning  (ALS),  to  study  geomorphological  features,  coupled  with  the  increasing  number  of 

landslides  or  flood  disasters, motivated  the  Provincial Government  of  Styria  to  start  an  ALS  – 

campaign. In an on‐going project from 2008 to 2012 high‐resolution 3D ALS data of the Province of 

Styria,  an  area  about  16,000  km²  in  south‐eastern  Austria, were  collected.  Due  to  of  its  high 

vertical accuracy of ±15  cm and a positional  accuracy of ±40  cm, ALS allows  the detection and 

outlining  of  different  geomorphological  structures  such  as  alluvial  fans,  landslides,  creeks, 

topographic edges and karst formations as well as anthropogenic geomorphological structures like 

forest roads. 

 

As DTMs are a powerful tool for detecting different geomorphological structures, the application 

of high resolution models opens up new, unimaginable opportunities.  

This thesis will give a short insight into these new chances. 

Page 15: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

1. INTRODUCTION 

15 / 122 

1.2   Goals and Limitations 

Since October 2010 the author has worked on her master’s thesis with the main aim to create an 

ArcGIS  toolbox  for semi‐automatic  landslide mapping using high‐resolution airborne LiDAR data. 

This allowed her to become familiar with LiDAR and its application in geomorphology, the different 

software products, and the scripting language Python. 

The following research goals were defined: 

A short description of LiDAR and its applications in geomorphology 

A short introduction in the field of landslides 

Calculation of different  land surface parameters and Triangular  Irregular Networks  (TINs) 

out of DTMs  

Utilisation of the calculated land surface parameters and TINs to map landslides manually 

Verifying  the  manually  mapped  landslides  through  field  work  and  by  consulting  two 

experts  Dr.  Ingomar  Fritz,  Universalmueum  Joanneum,  Geology  and  Palaeontology  and  

Dr. Christian Bauer, Joanneum Research 

Creating a toolbox for semi‐automatic landslide mapping in the ArcGIS 10.0 environment 

Semi‐automatic  detection  of  landslide  features  by  analysing  and  combining 

land surface parameters 

Comparing  the  results  of  the  manually  mapped  and  the  semi‐automatically  mapped 

landslides 

Improving the toolbox with the knowledge acquired during the manual mapping process  

Testing the adaptability and the results of the landslide mapping toolbox 

Because of the fact that the author lacked any useable landslide dataset of Styria, she had to map 

landslides  in  two  study areas on her own and verify  it by  conducting  field work and  consulting 

experts. For this purpose  it  is  indispensable to be  familiar with handling and reading LiDAR data 

and  raster  datasets.  Concerning  semi‐automatic  landslide mapping,  a  differentiation  between 

landslides and  landslide‐related features often caused by anthropogenic activities  is problematic, 

but an  integration of other vector datasets (streets, streams, archaeological and mining features, 

etc.) improves results. Furthermore noises and artefacts caused by the LiDAR scanner complicate 

semi‐automatic landslide mapping and can degrade results.  

These  problems  that  represent  some  of  the  biggest  challenges  in  this  master’s  thesis  are 

addressed at the end. 

Page 16: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

1. INTRODUCTION 

16 / 122 

1.3   Methodology 

It must be  said  that  this master’s  thesis demands hours of  intensive working with  the provided 

LiDAR  data  and  many  hours  to  acquaint  oneself  with  LiDAR,  LiDAR  DTMs  and  the  software 

packages ArcGIS 10.0 (with its different extensions; 3D Analyst and Spatial Analyst), and the LP360 

extension of QCoherent and to learn the open‐source scripting language Python (see Figure 1, No. 

2). Since March 2010 the author is a collaborator of the Styrian LiDAR campaign, where she works 

on post processing LiDAR point cloud data, calculating DTMs and Digital Surface Models (DSMs), 

and  investigating different methods  for automatic extraction of different geomorphological and 

anthropogenic structures out of high‐resolution LiDAR point cloud data, DTMs and DSMs. 

Different scientific papers, books and articles (see Figure 1, No. 1) were consulted to get essential 

information  about  landslides,  LiDAR  and  its  application  in  geomorphology,  and  to  investigate  a 

possible semi‐automatic landslide mapping out of LiDAR DTMs. 

 

The practical part of the master’s thesis is divided into three main parts (Figure 1, green boxes): 

1) By using  image  interpretation  techniques  the  land  surface parameters  such as hillshade, 

slope,  curvature,  contours,  roughness,  variance  of  slope,  and  variance  of  aspect  were 

calculated from LiDAR DTMs (see Figure 1, No. 4). Using this information, actual landslides 

were mapped manually as vector datasets (see Figure 1, No. 8). There currently exists no 

useable landslide datasets in Styria, hence the reason for manually mapping the landslides 

first. Previous datasets in this area are too imprecise to verify semi‐automatically mapped 

landslide  features.  In addition, a majority of the  landslides  in this area are not digitalized 

because they are too old or somewhere  in the forest. Fortunately,  landslides that are old 

and scarred or hidden below dense vegetation, appear in LiDAR DTMs (see Figure 1, No. 3), 

because of its high resolution and accuracy. 

2) After manually mapping actual  landslides the results were verified by going  into the  field 

(see  Figure  1,  No.  5),  and  by  consulting  two  experts,  the  geologist  

Dr.  Ingomar  Fritz  (Universalmueum  Joanneum,  Geology  and  Palaeontology)  and  the 

geographer  Dr.  Christian  Bauer  (Joanneum  Research;  see  Figure  1,  No.  6).  

Page 17: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

1. INTRODUCTION 

17 / 122 

3) In the last step the semi‐automatic ArcGIS landslide mapping tool was executed (see Figure 

1, No. 7), and potential  landslides were detected (see Figure 1, No. 10). The results were 

compared  and  verified with  the manually mapped  landslide  features  to  determine  the 

adaptability, and accuracy of the automatic tool  (Figure 1, No. 13). The verified manually 

mapped  landslide  features were used  to  improve  the  semi‐automatic  landslide mapping 

tool (Figure 1, No. 12). 

 

 

 

Figure 1. Methodical development of the master's thesis (source: AUTHOR’S ILLUSTRATION, 2012) 

Page 18: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

18 / 122 

2. BASICS 

 

Before describing  the main part of  the master's  thesis, which  includes both a manual  landslide 

mapping component and the creation of an ArcGIS toolbox for semi‐automatic landslide mapping 

using airborne LiDAR DTMs, a very short introduction in airborne LiDAR and landslides is given on 

the following pages. 

 

 

2.1   Airborne LiDAR 

2.1.1 Definition 

Light Detection and Ranging (LiDAR), also known as Airborne Laser scanning (ALS), LADAR or Laser 

Altimetry, contains a multiplicity of different applications. To understand a few of the possibilities 

of LiDAR some applications are listed below: 

Raman LiDAR, 

Resonance Scattering LiDAR, 

Doppler Wind LiDAR, 

temperature measurements, 

atmospheric and meteorological measurements, 

Terrestrial LiDAR, 

Spaceborne LiDAR and 

Airborne LiDAR 

For  landslide mapping  terrestrial  and  airborne  LiDAR  systems  are  often  used.  In  this master's 

thesis,  only  airborne  LiDAR  is  considered.  Airborne  LiDAR  is  a  useful method  for  studying  the 

atmosphere,  hydrosphere,  and  lithosphere  and  determining  the  density  and  structure  of 

vegetation canopy in forests (see BROWELL et al. 2005, p. 723ff.). 

  In the 1970s and 1980s the U.S. NASA (National Aeronautics and Space Administration) developed 

airborne  LiDAR,  an  aircraft‐mounted  electro‐optical  distance meter  that measures  the  distance 

between an aircraft and  the ground  (see SATO et al. 2007, p. 237ff.).    In 1967  the  first airborne 

LiDAR measurement was conducted by S. Harvey Melfi. 

Page 19: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

19 / 122 

The active remote sensing technique is similar to radar, but instead of radio waves, discrete light 

pulses measure  travel  times. Unlike  radar,  LiDAR has  to be  flown during  fair weather, because 

LiDAR cannot penetrate clouds, rain, or dense haze (see NOAA 2008, p. 7ff). 

The  LiDAR  technique  permits measurement  of  large  regions  in  a  short  time  and  can  rapidly 

measure the surface at sampling rates greater than 150 kilohertz or 150,000 pulses per second. It 

produces a rapid collection of more  than 70,000 highly accurate georeferenced elevation points 

per  second.  The major  advantages  of  using  LiDAR  include  a  high  resolution,  its  incredibly  high 

vertical and positional accuracy of measurement, and its ability to penetrate through vegetation in 

forested  terrain.  LiDAR  is  an  active  remote  sensing  technique  because  the  energy  for 

measurement  is  generated  by  the  laser  sensor.  Airborne  LiDAR  is  very  useful  for  surface  and 

terrain studies or it has been applied to study the density and structure of the forest canopies (see 

NOAA 2008, p. 7ff). 

 

 

2.1.2 Measurement technique 

A LiDAR system consists of a transmitter (laser), transmitter optics, receiver optics, a detector, and 

an electronic system for the acquisition, evaluation, display and storage of data. Other additional 

components differ from type and purpose of the LiDAR (see WEITKAMP 2005, p. 1ff.). 

The  laser scanner  is mounted on either an airplane or a helicopter; as  in the case of the Styrian 

LiDAR campaign, a helicopter was utilized because of the distinctive topographical relief inherent 

in Styria (see Figure 2). With a helicopter the possibility of flying smaller radii is possible, a major 

benefit when collecting data in mountainous areas (see BROWELL et al. 2005, p. 724ff.). 

 

           Figure 2. Helicopter of the Styrian LiDAR campaign and box with the laser scanner (source: AUTHOR’S IMAGE, 2010) 

Page 20: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

20 / 122 

The laser scanner has some limitations in size, mass, power and receiver aperture. In order to get 

good data, a  scanner  should have  the ability  to operate  in an environment with high‐ and  low‐

frequency  vibrations  as  well  as  temperature  and  cabin  pressure  variations.  It  should  also  be 

designed and developed to function with limited operator intervention during flight (see BROWELL 

et al. 2005, p. 724ff.).  

With  an  integrated  Global  Positioning  System  (GPS)  the  position  of  the  laser  scanner  is 

determined. An Inertial Measurement Unit (IMU) or Inertial Navigation System (INS) provides the 

angular altitude of  the  sensor platform. The ALS emits  laser pulses  in  the  surface direction and 

measures the time each laser pulse travels to the hit object and return. As a result, LiDAR 3D point 

cloud data of  the  reflection  (echo) are  computed.  In  the  case of  the Styrian  LiDAR  campaign, a 

vertical accuracy of ±15 cm and a positional accuracy of ±40 cm were achieved. The elevation and 

location of  the  reflected  surface  are derived  from  the  time difference between  the  laser pulse 

being emitted and  returned,  the angle of  the pulse and  the  location and height of  the  scanner 

within the aircraft. On a rotating or oscillating mirror the emitted beam is deflected, which causes 

typical scanning patterns depending on the type of  laser scanner. The scan angle determines the 

width (swath) of the area captured within one flight strip (see NOAA 2008, p. 7ff.). 

Given that such a large quantify of individual points are generated, even if only a small percentage 

of laser pulses reach the ground through the trees, there are usually enough to provide adequate 

representation  of  the  ground  in  forested  areas.  An  exception  to  this  can  occur  in  very  dense 

forests with “leaf‐on” conditions, like rain forests. In this case, the poor ground representation can 

cause problems (see NOAA 2008, p. 7ff.). Mainly in the field of geomorphology, the penetration of 

vegetation canopy is a big achievement. 

 

 

 

Page 21: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

21 / 122 

The measurement technique in short and simplified once again (see Figure 3): 

The time it takes the laser pulse to hit an object 

or  surface  and  return  to  the  aircraft  with  a 

known  position  and  height  (GPS  x,  y  and  z)  is 

measured. The distance of the laser pulse (INS z) 

is  determined  by  using  the  travel  time  (INS  x) 

and  the  recorded  laser angle  (INS  y). With  this 

information  the exact  location of  the  reflecting 

object or surface  is  located  in three dimensions 

(OBJ x, y and z; see NOAA 2008, p. 7ff.). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  3.  Schematic  LiDAR  Data  Measurement 

Technique (source: MTC, 2003) 

 

2.1.3 ASPRS LAS Format and Classification of LiDAR Point Cloud Data 

The  ASPRS  LAS  Format  is  the most  commonly  used  LiDAR  Format,  and  it  is  readable  by well‐

established  software packages  like OPALS by  Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, 

Vienna University of Technology, LP360 by QCoherent, E3de by Exelis Visual Information Solution 

Products, Pointools by Bentley Systems or the new ArcGIS 10.1. by ESRI, and open‐source software 

packages such as SAGA by  Institute of Geography, University of Hamburg, or LAStools by Martin 

Isenburg. 

Created by the American Society of Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS), the  intention 

of the LAS data  format  is to provide a compatible  file structure that can be commonly accessed 

and shared across different LiDAR hardware and software platforms (see ASPRS 2010). 

 

In  the ASPRS LAS Format all LiDAR point data  records are stored. Each data point has  the exact  

x, y and z point coordinates with further information about: 

the closeness of point to each other is stored, the point spacing, 

the strength or intensity of the return, which represents how well the object reflected the 

wavelength of light (see Figure 4),  

the quantity of returns, known as the return number 

and  the  return  combination  (first/last  returns;  see Figure 5). The  first,  second,  third and 

ultimately the “last” return from a single laser pulse are captured (see ASPRS 2010). 

Page 22: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

22 / 122 

All  these  attributes  are  used  for  further  classifications  and  analysis;  for  example,  the  return 

number  can  be  used  to  determine what  the  reflected  pulse  is  from,  such  as  ground,  trees  or 

buildings. The  intensity  is used  to contrast between different kinds of vegetation, and  the point 

spacing is used to distinguish between anthropogenic and natural objects (see ASPRS 2010). 

 

Figure 4. Example of LiDAR Intensity  

(source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) 

 

Figure 5. Example of LiDAR Return Number 

(sources: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011 

and NOAA, 2008 [left image])   

 

 

For further analysis of the LiDAR data and for calculation of DTMs and DSMs, the 3D point cloud 

data has to be classified  in ground points and non‐ground points. Non‐ground points are further 

classified  into a subset of categories  including  low, medium and high vegetation  , buildings,  low 

point  (noise),  model  key‐point  (mass  point),  water  and  overlap  points  (see  ASPRS  2010). 

Page 23: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

23 / 122 

Table 1  shows  the ASPRS  Standard  LiDAR Point Classes  and  Figure 6  shows  two examples of  a 

classified point cloud. 

 

Classification Value  Meaning 

0  Created, never classified 

1  Unclassified 

2  Ground 

3  Low Vegetation 

4  Medium Vegetation 

5  High Vegetation 

6  Building 

7  Low Point (noise) 

8  Model Key‐point (mass point) 

9  Water 

10  Reserved for ASPRS Definition 

11  Reserved for ASPRS Definition 

12  Overlap Points 

13 ‐ 31  Reserved for ASPRS Definition 

 

Table 1. ASPRS Standard LiDAR Point Classes (source: ASPRS, 2010) 

 

 

Figure 6. Classified LiDAR Point Cloud [Red = Buildings, Green = Vegetation and Orange = Ground] 

(source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) 

Page 24: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

24 / 122 

2.1.4 Digital Terrain Models (DTMs) and Digital Surface Models (DSMs) 

In  the  case of  the Styrian  LiDAR campaign,  LiDAR data were processed  to  create Digital Terrain 

Models  (DTMs) and Digital Surface Models  (DSMs). DTMs are surfaces created and  interpolated 

from ground point data. The ground point data are  interpolated with different gridding routines 

such as simple nearest neighbour or complex kriging techniques. DSMs include any type of surface 

representations from bare‐earth data to the surface of high vegetation (see NOAA 2008, p. 7ff.). 

For  this  study  these models are visualised as greyscale  raster datasets with 1 m  resolution and 

projected  in UTM33N  and  BMNM31  and M34.  DTMs  and  DSMs  can  then  be  used  for  further 

applications such as flood modeling or object mapping. More information about raster data, DTMs 

and  DSMs,  and  their  applications  especially  in  the  case  of  Geomorphometry,  can  be  read  in     

HENGL,  T.  &  REUTER  H.  (Eds),  2009.  Geomorphometry  ‐  Concepts,  Software,  Applications.  – 

Elsevier, Amsterdam and Oxford, 765 p. 

Page 25: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

25 / 122 

2.2   Landslides 

 

2.2.1 Definition and Classification 

Landslides  or  gravitational mass movements  are  characterized  by  a  downslope movement  of 

slope‐forming  materials  like  soil,  rock,  and  other  earth  materials.  Landslides  occur  from 

mountainous regions to areas of  low relief (low relief: mostly  influenced by human activities).  In 

contrast  to  fluvial,  glacial,  and  aeolian  processes,  a  landslide movement  is  not  influenced  by  a 

transport  medium  such  as  wind  or  water,  but  by  the  moving  power  of  gravity.  Another 

characteristic of mass movements  is that proximate material  is moved collectively and deposited 

unsorted  (see  ZEPP  2008,  p.  103ff.).  Landslides  can  be  classified  according  to  CRUDEN &  VARNES 

(1996), by the kind of the  involved material (bedrock, soil), the mode of movement (fall, topple, 

slide, lateral spread, flow; see Table 2 and Figure 8) and the velocity of movement from extremely 

slow (15 mm/year) to extremely rapid (5 m/sec; see CRUDEN & VARNES 1996, p. 36ff.). Furthermore, 

the form and character of the moving body is dependent upon the rate of movement, on bedrock 

topology, and the content of water, ice and air in the landslide material. Each kind of landslide can 

be a combination of the different modes of movement (see CRUDEN & VARNES 1996, p. 36ff.; ZEPP 

2008, p. 104ff.; SASSA 2007, p. 3ff.). 

 

 

Mode of Movement 

Type of Material 

 

Bedrock 

Soils 

coarse (debris)  fine (earth) 

Falls  Rock fall  Debris fall  Earth fall 

Topples  Rock topple  Debris topple  Earth topple 

 

Slides 

Rotational   

Rock slide 

 

Debris slide 

 

Earth slide Translational 

Block  Block slide  Block slide 

Lateral Spreads  Rock spread  Debris spread  Earth spread 

Flows  Rock flow  Debris flow  Earth flow 

Complex Forms  Combination of two or more modes of movement 

Table 2. Landslide Classification according to CRUDEN & VARNES, 1996 [grey boxes =  in this master’s thesis considered 

landslide form] 

Page 26: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

26 / 122 

Ad Table 2: 

Falls are classified as downward, bouncing, or rolling mass denudations located on steeply sloped 

or cliff terrain with little or no shear displacement. Topples are landslides with a forward rotation. 

Slides are downslope sliding movement out of soil and bedrock. Spreads are fracturing and lateral 

extension  of  coherent  rock  or  soil  material  due  to  liquefaction  or  plastic  flow  of  subjacent 

material. Flows are slow to rapid mass movements in saturated materials that advance by viscous 

flow,  usually  following  initial  sliding  movement.  Some  flows  may  be  bounded  by  basal  and 

marginal  shear  surface  but  the  domain movement  of  the  displaced mass  is  flowage.  Complex 

slides  (see  Figure  7)  involves  two  or  more  of  the  main  movement  types  in  combination               

(see CRUDEN & VARNES 1996, p.36ff.). 

Page 27: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

27 / 122 

Figure 7. Landslide Classification (source: GEONET, 2011) 

Page 28: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

28 / 122 

The term “landslide”  is too widespread to consider all the different forms  in this master's thesis. 

Therefore the main focus of this research work  is to  identify and map sliding movements of soils 

and bedrock with the help of airborne LiDAR data.  

 

Slides: “Landslide”  is often used only for a downslope‐sliding movement out of bedrock and soil. 

Sliding material is separated from more stable underlying material by a distinct zone of weakness 

resulting from shear failure. The occurrence of shear failure is dependent on the local soil material 

and geology and on modest to steep slopes (about 10 ° to 50 °). The sliding body can vary in shape, 

sliding surface, velocity of movement (extremely slow to extremely rapid) and size from only a few 

centimetres to some metres. These large mass movements may have sudden catastrophic effects, 

which  destroy  buildings,  pipelines,  roads  or  other  constructions.  Basically,  landslides  can  be 

classified into a rotational (see Figure 7), a translational and a block sliding movement (see Figure 

7),  but  hybrid  forms  are  the  norm  rather  than  the  exception  (see  SCHWEIZER  EIDGENOSSENSCHAFT 

2009b).   

 

Rotational  Slide  (see  Figure  7):  The  slide movement  is  rotational  about  an  axis  parallel  to  the 

ground surface, the contour of the slope and transverse across the slide with an almost vertically 

downward  movement.  The  main  scarp  is  curved  upward  (spoon‐shaped).  Under  certain 

circumstances  the  displaced  and  relatively  coherent  mass  may  occur  with  little  internal 

deformation.  The  displaced material  tilts  backwards  toward  the  scarp.  Several  parallel  curved 

planes  of  movements  are  called  a  slump.  A  rotational  slide  mostly  occurs  in  homogeneous 

material  (fill material) and moves with a velocity  from extremely  slow  to extremely  rapid. Such 

landslides  can be  triggered by  intense  rainfall or  rapid  snowmelt.  These  triggering mechanisms 

lead to a saturation of slopes and can increase groundwater levels within the mass (see LANDSLIDE 

HAZARDS PROGRAM 2011; VARNES 1984, p. 18ff.). 

 Translational  Slide  (see  Figure  7): With  translational  slides,  surface‐parallel  beds  slide  along  a 

roughly  planar  surface  with  little  rotation  or  backward  tilting.  If  the  surface  of  rupture  is 

sufficiently  inclined,  the slide may progress over considerable distances  in contrast  to  rotational 

slides.  The material  consists  of  loose,  unconsolidated  soils  or  extensive  slabs  of  rock,  or  both. 

Geologic discontinuities  (faults,  joints, bedding  surface, or  the contact between  rock and  soil or 

permafrost and soil) are responsible for a failure of translational slides. 

Page 29: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

29 / 122 

Figure 8.  Landslide Body 

(source: GEOLOGICAL HAZARDS PROGRAM, 2011) 

Translational  slides  occur  globally  in  all  types  of  environments.  The  surface  of  rupture  varies 

between  failures of only a  few square meters  to several square kilometres  in size. Translational 

slides may move with a velocity from extremely slow to extremely rapid, but many are moderate 

in  velocity  (1.5  meters  per  day).  These  slides  may  be  triggered  by  intense  rainfall,  rise  in 

groundwater  level within  the  slide,  snowmelt,  flooding,  earthquake,  leakage  from  pipes,  or  by 

human activities such as undercutting of slopes. Rapid movements may disintegrate and develop 

into a debris flow (see LANDSLIDE HAZARDS PROGRAM 2011; VARNES 1984, p. 18ff.). 

 Block Slide: A block slide is a translational slide in which the moving mass consists of a single unit 

or a  few closely  related units  that move downslope as a  relatively coherent mass  (see LANDSLIDE 

HAZARDS PROGRAM 2011; VARNES 1984, p. 18ff.). 

 

 

2.2.2 Landslide Body (see Figure 8) 

A  landslide  begins  with  a  slow  movement 

along a slip face, at which the sliding material 

can  stay  in coherence. Because of a variable 

speed of movement the displaced material is 

choked.  The  downslope movement  causes  a 

steep, mostly arc‐like main scarp (called weak 

zone) on the undisturbed ground at the upper 

edge of the  landslide. This scarp  is caused by 

movement  of  the  displaced  material  away 

from  the  undisturbed  ground.  The  highest 

part of the main scarp is the landslide crown. 

The  landslide head  is between  the displaced 

material  and  the  main  scarp.  Differential 

movements within  the displaced material cause minor scarps. Transverse  ridges and  radial and 

transverse cracks may form at the bottom (i.e. the toe) of the landslide movement. The surface of 

rupture  is  below  the  original  ground  surface  (existing  before  the  landslide  took  place). 

Page 30: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

30 / 122 

This surface forms or has formed, the lower boundary of the displaced material. The main body of 

the sliding movement is like a ductile mass of soil and rock material, which moves downslope, has 

a concave curvature and accumulates above the original ground surface in less steep areas at the 

toe of the surface of rupture. This overlapping landslide mass is called landslide foot or surface of 

separation. The farthest point from the top, the highest part of a  landslide,  is called the tip. The 

volume of the displaced material is called depleted mass and overlies the surface of rupture, but 

underlies the original ground surface.  

The  zone of depletion  is below  the original  surface. The volume  limited by  the main  scarp,  the 

depleted mass and the original ground surface is called depletion. Adjacent to the sides of a sliding 

movement are the flanks. The intersection (usually buried) between the lower part of the surface 

of rupture of a landslide and the original ground surface is the toe of surface of rupture (see ZEPP 

2008, p. 104ff; AHNERT 2009, p. 89; CRUDEN & VARNES 1996, p. 36ff.). 

 

 

2.2.3 Triggers 

Physical  Triggers:  As  previously mentioned,  the moving  power  of  landslides  is  gravity. Gravity 

directly effects slope stability and causes complex mass movements with a downslope‐directed, 

sliding movement of bed and/or loose‐rock and soil material. The effect of gravity depends on the 

slope gradient, because gravitational mass movements occur parallel to a slope, and soil and other 

earth materials press down on a slope bed (see AHNERT 2009, p. 83f.).  

Slope stability  is  further affected by a wide variety of environmental conditions and weathering 

such  as  intense  rainfalls,  rapid  snowmelt,  rapid  drawdown  or  filling,  groundwater,  flooding, 

earthquakes, and paraglacial or volcanic processes.  

Such conditions trigger spontaneous or continuous displacement of masses with a wide range of 

possible sliding speed (see ZEPP 2008, p. 104ff.; CRUDEN & VARNES 1996, p. 36ff.).  

Page 31: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

31 / 122 

Below is a short list of further geological, morphological and anthropogenic triggers of landslides. 

 

Geological Triggers  Morphological Triggers Anthropogenic Triggers

weak or sensitive materials 

weathered materials 

sheared, jointed, or fissured 

materials 

adversely oriented 

discontinuity (bedding, 

shistosity, fault, 

unconformity, contact, etc.) 

contrast in permeability 

and/or stiffness of materials  

 

tectonic or volcanic uplift

glacial rebound 

fluvial, wave, or glacial 

erosion of slope toe or 

lateral margins 

subterranean erosion 

(solution, piping) 

deposition loading slope or 

its crest 

vegetation removal by fire 

or drought 

thawing 

freeze‐and‐thaw weathering

shrink‐and‐swell weathering 

excavation of slope or its 

toe 

loading of slope or its crest 

drawdown (of reservoirs) 

deforestation, irrigation, 

mining, artificial vibration, 

water leakage from utilities  

 

Table 3. Landslide Causes (source: LANDSLIDE HAZARDS PROGRAM, 2011) 

Page 32: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

32 / 122 

2.3   Landslides in the field of LiDAR – State of the Art 

During the  last decade LiDAR, and especially  its application  in geomorphology, gain centre stage 

more  and more.  Several  different  studies  all  over  the world  use  LiDAR  DTMs, more  precisely 

raster‐based approaches for landslide analysis and landslide mapping.  

HOEFLE &  RUTZINGER  (2011)  give  a  good  overview  of  applications  in  geomorphology  and  related 

fields using different LiDAR data products, such as Digital Terrain Models or 3D point cloud data. 

High‐resolution  airborne  LiDAR DTMs  are used  for  geomorphological mapping  and  to delineate 

specific  geomorphological  landforms,  like  alluvial  fans,  debris  flows,  karst  formations,  or 

landslides. 

VAN DEN EECKHAUT et al. (2005; 2007; 2011), BOOTH et al. (2009), KASAI et al. (2009) and AMUNDSEN et 

al.  (2010) use  LiDAR  to  create or update  landslide  inventory maps of deep‐seated  landslides  in 

Belgium, USA and Japan. To calculate these maps VAN DEN EECKHAUT et al. (2005; 2007; 2011) utilize 

LiDAR‐derived hillshade,  slope and  contour  line maps  (old  landslides under  forest). BOOTH et al. 

(2009) present two methods of spectral analysis that utilize LiDAR‐derived digital terrain models of 

the Puget Sound  lowlands  in Washington and  the Tualatin Mountains  in Oregon  to  classify and 

map automatically deep‐seated  landslides. KASAI et al.  (2009) use the eigenvalue ratio and slope 

filters calculated from a very high‐resolution LiDAR‐derived DTM. 

SCHULZ (2004; 2007) also uses LiDAR data to visualise mapped landslides, main scarps and denuded 

slopes  in Seattle. A good base for the further development and  improvement for  in this master’s 

thesis presented ArcGIS  semi‐automatic  landslide mapping  toolbox,  is given by  the Topographic 

Position  Index  first presented at the ESRI User Conference  in San Diego, CA, by WEISS  (2001). An 

airborne LiDAR examination of the surface morphology of two canyon‐rim  landslides  in southern 

Idaho  is presented by GLENN et al.  (2006).  In  the  first  step  the high‐resolution  LiDAR data were 

used to calculate surface roughness, slope, semi‐variance and fractal dimension. The second step 

is  to  combine  these  data with  historical movement  data  (GPS  and  laser  theodolite)  and  field 

observations. The results show that high‐resolution LiDAR data have the potential to differentiate 

morphological components within a  landslide and provide an  insight  into  the material  type and 

activity  of  the  sliding movement. MCKEAN &  ROERING  (2004)  use  high‐resolution  LiDAR DTMs  to 

characterise a large landslide complex and surrounding terrain near Christchurch, New Zealand by 

utilizing  the  topographic  roughness,  also  known  as  the  variance  of  aspect. 

Page 33: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

33 / 122 

MINER  et  al.  (2010)  chose  an  interesting  approach  to  apply  airborne  LiDAR  data  to  recognise 

landslides  and  erosion with GIS  analysis  in Australia. MCKENNA  et  al.  (2008)  show,  as well,  that 

DTMs derived from LiDAR data express topographic details sufficiently well with the help of slope, 

shaded‐relief  and  contour  maps  to  identify  landslides  even  under  densely  forested  terrain. 

Another  important  paper  was.  EXTRAKTION  GEOLOGISCH  RELEVANTER  STRUKTUREN  AUF  RÜGEN  IN 

LASERSCANNER‐DATEN by NIEMEYER et al. (2010). This approach for an automatic detection of terrain 

edges  is  integrated  in  the  ArcGIS  landslide mapping  toolbox.  Another  deep‐seated  rockslides, 

earth  slides,  and  earth  flows mapping  technique  by  using  LiDAR‐derived DTMs  is  presented  in 

CORSINI et al. (2009). DTMs were used to produce shaded‐relief and roughness maps, which allow 

outlining rock‐slide units and sub‐units at the slope scale, a definition of the curvature fingerprint 

and a derivation of elevation maps to detect areas of accumulation and depletion.  

The following list of papers and articles were used as background for this master’s thesis and as an 

input for the creation of the semi‐automatic ArcGIS landslide mapping toolbox. 

 

Journal / Report   N°  Author(s) Year Title 

Earth Surface Processes and Landforms 

32  M. Van Den Eeckhaut, J. Poesen, G. Verstraeten,  V. Vanacker,  J. Nyssen,  J. Moeyersons,  L. P. H. van Beek and L. Vandekerckhove  

2007  Use of LIDAR‐derived images for mapping old landslides under forest 

Engineering Geology 

89  

W.H. Schulz  2007  Landslide susceptibility revealed by LIDAR imagery and historical records, Seattle, Washington  

ESRI User Conference, San Diego, CA  

‐  A. Weiss  2001  Topographic Position and Landforms Analysis 

Geomorphology  109  A.M. Booth, J.J. Roering and J.T. Perron 

2009  Automated landslide mapping using spectral analysis and high‐resolution topographic data: Puget Sound lowlands, Washington, and Portland Hills, Oregon  

Geomorphology  113  M. Kasai, M. Ikeda, T. Asahina and K. Fujisawa 

2009  LiDAR‐derived DEM evaluation of deep‐seated landslides in a steep and rocky region of Japan 

Geomorphology  73  N.F. Glenn, D.R. Streutker, D.J. Chadwick, G.D. Thackray  and S.J. Dorsch 

2006  Analysis of LiDAR‐derived topographic information for characterizing and differentiating landslide morphology and activity 

Page 34: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

2. BASICS 

34 / 122 

Journal / Report   N°  Author(s) Year Title 

Geomorphology  67  M. Van Den Eeckhaut, J. Poesen, G. Verstraeten, V. Vanacker, J. Moeyersons, J. Nyssen and L.P.H. van Beek  

2005  The effectiveness of hillshade maps and expert knowledge in mapping old deep‐seated landslides 

Geomorphology  57  J. McKean and J. Roering  2004  Objective landslide detection and surface morphology mapping using high‐resolution airborne laser altimetry  

Quaternary Research 

75  M. Van Den Eeckhaut, J. Poesen, F. Gullentops, L. Vandekerckhofe and  J. Hervás 

2011  Regional mapping and characterization of old landslides in hilly regions using LiDAR‐based imagery in Southern Flanders  

University of Wollongong Research Online 

  A. S. Miner, P. Flentje, C. Mazengarb, D. J. Windle 

2010  Landslide Recognition using LiDAR derived Digital Elevation Models‐Lessons learnt from selected Australian examples  

U.S. Geological Survey Open‐File Report 

1396  W.H. Schulz  2004  Landslides mapped using LIDAR imagery, Seattle, Washington  

U.S. Geological Survey Open‐File Report  

1292  J. P. McKenna, D. J. Lidke  and J.A. Coe 

2008  Landslides Mapped from LIDAR Imagery, Kitsap County, Washington  

Zeitschrift für Geomorphologie   

55  B. Hoefle and M. Rutzinger  2011  Topographic airborne LiDAR in geomorphology: A technological perspective  

‐  ‐  J. Niemeyer, F. Rottensteiner, F. Kühn and U. Soergel 

2010  Extraktion geologisch relevanter Strukturen auf Rügen in Laserscanner‐Daten  

‐  ‐  A. Corsini , F. Cervi, A. Daehne, F. Ronchetti and L. Borgatti 

2009  Coupling geomorphic field observation and LiDAR derivatives to map complex landslide 

 

‐  ‐  J. Amundsena, S. Johnsona, K. Rousea, and H. Wangb 

2010  Using LiDAR‐derived DEM’s to delineate and characterize landslides in Northern Kentucky and Hamilton County, Ohio 

Table 4. List of papers and articles of a  raster based application of LiDAR data  in  the  field of  landslide analysis and 

mapping (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 35: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

35 / 122 

3. STUDY AREAS 

 

3.1   General Settings 

Two main study areas  in Spielberg bei Knittelfeld and Wald am Schoberpass  (Province of Styria, 

Republic of Austria) were chosen. 

Table 5 shows  the geographical position of  these areas  in UTM‐33N projection. The  reasons  for 

selecting these areas are based on the availability of high‐resolution, LiDAR derived DTMs with less 

noises and artefacts.  In  these  regions brisk  landslide activities can be  found partly below dense 

forest cover, as well as anthropogenic structures. These zones of agriculture and tourism, ancient 

mining  areas  and  archaeological  sites  that  affect  the  terrain  surface  complicate  the  semi‐

automatic landslide mapping process. 

 

Geographical Position 

 

Spatial Reference  Geographical Extent 

  Study Area 1  Study Area 2 

 

UTM‐33N 

 

Left 

Top 

Bottom 

Right 

481628.36 

5231534.76 

5230308.35 

482853.59 

475269.97 

5257671.14 

5255541.02 

476315.10 

Table 5. Geographical position of the study areas (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 36: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

36 / 122 

3.1.1 Geographical Position 

 

Figure 9. Relief image of the Province of Styria, the red polygons show the two study areas in Spielberg bei Knittelfeld 

[left image] and Wald am Schoberpass [right image] (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

  Figure 9 shows the location of the study areas in Spielberg bei Knittelfeld (Study Area 1) and Wald 

am Schoberpass (Study Area 2). Study area 1 is located in an inner alpine basin, called Aichfelder 

Becken, on the south brink of the Niedere Tauern (Central Alps) and Study Area 2 is situated in a 

small  tributary valley of  the Liesingtal  in  the Eisenerzer Alpen. Both areas are  in  the Province of 

Styria, Republic of Austria. 

 

Study  Area  1  characterizes  for  lower  mountain  regions,  while  Study  Area  2  exemplifies  high 

mountain regions in Styria.  

 

 

GRAZ

Page 37: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

37 / 122 

Study Area 1, Spielberg bei Knittelfeld (see Figure 10) ‐ a short overview: Study Area 1 extends to 

an area of 1 km². About 80% of the area  is covered by vegetation. The elevation  is between 713 

and 1087 m a.s.l. and the slope gradient is between 0 and 67° (see Table 6).  

Study Area 1  is chosen as an example for a  low mountain region  in the Province of Styria with a 

gentle terrain surface. As part of the Aichfelder Becken, a popular ancient mining area, old mining 

signs  and  archaeological  sites  affect  the  terrain  surface  and  complicate  the  landslide mapping 

process.  

 

Study Area 2, Wald am Schoberpass (see Figure 11) ‐ a short overview: Study Area 2 extends to 

an area of 2 km². About 70% of the whole area is covered by vegetation. The elevation is between 

860 and 1590 m a.s.l. and the slope gradient  is between 0 and 86° (see Table 6). Study Area 2  is 

chosen as an example for a high mountain region  in Styria with a very rough terrain surface and 

steep  slopes. A  giant  landslide  affects  the whole  study  area  of  2  km².  In  this  case,  ski‐tourism 

affects the terrain surface as well. 

 

  Area 

[km²] 

 

Elevation [m] 

 

Slope [°] 

Forest 

Cover [%] 

    Min  Max  Mean  Min  Max  Mean   

 

Study Area 1 

 

1.00 

 

713.49 

 

1087.48 

 

846.99 

 

0.01 

 

66.90 

 

20.99 

 

80 

 

Study Area 2 

 

2.00 

 

860.08 

 

1589.59 

 

1157.04 

 

0.00 

 

85.44 

 

25.26 

 

70 

Table  6.  List  of  important  parameters  of  the  two  study  areas  (data  basis:  STYRIAN  LIDAR  CAMPAIGN,  2011,  AUTHOR’S 

ADAPTATION) 

Page 38: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

38 / 122 

    

 

 

 

 

 

 

 

Figure  10.  Study  Area  1,  Spielberg  bei  Knittelfeld  ‐  LiDAR  DTM  [left  image]  and  DSM  [right  image]                         

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)  

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  11.  Study  Area  2,  Wald  am  Schoberpass  ‐  LiDAR  DTM  [left  image]  and  DSM  [right  image]                         

(data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 39: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

39 / 122 

3.2  Geology and Soils 

According to the GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA, the high situated regions of Study Area 1 belong to 

the Sheet Gravel of the Middle East Alpine (Crystalline of the Flatschacher Range; see Figure 12, 

upper  image).  Lower  regions  near  the  hillside  toe  are  dominated  by  younger  deposits  of  the 

Quaternary  and  the  Tertiary,  but  the  ratio  of materials  of  the Quaternary  is  insignificant.  The 

border  zone  of  the  Tertiary  is  a  common  area  for  landslide  activities  (see GEOLOGICAL  SURVEY  OF 

AUSTRIA 2011). Gley and slope gley soils dominate  in the  lower parts of Study Area 1.  In between 

are loose sediments (see Figure 12, lower image).  

 

According  to  the GEOLOGICAL  SURVEY  OF AUSTRIA,  Sheet Gravel  of  the Middle  and  the Upper  East 

Alpine  dominate  the  Geology  of  Study  Area  2.  Old  (phyllite)  and  young  Palaeozoic  rocks 

(sandstones and carbonate) dominate this region. Debris materials of the Quaternary (see Figure 

13, left image) can be found in the lower zone of the area (see GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA 2011). 

Decreased  stability  as  a  result  of macerated  phyllites  can  cause  landslide  activities.  Soil  form 

complexes and coloured local soils are the dominant soils between forested areas. In between are 

loose sediments, rendzina and slope soils (see Figure 13, right image; see BMLFUW & BFW 2009). 

Page 40: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

40 / 122 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Legend

  (G) Gley Soil

  (HG) Slope Gley Soil

  (LB) Loose Sediment ‐ Brown Calcareous Soil

  (PU) Grade Soil (Planieboden) 

  Forest

  Water Bodies

  Not Mapped Area

 

Figure  12.  Geology  [upper]  and  soil  maps  [lower  image]  of  Study  Area  1,  Spielberg  bei  Knittelfeld   

(sources: GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA, 2011 AND BMLFUW & BFW, 2009)  

Page 41: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

41 / 122 

   

 

Legend

  (FU) Coloured Local Soils 

  (LB) Loose Sediment ‐ Brown Calcareous Soil

  (K) Soil Form Complex 

  (R)  Rendzina Soil + Slope Soil 

  Forest

  Water Bodies

  Not Mapped Area

 

Figure  13.  Geology  [left]  and  soil  maps  [right]  of  Study  Area  2,  Wald  am  Schoberpass  

(sources: GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA, 2011 AND BMLFUW & BFW, 2009) 

Page 42: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

42 / 122 

3.3   Vegetation, Land Use and Climate 

Study Area 1  in  Spielberg bei Knittelfeld  is part of  the  climatic  region  “Knittelfeld‐Judenburger‐

Becken mit Seitentälern im Südosten”. This region is bounded by the Mur basin from Judenburg to 

Preg and its tributary valleys.  The continental large valley climate is relatively arid in winter with 

little snow. The mean annual precipitation  is 842 mm\m². High  fog  in autumn and winter affect 

the  relative  sunshine  duration  negatively.  The  low mean  temperatures  of  ‐5.8°C  in  January,  of 

16.2°C  in  July and an annual average  temperature of 6.3°C confirm a continental climate. There 

exists an  increased tendency to temperature  inversion because of the  large valley exposure. The 

coldest areas  in  this  region are  the valley  floodplains, where about 165 days of  the year exhibit 

winter conditions while only 34 days per year exhibit typical summer conditions. The majority of 

Study  Area  1  is  coniferous  forest  (spruces), which  is  intersected  by  numerous  forest  roads.  In 

between are small mixed forest areas (see Figure 14) with beech and birch trees. 

 

Study Area  2  in Wald  am  Schoberpass  is  part  of  the  climate  region  “Liesingtal”.  The  Liesingtal 

together with its tributary valleys is an inner alpine valley depression bounded by the Schoberpass 

in the north to the Seckauer Tauern in the west and the Eisenerzer Alpen in the east. The climate is 

cold  in  winter,  moderate  warm  in  summer,  with  decreasing  temperatures  in  the  northward 

direction;  there  is  also  potential  for  high  fog  and  temperature  inversion,  less  snow,  reduced 

sunshine duration because of the high fog and a dominance of down‐valley winds (see LUIS 2011). 

Mixed and coniferous forest is the dominant vegetation of Study Area 2. Coniferous forest is in the 

upper part of the area as well as small moorland (see Figure 15). Pasture land can be found within 

the range of the hillside toe. A settlement area is in the valley (see Figure 15; see LUIS 2011 and GIS 

STYRIA 2012). 

Page 43: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

3. STUDY AREAS 

43 / 122 

 

Figure  14.  Study  Area  1,  Spielberg  bei  Knittelfeld  –RGB  [left]  and  CIR  orthophotos  [right]                         

(source: GIS STYRIA, 2012)  

  

 

Figure  15.  Study  Area  2,  Wald  am  Schoberpass  –RGB  [left]  and  CIR  orthophotos  [right]                        

(source: GIS STYRIA, 2012) 

Page 44: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

44 / 122 

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

 

4.1   Software Description 

The ArcGIS 10.0 Package,  the newest GIS  software by ESRI, with 3D‐Analyst and Spatial Analyst 

Extensions  was  utilised  for  the  semi‐automatic  landslide  mapping  process.  The  ArcGIS 

environment provides good tools for GIS modeling, for land surface analysis and for the detection 

of geomorphological  structures  like  landslides. The  LP360 Extensions of QCoherent  is used as a 

backbone tool for the LiDAR data integration to GIS – Databases as well as for special treatment of 

the original point cloud data and for the creation of DTMs and DSMs with 1 m resolution. With the 

help  of  Python,  a  powerful,  simple  and  open  source  scripting  language  of  the  1990s,  complex 

workflows and new geoprocessing tools can be implemented in the GIS‐Software. 

 

4.1.1 ArcGIS and Extensions (ESRI) 

The  Environmental  System  Research  Institute,  Inc.,  or 

ESRI was founded  in 1969  in Redlands, California by Jack 

Dangermond (Harvard Laboratory for Computer Graphics 

and Spatial Analysis) and his wife. In 1982 ARC/INFO, the 

first  commercial GIS, was  released. Vector Data  (points, 

line  and  polygons)  were  combined  with  a  data 

management  system  for  assigning  attributes  to  these 

features.  Raster  Data  were  not  considered  during  this 

time.  In  the  late  1990s  the  GIS  platform  ArcGIS  was 

developed (see ESRI 2011). 

                 

ArcGIS  is  the  umbrella  term  for  a  product  line  of  different,  but  complementary  GIS  software 

products,  a  desktop  (ArcGIS Desktop,  ArcGIS  Engine,  ArcGIS  Explorer),  a  server  (ArcGIS  Server, 

ArcGIS  Server  Image),  and  an  online  and  a mobile GIS  (ArcPad)  (see  Figure  16).  The  software 

package is used to edit, demonstrate, model, analyse and digitise GIS Raster and Vector Data (see 

ESRI 2011). 

Figure 16. ArcGIS product line (source: ESRI, 2011)

 

Page 45: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

45 / 122 

ArcGIS Spatial Analyst Extension is used to model and analyse spatial relationships of raster data 

and to execute complex raster calculations (see ESRI 2011). 

ArcGIS 3D Analyst Extension allows the comprehension of the third dimension and is excellent for 

analysing  and  modelling  raster  data  such  as  3D  LiDAR  Digital  Terrain  and  Surface  Models            

(see ESRI 2011). 

 

4.1.2 LP360 for ArcGIS 

LP360  (see  Figure  17)  is  a  LiDAR  software  extension  for  the ArcGIS  environment  developed by 

QCoherent (Colorado Springs, Colorado), released in August 2006 and is designed for LiDAR point 

clouds. The data format utilized is the LAS format by the American Society of Photogrammetry and 

Remote  Sensing,  in  short  ASPRS, which  integrates  LiDAR  point  cloud  datasets  completely  into 

ArcGIS  and  can  be  combined  with  different  data  formats  supported  by  ArcGIS.  The  LP360 

Extension is used to calculate elevation corrections, import and export LiDAR data, generate point 

cloud statistics and to employ basic classification filters, height filters, building point classification, 

building outlines and macro filter stacks. A further advantage is to display both, a 3D and a profile 

view  of  the  point  cloud.  It  is  possible  to  export  LAS  data  into multipoints, which  include,  for 

example, information about the classification, the intensity or the return number (see QCOHERENT 

2011). 

 

 

Figure 17. LP360 surface (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) 

Page 46: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

46 / 122 

4.1.3 Python 

Python  (named  after  the  comedian‐group Monty Python),  is  remarkably powerful  and dynamic 

open‐source  scripting  language  developed  during  the  1990’s.  Python  has  a  large  and 

comprehensive standard  library and a very clear syntax. The most  important component of  this 

master’s  thesis  is  that  this  scripting  language  can  be  implemented  in  ArcGIS  geoprocessing 

workflows, which means new  scripts written  in Python  can be  integrated  in ArcGIS as new and 

powerful tools. 

In this research Python was used for creating a semi‐automatic  landslide mapping toolbox  in the 

ArcGIS 10.0 environment (see PYTHON 2012) 

For a better  insight  into Python and  its applications go  to either www.python.org  (January, 5th, 

2012) or http://openbook.galileocomputing.de/python/ (January, 5th, 2012). 

 

 

4.2   Data 

The main  dataset  used  in  this  work  is  a  LiDAR  Digital  Terrain Model  with  a  1 m  resolution. 

Additionally  vector  data  (streets,  streams,  buildings,  etc.)  were  integrated  in  the  landslide 

detection process. 

 

4.2.1 LiDAR Data 

LiDAR point cloud data  (see Figure 18), adjusted with a First‐/‐Last‐Pulse proceeding and with a 

vertical accuracy of ±15 cm and a positional accuracy of ±40 cm were collected of the Province of 

Styria, an area of about 16,000 km² with scanners of Riegl GmbH and IMUs of IGImgH carried by a 

helicopter (see Table 7; see STYRIAN LIDAR CAMPAIGN 2011). 

 

Equipment  Type 

Laserscanner  LMS‐Q560 / 200kHz 

LMS‐Q560 / 240 kHz 

LMS‐Q680i / 240 kHz 

IMU  IMU‐2D / 256 Hz  

IMU‐2E / 256 Hz 

Table 7. Main equipment of the Styrian LiDAR – campaign (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011)

Page 47: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

47 / 122 

Raw data were geo‐referenced to UTM‐33N with ellipsoidical heights referred to ETRS89. Output 

data were geo‐referenced to BMN‐M31/BMN‐M34 with orthometric heights referred to the geoid. 

In this master’s thesis the UTM‐33N dataset was used for executing the semi‐automatic landslide 

mapping tool and for mapping landslides manually (see STYRIAN LIDAR CAMPAIGN 2011). 

Point  cloud  data  were  classified  into  7  classes  as  specified  with  the  ASPRS‐LAS  Data  Format 

Description: multiple echo and outlier, ground, canopy > 0.5 m to 3 m, canopy > 3 m, buildings and 

bridges, cables and non‐classifiable points, and water (see STYRIAN LIDAR CAMPAIGN 2011). 

The ALS data were processed to create Digital Terrain Models (DTM) out of ALS ground points and 

Digital Surface Models  (DSM) out of  the adjusted  first echo ALS data with a 1m  resolution. The 

mean point‐density above 2000 m a.s.l. is 2 points/m² and the mean point density below 2000 m 

a.s.l.  is 4 points/m². The existence of snow,  ice and water caused artefacts and quality  loss. The 

quality of the DTM depends on the precision of post processing of LiDAR data and on the quality of 

error and artefact elimination, as well as systematic errors and noise or random errors during the 

process of generating DTMs. Noise in a DTM causes fuzziness of terrain edges and limits detailed 

analyses.  Further  factors,  which  influenced  the  quality  of  a  DTM  for  later  analysis,  are  the 

roughness of  the  land  surface,  the  sampling density,  the grid  resolution,  the gridding algorithm 

and the vertical resolution (see NELSON et al. 2009, p. 65ff.). 

 

 

Figure 18. Classified LiDAR Point Cloud [Red = Buildings, Green = Vegetation and Orange = Ground]  (source: STYRIAN 

LIDAR CAMPAIGN, 2011) 

Page 48: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

48 / 122 

4.2.2 Vector Data 

In  addition  to  ALS  data,  vector  datasets maintained  by  the Geoinformation Office  (GIS)  of  the 

Province of Styria and geo‐referenced in UTM‐33N were used (see Table 8).  

These  data  were  used  for  the manual  landslide mapping  process,  for  better  visualisations  of 

special topics like geology or soils and they were partly integrated in the semi‐automatic landslide 

mapping tool for improving the results. 

 

Shape Name  Feature Type Actuality  Organisation Content 

Archaeological 

Sites 

Polygon  2011‐12‐19  Mag. Susanne Tiefengraber (Part of her 

graduate thesis) 

 

Archaeological Sites of Styria

CORINE_CLC2000   Polygon  2006‐1124  Umweltbundesamt GmbH Corine Landcover of Styria

 

Gebäude 

(Kataster) 

Polygon  2010‐02‐03  Bundesamt für Eich‐ und 

Vermessungswesen (BEV) Wien 

 

Building mask of Styria 

Geologie 

1:50.000 

Polygon   1986‐07‐01  Provincial Government of Styria ‐ Board 

of Works, Geoinformation Staff Office 

 

Geology of Styria (scale 1:50.000)

gew  Line  2010‐05‐04  Provincial Government of Styria, FA19B 

‐ Schutzwasserwirtschaft und 

Bodenwasserhaushalt 

 

Stream Network of Styria

GIP‐ROUTE  Line  2011‐01‐17  Provincial Government of Styria, FA18A 

‐ Gesamtverkehr und Projektierung 

 

Street Network of Styria 

wilbezg  Polygon   2009‐10‐07  Provincial Government of Styria, A16 

Landes‐ und Gemeindeentwicklung 

Torrent  Catchment  Areas  of 

Styria 

Table 8. In this thesis main used vector data (source: GIS STYRIA, 2012) 

Page 49: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

49 / 122 

4.3   Land Surface Parameters 

The main issue with extraction of any geomorphological structure is Geomorphometry, the science 

of  quantitative  land‐surface  analysis,  land‐surface modeling  and  land‐surface  parameterisation. 

This field is defined as the numerical characterization of topographic forms. The operational focus 

is  the  extraction  of  different  land‐surface  parameters  and  structures  out  of  square‐grid 

representations  of  the  surface  with  mathematical,  statistical  and  image  processing  methods. 

Those representations are DTMs. The used DTMs with a 1 m resolution are a simple raster dataset 

showing the height of the surface a.s.l. (see NELSON et al. 2009, p. 65 ff.; SCHMIDT & DIKAU 1999, p. 

153 ff.). Land surfaces are divided and classified into different landform elements at a given scale 

or  spatial  resolution.  These elements  are delineated by  topographic discontinuities  and  should, 

ideally, be characterized by mostly uniform morphometry.  

In  Geographic  Information  Systems,  landform  elements  are  characterised  by  different  vector‐

features such as polygons, lines and points. They can be recognised regardless of scale and type of 

terrain and are grouped by a finite number of morphologically important points i.e. the following 

surface‐specific  elements:  pits,  peaks,  ridge  lines,  course  lines,  passes  and  break  lines. 

Geomorphometric or  land surface parameters describe  the  local morphology. These parameters 

can be derived directly from a DTM without further knowledge of an area and they are classified 

into local (geometric and statistical) and regional parameters.  

In Geomorphometry  basic  parameters  such  as  slope,  aspect  and  curvature  and  local  statistical 

parameters  such  as  roughness,  range  or  variance  of  slope,  skewness  and  kurtosis  coefficient 

describe  the  local morphology. Moreover, hydrological  (flow  accumulation,  flow direction, etc.) 

and climatic parameters (e.g. average annual precipitation) are considered in land surface analysis. 

The most  common  parameters  of  regional  relief  are  catchment  area,  flow‐path  length,  slope 

length and proximity to local streams and ridges (see NELSON et al. 2009, p. 65ff.; SCHMIDT & DIKAU 

1999, p. 153 ff.). 

In the following paragraphs the most  important  land surface parameters for  landslide extraction 

and mapping are described  in brief. All of  the  images depicted on  the  following pages  resulted 

from an analysis of Study Area 1. 

Geomorphometric parameter calculation formulas are not quoted in this thesis, they can be found 

in  HENGL  (2009).  Both  the  ArcGIS  Spatial  Analyst  and  3D  Analyst  extensions  can  be  used  to 

calculate the following land surface parameters (see ARCGIS DESKTOP 10.0 HELP 2011). 

Page 50: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

50 / 122 

4.3.1 Hillshade 

By determining illumination values for each cell in a raster the hypothetical illumination is shown. 

The grey scale hillshade map consists of integer values from 0 to 255. The angular direction of the 

sun is called azimuth. It is measured from north in clockwise degrees from 0 to 360 °. The slope or 

angle of the  illumination source above the horizon  is called altitude  (see Figure 19). The scale  is 

from 0  to 90° degrees  (see OLAYA 2009, p. 141ff.; ARCGIS DESKTOP 10.0 HELP 2011). The hillshade 

map  shows  a  good  image of  the  terrain  and movements  in  the  terrain, which  support manual 

landslide mapping.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

Figure 19. Hillshade [left] and slope images [right] of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S 

ADAPTATION) 

 

4.3.2 Slope  

The parameter  slope or gradient describes  the  steepness, grade, alternatively  the  incline of  the 

terrain (see Figure 19). The tool calculates the maximum rate of change in value from each cell of a 

raster  surface with a 3 x 3 cell neighbourhood with an average maximum  technique  (see OLAYA 

2009, p. 141ff.; ARCGIS DESKTOP 10.0 HELP 2011). Rapid  changes  in  terrain  are possible  signs  for 

landslides.  The  slope  map  supports  a  manual  landslide  mapping  process.  Steep  slopes  are 

visualised by lighter grey colours, plane slope by darker grey colours. 

Value of slope [°]

High : 67

Low : 0

Page 51: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

51 / 122 

4.3.3 Variance of Slope 

Variance  of  slope  (see  Figure  20)  in  a  certain  search  area  can  point  out  abrupt  changes  in 

inclination (see OLAYA 2009, p. 141ff.). The variance of slope map supports an automatic  location 

of abrupt changes in slope. High values with lighter grey colours point out these abrupt changes.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

Figure 20. Variance of slope [left] and aspect images ([right] of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011) 

 

4.3.4 Aspect 

The slope direction or the downslope direction of the maximum rate of change in value from each 

cell to its neighbours is named aspect (see Figure 20). The compass direction, measured clockwise 

in degree from 0 ° to 360 °, is indicated by the value of each cell in the output raster. The value of  

‐1 is an indicator for a totally flat area. The direction a cell’s slope faces is indicated by the value of 

each cell  in an aspect dataset (see OLAYA 2009, p. 141ff.; ARCGIS DESKTOP 10.0 HELP 2011). Smooth 

areas have similar aspects in a neighbourhood of cells, while rough areas exhibit a strong diversity 

of orientations within a neighbourhood of cells. 

Value of variance of slope

High : 21

Low : 0

Page 52: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

52 / 122 

4.3.5 Variance of Aspect 

Variance of aspect demarcates  rough areas with a diversity of orientations  (see Figure 21). The 

variance of aspect map points out anomalies and variability in terrain surface, which are visualised 

by high values with lighter grey colours.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

Figure 21. Variance of  aspect  [left]  and  vertical  curvature  images  [right] of  Study Area 1  (data basis:  STYRIAN  LIDAR 

CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

 

4.3.6 Curvature 

Curvature  describes  the  concavity  and  convexity  of  the  surface  (see  Figure  21).  Vertical  and 

horizontal  curvature  can  be  used  to  distinguish  convex  and  concave  shapes  (see  OLAYA  2009,         

p. 141ff.; ARCGIS DESKTOP 10.0 HELP 2011). 1/R of a plane curve is the inverse radius R of a circle that 

is best fitted to this curve at a given point. R > 0 (black) indicates a convex surface, R < 0 (white) a 

concave one. Convergence is indicated by concave horizontal curvature, while divergence of flow 

lines  is  indicated by convex horizontal curvature. A convex vertical curvature can be a signal of a 

landslide scarp or of an acceleration of flow. 

Value of variance of aspect

High : 178

Low : 1

Value of vertical curvature

High : 321

Low : -224

Page 53: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

53 / 122 

4.3.7 Roughness  

Terrain  roughness  is  a measure  of  the  terrain  complexity, which means  variation  in  the  three‐

dimensional  orientation  of  grid  cells  within  a  defined  neighbourhood  (see  Figure  24).  Vector 

analysis  is used to calculate the dispersion of vectors normal (orthogonal) to grid cells within the 

specified neighbourhood. This method effectively captures variability  in  slope and aspect  into a 

single measure (see SAPPINGTON et al. 2007, p. 1419ff.). Roughness raster values can range from 0 

(no  terrain  variation)  to 1  (complete  terrain  variation).  For  instance  streets or buildings have  a 

smooth surface in contrast to vegetation, which typifies a rough surface.  A rough surface can be 

an indicator for landslide events. The method to calculate the terrain roughness was adapted from 

the Vector Ruggedness Measure by SAPPINGTON et al. (2007).  

 

  

 

 

 

 

 

 

 

Figure 22. Roughness  image  [left] and contour  lines  [left] of Study Area 1  (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, 

AUTHOR’S ADAPTATION)  

 

4.3.8 Contour Lines 

Contour lines or isolines connect cells of equal values in a raster dataset (see Figure 22). Contour 

lines are used  to  represent  continuous phenomena  such as elevation,  temperature  (isotherms), 

precipitation  (isohyets), pollution or atmospheric pressure (isobars; see ARCGIS DESKTOP 10.0 HELP 

2011). Closer  lines  indicate a rapid fall or rise of values, while  lines that are spaced farther apart 

indicate little changes. 

contours (2 meter interval)

Value of roughness

High : 0

Low : 4

Page 54: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

54 / 122 

4.4   Triangular Irregular Network (TIN) 

Triangular irregular networks (TINs) are used to represent surface morphology as a form of vector‐

based  digital  geographic  data  (see  Figure  23).  TINs  are  constructed  by  triangulating  a  set  of 

vertices  (points)  that  are  connected with  a  series of edges  to  form  a network of  triangles. The 

Delaunay  triangulation  interpolation  is  supported  by  the  ArcGIS  workspace.  Contiguous,  non‐

overlapping triangular facets are formed by the edges of TINs, which can be used to capture the 

position of  linear  features  that play an  important  role  in a surface, such as  ridgelines or stream 

courses  (see  ARCGIS  DESKTOP  10.0  HELP  2011).  Triangular  irregular  networks  support  a manual 

landslide mapping.  

 

 

 

Figure 23. TIN  [upper  image] and TIN 3D Model of Study Area 1  [lower  image]  (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 

2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 55: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

55 / 122 

4.5   Topographic Position Index 

 

The Topographic Position  Index  (TPI) Tool  is part of  the  Land Facet Corridor Designer  to design 

wildlife  linkages  in  the  face of  impending  climate  change by  JENNESS et al.  (2011), and was  first 

described by WEISS (2001) at the ESRI International User Conference. 

The TPI  is used to classify a  landscape  into topographic positions (ridge top, mid‐slope, etc.) and 

landform categories  (canyons, valleys, etc.) based on  the  selected  scale  (see Figure 24). Smaller 

neighbourhood sizes capture small and local structures, while large neighbourhoods capture large‐

scale  features  (see  Figure 24).  The  code  for  the  TPI  tool was  slightly  altered  to  adapt  it  to  the 

demands of this master’s thesis (see JENNESS et al. 2011, p. 45ff.). 

 

 

Figure 24. Slope Position Classification at different scales (source: JENNESS et al., 2011, p. 45ff.) 

Page 56: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

56 / 122 

4.5.1 TPI Elevation 

The TPI elevation (see Figure 25,  left  image)  is the difference between a cell elevation value and 

the average elevation of neighbourhood around that cell. If the cell is higher than its surroundings, 

it  is visualised by a positive value, while negative values mean that the cell  is lower. For example 

the  value  10  means  that  the  cell  is  10  meters  higher  than  the  average  elevation  of  the 

neighbourhood (see JENNESS et al. 2011, p. 49). The TPI standardized elevation (see Figure 25, right 

image) takes the TPI and divides it by the Neighbourhood Standard Deviation, which means that a 

value of 1 means  that  this cell  is 1  standard deviation higher  than  the average elevation of  the 

neighbourhood (see JENNESS et al. 2011, p. 49). The TPI standardized elevation image below shows 

a  classified  “Terrain  Surface  Changes”  raster  dataset  (brown  =  cells  lower  than  the  average 

indicate a decreasing; green = cells higher than the average indicate an increasing).  

For  this master’s  thesis  the TPI Elevation  raster  is used  to extract  stream  lines out of  the high‐

resolution  LiDAR  Digital  Terrain  Model  and  to  detect  movements  in  the  terrain  surface 

(landslides). 

 

   

 

Figure 25. TPI elevation [left] and TPI standardized elevation  images [right] of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)  

Value of TPI DTM standardized elevation

High : 3

Low : -3

Page 57: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

57 / 122 

4.5.2 TPI Slope 

The  TPI  slope  (see  Figure  26,  left  image)  is  the  difference  between  a  cell  slope  value  and  the 

average slope of neighbourhood around that cell. For example higher values mean that it is likely 

near or at the top of a hill or a ridge,  lower values suggest the cell  is at or near the bottom of a 

valley (see JENNESS et al. 2011, p. 49). TPI standardized slope (see Figure 26, right image) takes the 

TPI and divides  it by the Neighbourhood Standard Deviation, where a value of 1 means that this 

cell is 1 standard deviation higher than the average elevation of the neighbourhood (upper image) 

(see  JENNESS  et  al.  2011,  p.  49).  The  TPI  standardized  slope  image  below  shows  a  classified 

“Landform Categories” raster dataset (valleys, lower slopes, upper slopes and ridges).  

For  this master’s  thesis  the  TPI  Slope  raster  is  used  to  extract  forest  roads  out  of  the  high‐

resolution LiDAR Digital Terrain Model and to detect ridges  in the terrain surface (landslide main 

scarps). 

 

   

 

Figure 26. TPI slope [left] and TPI standardized slope images [right] of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 

2011, AUTHOR’S ADAPTATION)  

Value of TPI slope standardized elevation

High : 5

Low : -5

Page 58: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

4. LANDSLIDE MAPPING – THEORETICAL PART 

58 / 122 

4.6   SMORPH Landslide Risk Model 

 

The slope morphology matrix (SMORPH) by SHAW & JOHNSON (1995) is formed by the slope gradient 

and  the  horizontal  curvature  (convex,  concave  and  planar)  and  classifies  the  area  into  low, 

medium and high landslide risk areas (see Figure 27). 

For this master’s thesis medium landslide risk areas are also an indicator for drainage lines, which 

facilitate the detection of landslides as well. 

 

 

 

Figure 27. Smorph image of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

 

Page 59: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

59 / 122 

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

 

This part is the main and most important part of this master’s thesis. Months of intense fieldwork 

contributed to this chapter. It has to be stressed that the bulk of this practical work is developed 

on  the author’s own, apart  from  the  “Edge Detection Tool” adapted  from  the paper EXTRAKTION 

GEOLOGISCH  RELEVANTER  STRUKTUREN  AUF  RÜGEN  IN  LASERSCANNER‐DATEN  by  Joachim  Niemeyer,  Franz 

Rottensteiner, Friedrich Kühn and Uwe Sörgel (2010), the “TPI Tool” adapted from the “Landfacet 

Corridor  Tool”  from  Jeff  Jenness  (Jenness  Enterprises, Arizona, USA)  and  the  “Roughness  Tool” 

adapted  from  the  “Vector  Ruggedness Measure”  python  script  by Mark  Sappington.  A written 

agreement for using alternatively adapting these tools in the author’s practical work were given by 

mail by DI Joachim Niemeyer (University of Hannover), Jeff Jenness (Jenness Enterprises, Arizona, 

USA) and Mark Sappington (Lake Mead National Recreation Area, Nevada, USA). 

Furthermore  it has to be mentioned that the semi‐automatic  landslide mapping tool underlies a 

continuous  improvement process and  is a  result of a  loop  system, where verified and manually 

mapped  landslides  are  not  only  used  for  testing,  but  also  for  improving  the  semi‐automatic 

landslide mapping process. 

In  the  next  chapters  the  three work  steps  (manual  landslide mapping,  verification,  and  semi‐

automatic  landslide mapping) of a possible  landslide mapping workflow are described. The semi‐

automatic landslide mapping chapter will give a short insight in the creation of an ArcGIS landslide 

mapping toolbox. 

 

Empiricism and to acquaint oneself with LiDAR, DTMs and land surface parameter images are the 

most important instruments used for landslide mapping in this master’s thesis.  

Any values and techniques used in chapter 5 underlie empirical research work of the author. 

 

Anybody, who is interested in the toolbox and wants to use or adapt the landslide tools in its own 

work, may write a mail to [email protected]

Page 60: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

60 / 122 

5.1   Manual Landslide Mapping 

Due  to  the  fact  that  there  exists  no  useable  landslide  vector  dataset  for  the  study  areas  in 

Spielberg  bei  Knittelfeld  and  Wald  am  Schoberpass,  the  author  has  identified  and  mapped 

characteristic  landslide  features  like main  scarps  and  landslide  areas  on  her  own  by  using  and 

analysing land surface parameter images and other maps described in chapters 4.3 to 4.6. 

These manually mapped  landslide  features  are  verified  by  doing  field work  and  by  consulting 

experts, which  are described  in  chapter 5.2. A  tool  for  calculating  land  surface parameters  are 

described in chapter 5.3 as well. 

 

The manually mapped landslide vector datasets are used:  

to get verification datasets for the  landslide features, which are automatically mapped by 

the ArcGIS landslide mapping toolbox, 

to find out the workability and applicability of semi‐automatic landslide mapping and 

to  improve  the semi‐automatic  tool with  the knowledge acquired about  the study areas, 

the land surface parameters and the existing landslides in these areas. 

 

In the following chapter a rough overview of a manual landslide mapping workflow is given. 

 

 

5.1.1 Manual Landslide Mapping Workflow 

It is important to mention at this point that a special knowledge about a region or study area is not 

obligatory to  identify and map  landslide features  in LiDAR DTMs and a familiarity with LiDAR and 

LiDAR  DTMs  and  further  ability  to modify  them  are  indispensable.  As  this  thesis  describes  a 

method  for mapping  actual  and  not  potential  landslide  areas,  other  landslide  parameters  like 

anthropogenic factors, geological, hydrological, hydro‐geological and vegetation parameters were 

not  considered  in  the manual  and  semi‐automatic mapping  process.  That means  that  further 

information about a region can be neglected during a manual mapping process. Such information 

negatively  affect  and  influence  the  analysis  than  facilitate  a  manual  landslide  mapping.  For 

example the LiDAR DTM with 1 m resolution is too detailed as to compare it with the excessively 

generalised geological map 1:50.000 of Styria (BEV), which means that it is often not conformed to 

the actual geology.  

Page 61: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

61 / 122 

But nevertheless further geological, hydrological, hydro‐geological and vegetation information can 

be used to verify manually mapped landslides (see chapter 5.2). 

 

The first step for the manual mapping of landslides is to acquaint oneself with a region by studying 

the land surface parameter images such as hillshade, slope, variance of slope, variance of aspect, 

curvature, roughness and the contour  lines, roughness and topographic position  index maps and 

the TIN (see Figures 29 and Figure 30 and chapter 4.3 to 4.6). These images allow an outlining of 

different landslide features like scarps, areas of accumulation, transverse ridges and cracks, radial 

cracks, landslide tongues or surface of ruptures (see Figure 28, left image). 

In a second step, different  land surface parameter  images are consulted to draw  landslide main 

scraps and  landslide areas. A comparison of a schematic  landslide sketch and a profile view of a 

landslide  body  (see  Figure  28,  right  image)  with  diverse  land  surface  parameter  images                 

(see chapter 4.3 to 4.6) lists the different adaptability of the parameter maps in regard to landslide 

features  like main scarps or  landslide areas and shows the visibility of  landslide features  in these 

maps (see Table 9). 

In  a  third  step  the manually mapped  landslide  features  are  verified  by  doing  field work  and 

consulting experts in geology and geomorphology (see chapter 5.2). 

Main scarps and sometimes also minor scarps and flanks are the best visible and best distinctive 

parts of  landslide surfaces. For this reason these features can also be detected automatically out 

of a LiDAR DTMs with 1 m resolution (see chapter 5.3). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 28.  Schematic  landslide  sketch  [left]  and  schematic profile  view of  a  landslide  [right]  (source of  left  image: 

GEOLOGICAL HAZARDS PROGRAM, 2011 and source of right image: AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 62: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

62 / 122 

Slope, variance of slope, curvature and contour  lines  indicate  rapid variance  in  terrain  like main 

and minor scarps, cracks and ridges and concave and convex edges best. Hillshade, slope, variance 

of slope and roughness maps allow an outlining of the whole landslide area. Slope and variance of 

slope indicate a flattening area best. The profile view helps with verifying the landslide surface.  

 

A  big  challenge  is  posed  by  old, marked  landslides  –  an  expert  eye  can  see  old  landslides  in 

hillshade,  slope  and  contour  line maps,  but  an  automatic  outlining  of  these  features  is  almost 

impossible, because of the smooth surface of such  landslides. Moreover  it  is  important to know 

that it is possible that landslides can be seen and mapped in land surface parameter maps, but not 

in  the  field. The viewing angle  from  the earth, observation when  too close  to a  landslide object 

and dense vegetation often complicate outlining and locating landslides. 

 

Figure 29. Visualization of  land surface parameters hillshade [top  left], slope [top right], vertical curvature [down 

left] and contour lines [down right] with 320 x 200 m (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 63: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

63 / 122 

Figure 30. Visualization of  land surface parameters variance of slope  [top  left], roughness  [top right], variance of 

aspect  [centre  left]  and  tin  [centre  right]  and   of  TPI  slope  [bottom  left]  and  TPI  elevation  [bottom  right] with   

320 x 200 m (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

 

Page 64: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

64 / 122 

Table 9 shows the used images for mapping different landslide features.  

Features of the 

landslide body 

Description  Raster Images 

crown, 

main and minor scarps 

convex and concave edges 

 

hillshade,  

vertical curvature,  

TPI 

rapid change of slope (steepening in 

terrain) 

 

hillshade,  

slope,  

variance of slope 

surface of rupture    erosion of earth material  (extensive 

change in original ground surface)  

 

hillshade,  

TPI, 

profile view 

change  of  slope  (flattening  in 

terrain) 

 

hillshade,  

slope, 

profile view 

transverse  cracks  (compression  of 

earth material) 

hillshade,  

horizontal curvature  

rough surface  hillshade,  

roughness,  

variance of aspect 

landslide foot  area of accumulation 

 

hillshade,  

TPI, 

profile view 

  transverse cracks and ridges  hillshade, 

horizontal curvature  

  waved terrain  hillshade,  

vertical curvature 

  rough surface  hillshade,  

roughness,  

variance of aspect 

Table 9. Visibility of landslide features in different raster images (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) 

Page 65: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

65 / 122 

5.2   Verification and Results of Manual Landslide Mapping 

 

5.2.1 Verification of manually mapped landslides 

Field work was done and experts were consulted to verify the manually mapped  landslides. The 

consulted  experts  in  geomorphology  and  geology  are Dr. Christian Bauer  (Joanneum Research) 

and  Dr.  Ingomar  Fritz  (Universalmueum  Joanneum,  Geology  and  Palaeontology).  Additionally 

landowners, residential farmers,  local authorities, and other collaborators were  interviewed, and 

geological, mining  or  historical maps were  studied  to  collect  information  about  the  two  study 

areas. The biggest  challenge was  the dense vegetation and  the  impassable and  steep  terrain  in 

both  study  areas,  shown  in  Figures  31  –  36,  which  complicated  the  verification  process  and 

hindered  the  differentiation  between  actual  landslide  structures  and  structures  with  similar 

appearance to such mass movements.  

 

An additional advantage during the verification process was the use of the ArcGIS Extensions 3D‐

Analyst and LP360 by QCoherent, which provide profile views and 3D views of a defined aperture 

of the terrain surface. These profile views support the identification of landslides (see Figure 28 – 

Schematic profile view of a  landslide and Figure 31 to 36). The equipment used  in the field were 

analogue maps (hardcopy of orthophotos and slope and hillshade  images with manually mapped 

landslide main scarps and areas that facilitate the location in the field) and the GARMIN Dakota 20 

GPS device with a GPS accuracy of < 10 m and a DGPS accuracy between 3 to 5 m. 

 

Landslide example 1 (see Figure 31): Example 1 depicts a mostly metamorphic landslide surface in 

the midst of a pasture that  is roughly 10 years old. Landslide material moved across a road and 

spilled  over  parts  of  it.  Historical  maps,  like  the  “Franziszeischer  Kataster”  (1820  –  1861;                

see GIS STYRIA 2012) and the “Josephinischer Kataster” (1787; see GIS STYRIA 2012) indicate that the 

course of the road remained unchanged for more than 200 years – an indication that the landslide 

was not  triggered by  road construction activities, but probably by an  intense  rainfall event. The 

surface of  rupture measures a  length of about 100 m and a width of about 25 m at  the widest 

point. The main scarp has a length of 55 m and about 1800 m² terrain surface was affected by this 

landslide event. The profile view, which shows a surface of rupture and an accumulation of earth 

material, also points to a landslide event. 

Page 66: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

66 / 122 

Landslide  example  2  (see  Figure  32):  A  giant  rotational  landslide  along  a  mountain‐side  is 

visualised in Figure 32. The landslide is anywhere from a hundred to a thousand years old, and it 

altered the whole southern side of the Eggeralpe with a max‐height of 1590 m a.s.l. Unfortunately 

the author was not able to find any historical records or map about this landslide event.  

A ski region  is  located at the deeper zone of the mass movement. A  large main scarp  is visible  in 

the  picture.  The  surface  of  rupture measures  a  length  of  about  1900 m  and  a width  of  about      

675 m at the widest point. The main scarp has a length of 2008 m and about 815 000 m² of terrain 

surface was affected by this huge landslide event. The larger main scarp can be seen in the profile 

view as well. An accumulation of earthen material  is shown  in  the  lower part of  the event. The 

profile view shows a waved terrain surface and a change of the original ground surface. 

 

Landslide example 3 (see Figure 33): Figure 33 shows an accumulation of some smaller  landslide 

events  (between 10 and 30 years old)  in a  forested area of Study Area 1, probably  triggered by 

deforestation  activities  in  the early 80s  and proximate  intense  rainfall events.  The  scarp  in  the 

middle of  the slope  image  is visualised on  the photo. An  impassable  terrain complicates a good 

field work  in  this area  significantly,  therefore  studying LiDAR data before  starting with  the  field 

work  facilitates a  location of  such  in  the  forest hidden mass movement. The  surface of  rupture 

measures a length of about 40 m and a width of about 40 m at the widest point. The main scarp 

has a length of 60 m and about 1.800 m² terrain surface was affected by this landslide event. The 

profile view shows a surface of rupture (erosion of earth material in the upper part of the landslide 

event). An accumulation of earth material is shown in the lower part of the event. 

 

Landslide example 4 and 5  (see Figure 34‐35): The  impassable and  forested terrain complicated 

the field work in the landslides shown in Figure 34 and 35 as well. Both landslides were triggered 

by human activities. Landslide example 4 was  triggered by a  forest road construction event and 

example 5 by ancient mining activities.  

Example 4: The surface of rupture measures a length of about 50 m and a width of about 17 m at 

the widest  point.  The main  scarp  has  a  length  of  30 m  and  about  360 m²  terrain  surface was 

affected by this landslide event.  

Example 5: The surface of rupture measures a length of about 130 m and a width of about 50 m at 

the widest point. The main scarp has a  length of about 82 m and about 5500 m² terrain surface 

was affected by this landslide event.  

Page 67: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

67 / 122 

Both profile views show a surface of rupture  (erosion of earth material  in the upper part of the 

landslide event). An accumulation of earth material is shown in the lower part of the event. 

 

Landslide example 6 (see Figure 36): At first glance, this area suggests a  landslide event as well, 

but in the profile view terrace‐related structures can be seen. Those structures are an allusion to 

anthropogenic  activities,  in  this  case,  ancient  mining  activities.  The  profile  view  shows 

anthropogenic formed terraces. This artificial terrain surface is an indicator of ancient mining area 

– in this case a landslide event can be excluded. 

 

 

Figure 31. Landslide example 1 – model and reality: photo, hillshade image and profile view (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 

Page 68: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

68 / 122 

 

Figure 32. Landslide example 2 – model and reality: photo, hillshade image and profile view (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011)  

Page 69: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

69 / 122 

 

Figure 33.  Landslide example 3 – model and  reality: photo,  slope  image and profile view  (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 

Page 70: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

70 / 122 

 

Figure 34.  Landslide example 4 – model and  reality: photo,  slope  image and profile view  (data basis: STYRIAN  LIDAR 

CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 

Page 71: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

71 / 122 

Figure 35. Landslide example 5 – model and  reality: photo,  slope  image and profile view  (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 

Page 72: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

72 / 122 

 

Figure 36.  Landslide example 6 – model and  reality: photo,  slope  image and profile view  (data basis: STYRIAN  LIDAR 

CAMPAIGN, 2011 and AUTHOR’S IMAGE, 2011) 

Page 73: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

73 / 122 

5.2.2 Results of the manual landslide mapping 

A manual  landslide mapping  by  using  LiDAR  data  in  combination with  geological  and  historical 

maps, doing field work and interviewing experts provides good and useable results and supports a 

semi‐automatic landslide mapping process.  

On the following pages the main results of the manual landslide mapping process are presented. 

 

Study Area  1,  Spielberg bei Knittelfeld  (see  Figure  37‐39  and  Table  10): Because of  its  special 

geology and  soil composition and  the ancient mining activities  in  this area, 50  landslides with a 

total  landslide area of about 0.2 km² were mapped  in  the 1 x 1 km  study area  in Spielberg bei 

Knittelfeld. More  than 20 % of  the whole  terrain  is  influenced by  landslides of varying  sizes. All 

landslide events are in the south of the mountain range and are associated directly with the local 

geology (see Figure 39). 

 

Study  Area  2, Wald  am  Schoberpass  (see  Figure  40‐42  and  Table  10): One  larger  and  eleven 

smaller  landslides with a  total  landslide area of more  than 1 km² were mapped  in  the 1 x 2 km 

study area in Wald am Schoberpass (see Figure 40 and 42). More than 50 % of the whole terrain is 

mostly  influenced  by  one massive,  ancient  landslide  event  (see  Figure  40  and  42).  The  torrent 

debris area, as labeled in the geology map is rather an allusion to a landslide sedimentation area. 

Lower‐level rock‐formations (lime) appear within the range of the landslide (see Figure 42). 

 

Landslides 

  Study Area 1  Study Area 2 

Number   50  12 

Area km² of whole area  0.27 of 1  1.01 of 2 

Area %  27.0  50.5 

Mean Scarp Length m  57.97  306.95  

     

Table  10. Manually mapped  landslides  in  the  two  study  areas  (data  basis:  STYRIAN  LIDAR  CAMPAIGN,  2011,  AUTHOR’S 

ADAPTATION) 

Page 74: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

74 / 122 

 

Figure 37. Map of landslide main scarps of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

 

 

Figure 38. Map of landslide areas of Study Area 1 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

 

Page 75: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

75 / 122 

 

 

Figure 39. Map of  landslide main scarps  in combination  the  local geology of Study Area 1  (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Legend

Tertiary

Miocene

Shell Limestone of Fohnsdorf

Grey‐Blue Clay, partly sandy ‐ gravelly

Base Formation: Base Breccia, Horizontal Sandstone

Quaternary

Holocene

Pleistocene

Floodplain Areas, Colluvial Soils, Torrent Debris

Younger Nappe of Brash (Schweinsbachwaldterrasse, Mindel)

Sheet Gravel of the Middle East Alpine

Crystalline of the Flatschacher Range

Granite Gneiss

Band Amphibolite

Orthogneiss (Gleinalmtypus)

Page 76: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

76 / 122 

 

Figure 40. Map of landslide main scarps of Study Area 2 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION)  

Page 77: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

77 / 122 

 

Figure 41. Map of landslide areas of Study Area 2 (data basis: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 78: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

78 / 122 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Legend Sheet Gravel of the Upper East Alpine   Laminated Quartzites 

 

Sheet Gravel of the Middle East Alpine   Bright, Banded, Marbled Limestones 

 

  Sandstone, Phylitte (with graphite) = Graphite‐Coal Formations (Veitscher Decke)   

Quarternary   Talus materials, Tali (partly glacial stage of Würm) 

 

  Alluvial Fans, Alluvial Cones, Debris Cones (partly late postglacial)  

  Floodplain Zones, “Kolluvien”, Torrent Debris 

 

Figure 42. Map of  landslide main scarps  in combination  the  local geology of Study Area 2  (data basis: STYRIAN LIDAR 

CAMPAIGN, 2011, AUTHOR’S ADAPTATION) 

Page 79: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

79 / 122 

5.3   Semi‐Automatic Landslide Mapping 

The ArcGIS semi‐automatic  landslide mapping  tool was developed  to  facilitate  the mapping and 

locating of potential landslides in a specific region and then in turn determine hazard prone areas 

in the vicinity. A set of different tools supports both  field work and a manual mapping  landslide 

process.  

 

This beta‐version of a possible semi‐automatic  landslide mapping  tool  is a result of  the author’s 

collaboration with  the Provincial Government of  Styria, Board of Works – Geoinformation  Staff 

Office.  In  addition  to  the main  tool  for  potential  landslide  detection,  several  other  tools were 

designed.  For  example,  no  useful  vector  dataset  of  forest  roads  exists  at  the  Provincial 

Government  of  Styria,  however  since  forest  roads  interfere with  the  semi‐automatic  landslide 

mapping process,  they have  to be erased  in  the  LiDAR Digital Terrain Model. For  that  reason a 

forest  roads  detection  tool was  developed.  This  and  some  other  tools  together with  the main 

potential landslide detection tool are described from chapter 5.3.1 to chapter 5.3.2. 

 

By analyzing  land surface parameters  like slope, curvature, variance of slope, variance of aspect 

and roughness in connection with other external vector‐data objects such as streets, stream lines 

or building shapes, important landslide indicators can be extracted in the form of polygon‐shapes 

with  the  help  of  ArcGIS  neighbourhood  analysing  techniques.  Analysing  and  combining  those 

different  land surface parameters, as derived  from  raster‐based LiDAR DTM data, allows  for  the 

identification of the characteristic landslide features, but the main problems in this context are to 

distinguish main scarps  from embankments and other artificial objects and  to outline  the actual 

landslide  area.  Therefore  the  assessment  of  the  landscape  using mathematical workflows  and 

computer techniques is important. 

 

The main reason for working with the LiDAR Digital Terrain Model with 1 m resolution instead of 

the high‐resolution original LiDAR point cloud was an easier and practicable use of the DTM. The 

tool was designed  in  that way  that people  can use  it without buying expensive  LiDAR  software 

before.  The  LiDAR  software  LP360  by QCoherent was  only  used  to  process  the Digital  Terrain 

Model. 

 

Page 80: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

80 / 122 

Another reason was that the 1 m  ‐ resolution of the DTM  is enough to extract specific  landslide 

features out of  it. A DTM with 20 cm resolution for example  is too detailed and complicates the 

semi‐automatic detection of landslides. 

 

5.3.1 Basic Workflow 

Before explaining  the basic workflow of  the ArcGIS semi‐automatic  landslide mapping  toolbox  it 

has  to  be  stressed  that  no  two  landslides  resemble  one  another  and  usually  do  not  look  like 

sketches presented in a schoolbook, which turns out to be the biggest challenge of semi‐automatic 

landslide mapping.  

 

But even though  landslides have  irregular surface texture and boundaries, characteristic features 

can  be  detected  in  LiDAR  imagery  through  GIS  analysis  (see  Table  9,  p.  64).  Therefore,  the 

classification  of  the  landscape  using  ArcGIS  geoprocessing  workflows  and  python  modules  is 

important (see Figure 44). 

 

 At this point it has to be mentioned that the developed ArcGIS toolbox applies only as assistance 

in mapping  landslides, and does not replace field work as well as a post‐processing of the results 

of  the  semi‐automatic  landslide mapping  tool.  That  is why  a  fully‐automatic  landslide mapping 

process is impossible. LiDAR is a big achievement in geosciences and it is very important and useful 

for any kind of geomorphic studies, whether using manual or automatic mapping and analysing 

processes. 

 

As written before, with the help of Python, an open‐source scripting  language, entire workflows 

can be  implemented  in ArcGIS as new  tools. Therefore a  special knowledge  in writing  scripts  is 

essential. 

 

This chapter will give a good  insight  into how this ArcGIS semi‐automatic  landslide mapping tool 

was written, but will not explain the Python Code in detail. 

Page 81: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

81 / 122 

As  seen  in  Figure  47,  Python was  used  to  create  a  new  Landslide Mapping  Toolbox  including           

8 contiguous tools (see Table 11): 

 

Tool  Short Description 

land surface parameter tool  calculates different land surface parameter maps 

topographic position index tool  calculates the elevation and slope TPI of a study area 

smorph tool  classifies a  study area  into 3  classes –  low, medium and high 

landslide risk areas 

roughness tool  calculates the roughness of a special area 

edge detection tool  detects concave and convex edges of a terrain and creates and 

Triangulated Irregular Network (TIN), 

forest roads tool  extracts  forest  roads  out  of  the  Digital  Terrain  Model  and 

creates a forest roads polygon shape 

streams tool  extracts streams out of the DTM and creates a streams polygon 

shape 

potential landslide tool  detects potential landslide features 

Table 11. Overview of the 8 contiguous tools of the Landslide Mapping Toolbox (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

 

The output datasets are a result of a simple ArcGIS neighbourhood analysis with inclusion of other 

external objects like 

streets 

streams 

buildings 

and archaeological sites. 

In principle, the more additional vector information can be added to the semi‐automatic landslide 

mapping process the merrier are the results. 

Page 82: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

82 / 122 

The source of these external objects are described in chapter 4.2 

 

An exact explanation of the separate tools is given in chapter 5.3.2 

  This  Landslide  Mapping  Toolbox  is  a  result  of  a  continuous  loop  between  the  toolbox,  the 

manually mapped landslides, and the semi‐automatically mapped landslides (see Figure 43).  

 

            Figure 43. Continuous Loop (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) 

  Manually mapped  landslides  help with  the  upgrading  and  developing  of  the  ArcGIS  Landslide 

Mapping  Toolbox.  The  results,  described  in  chapter  4,  of  the  first  5  tools  –  the  Land  Surface 

Parameter‐,  the  Topographic  Position  Index‐,  the  Smorph‐,  the  Roughness‐  and  the  Edge 

Detection‐Tools are also considered as support for the manual landslide mapping.  

 

The knowledge acquired about  the manually mapped and verified  landslides  in a  specific  study 

area was on the one hand used to upgrade the ArcGIS semi‐automatic landslide mapping toolbox 

and  on  the  other  hand  to  compare  it with  the  semi‐automatically mapped  landslides,  both  of 

which  help  check  the  adaptability  of  the  toolbox.  The  knowledge  gained  with  the  semi‐

automatically mapped landslides supports the manual mapping of landslides in a specific area and 

helps to upgrade ArcGIS toolbox as well. 

Manually Mapped Landslides       

Compare

Support Semi‐Automatically Mapped Landslides 

ArcGIS Landslide Mapping Toolbox 

Page 83: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

83 / 122 

Figure 44. Basic Workflow of Semi‐Automatic Landslide Mapping (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012)  

Page 84: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

84 / 122 

5.3.2 Semi‐automatic Landslide Mapping Toolbox 

 

The  Landslide  Mapping  Toolbox  created  within  the  ArcGIS  10.0  environment,  consists  of  a 

collection of different tools, also explained in chapter 5.3.1. In this chapter a detailed explanation 

of the separate tools is given. 

 

Anybody, who is interested in the toolbox and wants to use or adapt the landslide tools in its own 

work, may write a mail to [email protected]

 

Tool 1 – Land Surface Parameters: This tool calculates all  land surface parameters mentioned  in 

chapter  4.3,  namely  hillshade,  slope,  variance  of  slope,  aspect,  variance  of  aspect,  variance  of 

elevation,  curvature  and  contour  lines  by  using  the  LiDAR  Digital  Terrain  Model  with  1  m 

resolution (input data). The usual 3D Analyst – Raster Surface Tools together with Spatial Analyst 

Tools  (Focal  Statistics) were  combined  in  one  tool  to  facilitate  and  speed  up  the  land  surface 

parameters calculation (geoprocessing) (see Figure 45 and 46). A polygon shape of the study area 

determines  the  calculation  area  (input  data).  The  images  (output  data)  of  the  different  land 

surface parameters can be found in chapter 4.3. 

 

 

Figure 45. Tool 1 – Land Surface Parameters (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 85: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

85 / 122 

 

Figure 46. Workflow of Tool 1 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

  Tool 2 – Topographic Position Index: The Topographic Position Index Tool is part of the Land Facet 

Corridor Designer to design wildlife  linkages  in the face of  impending climate change by Jenness 

Enterprise,  Land  Facet  Corridor  Designer  and  was  first  described  by WEISS  (2001)  at  the  ESRI 

International User Conference. The DTM, together with the slope image (input data) is processed 

with a special neighbourhood analysis and a topographic position classification (geoprocessing) to 

“Terrain Surface Changes” and “Landform Categories” raster data (output data; see Figure 47 and 

48). Like in Tool 1 and all other following tools a polygon shape determines the study area. 

Page 86: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

86 / 122 

 

Figure 47. Tool 2 – Topographic Position Index (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

 

 

Figure 48. Workflow of Tool 2 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 87: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

87 / 122 

This  tool  classifies a  landscape  into a  “Terrain Surface Changes”  raster dataset  that depicts  the 

increasing and decreasing areas in the terrain surface and also into a “Landform Category” raster 

dataset  imaging the four  landforms (valley, surface drawdown, terrain  increase and ridge) based 

on the two raster datasets slope and elevation. (see JENNESS et al. 2011, pp. 45; see Figure 47 and 

48). With the help of ArcGIS Focal Statistic (Spatial Analyst) – Neighbourhood Analysis and other 

mathematical  raster  tools  of  Spatial  Analyst,  differences  in  a  specified  neighbourhood  were 

calculated  and  in  a  further  step  the  terrain  is  classified  into  different  classes  (valley,  surface 

drawdown, terrain increase and ridge).   

A  polygon  shape  of  the  study  area  determines  the  calculation  area  and  in  addition  to  that  an 

output workspace and the name of the study area are indicated as inputs for this tool. The images 

of the two TPI raster datasets can be found in chapter 4.5. 

 

 Tool 3 – Smorph: The slope morphology matrix (SMORPH) by SHAW & JOHNSON (1995), which was 

integrated  in  the  python  script,  is  formed  by  the  slope  gradient  and  the  horizontal  curvature 

(convex,  concave  and  planar;  input  data)  and  classifies  the  area  into  low, medium  and  high 

landslide risk areas (output data; see Figure 49 and 50). 

 

 

Figure 49. Tool 3 – Smorph (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 88: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

88 / 122 

 

Figure 50. Workflow of Tool 3 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

 

 

Tool  4  –  Roughness:  By  processing  the  slope  and  aspect  images  (input  data)  the  variation 

(roughness)  in  three‐dimensional  orientation  of  grid  cells  within  a  defined  neighborhood  is 

calculated (output data; see Figure 51 and 52). Vector analysis is used to calculate the dispersion 

of  vectors  normal  (orthogonal)  to  grid  cells within  the  specified  neighbourhood.  This method 

effectively captures variability in slope and aspect into a single measure. Roughness raster values 

can range  from 0  (no terrain variation) to 1  (complete terrain variation). For  instance, streets or 

buildings have a smooth surface, while vegetation has a rough surface (see OLAYA 2009). A rough 

surface can be an  indicator  for  landslide events. The method  to calculate  the  terrain  roughness 

was  adapted  from  the  Vector  Ruggedness  Measure  by  SAPPINGTON  et  al.  (2007).

Page 89: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

89 / 122 

 

Figure 51. Tool 4 – Roughness (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

 

 

 

Figure 52. Workflow of Tool 4 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 90: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

90 / 122 

Tool  5  –  Edge  Detection:  The  Edge  Detection  tool  (see  NIEMEYER  et  al.  2010) was  adapted  to 

calculate convex and concave edge  lines and to create a generalized TIN  image (output data).  In 

this  case  the  slope  image  (input  data)  is  used  as well  as  an  orientation  image  and  a  vertical 

curvature image (input data) to outline the locations of convex and concave edges in the defined 

study  area,  thus  the decision between  low‐  and high‐mountain  areas  is  important  for  the best 

possible edge detection. A Non‐Maxima‐Suppression has  to be executed  to convert convex and 

concave raster data into convex and concave line shapes. With this process pixels that are not at 

the  edge‐maxima  are  suppressed.  Additionally,  holes  in  the  dataset  are  closed  with  a 

morphological  closing  operation,  and  in  a  further  step  they  are  thinned with  a morphological 

skeleton operation to get edge lines (see Figure 53 and 54). 

 

 

Figure 53. Tool 5 – Edge Detection (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 91: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

91 / 122 

 

Figure 54. Workflow of Tool 5 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 92: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

92 / 122 

Tool 6 –  Forest Roads:  The  TPI  “Landform Categories”  raster dataset  (input data)  is utilized  to 

extract forest roads as a polygon shape (output data) out of high‐resolution LiDAR data. Because 

of  the high diversity of  the  terrain  surface a post‐processing of  the output polygon  shape after 

execution of tool 6 is essential. In this working step features that have similar parameters to forest 

roads (slope gradient, roughness, etc.) have to be deleted (see Figure 55 and 56). 

 

 

Figure 55. Tool 6 – Forest Roads (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

 

 

 

Figure 56. Workflow of Tool 6 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 93: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

93 / 122 

Tool 7 – Streams: The TPI “Landform Categories” raster dataset (input data) is also used to detect 

streams  as  a  polygon  shape  (output  data)  out  of  high‐resolution  LiDAR  data.  To  reduce  the 

processing area an old and highly generalised  streams vector dataset  is used.  It  is  important  to 

decide between  small‐ and  large‐scale  streams before  starting  the process. Because of  the high 

diversity of the terrain surface a post‐processing of the output polygon shape after execution of 

tool 7  is essential.  In  this working  step  features  that have  similar parameters  to  streams  (slope 

gradient, roughness, etc.) have to be deleted (see Figure 57 and 58). 

 

 

Figure 57. Tool 7 – Streams (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 94: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

94 / 122 

 

Figure 58. Workflow of Tool (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

 

Page 95: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

95 / 122 

Tool  8  –  Potential  Landslides:  The  Potential  Landslide  tool  was  created  to  outline  potential 

landslide features and areas in a specified area (study area) of a DTM with 1 m resolution. It is the 

main and most important tool of the Landslide Mapping Toolbox. By combining the TPI “Landform 

Categories”and  TPI  “Terrain  Surface  Changes”  raster  datasets with  the  land  surface  parameter 

images  ‐‐  aspect,  slope  and  vertical  curvature  (input  data)  ‐‐  the  terrain  is  classified  into  the 

following different features: convex and concave edges, steep slope and rough areas, areas with 

terrain  increasing and decreasing and  ridges  (geoprocessing). These  special  terrain  features are 

possible indicators for landslide activities.  

 

With  special  neighbourhood  analysis  of  the  different  terrain  features  and  by  integration  of 

additional  vector data  like  streets,  streams,  forest  roads, buildings  and  archaeological  sites  the 

study area is classified into potential and non‐potential landslide areas. The tool can be expanded 

with other additional vector datasets, which are  integrated  in the neighbourhood analysis at any 

time. These  landslide areas are extracted as a new polygon shape, where elements that are too 

small are deleted to improve the results (geoprocessing). 

 The output dataset is a polygon shape, which shows potential landslide areas in a specified region. 

With the help of the 1:50 000 geology map of Styria (BEV), shapes of torrent catchments, corine 

landcover datasets and the manually mapped and verified landslides, the potential landslide shape 

is post‐processed to get a good and useable  landslide dataset  (final results). This dataset should 

support the decision‐making of experts and facilitate field work and the locating of landslides. 

 

 

Figure 59. Tool 8 – Potential Landslides (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 96: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

96 / 122 

 

 

Figure 60. Workflow of Tool 8 (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 97: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

97 / 122 

5.4  Results 

A polygon vector dataset depicting potential  landslide areas  (see Figure 61) and  two additional, 

intermediate  polygon  shapes  showing  streams  and  forest  roads  are  the  primary  results  of  this 

research work.  It  is  important  to mention  that  only  the  possible  landslide  areas  are  extracted 

during  this  semi‐automatic process, which means  that  this  tool  identifies  regions  that are most 

likely  influenced by  landslide activities; not necessarily actual  landslide events Additionally other 

surfaces similar to landslides, like ridges, embankments of streets or forest roads or erosion lines 

are outlined as landslide areas as well. The quality and accuracy of the results depend more or less 

on the quality of the input data, of the existence of noises and artefacts in LiDAR data and on the 

accuracy and availability of additional vector  information  like  streets, buildings, mining areas or 

archaeological sites.  

 

5.4.1 Intermediate Data (Landslide Mapping Toolbox) 

Edge Lines and TINs: The convex and concave edge lines were calculated to find distinctive edges 

in a terrain. In a further step a generalised Triangulated Irregular Network (TIN) is generated out of 

these edge  lines, with  the goal  to highlight  these  from  landslides  influenced areas and  to erase 

smaller and insignificant edges (see Figure 61 and 62). In a TIN, terrain edges like main scarps and 

irregular  surfaces  are  delineated  and  this  process  facilitates  manual  landslide  mapping.  The 

surfaces of rupture are indicated by irregular surface textures. 

 

Page 98: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

98 / 122 

 

Figure 61. Aperture of generalised TIN of Study Area 1 calculated with  the “Edge Detection”  tool  (source: AUTHOR’S 

ADAPTATION, 2011) 

 

Page 99: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

99 / 122 

 

Figure 62. Aperture of generalised TIN   of Study Area 2 calculated with  the “EdgeDetection”  tool  (source: AUTHOR’S 

ADAPTATION, 2011)  

 

Forest  Roads  and  Streams:  Practical  landslide  detection  is  only  possible  if  forest  roads  and 

streams are erased out of a high‐resolution LiDAR‐DTM. A post‐processing of this data is essential 

and must  be  done manually.  In  the  following  image  (see  Figure  63  and  64),  forest  roads  are 

visualised as red polygons, streams as blue ones. 

Page 100: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

100 / 122 

 

Figure 63. Aperture of results of Study Area 1 of the “ForestStreets” and “Streams” tools (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 

2011) 

 

 

Figure 64. Aperture of results of Study Area 2 of the “ForestStreets” tool (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2011) 

Page 101: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

101 / 122 

5.4.2 Potential Landslides 

The  results  of  the  semi‐automatic  landslide  mapping  show  potential,  not  necessarily  actual, 

landslide areas. With  the semi‐automatic process  landslide‐related  features can be outlined and 

regions  likely  influenced  by  landslide  activities  can  be  found.  Changes  in  the  terrain  surfaces, 

convex and concave edges,  rough and wavy areas or  ridges can all  indicate a possible  landslide 

event,  but  they  can  indicate  features  such  as  forest  roads,  mining  areas,  erosion  lines  or 

anthropogenic‐formed structures as well. 

The quality of results depends on the quality of the DTM; noises and artefacts in the original LiDAR 

data can cause fuzziness or uncertainty in the results. The quality and the availability of additional 

vector data,  such  as  streets, buildings or  archaeological  sites,  also  improve  the usability of  the 

results. 

The  following three tables show apertures of the results of the two study areas  in Spielberg bei 

Knittelfeld and Wald am Schoberpass. The green highlighted rows indicate the potential landslides 

derived from the semi‐automatic mapping process. 

 

OBJECTID  photo  date  SHAPE_Leng  semi‐automatic 

1  08_pics_fieldwork\spielberg\IMG_0152  20111002  29,37487012000  Y 

2  08_pics_fieldwork\spielberg\IMG_0155  20111002  50,17299691240  Y 

3  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  47,56245820120  N 

6  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0674  20111106  60,04371042410  Y 

8  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0672  20111106  29,42515247400  Y 

9  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  62,44229771910  N 

17  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  83,20217326530  N 

18  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  110,93631037800  N 

19  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  78,23731190920  N 

20  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  72,00672471450  N 

21  08_pics_fieldwork\spielberg\IMG_0155  20111002  87,99826186270  Y 

26  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0674  20111106  101,60665438500  Y 

27  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0674  20111106  16,84770427060  Y 

30  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  38,75453804890  N 

32  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0674  20111106  38,20576213430  Y 

34  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  39,62530101710  N 

35  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  38,30721941650  N 

36  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0732  20111106  76,90232146340  N 

38  08_pics_fieldwork\spielberg\IMG_0161  20111002  101,39640013700  Y 

45  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0736  20111106  61,91865485830  N 

46  08_pics_fieldwork\spielberg\DSCN0736  20111106  55,22384273330  Y Table 12. Aperture of the results of Study Area 1, Spielberg bei Knittelfeld (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) 

Page 102: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

102 / 122 

OBJECTID  photo  date  SHAPE_Leng  semi_automatic 

1  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  2007,93535551000  Y 

2  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  320,11376931000  Y 

3  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  100,11357932200  Y 

4  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  199,71439011500  Y 

5  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  262,16842564400  Y 

6  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  167,41035217600  Y 

7  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  59,79633150210  Y 

8  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  119,56649339000  Y 

9  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  144,88936331800  N 

10  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  129,09329611400  Y 

11  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  108,08816151200  Y 

12  08_pics_fieldwork\wald\IMG_0359  20111811  64,49493709180  Y Table 13.  Aperture of the results of Study Area 2, Wald am Schoberpass (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) 

  Fifty  landslides were mapped manually  for  Study Area  1,  Spielberg  bei  Knittelfeld.  Eighteen  of 

those fifty  landslides were successfully mapped using the semi‐automatic process, a success rate 

of 36%. Of  the  fifty manually mapped  landslides,  twenty were  located and hidden under  forest 

canopy, while  the  other  thirty were  found  in  agricultural  areas.  In  forested  areas,  there was  a 

success rate of 85%, and in the agricultural areas a success rate of 3.33% was found. This indicates 

the strength of the tool in delineating landslides in forested areas as opposed to agricultural areas. 

In total, the error rate of the semi‐automatic landslide mapping process for Study Area 1 was 54%. 

About 50% of the semi‐automatically mapped  landslide area was erroneously detected with this 

tool. 

 

Twelve landslides were mapped manually in Study Area 2, Wald am Schoberpass. Eleven out of the 

twelve  were  correctly mapped  with  the  semi‐automatic  process  with  a  92%  success  rate.  All 

twelve of the manually mapped landslides were found in forested areas; the low error rate of 8% 

in  this  type  of  land  cover  again  supports  the  strength  of  the  tool  in  identifying  landslides  in 

forested  areas.  This  time  only  30%  of  the  semi‐automatically  mapped  landslide  areas  were 

erroneously detected, most likely due to the lack of agricultural areas in this study area. 

 

“Erroneously” does not mean that there cannot be any earth movements in these areas, but that 

there are not those kinds of landslides movements treated in this master’s thesis and described in 

chapter 2.2. 

Page 103: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

103 / 122 

Landslides  Study Area 1  Study Area 2 

total  50  12 

semi‐automatic mapped  18  11 

percentage of semi‐automatic mapped [%]  36  92 

in forested areas  20  12 

semi‐automatic mapped  

          in forested areas ‐ 

 

17 

 

11 

in agriculturally marked areas  30  0 

semi‐automatic mapped 

           in agriculturally marked areas 

 

 

 

Error rates     

not semi‐automatic mapped  32  1 

percentage of not semi‐automatic mapped [%]  54  8 

wrongly detected landslide areas [%]  50  30 

not semi‐automatic mapped 

          in forested areas 

 

 

percentage  of  not  semi‐automatic  mapped 

          in forested areas [%] 

 

15 

 

8.33 

not semi‐automatic mapped  

          in agriculturally marked areas 

 

29 

 

percentage of not semi‐automatic mapped  

          in agriculturally marked areas [%] 

 

96.67 

 

Table 14.  Statistics of the semi‐automatic landslide mapping (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) 

 

 

The following figures (65 and 66) show the results of the semi‐automatic mapping process. 

 

Page 104: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

104 / 122 

 

Figure 65. Results of  the  semi‐automatic mapping  tool  in  Study Area 1,  Spielberg bei Knittelfeld  (source: AUTHOR’S 

ADAPTATION, 2011) 

Page 105: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

105 / 122 

 

Figure  66.  Results  of  the  semi‐automatic mapping  tool  in  Study  Area  2, Wald  am  Schoberpass  (source:  AUTHOR’S 

ADAPTATION, 2011) 

Page 106: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

106 / 122 

5.4.3 Limitations 

Due to the high degree of accuracy, a LIDAR DTM not only depicts mass movements, but also a 

multiplicity of various anthropogenic structures and terrain surfaces such as excavations, ancient 

mining areas,  collapse  shafts, archaeological  sites, old  footpaths or agricultural  lands as well as 

various naturally formed structures and terrain surfaces such as ridges, steep and rugged terrain 

or erosions. These man‐made and natural structures and other special terrain surfaces like alluvial 

fans, karst  formations or old creeks cause poor  results  in  the semi‐automatic  landslide mapping 

process.  Due  to  the  high  diversity  of  the  terrain  surface  a  fully‐automatic  landslide mapping 

process is not possible and a manual post‐processing is indispensable.  

 

The  following  table  (see Table 15)  shows  some  reasons  for poor  results  in  the  two study areas. 

Ancient mining areas are the main problems  in Study Area 1  in Spielberg bei Knittelfeld, a steep 

and rugged terrain in Study Area 2 in Wald am Schoberpass.   

 

Reasons for poor results in the two study areas 

Anthropogenic formed structures and terrain surfaces like  

‐ excavations 

  

‐ ancient mining areas  

  

Page 107: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

107 / 122 

‐ collapse shafts 

 

‐ archaeological sites 

 

‐ old footpaths 

 

‐ agriculturally marked lands  

 

Page 108: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

108 / 122 

Natural formed structures and terrain surfaces, like  

‐ ridges 

 

‐ steep and rugged terrain 

 

‐ erosions 

 

Table 15.  Reasons for poor results in the two study areas (source: AUTHOR’S ADAPTATION, 2012) 

Page 109: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

5. LANDSLIDE MAPPING – PRACTICAL PART 

109 / 122 

5.4.4 Adaptability of a semi‐automatic landslide mapping 

The  semi‐automatic  landslide mapping  tool  was  designed  in  such  a  way  that  it  can  be  used    

world‐wide, at least anywhere there are already high‐resolution LiDAR DTMs available. 

Although  the  tool  is  dependent  on DTMs with  high  accuracy,  high  resolution,  less  noises,  and 

artefacts, it is universally applicable in each mountainous region of the world.  These DTMs are not 

necessarily  derived  by  LiDAR,  but  can  also  be  acquired  through  techniques  such  as 

photogrammetry  or  InSAR  (Interferometric  synthetic  aperture  radar).  However,  a  special 

knowledge of LiDAR, DTMs and Geomorphometry is essential.  

 

Because of the high diversity of the terrain surface a fully‐automatic landslide mapping tool lacking 

manual post‐processing does not work.  So,  in  this master’s  thesis  the  semi‐automatic  landslide 

mapping tool  is considered an aid to the decision making process, and  it never actually replaces 

manual labour or field work. 

 

 

Page 110: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

6. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 

110 / 122 

6. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 

The goals of this master’s thesis (see chapter 1.2.) were accomplished. In this last chapter a short 

review will be given as well as future perspectives regarding the author’s research work in the field 

of LiDAR and its application in geomorphology. 

 

The description of the basics in airborne LiDAR and landslides is given in chapter 2. The author has 

shown that the application of LiDAR DTMs is an enormous achievement and facilitation in the field 

of geomorphology and other geosciences. It not only facilitates the outlining of landslide features, 

but  also  the mapping  and  detection  of  other mass movements,  glacial  or  fluvial  forms,  karst 

formations or geomorphological structures caused by archaeological sites.  

 

Two special regions in Spielberg bei Knittelfeld and Wald am Schoberpass were introduced shortly 

in chapter 3. The reasons for selecting these areas are based on the availability of high‐resolution, 

LiDAR  derived  DTMs with  less  noises  and  artefacts.  Study  Area  1  (Spielberg  bei  Knittelfeld)  is 

located  in  an  inner  alpine  basin,  called  Aichfelder  Becken,  on  the  south  brink  of  the  Niedere 

Tauern  (Central Alps),  and  Study Area 2  (Wald am  Schoberpass)  is  situated  in  a  small  tributary 

valley of the Liesingtal  in the Eisenerzer Alpen. Brisk  landslide activities can be  found  in the two 

areas  partly  below  dense  forest  cover, within  agriculturally  used  zones,  ancient mining  areas, 

tourism  areas  and  archaeological  sites,  which  affect  the  terrain  surface  and  complicate  the 

mapping process.   

Study Area 1 stands for lower mountain regions, while Study Area 2 for high mountain regions in 

Styria (Republic of Austria). 

 

Chapter 4 gives a short  introduction of the software environments and data used for this thesis, 

the field of Geomorphometry, and  its different  land surface parameter  images. This chapter  lists 

the  basics  for manual  and  semi‐automatic  landslide mapping.  For  a  semi‐automatic  landslide 

mapping by means of LiDAR derived DTMs,  it has to be stressed that  it  is neither  impossible nor 

too complex. Good results can be achieved with standard GIS environments and models without 

extensive mathematical algorithms.  

Page 111: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

6. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 

111 / 122 

This master’s  thesis  has  presented possible workflows  of manual  and  semi‐automatic  landslide 

mapping (see chapter 5)  in two specified regions. While  in  its present form, automatic and semi‐

automatic  landslide  mapping  is  not  successful  100%  of  the  time  and  an  expert  with  special 

knowledge in the field of LiDAR and geomorphology is still better able to outline different landslide 

features  in  the various  land  surface parameter  images  than any kind of computer  software can 

detect during a semi‐ or fully‐automatic mapping process. The tool never replaces field work and 

on‐site measurements, but it is a useful tool to aid in the process of decision making and provides 

an indication of geographical position and extension of mass movements. 

 

In  conducting  the work  of  this master’s  thesis  the  author  created  a  semi‐automatic  landslide 

mapping  tool within  the ArcGIS environment. The  tool  is able  to detect  landslide structures  in a 

DTM with 1 m resolution by combining and analysing different  land surface parameters and TPI 

images. By comparing the results of the manually mapped and verified  landslides with the semi‐

automatically  mapped  landslide  features,  and  in  familiarising  with  the  different  images,         

raster‐based methods, and the knowledge won during the manual mapping process, the tool was 

improved by and by and the adaptability of the results was checked. 

 

There does not exist any published approach for mapping  landslides semi‐automatically with the 

help of ArcGIS geoprocessing techniques, which means that the author demonstrates something 

new in this master’s thesis and highlights LiDAR as an up to now unimaginable opportunity in the 

field of  geo  science.  It  simplifies  field work  and  the determination of diverse  structures of  the 

terrain  surfaces  like block  glacier  (see  Figure 67,  top  left),  karst  formations  (see  Figure 67,  top 

right), alluvial  fans  (see Figure 67, centre  left), old creeks  (see Figure 67, centre  right),  terraced 

landscapes (see Figure 67, bottom left) or burial mounds (see Figure 67, top left). 

 

It  is common  to use LiDAR point cloud data, DTMs or DSMs  to map and outline diverse  terrain 

surfaces structures manually, but the use of automatic and semi‐automatic processes is something 

extraordinary. It simplifies a mapping of landslide activities in a larger area, like the area of Styria is 

where an automation of different workflows is indispensable.  

Page 112: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

6. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 

112 / 122 

The potential landslides tool as well as the forest roads and streams tool are a big achievement for 

the author and the Provincial Government of Styria, Board of Works – Geoinformation Staff Office 

and are already used by different governmental departments to reestablish a new stream network 

dataset with a high accuracy for the whole Province of Styria or to map forest roads under thick 

forests. 

 

   

   

   

Figure 67. Diverse terrain surface structures (source: STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011)     

Page 113: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

6. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 

113 / 122 

The biggest contribution to the author’s master thesis was the book GEOMORPHOMETRY by HENGL & 

REUTER (2009) and in addition to that the paper EXTRAKTION GEOLOGISCH RELEVANTER STRUKTUREN AUF RÜGEN 

IN LASERSCANNER‐DATEN by NIEMEYER et al. (2010). These two references gave the best compulsion for 

the utilisation and further processing of LiDAR DTMs. 

 

Nevertheless,  the  research work  and  the  tool  are  still  in  the  starting phase,  and  there  are  still 

plenty of ideas to explore and improve. The author intends to continue working on this special and 

interesting topic after graduation. 

 

With the help of the tools and methods described in this master’s thesis, landslide‐prone regions 

may be outlined to determine hazardous areas. The DTM visualises structures that are  indicators 

for different downslope movements  and determines where mass movements  could  take place, 

but it does not show changes in terrain surfaces or movement velocities. An additional integration 

and  comparison  of  the  LiDAR  DTMs  with  Terrestrial  Laser  Scanning  (TLS),  Global  Positioning 

System  (GPS)  and  ALS  data  from  different  periods would  improve  the  results  and  simplify  the 

detection of landslides and the work in natural disaster control. The first Styrian ALS campaign has 

opened the doors to explore the physical features and to get a good insight into the high diversity 

of  the  terrain  surface  of  the  Province  of  Styria.  Subsequent  campaigns  will  strengthen  our 

understanding for geomorphic processes. A temporal comparison utilising ALS data acquired over 

different  time periods would help  to  identify  changes  in  terrain  surfaces  and would  improve  a 

semi‐automatic  mapping  process  of  delineating  regions  endangered  by  mass  denudations 

considerably. 

 

Even if this tool is still in under construction and there are still lots of things to improve, it shows a 

good  example  of  the  application  of  high‐resolution  LiDAR  data  especially  in  the  field  of 

geomorphology  and  landslide  research  and  gives  a  good  insight  in  the  new  possibilities  and 

advantages based on  LiDAR  for geomorphologists or alternatively any kind of  researcher  in  the 

field of geosciences. 

The most important research goal for the author was to get a good expert knowledge in the field 

of  LiDAR  and  its  application  in  geomorphology  and  to  acquaint  herself with  different  software 

products, tools and techniques. This acquired knowledge will serve the author as a basis for future 

research work! 

Page 114: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

114 / 122 

REFERENCES 

 

References from Books 

 

AHNERT, F., 1996: Einführung in die Geomorphologie. – Ulmer Verlag, Stuttgart, 393 p. 

 

BROWELL,  E.  V.    et  al.,  2005:  Airborne  LiDAR  Systems.–  in:  FUJI,  T.  &  FUKUCHI,  T.  (Eds),  2005:          

Laser Remote Sensing. – Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York and Singapore,             

PP 723‐780. 

 

CRUDEN, D.M. & VARNES, D.J., 1996:  Landslide types and processes. – in: TURNER A.K. & SHUSTER R.L. 

(Eds),  1996:    Landslides:  Investigation  and  Mitigation.  Transp  Res  Board,  Spec  Rep  247, 

Washington, PP 36‐75. 

 

FUJI, T. and FUKUCHI, T. (Eds), 2005: Laser Remote Sensing. – Taylor & Francis Group, Boca Raton, 

London, New York and Singapore, 888p. 

 

HENGL,  T.  and  REUTER  H.  (Eds),  2009:  Geomorphometry  ‐  Concepts,  Software,  Applications.                

– Elsevier, Amsterdam and Oxford, 765p. 

 

MCCORMICK,  M.  P.,  2005:  Airborne  and  Spaceborne  Lidar.  –  in:  WEITKAMP,  C.  (Eds),  2005:            

Lidar‐ Range‐Resolved Optical Remote Sensing of  the Atmosphere. – Springer Verlag, Singapore,            

PP 355‐397. 

 

NELSON, A. et al., 2009: Dem Production Methods and Sources. –  in: HENGL, T. & REUTER, H.  (Eds), 

2009: Geomorphometry  ‐ Concepts,  Software, Applications.  –  Elsevier, Amsterdam  and Oxford,   

PP 65‐139. 

 

OLAYA,  V.,  2009:  Basic  Land‐Surface  Parameters.  –  in:  HENGL,  T.  &  REUTER  H.  (Eds),  2009: 

Geomorphometry  ‐  Concepts,  Software,  Applications.  –  Elsevier,  Amsterdam  and  Oxford,               

PP 141‐170. 

Page 115: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

115 / 122 

PENCK, W., 1924: Die morphologische Analyse. – Verlag von J. Engelshorns, Stuttgart, PP 59‐85. 

 

SASSA, K., 2007: Landslide Science as a New Scientific Discipline. –  in: SASSA, K.,   et al. (Eds), 2007:  

Progress in Landslide Science. – Springer Verlag, Berlin, Heidelberg and New York. PP 3‐11. 

 

SATO, H.P. et al., 2007: Airborne LiDAR Data Measurement and Landform Classification ‐ Mapping 

in Tomari‐no‐tai  Landslide Area, Shirakami Mountains,  Japan. –  in: SASSA, K.,   et al.  (Eds), 2007:  

Progress in Landslide Science. – Springer Verlag, Berlin, Heidelberg and New York. PP 237‐249. 

 

SCHMIDT,  J  &  DIKAU,  R.,  1999:  Extracting  geomorphometric  attributes  and  objects  from  digital 

elevation models – semantics, methods,  future needs. –  in: DIKAU, R. & SAURER, H., 1999: GIS  for 

Earth  Surface  Systems  ‐  Analysis  and  Modelling  of  the  Natural  Environment.  –  Gebrüder 

Borntraeger, Berlin and Stuttgart, PP 153‐173. 

 

VARNES, D.J.,  1978:  Slope movement  types  and  processes.  –  in:  Special  Report  176:  Landslides: 

Analysis and Control (Eds: SCHUSTER, R.L. & KRIZEK, R.J.). – Transportation and Road Research Board; 

National Academy of Science, Washington D.C., PP 11‐33. 

 

VEDER, C., 1979: Rutschungen und ihre Sanierung, – Springer Verlag, Wien and New York, 241 p. 

 

VÖGTLE, Th. & STEINLE, E., 2005: Flugzeuggetragenes Laserscanning. –  in: BÄHR, H.‐P. & VÖGTLE, Th. 

(Eds), 2005: Digitale Bildverarbeitung ‐ Anwendung in Photogrammetrie, Fernerkundung und GIS. 

– Herbert Wichmannverlag, Heidelberg, PP 29–45. 

 

WEITKAMP,  C.,  2005:  LiDAR  ‐  Introduction.  –  in:  FUJI,  T. &  FUKUCHI,  T.  (Eds),  2005:  Laser  Remote 

Sensing. – Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York and Singapore, PP 1‐36. 

 

WANDINGER, U., 2005: Introduction to LiDAR. – in: WEITKAMP, C. (Eds), 2005: Lidar ‐ Range‐Resolved 

Optical Remote Sensing of the Atmosphere. – Springer Verlag, Singapore, PP 1‐18. 

 

ZEPP,  H.,  2008:  Geomorphologie.  –  Schöningh  UTB,  Padeborn,  München,  Wien  and  Zürich,             

PP 103‐115.  

Page 116: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

116 / 122 

References from Journals and Posters 

 

BOOTH, A.M. et al., 2009: Automated landslide mapping using spectral analysis and high‐resolution 

topographic  data:  Puget  Sound  lowlands,  Washington,  and  Portland  Hills,  Oregon.  –  in: 

Geomorphology 109 (3‐4), PP 132‐147. 

(source:  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X09000877,  last  access: 

March 2012) 

 

DIKAU,  R.,  1996:  Geomorphologische  Reliefklassifikation  und  –analyse.  –  in:  Heidelberger 

Geographische Arbeiten, Vol. 104, PP 15‐36. 

(source:  http://www.geomorphology.uni‐bonn.de/persons/dikau/publications_view,  last  access: 

October 2011) 

 

GLENN, N.F. et al., 2006: Analysis of LiDAR‐derived topographic  information for characterizing and 

differentiating landslide morphology and activity. – in: Geomorphology 73 (1‐2), PP 131‐148. 

(source:  http://bcal.geology.isu.edu/manuscripts/Glenn_2006_Geomorph.pdf,  last  access: 

October 2011) 

 

HOEFLE, B. & RUTZINGER, M., 2011: Topographic airborne LiDAR  in geomorphology: A technological 

perspective. –in: Zeitschrift für Geomorphologie Vol. 55, Suppl. 2, PP 1‐29. 

(source:  http://koenigstuhl.geog.uni‐heidelberg.de/publications/2011/Hoefle/Hoefle_Rutzinger_ 

2011_ZfG.pdf, last access: January 2012) 

 

KASAI, M.  et  al.,  2009:  LiDAR‐derived DEM  evaluation  of  deep‐seated  landslides  in  a  steep  and 

rocky region of Japan. – in: Geomorphology 113 (1‐2), PP 57‐69. 

(source:  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X09002359,  last  access: 

March 2012) 

Page 117: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

117 / 122 

MCKENNA, J.P. et al., 2008: Landslides Mapped from LIDAR Imagery, Kitsap County, Washington. – 

in:  U.S. Geological Survey Open‐File Report 1292, 81 p. 

(source: http://pubs.usgs.gov/of/2008/1292/downloads/OF08‐1292.pdf, last access: March 2012) 

 

MCKEAN,  J. &  ROERING,  J.,  2004: Objective  landslide  detection  and  surface morphology mapping 

using high‐resolution airborne laser altimetry. – in: Geomorphology 57 (3‐4), PP 331‐351. 

(source:  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X03001648,  last  access: 

March 2012) 

 

MINER,  A.S.  et  al.,  2010:  Landslide  Recognition  using  LiDAR  derived  Digital  Elevation  Models‐

Lessons learnt from selected Australian examples. – in: University of Wollongong Research Online, 

10 p. 

(source:  http://ro.uow.edu.au/cgi/viewcontent.cgi?article=1590&context=engpapers,  last  access: 

March 2012)  

 

VAN DEN EECKHAUT, M. et al., 2011: Regional mapping and characterization of old landslides in hilly 

regions using LiDAR‐based imagery in Southern Flanders. – in: Quaternary Research 75, 13 p. 

(source:  http://www.blug‐ublg.be/FR/down/VanDenEeckhaut_et_al_Regional_map_landslides 

_QR2011.pdf, last access: March 2012) 

 

VAN DEN EECKHAUT, M. et al., 2007: Use of LIDAR‐derived  images for mapping old  landslides under 

forest. – in: Earth Surface Processes and Landforms 32, PP 754‐769. 

(source:  http://www.wou.edu/las/physci/taylor/g473/eekhaut_etal_2007_Lidar_landslides.pdf, 

last access: March 2012). 

 

VAN DEN EECKHAUT, M. et al., 2005: The effectiveness of hillshade maps and expert knowledge  in 

mapping old deep‐seated landslides. – in: Geomorphology 67 (3‐4), PP 351‐363. 

(source:  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X04002624,  last  access: 

March 2012). 

Page 118: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

118 / 122 

SCHULZ, W.H.,  2007:  Landslide  susceptibility  revealed  by  LIDAR  imagery  and  historical  records, 

Seattle, Washington. – in: Engineering Geology 89, PP 67‐87. 

(source: http://landslides.usgs.gov/docs/schulz/lidar_enggeo.pdf, last access: March 2012) 

 

SCHULZ,  W.H.,  2004:  Landslides  mapped  using  LIDAR  imagery,  Seattle,  Washington.  –  in:  U.S. 

Geological Survey Open‐File Report 1396, 11 p. 

(source: http://pubs.usgs.gov/of/2004/1396/OF2004‐1396_508.pdf, last access: March 2012) 

 

SHAW, S.C. &  JOHNSON, D.A., 1995: Slope Morphology Model Derived  from Digital Elevation Data.     

–  in: Proceedings, 1995: Northwest Arc/Info Users Conference, Coeur d'Alene,  Idaho, Oct. 23‐25,     

12 p.  

(source:  http://www.krisweb.com/biblio/gen_xxxx_shawetal_1995_slopemorph.pdf,  last  access: 

March 2012) 

 

MONTGOMERY, D.R. & DIETRICH, W.E., 1994: A Physically Based Model for the Topographic Control on 

Shallow Landsliding. – in: Water Resources Research, Vol. 30, No. 4, PP 1153‐1171. 

(source:  http://www.geo.oregonstate.edu/classes/geo582/week_3_1_eros_thresh_channel_net 

/montg_dietr_wrr_94.pdf, last access: March 2012) 

 

SAPPINGTON,  J.M. et al., 2007: Quantifying Landscape Ruggedness  for Animal Habitat Analysis  ‐ A 

case Study Using Bighorn Sheep in the Mojave Desert. – Journal of Wildlife Management 71(5), PP 

1419‐1426. 

(source: http://arcscripts.esri.com/details.asp?dbid=15423, last access: March 2012) 

Page 119: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

119 / 122 

References from Papers 

 

AMUNDSENA,  J. et al, 2010: Using LiDAR‐derived DEM’s to delineate and characterize  landslides  in 

Northern Kentucky and Hamilton County, Ohio, 26 p. 

(source: http://www.trishock.com/academic/pdf/lidar_landslides.pdf, last access: March 2012) 

 

ASPRS, American Society for Photogrammetry & Remote Sensing, 2010: LAS Specification ‐ Version 

1.3 – R11. Maryland, 18 p. 

(source:  http://liblas.org/_static/files/specifications/asprs_las_format_v13.pdf,  last  access:           

March, 2012) 

 

CORSINI,  A.  et  al.,  2009:  Coupling  geomorphic  field  observation  and  LiDAR  derivatives  to map 

complex landslide. 18 p. 

(source:  http://eost.u‐strasbg.fr/omiv/Landslide_Processes_Conference/Corsini_et_al.pdf,         

last access: March 2012) 

 

CRUDEN, D.M., 1993: The Multilingual  Landslide Glossary. – Bitech Publishers, Richmond., British 

Columbia, for the UNESCO Working Party on World Landslide Inventory in 1993, 32 p.  

(source: http://www.cgs.ca/pdf/heritage/Landslide%20Glossary.pdf, last access: March 2012) 

 

JENNESS,  J.  et  al.,  2011:  Land  Facet  Corridor  Designer.  –  USDA  Forest  Service  Rocky Mountain 

Research  Station, McIntire‐Stennis  Cooperative  Forestry  Program  and  Arizona  Board  of  Forest 

Research, 102 p. 

(source:    http://www.jennessent.com/downloads/Land_Facet_Tools_A4.pdf  ,  last  access:     

March, 2012). 

 

NIEMEYER,  J. et al., 2010: Extraktion geologisch  relevanter Strukturen auf Rügen  in Laserscanner‐

Daten. 10 p. 

(source:  http://www.ipi.uni‐hannover.de/uploads/tx_tkpublikationen/2010_Niemeyer_ 

Ruegen_01.pdf, last access: March 2012) 

Page 120: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

120 / 122 

NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration Coastal Services Center, 2008: Lidar 101 ‐ 

An Introduction Lidar Technology, Data, and Applications. – Charleston, SC: NOAA Coastal Service 

Center, 68 p. 

(source:  http://www.csc.noaa.gov/digitalcoast/data/coastallidar/_pdf/What_is_Lidar.pdf,  last 

access: October, 2011). 

 

VARNES  D.J.  &  IAEG,  1984:  Commission  on  Landslides  and  other Mass Movements  ‐  Landslide 

hazard zonation ‐ a review of principles and practice. – in: The UNESCO Press, Paris, 60 p. 

(source: http://www.bib.ub.edu/fileadmin/fdocs/landslidehazard.pdf, last access: March, 2012) 

 

WEISS, A., 2001: Topographic Position and  Landforms Analysis. – Poster presentation, ESRI User 

Conference, San Diego, CA, 1 p. 

(source: http://www.jennessent.com/arcview/TPI_Weiss_poster.htm, last access: March, 2012) 

 

SCHWEIZER  EIDGENOSSENSCHAFT  –  Bundesamt  für  Umwelt  –  Abteilung  Gefahrenprävention,  2009a: 

Rutschungen – Dynamik. – Schweiz, 2 p. 

(source:  http://www.bafu.admin.ch/naturgefahren/01917/index.html?lang=de,  last  access: 

October 2010). 

 

SCHWEIZER  EIDGENOSSENSCHAFT  –  Bundesamt  für  Umwelt  –  Abteilung  Gefahrenprävention,  2009b: 

Rutschungen – Prozess. – Schweiz, 3 p. 

(source:  http://www.bafu.admin.ch/naturgefahren/01917/index.html?lang=de,  last  access: 

October 2010). 

Page 121: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

121 / 122 

References from Websites  

 

ARCGIS DESKTOP 10 HELP, 2011. 

(source:  http://help.arcgis.com/en/arcgisdesktop/10.0/help/index.html,  last  access:            

October, 2011) 

 

ArcGIS, 2011. SynergisInformationssysteme GmbH. Official Distributor of ESRI. 

(source: http://www.esri‐austria.at/products/arcgis/index.html, last access: October 2011) 

 

ESRI, 2011. 

(source: http://www.esri.com/ , last access October, 2011) 

 

GEOLOGICAL SURVEY OF AUSTRIA, 2011. 

(source: http://www.geologie.ac.at/, last access April, 2011) 

 

GEOLOGICAL HAZARDS PROGRAM, 2011: Landslides.  – Geological Survey of Alabama. 

(source: http://www.gsa.state.al.us/gsa/geologichazards/landslides/, last access: May, 2011) 

 

GEONET, 2011: LANDSLIDE GLOSSARY. 

(source: http://www.geonet.org.nz/landslide/glossary.html, last access: October, 2011) 

 

LANDSLIDE HAZARDS PROGRAM, 2011. – U.S. Geological Survey 

(source: http://landslides.usgs.gov/, last access: October, 2011) 

 

LUIS, 2011: Climate. – Environmental Information of Styria, Provincial Government of Austria. 

(source: http://www.umwelt.steiermark.at/cms/ziel/25199/DE/, last access: March, 2012)  

 

MTC, Midwest Transportation Consortium, 2003: Use of LIDAR‐based Elevation Data for Highway 

Drainage Analysis ‐ A Qualitative Assessment. 

(source: http://www.ctre.iastate.edu/mtc/reports/lidar_hydro.htm, last access: October, 2011)  

Page 122: USING HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR DATA FOR …€¦ · Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features

REFERENCES 

122 / 122 

PYTHON, 2012. 

(source: http://www.python.org/about/success/, last access: October, 2011) 

 

QCoherent – a GeoCue company – LP360, 2011. 

(source: http://www.qcoherent.com/index.html, last access: October 2011) 

 

 

Data References   

BEV – Bundesamt für Eich‐ und Vermessungswesen, 2011.  

(source:  http://www.bev.gv.at/portal/page?_pageid=713,1604790&_dad=portal&_ 

schema=PORTAL, last access: March 2012) 

 

STYRIAN LIDAR CAMPAIGN, 2011. 

 All  in  this  thesis  used  LiDAR  products  (point  clouds,  DTMs,  DSMs)  data  are  property  of  the 

Provincial Government of Styria, Board of Works – Geoinformation Staff Office. 

 

GIS STYRIA, 2012.  

Most  in  this  thesis used GIS data are property of  the Provincial Government of Styria, Board of 

Works – Geoinformation Staff Office. 

 

BMLFUW  (Bundesministerium  für  Land‐  und  Forstwirtschaft,  Umwelt  und  Wasserwirtschaft  or 

Lebensministerium) & BFW (Federal Research and Training Centre for Forests, Natural Hazards and 

Landscape), 2009: 

(source:  http://gis.lebensministerium.at/eBOD/frames/index.php?PHPSESSID=f0945e4330d621 

76192f0674797be30d&145=true&gui_id=eBOD, last access: March 2012)