Die Integration hochauflösender Fernerkundungsdaten für die physio-graphische Parametrisierung von Wasser- und Stofftransportmodellen - Fallbeispiele aus Thüringen und dem südlichen Afrika

Abstract

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Einsatz von Fernerkundungsdaten für die Parameterisierung hydrologischer Modelle. Zunächst geht es dabei um die hydrologische Systemanalyse des Istzustands, bei der möglichst umfassende flächendeckende Informationen der einzelnen Systemkomponenten aufgenommen werden müssen. Theoretisch angenommene Genauigkeitswerte einzelner Parameter müssen empirisch belegt bzw. quantifiziert werden um damit die zeitlichen, räumlichen und thematischen Anforderungen der Modelle zu erfüllen. Im Vordergrund stehen dabei die vier hydrologischen Modellierungskomponenten Landnutzung, Vegetation, Bodenfeuchte und Relief, zu denen mit Hilfe von optischer- und Mikrowellendatenauswertung sowohl flächendeckende Eingabeparameter als auch Validierungsgrundlagen erarbeitet werden konnten.

Bei der Landnutzungserfassung konnten mit optischen Fernerkundungsdaten durch die Kombination multispektraler und textureller Klassifikationsansätze hohe Genauigkeiten (> 90 %) in der geforderten Klassentiefe erzielt werden. Obwohl mit Mikrowellensystemen generell geringere Klassifikationsgenauigkeiten erreicht werden, erlaubt die Integration der interferometrischen Kohärenz sowie die Verwendung multifrequenter und multipolarimetrischer Radarsysteme nicht nur die beleuchtungs- und witterungsunabhängige Erfassung der saisonalen Dynamik der Landnutzung, sondern auch das Erkennen weiterer Differenzierungen, die mit optischen Daten so nicht möglich sind.

Zwar besteht nach wie vor keine standardisierte Methode zur Abschätzung der Vegetationsbedeckung, dennoch konnte gezeigt werden, dass flächendeckende Vegetationsparameter entsprechend den Modellanforderungen bereitgestellt werden konnten. Der Pflanzenwassergehalt konnte aus multipolarimetrischen L-Band-Daten mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden. Die Bodenfeuchte konnte trotz system- (Speckle-Effekt) und objektbedingter (Vegetationsbedeckung) Einschränkungen mit Hilfe polarimetrischer L-Band-Radardaten bestimmt werden. Im Vergleich zu Interpolationen aus Geländemesswerten und verschiedenen Indexwerten ergab sich aus den Radardaten eine realistischere Abbildung der Bodenfeuchtigkeitsverhältnisse. Die mit Methoden der Stereophotogrammetrie bzw. Interferometrie abgeleiteten Höhenmodelle sind für mesoskalige hydrologische Modellierungen geeignet, müssen aber vor der Reliefanalyse durch Subtraktion der Vegetations- bzw. Gebäudehöhen in Geländemodelle umgewandelt werden.

Als zusammenfassendes Ergebnis dieser Arbeit kann der Leitfaden für die Erfassung hydrologischer Modellparameter angesehen werden. Damit besitzt der Hydrologe ein wertvolles Werkzeug zur flächendeckenden Parameterisierung bzw. zur Ermittlung von Validierungsgrundlagen für distributive hydrologische Modelle.

The presented thesis contributes to the use of remote sensing data for the parameterization of hydrological models. Primarily this includes hydrological systems analysis where comprehensive areal information about the system components has to be acquired. Theoretically assumed accuracies of single parameters have to give evidence for empirically or have to be quantified to fulfill the timely, spatial and thematical requirements of the models. Special emphasis is given to the four hydrological modelling components land cover, vegetation, soil moisture and relief for whom areal input parameters as well as validation data could be derived from optical and microwave remote sensing data.

For the land cover registration high accuracies (> 90 %) could be achieved with optical data through the combination of spectral and textural approaches in the required thematical depth. Although the classification accuracies are generally lower with microwave systems, the integration of the interferometric coherence and the use of multifrequent and multipolarimetric SAR data enables not only the illumination and weather independent acquisition of the seasonal land cover dynamics but also the detection of further differentiations, which would not be possible with optical data.

There is still no standardised method for the estimation of the vegetation cover, nevertheless it could be pointed out, that it is possible to provide areal vegetation parameters as required from the models. The plant water content could be derived from multipolarimetric L-Band data with high accuracy. The soil moisture could also be determined by multipolarimetric LBand data, although there have been some limitations due to system (speckle) and object (vegetation cover) induced errors. In comparison to interpolations from field measurements and different indices the radar data showed a more realistic illustration of the soil moisture conditions. Digital Elevation Models derived from stereophotogrammetry and interferometry are useful for mesoscale hydrological modelling, although they have to be transformed into terrain models prior to relief analysis by subtraction of the vegetation and building heights. The concluding result of this thesis is the guide for the acquisition of hydrological model parameters. With that a hydrologist has a valuable tool for the areal parameterization as well as for the determination of a validation base for distributed hydrological models.