TY  - THES
A1  - Rudolph-Mohr, Nicole
T1  - A novel non-invasive optical method for quantitative visualization of pH and oxygen dynamics in soils
T1  - Entwicklung einer neuen, nicht invasiven, optischen Methode für die quantitative Darstellung von pH und Sauerstoffdynamiken in Böden
N2  - In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids and nutrients. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scales. Soil structures such as aggregates, roots, layers or macropores enhance the patchiness of these distributions. At the same time it is difficult to access the spatial distribution and temporal dynamics of these parameter. Noninvasive imaging techniques with high spatial and temporal resolution overcome these limitations. And new non-invasive techniques are needed to study the dynamic interaction of plant roots with the surrounding soil, but also the complex physical and chemical processes in structured soils. In this study we developed an efficient non-destructive in-situ method to determine biogeochemical parameters relevant to plant roots growing in soil. This is a quantitative fluorescence imaging method suitable for visualizing the spatial and temporal pH changes around roots. We adapted the fluorescence imaging set-up and coupled it with neutron radiography to study simultaneously root growth, oxygen depletion by respiration activity and root water uptake. The combined set up was subsequently applied to a structured soil system to map the patchy structure of oxic and anoxic zones induced by a chemical oxygen consumption reaction for spatially varying water contents. Moreover, results from a similar fluorescence imaging technique for nitrate detection were complemented by a numerical modeling study where we used imaging data, aiming to simulate biodegradation under anaerobic, nitrate reducing conditions.
N2  - In Böden und Sedimenten sind biogeochemische Prozesse und die Verteilung von Größen wie Wasser, Elektronenakzeptoren, Säuregehalte und Nährstoffe in enger Weise miteinander gekoppelt. Diese wechselseitige Beeinflussung ist skalenübergreifend und reicht von sehr kleinen bis zu größeren Skalen. Die in realen Böden vorhandene Struktur z. Bsp. Aggregate, Pflanzenwurzeln, Schichten und Makroporen bedingen eine starke räumlich Heterogenität und zeitliche Dynamik dieser Größen. Gleichzeitig sind Verteilung und Dynamik sehr schwer zu beobachten, zumindest ohne ihre gleichzeitige Störung. Bildgebende Verfahren bieten eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung und ermöglichen die Darstellung dieser Größen. Um die dynamische Wechselwirkung zwischen Pflanzenwurzeln und Boden, aber auch die komplexen physikalisch – chemischen Prozesse in Böden zu verstehen, sind neue bildgebende Verfahren notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue nicht-invasive Methode zu entwickeln, die es ermöglicht biogeochemische Parameter in der Wurzelzone zu visualisieren. Innerhalb dieser Studie wurde ein quantitatives bildgebendes Verfahren entwickelt, dass die räumlichen und zeitlichen Dynamiken des pH Wertes in der Rhizosphäre erfasst. Diese auf Fluoreszenzemissionen basierende Methode wurde ebenso für Sauerstoffdetektion entwickelt und mit Neutronen Radiographie kombiniert um gleichzeitig Aussagen über Wurzelwachstum, Sauerstoffzehrung durch Wurzelatmung und Wurzelwasseraufnahme treffen zu können. Die kombinierte bildgebende Methode wurde dann in einem künstlichen Boden genutzt um Nischen und Übergangsbereiche von Sauerstoff bei variierenden Wassergehalten zu charakterisieren. Das große Potential von bildgebenden Verfahren zeigt sich bei Modellierungsstudien. In dieser Studie wurden Bilddaten als Eingabeparameter für die Simulierung von denitrifizierendem biologischem Schadstoffabbau genutzt.
KW  - Optische Sensoren
KW  - pH
KW  - Sauerstoff
KW  - Fluoreszenzbildgebung
KW  - Rhizosphere
KW  - Optical sensor
KW  - pH
KW  - oxygen
KW  - fluorescence imaging
KW  - rhizosphere
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66993
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haßler, Sibylle Kathrin
T1  - Saturated hydraulic conductivity in the humid tropics : sources of variability, implications for monitoring and effects on near-surface hydrological flow paths
T1  - Quellen der Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in den humiden Tropen, ihre Bedeutung für die Beprobung der Leitfähigkeit und ihre Auswirkungen auf bodennahe hydrologische Fließpfade
N2  - Large areas in the humid tropics are currently undergoing land-use change. The decrease of tropical rainforest, which is felled for land clearing and timber production, is countered by increasing areas of tree plantations and secondary forests. These changes are known to affect the regional water cycle as a result of plant-specific water demand and by influencing key soil properties which determine hydrological flow paths. One of these key properties sensitive to land-use change is the saturated hydraulic conductivity (Ks) as it governs vertical percolation of water within the soil profile. Low values of Ks in a certain soil depth can form an impeding layer and lead to perched water tables and the development of predominantly lateral flow paths such as overland flow. These processes can induce nutrient redistribution, erosion and soil degradation and thus affect ecosystem services and human livelihoods. Due to its sensitivity to land-use change, Ks is commonly used to assess the associated changes in hydrological flow paths. The objective of this dissertation was to assess the effect of land-use change on hydrological flow paths by analysing Ks as indicator variable. Sources of Ks variability, their implications for Ks monitoring and the relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths in the context of land-use change were studied. The research area was located in central Panama, a country widely experiencing the abovementioned changes in land use. Ks is dependent on both static, soil-inherent properties such as particle size and clay mineralogy and dynamic, land use-dependent properties such as organic carbon content. By conducting a pair of studies with one of these influences held constant in each, the importance of static and dynamic properties for Ks was assessed. Applying a space-for-time approach to sample Ks under secondary forests of different age classes on comparable soils, a recovery of Ks from the former pasture use was shown to require more than eight years. The process was limited to the 0−6 cm sampling depth and showed large variability among replicates. A wavelet analysis of a Ks transect crossing different soil map units under comparable land cover, old-growth tropical rainforest, showed large small-scale variability, which was attributed to biotic influences, as well as a possible but non-conclusive influence of soil types. The two results highlight the importance of dynamic, land use-dependent influences on Ks. Monitoring studies can help to quantify land use-induced change of Ks, but there is a variety of sampling designs which differ in efficiency of estimating mean Ks. A comparative study of four designs and their suitability for Ks monitoring is used to give recommendations about designing a Ks monitoring scheme. Quantifying changes in spatial means of Ks for small catchments with a rotational stratified sampling design did not prove to be more efficient than Simple Random Sampling. The lack of large-scale spatial structure prevented benefits of stratification, and large small-scale variability resulting from local biotic processes and artificial effects of destructive sampling caused a lack of temporal consistency in the re-sampling of locations, which is part of the rotational design. The relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths is of critical importance when assessing the consequences of land-use change in the humid tropics. The last part of this dissertation aimed at disclosing spatial relationships between Ks and overland flow as influenced by different land cover types. The effects of Ks on overland-flow generation were spatially variable, different between planar plots and incised flowlines and strongly influenced by land-cover characteristics. A simple comparison of Ks values and rainfall intensities was insufficient to describe the observed pattern of overland flow. Likewise, event flow in the stream was apparently not directly related to overland flow response patterns within the catchments. The study emphasises the importance of combining pedological, hydrological, meteorological and botanical measurements to comprehensively understand the land use-driven change in hydrological flow paths. In summary, Ks proved to be a suitable parameter for assessing the influence of land-use change on soils and hydrological processes. The results illustrated the importance of land cover and spatial variability of Ks for decisions on sampling designs and for interpreting overland-flow generation. As relationships between Ks and overland flow were shown to be complex and dependent on land cover, an interdisciplinary approach is required to comprehensively understand the effects of land-use change on soils and near-surface hydrological flow paths in the humid tropics.
N2  - Tropische Regionen sind einem andauernden Landnutzungswandel unterworfen. Einerseits wird tropischer Regenwald für Holz- und Flächengewinnung abgeholzt, andererseits fallen Flächen im Zuge der Urbanisierung brach. Diese werden zum Teil mit Nutzholz-Plantagen aufgeforstet, zum Teil entwickelt sich auf ihnen natürlicher Sekundärwald. Änderungen in der Landnutzung beeinflussen Bodeneigenschaften und dadurch implizit den Wasserkreislauf der Region. Eine dieser wichtigen landnutzungsabhängigen Bodeneigenschaften ist die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder Permeabilität, die maßgeblich die Versickerungsrate im Boden bestimmt. Eine niedrige Permeabilität hemmt die (vertikale) Versickerung und kann dazu führen, dass laterale hydrologische Fließpfade wie z.B. Oberflächenabfluss aktiviert werden. Dadurch wird sowohl die Bodenerosion und Nährstoffverlagerung verstärkt als auch die Auffüllung des Grundwasserspeichers verringert. In welchem Maße jedoch die Änderung der Permeabilität während des Landnutzungswandels eine Änderung der hydrologischen Fließpfade nach sich zieht, ist noch unzureichend erforscht. Die Zielstellung der vorliegenden Dissertation war, mit Hilfe der Permeabilität als Indikatorvariable die Auswirkungen des Landnutzungswandels auf bodennahe hydrologische Fließpfade zu beurteilen. Dabei sollten die Quellen der Variabilität der Permeabilität anhand des Einflusses von Bodentyp und Landnutzung eingeschätzt, diese Variabilität in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität integriert und die Auswirkungen dieser Einflüsse auf die Aktivierung lateraler Fließpfade untersucht werden. Die Studien wurden in Panama durchgeführt, da dieses Land stark vom Landnutzungswandel betroffen ist, eine gute Forschungsinfrastruktur aufweist und sich durch die hohen Niederschläge des tropischen Klimas Änderungen im Wasserkreislauf besonders stark auswirken. Zwei Teilstudien zu den Quellen der Variabilität der Permeabilität lieferten Hinweise auf einen möglichen Einfluss des Bodentyps, der jedoch durch den lokal stärkeren Einfluss der Landnutzung überprägt wurde. Auf regionaler Skala wurde die Erholung der Permeabilität unter Sekundärwald nach einer vorhergehenden Weidenutzung belegt. Beide Studien deuteten auf einen maßgeblichen Einfluss der Landnutzung und der räumlichen Struktur der Permeabilität auf die untersuchten Prozesse hin. Für die effiziente Abschätzung zeitlicher Veränderungen der Permeabilität, wie sie im Zuge des Landnutzungswandels auftritt, ist die Einbeziehung dieser räumlichen Strukturen in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität von großer Bedeutung, wie in einem Vergleich vier verschiedener Designs gezeigt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der Entstehung von Oberflächenabfluss konnte nicht durch einfache Ansätze, wie dem Vergleich der Permeabilität mit Regenintensitäten oder der Betrachtung des Gebietsabflusses, erklärt werden. Vielmehr scheint ein komplexes Zusammenspiel aus meteorologischen, biologischen, bodenkundlichen und hydrologischen Faktoren zu wirken. So wurde die räumliche Struktur des Oberflächenabflusses im Untersuchungsgebiet vermutlich durch eine Kombination aus Landnutzungs- und Permeabilitäts-Einflüssen bedingt, zu deren Aufklärung weitere notwendige Messungen vorgeschlagen werden. Zusammengefasst konnte anhand der Permeabilität der Einfluss des Landnutzungswandels auf die hydrologischen Fließpfade gut aufgezeigt werden. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei der Betrachtung der landnutzungsabhängigen räumlichen Struktur der Permeabilität zu. Für die Prozessaufklärung der Aktivierung lateraler Fließpfade müssen jedoch Messungen aus verschiedenen Disziplinen kombiniert werden.
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Landnutzungswandel
KW  - Tropen
KW  - Probenahmestrategie
KW  - hydrologische Fließpfade
KW  - Soil hydrology
KW  - land-use change
KW  - tropics
KW  - monitoring
KW  - hydrological flow paths
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66864
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TY  - THES
A1  - Holsten, Anne
T1  - Climate change vulnerability assessments in the regional context
T1  - Studien zur Vulnerabilität gegenüber Klimawandel im regionalen Kontext
N2  - Adapting sectors to new conditions under climate change requires an understanding of regional vulnerabilities. Conceptually, vulnerability is defined as a function of sensitivity and exposure, which determine climate impacts, and adaptive capacity of a system. Vulnerability assessments for quantifying these components have become a key tool within the climate change field. However, there is a disagreement on how to make the concept operational in studies from a scientific perspective. This conflict leads to many still unsolved challenges, especially regarding the quantification and aggregation of the components and their suitable level of complexity. This thesis therefore aims at advancing the scientific foundation of such studies by translating the concept of vulnerability into a systematic assessment structure. This includes all components and implies that for each considered impact (e.g. flash floods) a clear sensitive entity is defined (e.g. settlements) and related to a direction of change for a specific climatic stimulus (e.g. increasing impact due to increasing days with heavy precipitation). Regarding the challenging aggregation procedure, two alternative methods allowing a cross-sectoral overview are introduced and their advantages and disadvantages discussed. This assessment structure is subsequently exemplified for municipalities of the German state North Rhine-Westphalia via an indicator-based deductive approach using information from literature. It can be transferred also to other regions. As for many relevant sectors, suitable indicators to express the vulnerability components are lacking, new quantification methods are developed and applied in this thesis, for example for the forestry and health sector. A lack of empirical data on relevant thresholds is evident, for example which climatic changes would cause significant impacts. Consequently, the multi-sectoral study could only provide relative measures for each municipality, in relation to the region. To fill this gap, an exemplary sectoral study was carried out on windthrow impacts in forests to provide an absolute quantification of the present and future impact. This is achieved by formulating an empirical relation between the forest characteristics and damage based on data from a past storm event. The resulting measure indicating the sensitivity is then combined with wind conditions. Multi-sectoral vulnerability assessments require considerable resources, which often hinders the implementation. Thus, in a next step, the potential for reducing the complexity is explored. To predict forest fire occurrence, numerous meteorological indices are available, spanning over a range of complexity. Comparing their performance, the single variable relative humidity outperforms complex indicators for most German states in explaining the monthly fire pattern. This is the case albeit it is itself an input factor in most indices. Thus, this meteorological factor alone is well suited to evaluate forest fire danger in many Germany regions and allows a resource-efficient assessment. Similarly, the complexity of methods is assessed regarding the application of the ecohydrological model SWIM to the German region of Brandenburg. The inter-annual soil moisture levels simulated by this model can only poorly be represented by simpler statistical approach using the same input data. However, on a decadal time horizon, the statistical approach shows a good performance and a strong dominance of the soil characteristic field capacity. This points to a possibility to reduce the input factors for predicting long-term averages, but the results are restricted by a lack of empirical data on soil water for validation. The presented assessments of vulnerability and its components have shown that they are still a challenging scientific undertaking. Following the applied terminology, many problems arise when implementing it for regional studies. Advances in addressing shortcomings of previous studies have been made by constructing a new systematic structure for characterizing and aggregating vulnerability components. For this, multiple approaches were presented, but they have specific advantages and disadvantages, which should also be carefully considered in future studies. There is a potential to simplify some methods, but more systematic assessments on this are needed. Overall, this thesis strengthened the use of vulnerability assessments as a tool to support adaptation by enhancing their scientific basis.
N2  - Die Anpassung von Sektoren an veränderte klimatische Bedingungen erfordert ein Verständnis von regionalen Vulnerabilitäten. Vulnerabilität ist als Funktion von Sensitivität und Exposition, welche potentielle Auswirkungen des Klimawandels darstellen, und der Anpassungsfähigkeit von Systemen definiert. Vulnerabilitätsstudien, die diese Komponenten quantifizieren, sind zu einem wichtigen Werkzeug in der Klimawissenschaft geworden. Allerdings besteht von der wissenschaftlichen Perspektive aus gesehen Uneinigkeit darüber, wie diese Definition in Studien umgesetzt werden soll. Ausdiesem Konflikt ergeben sich viele Herausforderungen, vor allem bezüglich der Quantifizierung und Aggregierung der einzelnen Komponenten und deren angemessenen Komplexitätsniveaus. Die vorliegende Dissertation hat daher zum Ziel die Anwendbarkeit des Vulnerabilitätskonzepts voranzubringen, indem es in eine systematische Struktur übersetzt wird. Dies beinhaltet alle Komponenten und schlägt für jede Klimaauswirkung (z.B. Sturzfluten) eine Beschreibung des vulnerablen Systems vor (z.B. Siedlungen), welches direkt mit einer bestimmten Richtung eines relevanten klimatischen Stimulus in Verbindung gebracht wird (z.B. stärkere Auswirkungen bei Zunahme der Starkregentage). Bezüglich der herausfordernden Prozedur der Aggregierung werden zwei alternative Methoden, die einen sektorübergreifenden Überblick ermöglichen, vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Anschließend wird die entwickelte Struktur einer Vulnerabilitätsstudie mittels eines indikatorbasierten und deduktiven Ansatzes beispielhaft für Gemeinden in Nordrhein-Westfalen in Deutschland angewandt. Eine Übertragbarkeit auf andere Regionen ist dennoch möglich. Die Quantifizierung für die Gemeinden stützt sich dabei auf Informationen aus der Literatur. Da für viele Sektoren keine geeigneten Indikatoren vorhanden waren, werden in dieser Arbeit neue Indikatoren entwickelt und angewandt, beispielsweise für den Forst- oder Gesundheitssektor. Allerdings stellen fehlende empirische Daten bezüglich relevanter Schwellenwerte eine Lücke dar, beispielsweise welche Stärke von Klimaänderungen eine signifikante Auswirkung hervorruft. Dies führt dazu, dass die Studie nur relative Aussagen zum Grad der Vulnerabilität jeder Gemeinde im Vergleich zum Rest des Bundeslandes machen kann. Um diese Lücke zu füllen, wird für den Forstsektor beispielhaft die heutige und zukünftige Sturmwurfgefahr von Wäldern berechnet. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften der Wälder mit empirischen Schadensdaten eines vergangenen Sturmereignisses in Verbindung gebracht. Der sich daraus ergebende Sensitivitätswert wird anschließend mit den Windverhältnissen verknüpft. Sektorübergreifende Vulnerabilitätsstudien erfordern beträchtliche Ressourcen, was oft deren Anwendbarkeit erschwert. In einem nächsten Schritt wird daher das Potential einer Vereinfachung der Komplexität anhand zweier sektoraler Beispiele untersucht. Um das Auftreten von Waldbränden vorherzusagen, stehen zahlreiche meteorologische Indices zur Verfügung, welche eine Spannbreite unterschiedlicher Komplexitäten aufweisen. Bezüglich der Anzahl monatlicher Waldbrände weist die relative Luftfeuchtigkeit für die meisten deutschen Bundesländer eine bessere Vorhersagekraft als komplexere Indices auf. Dies ist er Fall, obgleich sie selbst als Eingangsvariable für die komplexeren Indices verwendet wird. Mit Hilfe dieses einzelnen meteorologischen Faktors kann also die Waldbrandgefahr in deutschen Region ausreichend genau ausgedrückt werden, was die Ressourceneffizienz von Studien erhöht. Die Methodenkomplexität wird auf ähnliche Weise hinsichtlich der Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM für die Region Brandenburg untersucht. Die interannuellen Bodenwasserwerte, welche durch dieses Modell simuliert werden, können nur unzureichend durch ein einfacheres statistisches Modell, welches auf denselben Eingangsdaten aufbaut, abgebildet werden. Innerhalb eines Zeithorizonts von Jahrzehnten, kann der statistische Ansatz jedoch das Bodenwasser zufriedenstellend abbilden und zeigt eine Dominanz der Bodeneigenschaft Feldkapazität. Dies deutet darauf hin, dass die Komplexität im Hinblick auf die Anzahl der Eingangsvariablen für langfristige Berechnungen reduziert werden kann. Allerdings sind die Aussagen durch fehlende beobachtete Bodenwasserwerte zur Validierung beschränkt. Die vorliegenden Studien zur Vulnerabilität und ihren Komponenten haben gezeigt, dass eine Anwendung noch immer wissenschaftlich herausfordernd ist. Folgt man der hier verwendeten Vulnerabilitätsdefinition, treten zahlreiche Probleme bei der Implementierung in regionalen Studien auf. Mit dieser Dissertation wurden Fortschritte bezüglich der aufgezeigten Lücken bisheriger Studien erzielt, indem eine systematische Struktur für die Beschreibung und Aggregierung von Vulnerabilitätskomponenten erarbeitet wurde. Hierfür wurden mehrere Ansätze diskutiert, die jedoch Vor- und Nachteile besitzen. Diese sollten vor der Anwendung von zukünftigen Studien daher ebenfalls sorgfältig abgewogen werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein Potential besteht einige Ansätze zu vereinfachen, jedoch sind hierfür weitere Untersuchungen nötig. Insgesamt konnte die Dissertation die Anwendung von Vulnerabilitätsstudien als Werkzeug zur Unterstützung von Anpassungsmaßnahmen stärken.
KW  - Klimawandel
KW  - Impakt
KW  - Vulnerabilität
KW  - Forstwirtschaft
KW  - Boden
KW  - climate change
KW  - impact
KW  - vulnerability
KW  - forestry
KW  - soil
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66836
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TY  - THES
A1  - Amour, Frédéric
T1  - 3-D modeling of shallow-water carbonate systems : a scale-dependent approach based on quantitative outcrop studies
T1  - 3-D Modellierung von Flachwasser-Karbonat-Sytemen : eine skalenabhängige Herangehensweise basierend auf quantitativen Aufschlussstudien
N2  - The study of outcrop modeling is located at the interface between two fields of expertise, Sedimentology and Computing Geoscience, which respectively investigates and simulates geological heterogeneity observed in the sedimentary record. During the last past years, modeling tools and techniques were constantly improved. In parallel, the study of Phanerozoic carbonate deposits emphasized the common occurrence of a random facies distribution along single depositional domain. Although both fields of expertise are intrinsically linked during outcrop simulation, their respective advances have not been combined in literature to enhance carbonate modeling studies. The present study re-examines the modeling strategy adapted to the simulation of shallow-water carbonate systems, based on a close relationship between field sedimentology and modeling capabilities. In the present study, the evaluation of three commonly used algorithms Truncated Gaussian Simulation (TGSim), Sequential Indicator Simulation (SISim), and Indicator Kriging (IK), were performed for the first time using visual and quantitative comparisons on an ideally suited carbonate outcrop. The results show that the heterogeneity of carbonate rocks cannot be fully simulated using one single algorithm. The operating mode of each algorithm involves capabilities as well as drawbacks that are not capable to match all field observations carried out across the modeling area. Two end members in the spectrum of carbonate depositional settings, a low-angle Jurassic ramp (High Atlas, Morocco) and a Triassic isolated platform (Dolomites, Italy), were investigated to obtain a complete overview of the geological heterogeneity in shallow-water carbonate systems. Field sedimentology and statistical analysis performed on the type, morphology, distribution, and association of carbonate bodies and combined with palaeodepositional reconstructions, emphasize similar results. At the basin scale (x 1 km), facies association, composed of facies recording similar depositional conditions, displays linear and ordered transitions between depositional domains. Contrarily, at the bedding scale (x 0.1 km), individual lithofacies type shows a mosaic-like distribution consisting of an arrangement of spatially independent lithofacies bodies along the depositional profile. The increase of spatial disorder from the basin to bedding scale results from the influence of autocyclic factors on the transport and deposition of carbonate sediments. Scale-dependent types of carbonate heterogeneity are linked with the evaluation of algorithms in order to establish a modeling strategy that considers both the sedimentary characteristics of the outcrop and the modeling capabilities. A surface-based modeling approach was used to model depositional sequences. Facies associations were populated using TGSim to preserve ordered trends between depositional domains. At the lithofacies scale, a fully stochastic approach with SISim was applied to simulate a mosaic-like lithofacies distribution. This new workflow is designed to improve the simulation of carbonate rocks, based on the modeling of each scale of heterogeneity individually. Contrarily to simulation methods applied in literature, the present study considers that the use of one single simulation technique is unlikely to correctly model the natural patterns and variability of carbonate rocks. The implementation of different techniques customized for each level of the stratigraphic hierarchy provides the essential computing flexibility to model carbonate systems. Closer feedback between advances carried out in the field of Sedimentology and Computing Geoscience should be promoted during future outcrop simulations for the enhancement of 3-D geological models.
N2  - Das Modellieren von geologischen Aufschlüssen liegt der Schnittstelle zwischen zwei geo-logischen Teildisziplinen, der Sedimentologie und der geologischen Modellierung. Hierbei werden geologische Heterogenitäten untersucht und simuliert, welche im Aufschluss beobachtet wurden. Während der letzten Jahre haben sich die Werkzeuge und die Technik der Modellierung stetig weiter-entwickelt. Parallel dazu hat die Untersuchung der phanerozoischen Karbonatablagerungen ihren Fokus auf gemeinsamen Vorkommen von zufälligen Faziesverteilungen in beiden Ablagerungs-gebieten. Obwohl beide Teildisziplinen durch die Aufschlussmodellierung eigentlich verbunden sind, wurden ihre jeweiligen Vorteile in der Literatur nicht miteinander verbunden, um so eine Verbesserung ähnlicher Studien zu erreichen. Die vorliegende Studie überprüft erneut die Modellierungsstrategie, angepasst an die Simulation von Flachwasser-Karbonat-Systemen und basierend auf einer engen Beziehung zwischen Sedimentologie und Modellierung. Die vorliegende Arbeit behandelt erstmals die Evaluierung der drei am häufigsten verwendeten Algorithmen „Truncated Gaussian Simulation (TGSim)“, „Sequential Indicator Simulation (SISim)“ und „Indicator Kriging (IK)“, um sie visuell und quantitativ mit dem entsprechenden Aufschluss zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Heterogenität von Karbonatgesteinen nicht komplett mit nur einem Algorithmus simuliert werden kann. Die Eigenschaften jedes einzelnen Algorithmus beinhalten Vor- und Nachteile, sodass kein Algorithmus alle Beobachtungen aus dem Aufschluss widerspiegelt. Die zwei Endglieder im Spektrum der Ablagerungsbedingungen von Karbonaten, eine flachwinklige, jurassische Karbonat-Rampe (Hoher Atlas, Marokko) und eine isolierte, triassische Plattform (Dolomiten, Italien), wurden untersucht, um einen kompletten Überblick über die verschiedenen Heterogenitäten in Flachwasser-Karbonat- Systemen zu erhalten. Sedimentologische und statistische Analysen wurden für die verschiedenen Typen, Morphologien, Verteilungen und Assoziationen von Karbonatablagerungen durchgeführt und mit paläogeografischen Rekonstruktionen kombiniert und zeigen ähnliche Ergebnisse. Im Beckenmaßstab zeigen die Faziesassoziationen, bestehend aus Fazieszonen mit ähnlichen Ablagerungsbedingungen, einen linearen und kontinuierlichen Übergang zwischen den einzelnen Ablagerungsbereichen. Im Gegensatz dazu zeigt für einzelne Lithofaziestypen im Maßstab einzelner Schichten eine mosaikartige Verteilung, bestehend aus einer Anordnung räumlich unabhängiger Lithofazieszonen entlang des Ablagerungsprofils. Das Ansteigen der räumlichen Unordnung von der beckenweiten Ablagerung zur Ablagerung einzelner Schichten resultiert aus dem Einfluss autozyklischer Faktoren bei der Ablagerung von Karbonaten. Die Skalenabhängigkeit von Karbonat-Heterogenität ist mit der Auswertung der Algorithmen verknüpft um eine Modellierungsstrategie zu etablieren, welche sowohl die sedimentären Charakteristiken des Aufschlusses als auch die Modellierfähigkeit berücksichtigt. Für die Modellierung der Ablagerungssequenzen wurde ein flächenbasierter Ansatz verwendet. Die Faziesassoziationen wurden durch die Benutzung des TGSim-Algorithmus simuliert, um die regulären Trends zwischen den einzelnen Ablagerungsgebieten zu erhalten. Im Bereich der verschiedenen Lithofazien wurde mit dem SISim-Algorithmus, ein voll stochastischer Ansatz angewendet, um die mosaikartige Verteilung der Lithofazies-Typen zu simulieren. Dieser neue Arbeitsablauf wurde konzipiert, um die Simulierung von Karbonaten auf Basis der einzelnen Heterogenitäten in verschiedenen Größenordnungen zu verbessern. Im Gegensatz zu den in der Literatur angewendeten Simulationsmethoden berücksichtigt diese Studie, dass eine einzelne Modellierungstechnik die natürlichen Ablagerungsmuster und Variabilität von Karbonaten wahrscheinlich nicht korrekt abbildet. Die Einführung verschiedener Techniken, angepasst auf die verschiedenen Ebenen der stratigrafischen Hierarchie, liefert die notwendige Flexibilität um Karbonatsysteme korrekt zu modellieren. Eine enge Verknüpfung zwischen den Fortschritten auf dem Gebieten der Sedimentologie und dem Gebiet der modellierenden Geowissenschaften sollte weiterhin bestehen, um auch zukünftig bei der Simulation von geologischen Gelände-Aufschlüssen eine Verbesserung der 3-D-Modellierung zu erreichen.
KW  - Karbonat
KW  - 3-D Modellierung
KW  - Aufschluss-Modellierung
KW  - Quantitative Daten
KW  - Skala
KW  - Stochastischer Algorithmus
KW  - Carbonate
KW  - 3-D outcrop modeling
KW  - quantitative data
KW  - scale
KW  - stochastic algorithms
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66621
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TY  - THES
A1  - Hintersberger, Esther
T1  - The role of extension during the evolution of the NW Indian Himalaya
T1  - Extension und deren Bedeutung während der Entstehung des Himalajas im NW Indiens
N2  - The evolution of most orogens typically records cogenetic shortening and extension. Pervasive normal faulting in an orogen, however, has been related to late syn- and post-collisional stages of mountain building with shortening focused along the peripheral sectors of the orogen. While extensional processes constitute an integral part of orogenic evolution, the spatiotemporal characteristics and the kinematic linkage of structures related to shortening and extension in the core regions of the orogen are often not well known. Related to the India-Eurasia collision, the Himalaya forms the southern margin of the Tibetan Plateau and constitutes the most prominent Cenozoic type example of a collisional orogen. While thrusting is presently observed along the foothills of the orogen, several generations of extensional structures have been detected in the internal, high-elevation regions, both oriented either parallel or perpendicular to the strike of the orogen. In the NW Indian Himalaya, earthquake focal mechanisms, seismites and ubiquitous normal faulting in Quaternary deposits, and regional GPS measurements reveal ongoing E-W extension. In contrast to other extensional structures observed in the Himalaya, this extension direction is neither parallel nor perpendicular to the NE-SW regional shortening direction. In this study, I took advantage of this obliquity between the trend of the orogen and structures related to E-W oriented extension in order to address the question of the driving forces of different extension directions. Thus, extension might be triggered triggered by processes within the Tibetan Plateau or originates from the curvature of the Himalayan orogen. In order to elaborate on this topic, I present new fault-kinematic data based on systematic measurements of approximately 2000 outcrop-scale brittle fault planes with displacements of up to several centimeters that cover a large area of the NW Indian Himalaya. This new data set together with field observations relevant for relative chronology allows me to distinguish six different deformation styles. One of the main results are that the overall strain pattern derived from this data reflects the regionally important contractional deformation pattern very well, but also reveals significant extensional deformation. In total, I was able to identify six deformation styles, most of which are temporally and spatially linked and represent protracted shortening, but also significant extensional directions. For example, this is the first data set where a succession of both, arc-normal and E-W extension have been documented in the Himalaya. My observations also furnish the basis for a detailed overview of the younger extensional deformation history in the NW Indian Himalaya. Field and remote-sensing based geomorphic analyses, and geochronologic 40Ar/39Ar data on synkinematic muscovites along normal faults help elucidate widespread E-W extension in the NW Indian Himalaya which must have started at approximately 14-16 Ma, if not earlier. In addition, I documented and mapped fault scarps in Quaternary sedimentary deposits using satellite imagery and field inspection. Furthermore, I made field observations of regional normal faults, compiled structures from geological maps and put them in a regional context. Finally, I documented seismites in lake sediments close to the currently most active normal fault in the study area in order to extend the (paleo) seismic record of this particular fault. Taken together, this data sets document that E-W extension is the dominant active deformation style in the internal parts of the orogen. In addition, the combined field, geomorphic and remote-sensing data sets prove that E-W extension occurs in a much more larger region toward the south and west than the seismicity data have suggested. In conclusion, the data presented here reveal the importance of extension in a region, which is still dominated by ongoing collision and shortening. The regional fault distribution and cross-cutting relationships suggest that extension parallel and perpendicular to the strike of the orogen are an integral part of the southward propagation of the active thrust front and the associated lateral growth of the Himalayan arc. In the light of a wide range of models proposed for extension in the Himalaya and the Tibetan plateau, I propose that E-W extension in the NW Indian Himalaya is transferred from the Tibetan Plateau due the inability of the Karakorum fault (KF) to adequately accommodate ongoing E-W extension on the Tibetan Plateau. Furthermore, in line with other observations from Tibet, the onset of E-W normal faulting in the NW Himalaya may also reflect the attainment of high topography in this region, which generated crustal stresses conducive to spatially extensive extension.
N2  - Die Hauptaufgabe von MHC-kodierten Proteinen ist die Erkennung von körperfremden Molekülen sowie das Einleiten einer adäquaten Immunantwort, womit sie eine Schlüsselrolle im Immunsystem der Wirbeltiere einnehmen. Man nimmt an, dass ihre außergewöhnliche Vielfalt eine Antwort auf die sich ständig anpassenden Parasiten und Krankheitserreger ist, durch adaptive Selektion erhalten wird und dass die individuelle Allelausstattung einen Großteil der Parasitenbelastung erklärt, wofür bereits zahlreiche MHC-Studien Hinweise gefunden haben. Trotzdem ist unser Verständnis über die wirkenden Mechanismen teilweise noch lückenhaft. Ein stark vernachlässigter Aspekt hierbei sind z.B. eventuelle Unterschiede in der Genexpression der MHC-Allele und eine geringere Expression wäre gleichbedeutend mit einer geringeren Aktivierung des Immunsystems. Ich habe hierzu zwei frei lebende Kleinsäugerarten (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) unter natürlichen Selektionsbedingungen untersucht. Dabei habe ich neben der genotypischen Diversität von MHC-Genen auch deren Expression, sowie die Genexpression immunregulativer Zytokine mit in Betracht gezogen und in Relation zur individuellen Belastung mit gastrointestinalen Helminthen Das gleichzeitige Auftreten von Verkürzung und Dehnung (Extension) ist ein charakteristisches Kennzeichen bei der Bildung von Kollisionsgebirgen. Eine bis heute gängige These beinhaltet ein weit verbreitetes Auftreten von bschiebungen jedoch erst in späteren Stadien der Gebirgsbildung, bzw. nach deren Abschluÿ. Verkürzung ist hingegen während der gesamten Gebirgsbildung zu beobachten. Auch wenn Extensionsprozesse einen wesentlichen Bestandteil der Gebirgsbildung darstellen, ist deren räumlichen und zeitlichen Abfolge sowie ihre kinematische Kopplung zu Verkürzungstrukturen nur wenig gesichert. Der Himalaja, durch die Kollision von Indien und Eurasien entstanden, bildet den südlichen Rand des tibetischen Hochplateaus und stellt ein typisches aktives Kollisionsgebilde dar. Während heutzutage an der Gebirgsfront Überschiebungen beobachtet werden, können mehrere Generationen an Extensionsstrukturen in den hochgelegenen Regionen des Himalajas dokumentiert werden, die sowohl parallel als auch senkrecht zur Gebirgsfront verlaufen. Im NW Indiens zeugen Erdbebendaten sowie regionale GPS-Daten von andauernder E-W-Extension. Im Gegensatz zu anderen im Himalaja beschriebenen Extensionsstrukturen ist diese Extensionsrichtung jedoch weder parallel noch senkrecht zur NE-SW orientierten regionalen Verkürzungsrichtung. In der vorliegenden Arbeit nutze ich diesen schiefen Winkel zwischen der Ausrichtung des Gebirges einerseits und den mit E-W-Extension assoziierten Strukturen andererseits, um mögliche Ursachen für verschiedene Extensionsarten differenzieren zu können. So könnte Extension entweder durch Prozesse innerhalb des tibetischen Hochplateaus gesteuert werden, oder durch die Krümmung des Himalajas, der bogenförmig verläuft. Um dies zu untersuchen, verwende ich einen neuen störungskinematischen Datensatz aus systematischen Messungen von ca. 2000 spröden Störungsflächen im Aufschlussmaßstab über den gesamten Bereich des Himalajas in NW Indien. Zusammen mit Geländebeobachtungen, aus denen eine relative Altersabfolge abgeleitet werden konnte, ermöglicht mir dieser Datensatz zwischen sechs einzelnen Deformationsarten zu differenzieren. Die meisten dieser Deformationsarten sind zeitlich und räumlich verbunden und zeigen fortschreitende Verkürzung an, gleichzeitig werden auch signifikante Extensionsrichtungen dokumentiert. Unter anderem kann ich hier zum ersten Mal eine separierte Abfolge von Extension parallel zum Himalaja-Bogen bzw. E-W-Extension dokumentieren. Ein weiteres Ziel dieser Studie ist es, einen detaillierten Überblick über die E-W-Extension im NW indischen Himalaja zu erhalten. Basierend auf Kartierung von jungen Bruchstufen sowie geomorphologische Auswertungen, 40Ar/39Ar-daten von synkinematisch gewachsenen Muskoviten auf Abschiebungen, sowie einer Kompilierung von eigene Geländebeobachtungen gröÿerer Abschiebungen mit schon publizierten Strukturen, konnte ich die räumliche Ausdehnung der E-W-Extension sowie deren zeitliche Einordnung als jüngstes Deformationsereignis belegen. Schlussendlich konnte ich anhand von Deformation in Seeablagerungen in der Nähe der momentan aktivsten Abschiebung im Untersuchungsgebiet den Nachweis an paläoseismologischen Ereignissen entlang dieser Störung ausweiten. Mit diesem Datensatz kann ich nachweisen, dass E-W-Extension in einem wesentlich ausgedehnteren Gebiet nach Süden und Westen hin auftritt, als bisher vorhandene Daten dies vermuten lassen, und dass E-W-Extension vor 14-16 Ma begann, wenn nicht sogar noch früher. Zusammenfassend bezeugen die hier präsentierten Daten die Relevanz von Extension in einer von Verkürzung geprägten Region. Die räumliche Verteilung von Störungen sowie Überschneidungskriterien lassen vermuten, dass Extension sowohl parallel wie auch senkrecht zum Himalaja-Bogen ein essentieller Teil des südwärts gerichteten Wanderns der aktiven Überschiebungsfront und des damit assoziierten lateralen Wachstums des Gebirges ist. Nach Abwägung der groÿen Bandbreite an Modellen für Extension im Himalaja und im tibetischen Hochplateau, bin ich der Meinung, dass E-W-Extension im NW indischen Himalaja ihren Ursprung im tibetischen Hochplateau hat. Grund dafür ist, dass die Bewegung entlang der Karakorum-Störung nicht ausreichend ist, um die fortdauernde E-W-Extension im tibetischen Hochplateau zu kompensieren. In Übereinstimmung mit anderen Beobachtungen in Tibet ist es auÿerdem möglich, dass das Einsetzen von E-W-Extension im NW Himalaja ebenfalls Erreichen der hohen Topographie in dieser Gegend widerspiegelt, durch die krustale Prozesse in Gang gesetzt werden, die wiederum zu räumlich ausgedehnten Extensionsprozessen führen können.. Anhand von Leber und Milzproben beider Arten habe ich die Methode der ‚real-time PCR‘ zur relativen Quantifizierung von mRNA im Labor etabliert. Bereits für die Labormaus etablierte PCR-Primersysteme wurden an beiden Arten getestet und so konnten stabile Referenzgene gefunden werden, die Grundvoraussetzung für zuverlässige Genexpressionsmessungen. Für D. sublineatus konnte gezeigt werden, dass Helminthenbefall eine typische Th2 Immunantwort induziert, und dass der Zytokin Il4 Gehalt mit Befallsintensität strongyler Nematoden zunimmt. Es wurde für D. sublineatus kein signifikanter Zusammenhang zwischen MHC Expression oder anderen Zytokinen mit Helminthenbefall gefunden. In A. flavicollis wurde ein negativer Zusammenhang zwischen haptischer MHC-Expression und dem parasitären Nematoden Heligmosomoides polygyrus festgestellt, was auf eine Immunvermeidungsstrategie des Nematoden hindeutet. Ich fand typische positive und negative Assoziationen zwischen MHC-Allelen und anderen Helminthenarten, sowie Zeichen eines positiven Selektionsdruckes auf den MHC-Sequenzen, was sich durch eine erhöhte Rate aminosäureverändernder Mutationen zeigte. Diese nicht-synonymen Veränderungen waren auf Positionen innerhalb des zweiten Exons des DRB-Genes beschränkt, wohingegen die untersuchten Bereiche des ersten und dritten Exons stark konserviert vorlagen. Diese variablen Positionen kodieren Schlüsselstellen im Bereich der Antigenbindungsstelle im MHC Molekül. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Genexpressionsstudien auch an Wildtieren durchgeführt und verlässliche Daten erzeugt werden können. Zusätzlich zur strukturellen Vielfalt sollten zukünftig auch mögliche Genexpressionsunterschiede bei MHC-Studien berücksichtigt werden, um ein kompletteres Bild der koevolutiven Wirt-Parasiten-Beziehungen zeichnen zu können. Dies ist vor allem dann von evolutiver Bedeutung, wenn die Parasiten in der Lage sind die MHC Expression aktiv zu beeinflussen. Die Studien konnten nicht die exakte Bedeutung von MHC-Genexpression in der antagonistischen Koevolution definieren, aber sie konnten zeigen dass diese Bedeutung stark von den jeweils beteiligten Partnern abzuhängen vermag.
KW  - NW Himalaja
KW  - Extension
KW  - Paläo-Strain-Berechnung
KW  - Neotektonik
KW  - NW Himalaya
KW  - extension
KW  - paleo-strain calculation
KW  - neotectonics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66179
ER  - 
TY  - THES
A1  - Conradt, Tobias
T1  - Challenges of regional hydrological modelling in the Elbe River basin : investigations about model fidelity on sub-catchment level
T1  - Herausforderungen für die regionale hydrologische Modellierung im Flußeinzugsgebiet der Elbe : Forschungen zur Modellgüte auf der Ebene der Teileinzugsgebiete
N2  - Within a research project about future sustainable water management options in the Elbe River basin, quasi-natural discharge scenarios had to be provided. The semi-distributed eco-hydrological model SWIM was utilised for this task. According to scenario simulations driven by the stochastical climate model STAR, the region would get distinctly drier. However, this thesis focuses on the challenge of meeting the requirement of high model fidelity even for smaller sub-basins. Usually, the quality of the simulations is lower at inner points than at the outlet. Four research paper chapters and the discussion chapter deal with the reasons for local model deviations and the problem of optimal spatial calibration. Besides other assessments, the Markov Chain Monte Carlo method is applied to show whether evapotranspiration or precipitation should be corrected to minimise runoff deviations, principal component analysis is used in an unusual way to evaluate local precipitation alterations by land cover changes, and remotely sensed surface temperatures allow for an independent view on the evapotranspiration landscape. The overall insight is that spatially explicit hydrological modelling of such a large river basin requires a lot of local knowledge. It probably needs more time to obtain such knowledge as is usually provided for hydrological modelling studies.
N2  - Innerhalb eines Forschungsprojekts zu zukünftigen nachhaltigen Optionen der Wasserwirtschaft im Elbe-Einzugsgebiet mußten quasi-natürliche Abflußszenarien bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck wurde das räumlich diskretisierte ökohydrologische Modell SWIM eingesetzt. Nach den von dem stochastischen Klimamodell STAR angetriebenen Szenariosimulationen würde die Region deutlich trockener werden. Allerdings ist das Hauptthema dieser Dissertation die Herausforderung, die Ansprüche an hohe Modelltreue auch für kleinere Teileinzugsgebiete zu erfüllen. Normalerweise ist die Qualität der Simulationen für innere Punkte geringer als am Gebietsauslaß. Vier Fachartikel-Kapitel und das Diskussionskapitel beschäftigen sich mit den Gründen für lokale Modellabweichungen und dem Problem optimaler räumlicher Kalibrierung. Unter anderem wird die Markovketten-Monte-Carlo-Methode angewendet, um zu zeigen, ob Verdunstung oder Niederschlag korrigiert werden sollte, um Abweichungen des Abflusses zu minimieren, die Hauptkomponentenanalyse wird auf eine unübliche Weise benutzt, um lokale Niederschlagsänderungen aufgrund von Landnutzungsänderungen zu untersuchen, und fernerkundete Oberflächentemperaturen erlauben eine unabhängige Sicht auf die Verdunstungslandschaft. Die grundlegende Erkenntnis ist, daß die räumlich explizite hydrologische Modellierung eines so großen Flußeinzugsgebiets eine Menge Vor-Ort-Wissen erfordert. Wahrscheinlich wird mehr Zeit benötigt, solches Wissen zu erwerben, als üblicherweise für hydrologische Modellstudien zur Verfügung steht.
KW  - ökohydrologische Modellierung
KW  - räumliche Kalibrierung
KW  - Fehlerquellen der Modellierung
KW  - Landschaftseffekte
KW  - Fernerkundung
KW  - eco-hydrological modelling
KW  - spatial calibration
KW  - modelling error sources
KW  - landscape effects
KW  - remote sensing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65245
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bayer, Anita
T1  - Methodological developments for mapping soil constituents using imaging spectroscopy
T1  - Methodische Entwicklungen zur Kartierung von Bodenparametern mittels Abbildender Spektroskopie
N2  - Climatic variations and human activity now and increasingly in the future cause land cover changes and introduce perturbations in the terrestrial carbon reservoirs in vegetation, soil and detritus. Optical remote sensing and in particular Imaging Spectroscopy has shown the potential to quantify land surface parameters over large areas, which is accomplished by taking advantage of the characteristic interactions of incident radiation and the physico-chemical properties of a material. The objective of this thesis is to quantify key soil parameters, including soil organic carbon, using field and Imaging Spectroscopy. Organic carbon, iron oxides and clay content are selected to be analyzed to provide indicators for ecosystem function in relation to land degradation, and additionally to facilitate a quantification of carbon inventories in semiarid soils. The semiarid Albany Thicket Biome in the Eastern Cape Province of South Africa is chosen as study site. It provides a regional example for a semiarid ecosystem that currently undergoes land changes due to unadapted management practices and furthermore has to face climate change induced land changes in the future. The thesis is divided in three methodical steps. Based on reflectance spectra measured in the field and chemically determined constituents of the upper topsoil, physically based models are developed to quantify soil organic carbon, iron oxides and clay content. Taking account of the benefits limitations of existing methods, the approach is based on the direct application of known diagnostic spectral features and their combination with multivariate statistical approaches. It benefits from the collinearity of several diagnostic features and a number of their properties to reduce signal disturbances by influences of other spectral features. In a following step, the acquired hyperspectral image data are prepared for an analysis of soil constituents. The data show a large spatial heterogeneity that is caused by the patchiness of the natural vegetation in the study area that is inherent to most semiarid landscapes. Spectral mixture analysis is performed and used to deconvolve non-homogenous pixels into their constituent components. For soil dominated pixels, the subpixel information is used to remove the spectral influence of vegetation and to approximate the pure spectral signature coming from the soil. This step is an integral part when working in natural non-agricultural areas where pure bare soil pixels are rare. It is identified as the largest benefit within the multi-stage methodology, providing the basis for a successful and unbiased prediction of soil constituents from hyperspectral imagery. With the proposed approach it is possible (1) to significantly increase the spatial extent of derived information of soil constituents to areas with about 40 % vegetation coverage and (2) to reduce the influence of materials such as vegetation on the quantification of soil constituents to a minimum. Subsequently, soil parameter quantities are predicted by the application of the feature-based soil prediction models to the maps of locally approximated soil signatures. Thematic maps showing the spatial distribution of the three considered soil parameters in October 2009 are produced for the Albany Thicket Biome of South Africa. The maps are evaluated for their potential to detect erosion affected areas as effects of land changes and to identify degradation hot spots in regard to support local restoration efforts. A regional validation, carried out using available ground truth sites, suggests remaining factors disturbing the correlation of spectral characteristics and chemical soil constituents. The approach is developed for semiarid areas in general and not adapted to specific conditions in the study area. All processing steps of the developed methodology are implemented in software modules, where crucial steps of the workflow are fully automated. The transferability of the methodology is shown for simulated data of the future EnMAP hyperspectral satellite. Soil parameters are successfully predicted from these data despite intense spectral mixing within the lower spatial resolution EnMAP pixels. This study shows an innovative approach to use Imaging Spectroscopy for mapping of key soil constituents, including soil organic carbon, for large areas in a non-agricultural ecosystem and under consideration of a partially vegetation coverage. It can contribute to a better assessment of soil constituents that describe ecosystem processes relevant to detect and monitor land changes. The maps further provide an assessment of the current carbon inventory in soils, valuable for carbon balances and carbon mitigation products.
N2  - Klimatische und anthropogene Faktoren verursachen bereits jetzt und verstärkt in Zukunft Änderungen der Landbedeckung und Landnutzung natürlicher Ökosysteme, die sich direkt auf die terrestrischen Kohlenstoffspeicher in Vegetation, Böden und biogenen Resten auswirken. Optische Fernerkundung und im Besonderen die Abbildende Spektroskopie sind etablierte Methoden, die basierend auf der charakteristischen Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit physikalisch-chemischen Materialeigenschaften eine quantitative Abschätzung degradationsrelevanter Parameter der Landoberfläche erlauben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung maßgeblicher Bodeninhaltsstoffe unter Verwendung von Feld- und abbildender Spektroskopie. Dabei stehen organischer Kohlenstoff, Eisenoxide und Ton im Fokus der Betrachtung, da ihre Gehalte im Boden als Indikatoren für Landoberflächenveränderungen verwendet werden können und ihre Analyse gleichzeitig eine direkte Abschätzung des bodengebundenen Kohlenstoffreservoirs ermöglicht. Das semiaride Albany Thicket in der östlichen Kapprovinz Südafrikas wurde als Arbeitsgebiet ausgewählt. Es steht beispielhaft für einen Naturraum, der sich gegenwärtig durch nicht angepasste Landnutzung verändert und der voraussichtlich auch in Zukunft hochfrequenten, durch den Klimawandel bedingten, Schwankungen unterliegen wird. Die Arbeit ist in drei methodische Schritte untergliedert. Die einzelnen Prozessierungsschritte der entwickelten Methodik sind in Softwaremodulen umgesetzt, in denen die wichtigsten Schritte voll automatisiert sind. Unter Verwendung von im Feld gemessenen Reflektanzspektren und chemisch bestimmten Gehalten der obersten Bodenschicht wird ein Modell zur Bestimmung der drei ausgewählten Bodenparameter erstellt. Der gewählte Ansatz basiert auf der direkten Verwendung bekannter spektraler Merkmale in Verbindung mit multivariaten Verfahren. In nächsten Schritt werden die großflächig aufgenommenen Hyperspektraldaten vorbereitet, die die für semiaride Räume typischen kleinräumigen Landbedeckungsänderungen wiederspiegeln. Auf subpixel-Basis erlaubt eine spektrale Entmischungsanalyse die Zerlegung nicht homogener Bildspektren in ihre spektralen Bestandteile. Dadurch kann für Pixel, die signifikante Anteile an unbedecktem Boden aufweisen, die reine spektrale Signatur des Bodens in Näherung bestimmt werden. Diese Vorgehensweise kennzeichnet einen wesentlichen Gewinn, da er eine Anwendung auf heterogene Naturräume abseits landwirtschaftlicher Flächen erlaubt, die Ausdehnung des Gültigkeitsbereichs, für den Bodeneigenschaften vorhergesagt werden können, deutlich steigert und den Einfluss von Fremdmaterialien wie Vegetation auf eine Bestimmung minimiert. Daran anknüpfend erfolgt die Vorhersage von Bodeninhaltsstoffen. Die räumliche Verteilung von organischem Kohlenstoff, Eisenoxiden und der Tongehalte wie sie sich im Oktober 2009 im südafrikanischen Albany Thicket darstellte, wurde in thematischen Karten erfasst. Sie wurden hinsichtlich ihres Potentials ausgewertet, Bereiche zu erkennen, die in Folge von Landbedeckungsänderungen von Erosion betroffen sind. Die vorliegende Arbeit zeigt einen innovativen Ansatz zur Verwendung Abbildender Spektroskopie zur Kartierung wichtiger Bodeneigenschaften in einem semiariden Naturraum. Die Methodik liefert einen Beitrag zur verbesserten Abschätzung ökosystemrelevanter Bodeneigenschaften sowie eine direkte Abschätzung vorhandener Kohlenstoffspeicher im Boden, Parameter, die zur Erkennung und Überwachung von Landbedeckungsänderungen verwendet werden können.
KW  - Bodenparameter
KW  - Abbildende Spektroskopie
KW  - organischer Kohlenstoff
KW  - Regressionsanalyse
KW  - lineare spektrale Entmischung
KW  - Imaging spectroscopy
KW  - soil constituents mapping
KW  - soil organic carbon
KW  - regression analysis
KW  - spectral unmixing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64399
ER  -