TY  - THES
A1  - Wilhelm, Susann
T1  - Climate induced impacts on lake functioning in summer
T1  - Auswirkungen des Klimawandels auf Seen im Sommer
N2  - Es gibt bereits viele Hinweise dafür, dass Seen sehr sensibel auf die anthropogen verursachte Klimaerwärmung reagiert haben. Bis jetzt haben sich die Studien der Klimafolgenforschung hauptsächlichst auf die Auswirkungen der Erwärmung im Winter und Frühling konzentriert. Über den Einfluss der Klimaerwärmung auf Seen in den gemäßigten Breiten im Sommer ist weniger bekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit habe ich einige Faktoren, welche die Reaktion von Seen auf die Erwärmung im Sommer vermutlich stark mitbestimmt haben, untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf klimatisch induzierten Auswirkungen auf die thermische Charakteristik und die Phänologie und Abundanz des Planktons eines flachen und polymiktischen Sees (Müggelsee, Berlin). Zuerst wurde der Einfluss der Klimaerwärmung auf die Phänologie und Abundanz des Planktons in verschiedenen Jahreszeiten untersucht. Das schnellwachsende Phyto- und Zooplankton (Daphnia) im Frühjahr hat sich vorwiegend synchron vorverschoben, wohingegen Veränderungen des Sommerzooplanktons deutlich artspezifisch und nicht synchron waren. Die Phänologie oder Abundanz einiger Sommercopepoden hat sich entsprechend der individuellen thermischen Anforderungen innerhalb bestimmter Entwicklungsstufen, wie zum Beispiel der Emergenz von der Diapause im Frühling, verändert. Die Studie unterstreicht, dass nicht nur der Grad der Erwärmung, sondern auch dessen Zeitpunkt innerhalb des Jahres von großer ökologischer Bedeutung ist. Um die Auswirkungen des Klimawandels auf die thermischen Eigenschaften des Sees zu erforschen, habe ich die Langzeitentwicklung der täglichen epilimnischen Temperaturextrema während des Sommers untersucht. Durch diese Studie wurde zum ersten Mal für Seen gezeigt, dass die täglichen epilimnischen Minima (Nacht) stärker angestiegen sind als die Maxima (Tag), wodurch sich der tägliche epilimnische Temperaturbereich deutlich verringert hat. Diese Tag-Nacht-Asymmetrie in der epilimnischen Temperatur wurde durch eine erhöhte Emission von Langwellenstrahlung aus der Atmosphäre während der Nacht verursacht. Dies unterstreicht, dass nicht nur Erhöhungen der Lufttemperatur, sondern auch Änderungen anderer meteorologischer Variablen wie der Windgeschwindigkeit, der Luftfeuchte und der Bewölkung eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Seetemperatur im Hinblick auf weitere Klimaveränderungen spielen werden. Zudem wurde eine Kurzzeitanalyse zum Schichtungsverhalten des polymiktischen Sees durchgeführt, um die Häufigkeit und Dauer von Schichtungsereignissen und deren Einfluss auf den gelösten Sauerstoff, die gelösten Nährstoffe und das Phytoplankton zu untersuchen. Selbst während der längsten Schichtungsereignisse (Hitzewellen 2003 und 2006) unterschieden sich die Auswirkungen auf den See von denen, welche in flachen dimiktischen Seen während der kontinuierlichen Sommerschichtung auftreten. Die hypolimnische Temperatur war höher, was die Sauerstoffzehrung und die Akkumulation von gelösten Nährstoffen begünstigt hat. Die thermische Schichtung wird in Zukunft sehr wahrscheinlich zunehmen. Dies lässt darauf schließen, dass polymiktische Seen sehr anfällig gegenüber Änderungen im Hinblick auf projizierte Klimaveränderungen sein werden. Abschließend wurde eine Studie über Lang- und Kurzzeitveränderungen in der Entwicklung der planktischen Larven der Muschel Dreissena polymorpha durchgeführt, um den Einfluss der Veränderungen im thermischen und trophischen Regime des Sees zu analysieren. Die Klimaerwärmung und die Verringerung in der externen Nährstofffracht haben die Abundanz der Larven stark beeinflusst indem sie jeweils auf bestimmte Entwicklungsphasen dieser Art während der warmen Jahreszeiten gewirkt haben. Der Anstieg in der Abundanz und der Länge der Larven stand im Zusammenhang mit dem Rückgang der Nährstofffracht und der Veränderung der Phytoplanktonzusammensetzung. Die Hitzewellen in den Jahren 2003 und 2006 haben diesen positiven Effekt auf die Larvenabundanz jedoch durch ungünstige Sauerstoffkonzentrationen während der sehr langen Schichtung aufgehoben. Die Klimaerwärmung kann demzufolge entgegenwirkende Effekte in produktiven flachen Seen, in welchen die externe Nährstofffracht reduziert wurde, auslösen. Aus diesen Ergebnissen schließe ich, dass nicht nur die Art des Klimawandels und damit der Zeitpunkt der Erwärmung und das Auftreten von Extremen wie Hitzewellen, sondern auch standortspezifische Bedingungen wie Schichtungsverhalten und Trophiegrad entscheidende Faktoren sind, welche die Auswirkungen der Klimaerwärmung auf interne Seeprozesse im Sommer bestimmen. Somit sollte sich die weiterführende Klimafolgenforschung für Seen darauf konzentrieren, wie verschiedene Seetypen auf die komplexen Umweltveränderungen im Sommer reagieren, damit ein umfassenderes Verständnis über den Einfluss von anthropogen verursachten Veränderungen auf Seen der gemäßigten Breiten erreicht wird.
N2  - There is already strong evidence that temperate lakes have been highly vulnerable to human induced climate warming during the last century. Hitherto climate impact studies have mainly focussed on the impacts of the recent long-term warming in winter and spring and little is known on the influence of climate warming on temperate lakes in summer. In the present thesis, I studied some aspects, which may have been strongly involved in determining the response of a lake to climate warming in summer. Thereby I have focussed on climate induced impacts on the thermal characteristics and the phenology and abundance of summer plankton in a shallow polymictic lake (Müggelsee, Germany). First, the influence of climate warming on the phenology and abundance of the lake plankton was investigated across seasons. Fast-growing spring phytoplankton and zooplankton (Daphnia) advanced largely synchronously, whereas long-term changes in the phenology of slow-growing summer zooplankton were clearly species-specific and not synchronised. The phenology and/or abundance of several summer copepod species changed according to their individual thermal requirements at decisive developmental stages such as emergence from diapause in spring. The study emphasises that not only the degree of warming, but also its timing within the annual cycle is of great ecological importance. To analyse the impact of climate change on the thermal characteristics of the lake, I examined the long-term development of the daily epilimnetic temperature extrema during summer. The study demonstrated for the first time for lakes that the daily epilimnetic minima (during nighttime) have increased more rapidly than the daily epilimnetic maxima (during daytime), resulting in a distinct decrease in the daily epilimnetic temperature range. This day-night asymmetry in epilimnetic temperature was likely caused by an increased nighttime emission of long-wave radiation from the atmosphere. This underlines that not only increases in air temperature, but also changes in other meteorological variables such as wind speed, relative humidity and cloud cover may play an important role in determining the lake temperature with respect to further climate change. Furthermore, a short-term analysis on the mixing regime of the polymictic lake was conducted to examine the frequency and duration of stratification events and their impacts on dissolved oxygen, dissolved nutrients and summer phytoplankton. Even during the longest stratification events (heatwaves in 2003 and 2006) the thermal characteristics of the lake differed from those typically found in shallow dimictic lakes, which exhibit a continuous stratification during summer. Particularly, hypolimnetic temperatures were higher, favouring the depletion of oxygen and the accumulation of dissolved nutrient in the hypolimnion. Thermal stratification will be very likely amplified in the future, thus, I conclude that polymictic lakes will be very vulnerable to alterations in the thermal regime with respect to projections of further climate change during summer. Finally, a long-term case study on the long and short-term changes in the development of the planktonic larvae of the freshwater mussel Dreissena polymorpha was performed to analyse the impacts of simultaneous changes in the thermal and in the trophic regime of the lake. Both the climate warming and the decrease in external nutrient load were important in determining the abundance of the pelagic larvae by affecting different features of the life-history of this species throughout the warm season. The long-term increase in the abundance and length of larvae was related to the decrease in external nutrient loading and the change in phytoplankton composition. However, the recent heatwaves in 2003 and 2006 have offset this positive effect on larval abundance, due to unfavourable low oxygen concentrations that had resulted from extremely long stratification events, mimicking the effects of nutrient enrichment. Climate warming may thus induce counteracting effects in productive shallow lakes that underwent lake restoration through a decrease in external nutrient loading. I conclude that not only the nature of climate change and thus the timing of climate warming throughout the seasons and the occurrence of climatic extremes as heatwaves, but also site-specific lake conditions as the thermal mixing regime and the trophic state are crucial factors governing the impacts of climate warming on internal lake processes during summer. Consequently, further climate impact research on lake functioning should focus on how the different lake types respond to the complex environmental forcing in summer, to allow for a comprehensive understanding of human induced environmental changes in lakes.
KW  - Klimawandel
KW  - Gewässerökologie
KW  - Seen
KW  - Climate change
KW  - freshwater ecology
KW  - lakes
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14599
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Korzeniowska, Karolina
A1  - Korup, Oliver
T1  - Object-based detection of lakes prone to seasonal ice cover on the Tibetan Plateau
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The Tibetan Plateau, the world's largest orogenic plateau, hosts thousands of lakes that play prominent roles as water resources, environmental archives, and sources of natural hazards such as glacier lake outburst floods. Previous studies have reported that the size of lakes on the Tibetan Plateau has changed rapidly in recent years, possibly because of atmospheric warming. Tracking these changes systematically with remote sensing data is challenging given the different spectral signatures of water, the potential for confusing lakes with glaciers, and difficulties in classifying frozen or partly frozen lakes. Object-based image analysis (OBIA) offers new opportunities for automated classification in this context, and we have explored this method for mapping lakes from LANDSAT images and Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) elevation data. We tested our algorithm for most of the Tibetan Plateau, where lakes in tectonic depressions or blocked by glaciers and sediments have different surface colours and seasonal ice cover in images obtained in 1995 and 2015. We combined a modified normalised difference water index (MNDWI) with OBIA and local topographic slope data in order to classify lakes with an area > 10 km(2). Our method derived 323 water bodies, with a total area of 31,258 km(2), or 2.6% of the study area (in 2015). The same number of lakes had covered only 24,892 km(2) in 1995; lake area has increased by -26% in the past two decades. The classification had estimated producer's and user's accuracies of 0.98, with a Cohen's kappa and F-score of 0.98, and may thus be a useful approximation for quantifying regional hydrological budgets. We have shown that our method is flexible and transferable to detecting lakes in diverse physical settings on several continents with similar success rates.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1037 
KW  - Tibetan Plateau
KW  - lakes
KW  - LANDSAT
KW  - SRTM
KW  - MNDWI
KW  - OBIA
KW  - change detection
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475037
SN  - 1866-8372
IS  - 1037
ER  - 
TY  - THES
A1  - Korzeniowska, Karolina
T1  - Object-based image analysis for detecting landforms diagnostic of natural hazards
T1  - Objektbasierte Bildanalyse zur Erfassung spezieller diagnostischer Landformen von Naturgefahren
N2  - Natural and potentially hazardous events occur on the Earth’s surface every day. The most destructive of these processes must be monitored, because they may cause loss of lives, infrastructure, and natural resources, or have a negative effect on the environment. A variety of remote sensing technologies allow the recoding of data to detect these processes in the first place, partly based on the diagnostic landforms that they form. To perform this effectively, automatic methods are desirable.
Universal detection of natural hazards is challenging due to their differences in spatial impacts, timing and longevity of consequences, and the spatial resolution of remote-sensing data. Previous studies have reported that topographic metrics such as roughness, which can be captured from digital elevation data, can reveal landforms diagnostic of natural hazards, such as gullies, dunes, lava fields, landslides and snow avalanches, as these landforms tend to be more heterogeneous than the surrounding landscape. A single roughness metric is often limited in such detections; however, a more complex approach that exploits the spatial relation and the location of objects, such as object-based image analysis (OBIA), is desirable.
In this thesis, I propose a topographic roughness measure derived from an airborne laser scanning (ALS) digital terrain model (DTM) and discuss its performance in detecting landforms principally diagnostic of natural hazards. I further develop OBIA-based algorithms for the detection of snow avalanches using near-infrared (NIR) aerial images, and the size (changes) of mountain lakes using LANDSAT satellite images. I quantitatively test and document how the level of difficulty in detecting these very challenging landforms depends on the input data resolution, the derivatives that could be evaluated from images and DTMs, the size, shape and complexity of landforms, and the capabilities of obtaining the information in the data. I demonstrate that surface roughness is a promising metric for detecting different landforms in diverse environments, and that OBIA assists significantly in detecting parts of lakes and snow avalanches that may not be correctly assigned by applying only the thresholding of spectral properties of data and their derivatives.
The curvature-based surface roughness parameter allows the detection of gullies, dunes, lava fields and landslides with a user’s accuracy of 0.63, 0.21, 0.53, and 0.45, respectively. The OBIA algorithms for detecting lakes and snow avalanches obtained user’s accuracy of 0.98, and 0.78, respectively. Most of the analysed landforms constituted only a small part of the entire dataset, and therefore the user’s accuracy is the most appropriate performance measure that should be given in a such classification, because it tells how many automatically-extracted pixels in fact represent the object that one wants to classify, and its calculation does not take the second (background) class into account. One advantage of the proposed roughness parameter is that it allows the extraction of the heterogeneity of the surface without the need for data detrending. The OBIA approach is novel in that it allows the classification of lakes regardless of the physical state of their water, and also allows the separation of frozen lakes from glaciers that have very similar water indices used in purely optical remote sensing applications. The algorithm proposed for snow avalanches allows the detection of release zones, tracks, and deposition zones by verifying the snow heterogeneity based on a roughness metric evaluated from a water index, and by analysing the local relation of segments with their neighbouring objects. This algorithm contains few steps, which allows for the simultaneous classification of avalanches that occur on diverse mountain slopes and differ in size and shape.
This thesis contributes to natural hazard research as it provides automatic solutions to tracking six different landforms that are diagnostic of natural hazards over large regions. This is a step toward delineating areas susceptible to the processes producing these landforms and the improvement of hazard maps.
N2  - Naturgefahren und potenziell gefährliche Ereignisse der Erdoberfläche treten jeden Tag auf. Prozesse mit Zerstörungswirkungen sollten identifiziert werden, weil sie Gefahren für besiedelte Gebiete sowie menschliches Leben haben können. Naturgefahren haben erhebliche Einflüsse auf die Umwelt. Eine Vielzahl von Fernerkundungstechnologien, die heutzutage verfügbar sind, erlauben die Aufnahme und Speicherung von Datensätzen, die bei der Erkennung solcher Naturgefahren helfen können. Eine wichtige Grundlage dafür stellt die diagnostische Landform dar, welche die Naturgefahr ausbildet. Für eine effiziente Analyse sind automatische Methoden wünschenswert.
Die Verwendung einer universellen Methode zur Erkennung von Naturgefahren ist deshalb eine Herausforderung, weil die räumlichen Ausdehnungen unterschiedlich sind. So können diese unterschiedlichen Alters sein und verschiedene räumliche Auflösungen in Fernerkundungsdaten besitzen. Dies beeinflusst den Detailierungsgrad bei der Abbildung der Erdoberfläche. Frühere Studien zeigen, dass Ableitungen wie beispielweise die Rauheit, die von Fernerkundungsdaten erfasst werden kann, es erlauben, Naturgefahrenphänomene wie z. B. Erosionsrinnen, Dünen, Lavafelder, Erdrutsche und Schneelawinen zu erkennen, weil sie heterogener sind als umgebende Objekte. Dennoch ist es nicht zulässig, allein mittels der eigenständigen Rauheit eine Unterscheidung zwischen den erfassten Landschaftsformen vorzunehmen. Hier ist ein komplexer Ansatz wie die Objektbasierte Bildanalyse (OBIA) wünschenswert, weil ein solcher sowohl die räumliche Relation als auch die Lage von Objekten verwendet.
In dieser Dissertation schlage ich einen Oberflächenrauhigkeitsindex, abgeleitet aus einem durch Airborne Laserscanning (ALS) erfassten digitalen Geländemodells (DTM), vor und diskutiere die Faktoren, die die Darstellung von Naturgefahrenphänomenen mittels dieser Variable beeinflussen. Ich präsentiere auch OBIA-basierte, automatische Algorithmen für die Erkennung von Schneelawinen welche aus Nah-Infrarot (NIR) Luftbildern ausgewertet wurden sowie den Verlauf einer Seegrenze, die auf LANDSAT Satellitenbildern abgebildet wird. Ich zeige weiterhin, dass der Schwierigkeitsgrad für die Erfassung der analysierten Phänomene variabel und abhängig von den Dateneigenschaften, der Komplexität der getrackten Phänomene sowie von den qualitativen Ausprägungen des Informationsgehaltes ist. Ferner werde ich zeigen, dass die vorgeschlagene Oberflächenrauhigkeit die räumliche Ausdehnung der verschiedenen Phänomene zu bestimmen erlaubt, und dass der OBIA-Ansatz deutlich bei der Erkennung von Objekten und derjenigen Teile hilft, die nicht korrekt nur durch Verwendung spektraler Eigenschaften von Daten und deren Derivaten zugewiesen werden konnten.
Der krümmungsbasierte Oberflächenrauhigkeitindex ermöglicht die Erkennung von Erosionsrinnen, Dünen, Lavafeldern, und Erdrutschen mit einer Benutzergenauigkeit von: 0.63, 0.21, 0.53 und 0.45. Vergleichend dazu erzielen die vorgestellten OBIA-Algorithmen für die Erfassung von Seen und Schneelawinen eine Benutzergenauigkeit von 0.98 und 0.78. Die in dieser Arbeit analysierten Landformen stellen einen Ausschnitt aus dem Gesamtspektrum vorkommender Strukturen dar. Die Benutzergenauigkeit stellt dabei den am besten geeigneten Leistungsindex dar, auf dem basierend eine Klassifikation durchgeführt werden kann. Die Benutzergenauigkeit gibt an, wie viele der automatisch extrahierten Pixel das zu klassifizierende Objekt tatsächlich repräsentieren. Eine Betrachtung einer zweiten (Hintergrund-) Klasse muss durch diesen Ansatz nicht erfolgen. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Oberflächenrauhigkeitindex ist, dass er die Extraktion der Heterogenität der Oberfläche ohne die Notwendigkeit eines Daten-detrendings ermöglicht. Der OBIA-Ansatz für die Erfassung von Seegrenzen erlaubt es einerseits, Seen ungeachtet der physikalischen Zustände des Wassers zu klassifizieren und anderseits gefrorene Seen von den Gletschern zu unterschieden, welche ähnliche Eigenschaften beim Wasserindex aufweisen. Der für Schneelawinen vorgeschlagene Algorithmus wiederum ermöglicht insgesamt die Erfassung von Anbruchgebieten, Sturzbahnen und Ablagerungszonen durch Verifikation der Schneeheterogenität sowie die lokalen Beziehungen zu benachbarten Objekten. Dieser Algorithmus enthält einige Schritte, die es erlauben, gleichzeitig Lawinen zu klassifizieren, die in verschiedenen Berghängen auftreten und unterschiedliche Größen und Formen haben.
Diese Dissertation trägt zur Naturgefahrenforschung bei, da sie automatische Lösungen für das Monitoring von sechs verschiedenen Landformen bietet, die typisch für Naturgefahren sind. Es wird somit dazu beigetragen,  Gebiete abgrenzbar zu machen, welche für das Auftreten von Gefahrenphänomenen besonders anfällig sind. Zudem können damit auch Verbesserungen bei der Erstellung von Gefahrenkarten erreicht werden.
KW  - object based image analysis
KW  - automatic classification
KW  - GIS
KW  - satellite images
KW  - photogrammetry
KW  - landforms
KW  - natural hazards
KW  - snow avalanches
KW  - lakes
KW  - roughness
KW  - objektbasierte Bildanalyse
KW  - automatische Klassifizierung
KW  - GIS
KW  - Satellitenbilder
KW  - Photogrammetrie
KW  - Landformen
KW  - Naturgefahren
KW  - Lawinen
KW  - Seen
KW  - Rauheit
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402240
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Dvornikov, Yury
A1  - Leibman, Marina
A1  - Heim, Birgit
A1  - Bartsch, Annett
A1  - Herzschuh, Ulrike
A1  - Skorospekhova, Tatiana
A1  - Fedorova, Irina
A1  - Khomutov, Artem
A1  - Widhalm, Barbara
A1  - Gubarkov, Anatoly
A1  - Rößler, Sebastian
T1  - Terrestrial CDOM in lakes of Yamal Peninsula
BT  - Connection to lake and lake catchment properties
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - In this study, we analyze interactions in lake and lake catchment systems of a continuous permafrost area. We assessed colored dissolved organic matter (CDOM) absorption at 440 nm (a(440)(CDOM)) and absorption slope (S300-500) in lakes using field sampling and optical remote sensing data for an area of 350 km(2) in Central Yamal, Siberia. Applying a CDOM algorithm (ratio of green and red band reflectance) for two high spatial resolution multispectral GeoEye-1 and Worldview-2 satellite images, we were able to extrapolate the a()(CDOM) data from 18 lakes sampled in the field to 356 lakes in the study area (model R-2 = 0.79). Values of a(440)(CDOM) in 356 lakes varied from 0.48 to 8.35 m(-1) with a median of 1.43 m(-1). This a()(CDOM) dataset was used to relate lake CDOM to 17 lake and lake catchment parameters derived from optical and radar remote sensing data and from digital elevation model analysis in order to establish the parameters controlling CDOM in lakes on the Yamal Peninsula. Regression tree model and boosted regression tree analysis showed that the activity of cryogenic processes (thermocirques) in the lake shores and lake water level were the two most important controls, explaining 48.4% and 28.4% of lake CDOM, respectively (R-2 = 0.61). Activation of thermocirques led to a large input of terrestrial organic matter and sediments from catchments and thawed permafrost to lakes (n = 15, mean a(440)(CDOM) = 5.3 m(-1)). Large lakes on the floodplain with a connection to Mordy-Yakha River received more CDOM (n = 7, mean a(440)(CDOM) = 3.8 m(-1)) compared to lakes located on higher terraces.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1333 
KW  - CDOM
KW  - lakes
KW  - lake catchments
KW  - permafrost
KW  - Yamal
KW  - remote sensing data
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459720
SN  - 1866-8372
IS  - 1333
ER  -