TY - THES A1 - Antonoglou, Nikolaos T1 - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes T1 - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden N2 - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data. The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient. The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways. N2 - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren. Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege. KW - remote sensing KW - GNSS KW - GPS KW - water vapour KW - soil moisture KW - Central Andes KW - zentrale Anden KW - globales Navigationssatellitensystem KW - globales Positionsbestimmungssystem KW - Fernerkundung KW - Bodenfeuchtigkeit KW - Wasserdampf Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256 ER - TY - GEN A1 - Nord, Guillaume A1 - Boudevillain, Brice A1 - Berne, Alexis A1 - Branger, Flora A1 - Braud, Isabelle A1 - Dramais, Guillaume A1 - Gérard, Simon A1 - Le Coz, Jérôme A1 - Legoût, Cédric A1 - Molinié, Gilles A1 - Van Baelen, Joel A1 - Vandervaere, Jean-Pierre A1 - Andrieu, Julien A1 - Aubert, Coralie A1 - Calianno, Martin A1 - Delrieu, Guy A1 - Grazioli, Jacopo A1 - Hachani, Sahar A1 - Horner, Ivan A1 - Huza, Jessica A1 - Le Boursicaud, Raphaël A1 - Raupach, Timothy H. A1 - Teuling, Adriaan J. A1 - Uber, Magdalena A1 - Vincendon, Béatrice A1 - Wijbrans, Annette T1 - A high space–time resolution dataset linking meteorological forcing and hydro-sedimentary response in a mesoscale Mediterranean catchment (Auzon) of the Ardèche region, France T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - A comprehensive hydrometeorological dataset is presented spanning the period 1 January 201131 December 2014 to improve the understanding of the hydrological processes leading to flash floods and the relation between rainfall, runoff, erosion and sediment transport in a mesoscale catchment (Auzon, 116 km(2)) of the Mediterranean region. Badlands are present in the Auzon catchment and well connected to high-gradient channels of bedrock rivers which promotes the transfer of suspended solids downstream. The number of observed variables, the various sensors involved (both in situ and remote) and the space-time resolution (similar to km(2), similar to min) of this comprehensive dataset make it a unique contribution to research communities focused on hydrometeorology, surface hydrology and erosion. Given that rainfall is highly variable in space and time in this region, the observation system enables assessment of the hydrological response to rainfall fields. Indeed, (i) rainfall data are provided by rain gauges (both a research network of 21 rain gauges with a 5 min time step and an operational network of 10 rain gauges with a 5 min or 1 h time step), S-band Doppler dual-polarization radars (1 km(2), 5 min resolution), disdrometers (16 sensors working at 30 s or 1 min time step) and Micro Rain Radars (5 sensors, 100m height resolution). Additionally, during the special observation period (SOP-1) of the HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment) project, two X-band radars provided precipitation measurements at very fine spatial and temporal scales (1 ha, 5 min). (ii) Other meteorological data are taken from the operational surface weather observation stations of Meteo-France (including 2m air temperature, atmospheric pressure, 2 m relative humidity, 10m wind speed and direction, global radiation) at the hourly time resolution (six stations in the region of interest). (iii) The monitoring of surface hydrology and suspended sediment is multi-scale and based on nested catchments. Three hydrometric stations estimate water discharge at a 2-10 min time resolution. Two of these stations also measure additional physico-chemical variables (turbidity, temperature, conductivity) and water samples are collected automatically during floods, allowing further geochemical characterization of water and suspended solids. Two experimental plots monitor overland flow and erosion at 1 min time resolution on a hillslope with vineyard. A network of 11 sensors installed in the intermittent hydrographic network continuously measures water level and water temperature in headwater subcatchments (from 0.17 to 116 km(2)) at a time resolution of 2-5 min. A network of soil moisture sensors enables the continuous measurement of soil volumetric water content at 20 min time resolution at 9 sites. Additionally, concomitant observations (soil moisture measurements and stream gauging) were performed during floods between 2012 and 2014. Finally, this dataset is considered appropriate for understanding the rainfall variability in time and space at fine scales, improving areal rainfall estimations and progressing in distributed hydrological and erosion modelling. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 671 KW - hydraulic properties KW - soil moisture KW - flash floods KW - rainfall KW - radar KW - scale KW - variability KW - transport KW - erosion KW - model Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419127 SN - 1866-8372 IS - 671 ER - TY - GEN A1 - Jackisch, Conrad A1 - Angermann, Lisa A1 - Allroggen, Niklas A1 - Sprenger, Matthias A1 - Blume, Theresa A1 - Tronicke, Jens A1 - Zehe, Erwin T1 - Form and function in hillslope hydrology BT - in situ imaging and characterization of flow-relevant structures T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The study deals with the identification and characterization of rapid subsurface flow structures through pedo- and geo-physical measurements and irrigation experiments at the point, plot and hillslope scale. Our investigation of flow-relevant structures and hydrological responses refers to the general interplay of form and function, respectively. To obtain a holistic picture of the subsurface, a large set of different laboratory, exploratory and experimental methods was used at the different scales. For exploration these methods included drilled soil core profiles, in situ measurements of infiltration capacity and saturated hydraulic conductivity, and laboratory analyses of soil water retention and saturated hydraulic conductivity. The irrigation experiments at the plot scale were monitored through a combination of dye tracer, salt tracer, soil moisture dynamics, and 3-D time-lapse ground penetrating radar (GPR) methods. At the hillslope scale the subsurface was explored by a 3-D GPR survey. A natural storm event and an irrigation experiment were monitored by a dense network of soil moisture observations and a cascade of 2-D time-lapse GPR "trenches". We show that the shift between activated and non-activated state of the flow paths is needed to distinguish structures from overall heterogeneity. Pedo-physical analyses of point-scale samples are the basis for sub-scale structure inference. At the plot and hillslope scale 3-D and 2-D time-lapse GPR applications are successfully employed as non-invasive means to image subsurface response patterns and to identify flow-relevant paths. Tracer recovery and soil water responses from irrigation experiments deliver a consistent estimate of response velocities. The combined observation of form and function under active conditions provides the means to localize and characterize the structures (this study) and the hydrological processes (companion study Angermann et al., 2017, this issue). T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 665 KW - Ground Penetrating Radar KW - preferential flow KW - solute transport KW - Catchment Hydrology KW - multiple scales KW - soil moisture KW - water content KW - tracer KW - field KW - model Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419188 SN - 1866-8372 IS - 665 ER - TY - THES A1 - Schrön, Martin T1 - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology T1 - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie BT - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales N2 - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method. N2 - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen. KW - soil moisture KW - hydrology KW - cosmic rays KW - neutrons KW - water monitoring KW - Bodenfeuchte KW - Hydrologie KW - kosmische Strahlung KW - Neutronen KW - Wasser-Monitoring Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433 SN - 978-3-8439-3139-7 PB - Verlag Dr. Hut GmbH CY - München ER - TY - THES A1 - Hohenbrink, Tobias Ludwig T1 - Turning a problem into a solution: heterogeneities in soil hydrology T1 - Ein Problem zur Lösung machen: Heterogenitäten in der Bodenhydrologie N2 - It is commonly recognized that soil moisture exhibits spatial heterogeneities occurring in a wide range of scales. These heterogeneities are caused by different factors ranging from soil structure at the plot scale to land use at the landscape scale. There is an urgent need for effi-cient approaches to deal with soil moisture heterogeneity at large scales, where manage-ment decisions are usually made. The aim of this dissertation was to test innovative ap-proaches for making efficient use of standard soil hydrological data in order to assess seep-age rates and main controls on observed hydrological behavior, including the role of soil het-erogeneities. As a first step, the applicability of a simplified Buckingham-Darcy method to estimate deep seepage fluxes from point information of soil moisture dynamics was assessed. This was done in a numerical experiment considering a broad range of soil textures and textural het-erogeneities. The method performed well for most soil texture classes. However, in pure sand where seepage fluxes were dominated by heterogeneous flow fields it turned out to be not applicable, because it simply neglects the effect of water flow heterogeneity. In this study a need for new efficient approaches to handle heterogeneities in one-dimensional water flux models was identified. As a further step, an approach to turn the problem of soil moisture heterogeneity into a solu-tion was presented: Principal component analysis was applied to make use of the variability among soil moisture time series for analyzing apparently complex soil hydrological systems. It can be used for identifying the main controls on the hydrological behavior, quantifying their relevance, and describing their particular effects by functional averaged time series. The ap-proach was firstly tested with soil moisture time series simulated for different texture classes in homogeneous and heterogeneous model domains. Afterwards, it was applied to 57 mois-ture time series measured in a multifactorial long term field experiment in Northeast Germa-ny. The dimensionality of both data sets was rather low, because more than 85 % of the total moisture variance could already be explained by the hydrological input signal and by signal transformation with soil depth. The perspective of signal transformation, i.e. analyzing how hydrological input signals (e.g., rainfall, snow melt) propagate through the vadose zone, turned out to be a valuable supplement to the common mass flux considerations. Neither different textures nor spatial heterogeneities affected the general kind of signal transfor-mation showing that complex spatial structures do not necessarily evoke a complex hydro-logical behavior. In case of the field measured data another 3.6% of the total variance was unambiguously explained by different cropping systems. Additionally, it was shown that dif-ferent soil tillage practices did not affect the soil moisture dynamics at all. The presented approach does not require a priori assumptions about the nature of physical processes, and it is not restricted to specific scales. Thus, it opens various possibilities to in-corporate the key information from monitoring data sets into the modeling exercise and thereby reduce model uncertainties. N2 - Es ist allgemein anerkannt, dass Bodenfeuchte auf verschiedenen Raumskalen räumliche Heterogenitäten aufweist. Diese Heterogenitäten werden durch verschiedene Faktoren verursacht, die auf den unterschiedlichen Skalen wirken. Dies können z.B. die Bodenstruktur auf Plotskala oder die Landnutzung auf Landschaftsskala sein. Es werden dringend effiziente Ansätze benötigt, um mit den Heterogenitäten der Bodenfeuchte umzugehen. Dies gilt be-sonders für große Skalen, auf denen in der Regel weitreichende Managemententscheidun-gen getroffen werden. Das Ziel dieser Dissertation war es, effiziente Methoden zu testen, die es ermöglichen auf Basis bodenhydrologischer Daten sowohl Sickerwasserraten als auch die Haupteinflussfaktoren der Bodenfeuchtedynamik zu bestimmen. Dies bezieht Effekte von Bodenheterogenitäten mit ein. In einem ersten Schritt wurde die Eignung einer vereinfachten Buckingham-Darcy Methode zur Abschätzung von Sickerwasserflüssen auf Grundlage punktuell gemessener Zeitreihen der Bodenfeuchte untersucht. Hierzu wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, in der ein breites Spektrum an Bodentexturen und Texturheterogenitäten berücksichtigt wurde. Die Methode lieferte gute Ergebnisse für die meisten Texturklassen. In reinem Sand jedoch stell-te sie sich als nicht anwendbar heraus, da hier Sickerwasserflüsse von heterogenen Fließfel-dern dominiert wurden. In dieser Studie wurde ein Bedarf an neuen effizienten Ansätzen für den Umgang mit Heterogenitäten in eindimensionalen Wasserflussmodellen identifiziert. In einem weiteren Schritt wurde ein Ansatz vorgestellt, um aus dem Problem der Boden-feuchteheterogenität eine Lösung zu machen: In einer Hauptkomponentenanalyse wurde die Variabilität zwischen Bodenfeuchtezeitreihen genutzt, um die wahre Komplexität bo-denhydrologischer Systeme zu analysieren. Auf diesem Weg ist es möglich die Haupteinfluss-faktoren des hydrologischen Verhaltens zu identifizieren, ihre Relevanz zu quantifizieren und ihre jeweiligen Effekte als funktional gemittelte Zeitreihen zu beschreiben. Der Ansatz wurde zunächst mit simulierten Bodenfeuchtezeitreihen für unterschiedliche Texturklassen im ho-mogenen und heterogenen Fall getestet. Anschließend wurde die Methode auf 57 Boden-feuchtezeitreihen angewendet, die in einem Langzeitfeldexperiment in Nordostdeutschland gemessen wurden. Die Dimensionalität beider Datensätze war gering, da mehr als 85 % der gesamten Boden-feuchtevarianz bereits durch das hydrologische Eingangssignal und die Transformation dieses Signals mit zunehmender Bodentiefe erklärt werden konnten. Analysen der Signaltransfor-mation haben sich als wertvolle Ergänzung zu den weit verbreiteten Massenflussbetrachtun-gen herausgestellt. Hierbei wird untersucht, wie sich hydrologische Eingangssignale (z.B. Nie-derschlag oder Schneeschmelze) in der vadosen Zone fortpflanzen. Die generellen Muster der Signaltransformation wurden weder durch verschiedene Bodentexturen noch durch räumliche Heterogeneitäten beeinfluss. Dies zeigt, dass komplexe räumliche Strukturen nicht zwangsläufig ein komplexes hydrologisches Verhalten hervorrufen. Im Fall der Felddaten wurden weitere 3,6 % der Gesamtvarianz durch verschiedene Fruchtfolgen erklärt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Bodenbearbeitung keinen Einfluss auf die Boden-feuchtedynamik hatte. Der vorgestellte Ansatz erfordert keine Vorannahmen über physikalische Prozesse und ist nicht auf eine bestimmte Skala begrenzt. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten, wichtige Informationen aus Monitoringdatensätzen in die Modellbildung einzubeziehen und damit Modell-unsicherheiten zu verringern. KW - soil hydrology KW - soil heterogeneity KW - soil moisture KW - deep seepage KW - time series analysis KW - transformation of hydrological signals KW - Bodenhydrologie KW - Bodenheterogenität KW - Bodenfeuchte KW - Tiefenversickerung KW - Zeitreihenanalyse KW - Transformation hydrologischer Signale Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101485 ER - TY - THES A1 - Rivera Villarreyes, Carlos Andres T1 - Cosmic-ray neutron sensing for soil moisture measurements in cropped fields T1 - Bodenfeuchtemessungen auf landwirtschaftlichen Anbauflächen mittels kosmischer Neutronenstrahlung N2 - This cumulative dissertation explored the use of the detection of natural background of fast neutrons, the so-called cosmic-ray neutron sensing (CRS) approach to measure field-scale soil moisture in cropped fields. Primary cosmic rays penetrate the top atmosphere and interact with atmospheric particles. Such interaction results on a cascade of high-energy neutrons, which continue traveling through the atmospheric column. Finally, neutrons penetrate the soil surface and a second cascade is produced with the so-called secondary cosmic-ray neutrons (fast neutrons). Partly, fast neutrons are absorbed by hydrogen (soil moisture). Remaining neutrons scatter back to the atmosphere, where its flux is inversely correlated to the soil moisture content, therefore allowing a non-invasive indirect measurement of soil moisture. The CRS methodology is mainly evaluated based on a field study carried out on a farmland in Potsdam (Brandenburg, Germany) along three crop seasons with corn, sunflower and winter rye; a bare soil period; and two winter periods. Also, field monitoring was carried out in the Schaefertal catchment (Harz, Germany) for long-term testing of CRS against ancillary data. In the first experimental site, the CRS method was calibrated and validated using different approaches of soil moisture measurements. In a period with corn, soil moisture measurement at the local scale was performed at near-surface only, and in subsequent periods (sunflower and winter rye) sensors were placed in three depths (5 cm, 20 cm and 40 cm). The direct transfer of CRS calibration parameters between two vegetation periods led to a large overestimation of soil moisture by the CRS. Part of this soil moisture overestimation was attributed to an underestimation of the CRS observation depth during the corn period ( 5-10 cm), which was later recalculated to values between 20-40 cm in other crop periods (sunflower and winter rye). According to results from these monitoring periods with different crops, vegetation played an important role on the CRS measurements. Water contained also in crop biomass, above and below ground, produces important neutron moderation. This effect was accounted for by a simple model for neutron corrections due to vegetation. It followed crop development and reduced overall CRS soil moisture error for periods of sunflower and winter rye. In Potsdam farmland also inversely-estimated soil hydraulic parameters were determined at the field scale, using CRS soil moisture from the sunflower period. A modelling framework coupling HYDRUS-1D and PEST was applied. Subsequently, field-scale soil hydraulic properties were compared against local scale soil properties (modelling and measurements). Successful results were obtained here, despite large difference in support volume. Simple modelling framework emphasizes future research directions with CRS soil moisture to parameterize field scale models. In Schaefertal catchment, CRS measurements were verified using precipitation and evapotranspiration data. At the monthly resolution, CRS soil water storage was well correlated to these two weather variables. Also clearly, water balance could not be closed due to missing information from other compartments such as groundwater, catchment discharge, etc. In the catchment, the snow influence to natural neutrons was also evaluated. As also observed in Potsdam farmland, CRS signal was strongly influenced by snow fall and snow accumulation. A simple strategy to measure snow was presented for Schaefertal case. Concluding remarks of this dissertation showed that (a) the cosmic-ray neutron sensing (CRS) has a strong potential to provide feasible measurement of mean soil moisture at the field scale in cropped fields; (b) CRS soil moisture is strongly influenced by other environmental water pools such as vegetation and snow, therefore these should be considered in analysis; (c) CRS water storage can be used for soil hydrology modelling for determination of soil hydraulic parameters; and (d) CRS approach has strong potential for long term monitoring of soil moisture and for addressing studies of water balance. N2 - In dieser kumulativen Dissertation wird die Detektion des natürlichen Hintergrunds von schnellen Neutronen, das sogenannte “Cosmic-Ray Neutron Sensing” (CRS), zur Messung von Bodenfeuchte auf der Feldskala in landwirtschaftlich genutzten Flächen untersucht. Die kosmische Primärstrahlung durchdringt die oberste Atmosphäre, und interagiert mit atmosphärischen Teilchen. Durch diese Wechselwirkungen entstehen Kaskaden hochenergetischer Teilchen die bis in die Erdoberfläche eindringen, wobei schnelle Neutronen entstehen. Teilweise werden diese durch Wasserstoff (Bodenfeuchte) absorbiert, teilweise zurück in die Atmosphäre gestreut. Dieser Neutronenfluss über dem Boden korreliert invers mit der Bodenfeuchte, was so eine non-invasive und indirekte Bodenfeuchteschätzung ermöglicht. Die CRS-Methode wird vor allem in einer Feldstudie auf einem Ackerland in Potsdam (Brandenburg, Deutschland), einschließlich dreier Phasen mit Anbau von Mais, Sonnenblume und Winterroggen getestet und beurteilt. Darüber hinaus wurde ein Feldmonitoring im Schäfertaleinzugsgebiet (Harz, Deutschland) durchgeführt, um das Potential von Langzeit-CRS-Messungen gegenüber herkömmlich erhobenen bodenhydraulischen Daten abzuschätzen. Im ersten Untersuchungsgebiet wurde die CRS-Methode kalibriert und mittels verschiedener Bodenfeuchtemessansätze validiert. In der Maisanbauphase wurden die Bodenfeuchte-Punktmessungen zunächst nur an der nahen Bodenoberfläche durchgeführt. In den folgendenen Anbauphasen (Sonnenblume und Winterroggen) wurden dann die Sensoren in drei unterschiedlichen Tiefen (5 cm, 20 cm und 40 cm) installiert. Die direkte Übertragung der CRS-Kalibrierparameter zwischen zwei Vegetationsperioden führte zu einer starken Überschätzung der CRS-Bodenfeuchte. Ein Teil der überschätzten Bodenfeuchte wurde der Unterschätzung der CRS-Beobachtungstiefe während der Maisperiode (5-10 cm) zugeschrieben, welche später basierend auf Werten zwischen 20-40 cm in anderen Anbauperioden (Sonnenblume und Winterroggen) neuberechnet wurde. Gemäß der Ergebnisse dieser Beobachtungsperioden mit verschiedenen Feldfrüchten, spielte die Vegetation eine wichtige Rolle für die CRS-Messungen, da das Wasser, das in der über- und unterirdischen Biomasse vorhanden ist, die Neutronen bedeutend abdämpft. Dieser Effekt, sowie der Einfluss des Getreidewachstums und des reduzierten Gesamt-CRS-Bodenfeuchte-Fehlers, wurden in ein einfaches Model zur vegetationsbedingten Neutronenkorrektur berücksichtigt. So wurde ein gekoppelter HYDRUS-1D- und PEST-Ansatz angewendet, um bodenhydraulische Parameter auf dem Feldmassstab während der Sonnenblumen-Phase invers abzuschätzen. Dann wurden die inversen Schätzungen der effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften innerhalb des von CRS beobachteten Volumens durch die lokalen Bodeneigenschaften (Modellierung und Messungen) validiert. Abgesehen von Unterschieden auf Grund der Beobachtungstiefe und somit des Volumens, wurden hierbei erfolgreiche Ergebnisse erzielt. Dieser einfache Ansatz unterstreicht das zukünftige Forschungspotential, z.B. um mit Hilfe von Bodenfeuchten aus CRS-Messungen Modelle auf der Feldskala zu parametrisieren. Im Schäfertaleinzugsgebiet wurden die Langzeit-CRS-Messungen mit Nie-derschlags- und Evapotranspirations-Raten abgeglichen. Bei einer monatlichen Auflösung korrelierte die Änderung des CRS-Bodenwasserspeichers mit diesen beiden Wettervariablen. Die Wasserbilanz konnte jedoch auf Grund fehlender Informationen bezüglich Grundwasser, Abfluss des Einzugesgebiets, etc. nicht geschlossen werden. Darüber hinaus wurde, wie auch am Potsdamer Standort, festgestellt, dass das CRS-Signal stark von Schneefall und Schneeakkumulationen beeinflusst wird. Eine einfache Anwendung zur Schneemessung mittels CRS wurde für den Schäfertalfall vorgestellt. Abschließend zeigte sich, dass (a) „Cosmic-Ray Neutron Sensing“ (CRS) ein großes Potential hat, Messungen der mittleren Bodenfeuchte auf der Feldskala im Bereich landwirtschaftlich genutzter Flächen zu realisieren; (b) die CRS-Bodenfeuchte stark durch andere Wasserspeicher, wie Vegetation und Schnee beeinflusst wird, und dies im Rahmen von Analysen berücksichtigt werden sollte; (c) die CRS-Messungen über eine bodenhydraulische Modellierung zur Bestimmung von bodenhydraulischen Paramtern genutzt werden kann; und (d) der CRS-Ansatz ein großes Potential für Langzeit-Bodenfeuchte-Monitoring und für Wasserbilanzstudien hat. KW - CRS KW - kosmische Neutronenstrahlung KW - Bodenfeuchte KW - Feld KW - cosmic-ray KW - neutron field KW - soil moisture Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69748 ER - TY - THES A1 - Jagdhuber, Thomas T1 - Soil parameter retrieval under vegetation cover using SAR polarimetry T1 - Bestimmung von Bodenparametern unter Vegetation mit Hilfe von SAR Polarimetrie N2 - Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales. N2 - Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen. KW - SAR KW - Polarimetrie KW - Bodenfeuchte KW - polarimetrische Dekompositionen KW - Fernerkundung KW - SAR KW - Polarimetry KW - soil moisture KW - polarimetric decompositions KW - remote sensing Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60519 ER -