@inproceedings{KuhnertGuentnerKlannetal.2006,
  author    = {Kuhnert, Matthias and G{\"u}ntner, Andreas and Klann, Mechthild and Martin Garrido, F. and Zillgens, Birgit},
  title     = {Methods for spatial pattern comparison in distributed hydrological modelling : [Poster]},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-7160},
  year      = {2006},
  abstract  = {The rigorous development, application and validation of distributed hydrological models obligates to evaluate data in a spatially distributed way. In particular, spatial model predictions such as the distribution of soil moisture, runoff generating areas or nutrient-contributing areas or erosion rates, are to be assessed against spatially distributed observations. Also model inputs, such as the distribution of modelling units derived by GIS and remote sensing analyses, should be evaluated against groundbased observations of landscape characteristics. So far, however, quantitative methods of spatial field comparison have rarely been used in hydrology. In this paper, we present algorithms that allow to compare observed and simulated spatial hydrological data. The methods can be applied for binary and categorical data on regular grids. They comprise cell-by-cell algorithms, cell-neighbourhood approaches that account for fuzziness of location, and multi-scale algorithms that evaluate the similarity of spatial fields with changing resolution. All methods provide a quantitative measure of the similarity of two maps. The comparison methods are applied in two mountainous catchments in southern Germany (Brugga, 40 km<sup>2) and Austria (L{\"o}hnersbach, 16 km<sup>2). As an example of binary hydrological data, the distribution of saturated areas is analyzed in both catchments. For categorical data, vegetation zones that are associated with different runoff generation mechanisms are analyzed in the L{\"o}hnersbach. Mapped spatial patterns are compared to simulated patterns from terrain index calculations and from satellite image analysis. It is discussed how particular features of visual similarity between the spatial fields are captured by the quantitative measures, leading to recommendations on suitable algorithms in the context of evaluating distributed hydrological models.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kuhnert2009,
  author    = {Kuhnert, Matthias},
  title     = {Quantifizierung von Oberfl{\"a}chenabfluss und Erosion auf B{\"o}den mit hydrophoben Eigenschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberfl{\"a}chenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgef{\"u}hrten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfl{\"a}che im Braunkohlegebiet Welzow S{\"u}d (S{\"u}dostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) {\"u}ber die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, {\"u}ber die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, {\"u}ber die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, w{\"a}hrend er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur h{\"a}ufig als Ursache f{\"u}r einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fl{\"a}che nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen f{\"u}hren. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts f{\"u}hrten. R{\"a}umliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese r{\"a}umlichen und zeitlichen Variabilit{\"a}ten wirkten sich auch auf den Oberfl{\"a}chenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf B{\"o}den mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich h{\"o}her als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Fl{\"a}chengr{\"o}ße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begr{\"u}ndet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen {\"u}ber eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage erm{\"o}glicht sie die gleichzeitige Messung des Oberfl{\"a}chenabflusses. Die Messapparatur wurde f{\"u}r Gebiete entwickelt, die eine {\"u}berwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zus{\"a}tzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der r{\"a}umlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. F{\"u}r die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur {\"u}ber die Fl{\"a}che bewegt und punktuell H{\"o}henunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode k{\"o}nnen auch gr{\"o}ßere Fl{\"a}chen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den {\"U}bergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, m{\"u}ssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fl{\"a}che. Zus{\"a}tzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentaustr{\"a}ge w{\"a}hrend des Sommerhalbjahrs und kaum Austr{\"a}ge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine gr{\"o}ßere Bedeutung der Rillenerosion gegen{\"u}ber der Zwischenrillenerosion f{\"u}r Niederschlagsereignisse hoher Intensit{\"a}t (>25 mm/h in einem zehnmin{\"u}tigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensit{\"a}t (<20 mm/h in einem zehnmin{\"u}tigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensit{\"a}t von mindesten 3,6 mm/h n{\"o}tig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abfl{\"u}ssen und Sedimentaustr{\"a}gen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse f{\"u}r die untersuchte Fl{\"a}che erm{\"o}glichen. W{\"a}hrend die Menge an Oberfl{\"a}chenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einfl{\"u}sse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.},
  language  = {de}
}