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  - 
TY  - THES
A1  - Ramage, Justine Lucille
T1  - Impact of Hillslope Thermokarst on the Nearshore Carbon Budget Along the Yukon Coast, Canada
N2  - In ice-rich permafrost regions, changes in the permafrost thermal regime cause surface disturbances. These changes are amplified by the increase in air temperatures recorded in the Arctic in the past decades. Thermokarst is a process that leads to surface subsidence and formation of characteristic landforms following thawing of ice-rich permafrost or melting of massive ice. Thermokarst is widespread on hillslopes and the number of associated landforms is increasing in the Arctic. Through this process large amounts of material are eroded and transported to the sea or accumulate along hillslopes. While hillslope thermokarst modifies terrestrial and aquatic ecosystems, there is limited understanding of its environmental impact at a regional scale. In this thesis we quantify the environmental impacts of hillslope thermokarst on the valley and nearshore ecosystems along the Yukon Coast, Canada. Using supervised machine learning, we identified geomorphic factors that favour the development of coastal retrogressive thaw slump (RTS), one of the most dynamic hillslope thermokarst landform. Coastal geomorphology and ground ice type and content play a major role in RTS occurrence. Using aerial photographs and satellite imagery, we traced the evolution of RTSs between 1952 and 2011. During this time, the number and areal coverage of RTSs increased by 73%. RTSs eroded and partly released to the nearshore zone organic carbon contained in millions of cubic meters of material. Our results show that 56% of the RTSs identified along the coast in 2011 have eroded 16.6 × 10^6 m3 of material; a large part (45%) was transported alongshore due to coastal processes. Moreover, we show that RTSs are a major contributor to the carbon budget in the nearshore ecosystem: 17% of the coastal RTSs identified in 2011 contributed annually up to 0.6% of the organic carbon released by coastal retreat along the Yukon Coast. To assess the impact of hillslope thermokarst on the terrestrial ecosystem, we measured the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) along hillslopes in three Arctic valleys. We highlight the high spatial variability in the distribution of SOC and TN in
the valleys. This distribution is caused by complex soil processes occurring along the hillslopes. Hillslope thermokarst impacts the degradation of organic matter and affects the storage of SOC and TN.
N2  - Veränderungen im thermalen Regime des Permafrosts verursachen Störungen der Erdoberfläche. Diese Veränderungen werden durch die in der Arktis seit Jahrzehnten ansteigenden Temperaturen verstärkt. Thermokarst ist ein Prozess, welcher die Erdoberfläche durch Schmelzen von Grundeis, oder Auftauen von Permafrost absacken lässt, wodurch charakteristische Landformen entstehen. Thermokarst ist vor allem entlang von Hängen weit verbreitet und die Anzahl der damit verbundenen Landformen in der Arktis steigt stetig an. Dieser Prozess mobilisiert große Mengen an Material, welche in Richtung Meer transportiert oder entlang von Hängen akkumuliert werden. Während entlang von Hängen auftretender Thermokarst terrestrische sowie aquatische Ökosysteme stark verändert, ist dessen Einfluss auf regionaler Skala zurzeit noch Gegenstand der Forschung.
In dieser Arbeit quantifizieren wir die Auswirkungen von Thermokarstprozessen entlang von Hängen auf die umliegenden Ökosysteme der küstennahen Täler und Nahküstenbereiche entlang der Yukon Küste in Kanada. Mittels überwachtem maschinellen Lernen haben wir geomorphische Faktoren identifiziert, welche die Entwicklung von retrogressiven Auftaurutschungen (RTS) begünstigen. RTS sind eine Erscheinungsform von Thermokarst entlang von Hängen. Die Küstengeomorphologie, sowie der Grundeistyp und -inhalt sind die wesentlichen bestimmenden Faktoren für das Auftreten von RTS. Wir haben Luftbildaufnahmen und Satellitenbilder genutzt, um die Evolution von RTS im Zeitraum von 1952 bis 2011 zu verfolgen. Während dieser Zeit ist die Anzahl und Ausdehnung von RTS linear angestiegen. Wir zeigen, dass 56% der RTS welche entlang der Küste in 2011 identifiziert wurden, 16.6 × 106 m3 an Material erodiert haben. Hiervon wurden 45% durch Küstenprozesse entlang der Küste transportiert. RTS tragen wesentlich zu dem Kohlenstoff-Budget des Nahküstenbereiches bei: 17% der in 2011 identifizierten RTS, haben 0.6% des organischen Kohlenstoffes transportiert, welcher durch Küstenerosion entlang der Yukon Küste jährlich freigesetzt wird. Um den Einfluss von Thermokarst entlang von Hängen auf das terrestrische Ökosystem zu beurteilen, haben wir die räumliche Verteilung von organischem Bodenkohlenstoff und Stickstoff (SOC, TN) entlang von Hangprofilen in drei arktischen Tälern analysiert.Wir weisen auf eine hohe räumliche Variabilität in der Verteilung von SOC und TN hin, welche auf komplexe Bodenprozesse zurückzuführen ist, welche entlang von Hängen auftreten. Thermokarst entlang von Hängen hat einen großen Einfluss auf die Degradierung von organischem Material und die Speicherung von SOC und TN.
N2  - Le changement climatique est la cause de la dégradation rapide du pergélisol à travers les régions arctiques et subarctiques. Cette dégradation s’exprime par des changements dans la taille, l’abondance et la structure des glissements rétrogressifs dus au dégel (GRD) et autres processus de pente thermokarstiques. Ces processus d’érosion des pentes contribuent au transport de sédiments vers l’Océan Arctique. Bien que l’impact des processus thermokarstiques sur les écosystèmes terrestres et aquatiques soit reconnu, il n’y a toujours pas d’étude qui quantifie leurs impacts sur les écosystèmes côtiers de l’Arctique. Dans cette thèse, nous quantifions les impacts des thermokarstes de pente dans les vallées et le long de la côte du Yukon, Canada. Nous avons utilisé des méthodes statistiques telles que les arbres de classification et les régressions logistiques pour identifier les facteurs qui favorisent le développement des GRD, un des modelés de dégradation du pergélisol le plus actif. La géomorphologie côtière ainsi que la nature et la quantité de glace dans le sol jouent un rôle prépondérant dans le développement des GRD. En utilisant des images satellite et des photos aériennes, nous avons suivi l’évolution des glissements rétrogressifs dus au dégel entre 1952 et 2011. Sur cette période, le nombre et l’étendue des GRD ont augmenté de 73% le long de la côte du Yukon. Les GRD ont érodé et partiellement relâché dans l’océan du carbon organic contenu dans des millions de mètres cubes de sédiments. Nos résultats montrent que 56% des GRD identifiés le long de la côte en 2011 ont érodé 16.6 × 106 m3 de sédiments; 45% a été transporté dans l’océan. De plus, notre étude montre que les GRD ont un rôle majeur sur le budget du carbone dans les milieux côtiers : 17% des GRD identifiés en 2011 ont relâché 0.6% du carbone érodé annuellement du fait de l’érosion côtière. Nous avons aussi étudié la dégradation du pergélisol le long des pentes des vallées périglaciaires, dans l’objectif de comprendre leurs impacts sur les sols et sur les stocks de carbone et d’azote. Nos résultats montrent qu’il y a une grande variabilité dans la distribution du carbone et de l’azote dans les vallées. Ces disparités sont causées par de complexes processus thermiques au niveau des sols. Les processus de pente thermokarstiques ont un impact important sur la dégradation de la matière organique dans les sols et affectent le stockage du carbone et de l’azote dans les régions Arctiques de pergélisol.
KW  - permafrost
KW  - thermokarst
KW  - soil organic carbon
KW  - retrogressive thaw slump
KW  - thermoerosion
KW  - carbon budget
KW  - Permafrost
KW  - thermokarst
KW  - Bodenkohlenstoff
KW  - retrogressiven Auftaurutschungen
KW  - thermoerosion
KW  - Kohlenstoff-Budget
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421867
ER  - 
TY  - THES
A1  - Obu, Jaroslav
T1  - Effect of mass wasting on soil organic carbon storage and coastal erosion in permafrost environments
T1  - Einfluss von Hangbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion in Permafrostgebieten
N2  - Accelerated permafrost thaw under the warming Arctic climate can have a significant impact on Arctic landscapes. Areas underlain by permafrost store high amounts of soil organic carbon (SOC). Permafrost disturbances may contribute to increased release of carbon dioxide and methane to the atmosphere. Coastal erosion, amplified through a decrease in Arctic sea-ice extent, may also mobilise SOC from permafrost. Large expanses of permafrost affected land are characterised by intense mass-wasting processes such as solifluction, active-layer detachments and retrogressive thaw slumping. Our aim is to assess the influence of mass wasting on SOC storage and coastal erosion. 
We studied SOC storage on Herschel Island by analysing active-layer and permafrost samples, and compared non-disturbed sites to those characterised by mass wasting. Mass-wasting sites showed decreased SOC storage and material compaction, whereas sites characterised by material accumulation showed increased storage. The SOC storage on Herschel Island is also significantly correlated to catenary position and other slope characteristics. We estimated SOC storage on Herschel Island to be 34.8 kg C m-2. This is comparable to similar environments in northwest Canada and Alaska.
Coastal erosion was analysed using high resolution digital elevation models (DEMs). Two LIDAR scanning of the Yukon Coast were done in 2012 and 2013. Two DEMs with 1 m horizontal resolution were generated and used to analyse elevation changes along the coast. The results indicate considerable spatial variability in short-term coastline erosion and progradation. The high variability was related to the presence of mass-wasting processes. Erosion and deposition extremes were recorded where the retrogressive thaw slump (RTS) activity was most pronounced. Released sediment can be transported by longshore drift and affects not only the coastal processes in situ but also along adjacent coasts. 
We also calculated volumetric coastal erosion for Herschel Island by comparing a stereo-photogrammetrically derived DEM from 2004 with LIDAR DEMs. We compared this volumetric erosion to planimetric erosion, which was based on coastlines digitised from satellite imagery. We found a complex relationship between planimetric and volumetric coastal erosion, which we attribute to frequent occurrence of mass-wasting processes along the coasts. Our results suggest that volumetric erosion corresponds better with environmental forcing and is more suitable for the estimation of organic carbon fluxes than planimetric erosion.
Mass wasting can decrease SOC storage by several mechanisms. Increased aeration following disturbance may increase microbial activity, which accelerates organic matter decomposition. New hydrological conditions that follow the mass wasting event can cause leaching of freshly exposed material. Organic rich material can also be directly removed into the sea or into a lake. On the other hand the accumulation of mobilised material can result in increased SOC storage. Mass-wasting related accumulations of mobilised material can significantly impact coastal erosion in situ or along the adjacent coast by longshore drift. Therefore, the coastline movement observations cannot completely resolve the actual sediment loss due to these temporary accumulations. The predicted increase of mass-wasting activity in the course of Arctic warming may increase SOC mobilisation and coastal erosion induced carbon fluxes.
N2  - Die Erwärmung des arktischen Klimas beschleunigt das Tauen des Permafrosts. Das kann einen erheblichen Einfluss auf arktische Landschaften haben. Permafrostböden speichern große Mengen Kohlenstoff, der aufgrund von Umlagerungsprozessen wie beispielsweise Massenversatz mobilisiert und als Kohlendioxid oder Methan freigesetzt werden kann. Der Kohlenstoff im Boden kann auch durch Küstenerosion mobilisiert werden, die durch den Rückgang des arktischen Meereises und höhere Meerwassertemperaturen künftig stark zunehmen wird. Große Teile der arktischen Permafrostgebiete werden durch intensive Massenversatzprozesse wie Solifluktion, Rutschungen in der saisonalen Auftauschicht (active layer detachments) und rückschreitende Taurutschungen (retrogressive thaw slumps) gekennzeichnet. Unser Ziel ist es, den Einfluss dieser Massenbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion zu bewerten.
Wir haben Auftauschicht- und Permafrostproben untersucht, um den Kohlenstoffspeicher für Herschel Island zu ermitteln. Wir verglichen ungestörtes Terrain mit durch Massenversatz gekennzeichnetem Terrain. Letzteres zeigte verringerte Bodenkohlenstoffspeicher und Materialverdichtung. Durch Akkumulation organischen Materials gekennzeichnete Lagen zeigten eine Zunahme des Kohlenstoffpeichers. Der Bodenkohlenstoffspeicher auf Herschel Insel korreliert außerdem deutlich mit der Lage in Senken und der Hangneigung. Der Kohlenstoffspeicher im Boden von Herschel Island ist etwa so hoch wie in vergleichbaren Landschaften im Nordwesten Kanadas und Alaskas. Wir schätzen ihn auf 34,8 kg C m-2.
Wir ermittelten Küstenerosionsraten mit hochauflösenden Digitalen Geländemodellen (DGM). Dazu benutzten wir zwei LIDAR Aufnahmen der Yukon Küste aus den Jahren 2012 und 2013. Zwei DGMs mit 1 m horizontaler Auflösung wurden erzeugt und verwendet, um die Höhenunterschiede entlang der Küste zu analysieren. Wir fanden eine erhebliche räumliche Variabilität in kurzfristigen Küstenerosionsraten. Wir erklärten die hohe Variabilität mit der räumlichen Heterogenität des Vorkommens von Massenversatzprozessen. Besonders die sogenannten retrogressive thaw slumps bewirkten extrem hohe Erosionsraten an einigen Küstenabschnitten. Durch Strandversetzung wird erodiertes Sediment die Küste entlang transportiert und beeinflusst so nicht nur lokale Küstenprozesse, sondern auch benachbarte Küstenabschnitte.
Um die längerfristige Entwicklung der Küste einschätzen zu können, haben wir volumetrische Erosionsraten aus dem Vergleich eines stereophotogrammetrisch abgeleiteten DGM aus dem Jahr 2004 mit unseren LIDAR DGMs errechnet. Planimetrische Erosionsraten wurden anhand von digitalisierten Küstenlinien aus Satellitenbildern berechnet. So konnte auch der Einfluss von volumetrischer und planimetrischer Erosion eingeschätzt werden. Wir fanden komplexe Zusammenhänge zwischen planimetrischer und volumetrischer Küstenerosion, die wir auf das gehäufte Auftreten von Massenversatzprozessen entlang einiger Küstenabschnitte zurückführen. Die Ergebnisse legen nahe, dass volumetrische Erosionsraten den beobachteten Umweltbedingungen besser entsprechen als planimetrische Erosionsraten und somit besser geeignet sind zur Einschätzung organischer Kohlenstoffflüsse in Permafrostgebieten entlang der arktischen Küsten.
Massenversatz kann den Kohlenstoffspeicher im Boden mit verschiedenen Mechanismen verringern. Erhöhte Belüftung kann die mikrobielle Aktivität erhöhen, die den Abbau organischer Materie beschleunigt. Durch veränderte hydrologische Bedingungen nach Massenversatz können Stoffe aus der Auftauschicht ausgewaschen werden. Organikreiche Stoffe können auch direkt ins einem Meer in einen See erodiert werden. Andererseits kann die Akkumulation von umgelagertem Material zu einer Erhöhung des Bodenkohlenstoffspeichers an anderer Stelle führen. Die Akkumulation von Material aus Massenversatz kann erhebliche Auswirkungen auf die lokale Küstenerosion, durch Strandversetzung aber auch auf angrenzende Küstenabschnitte haben. Allein durch Beobachtung der Veränderung von Küstenlinien kann aufgrund solcher temporärer Ansammlungen die Einschätzung des tatsächlichen Sedimentverlustes pro Küstenabschnitt nicht präzise wiedergegeben werden. Im Zuge der prognostizierten Erwärmung der Arktis und der damit verbundene Zunahme von Massenversatzprozessen und Küstenerosion wird sich die Mobilisierung von Bodenkohlenstoff aus Permafrost zukünftig beschleunigen.
KW  - mass wasting
KW  - soil organic carbon
KW  - coastal erosion
KW  - Massenversatzprozesse
KW  - Kohlenstoffspeicher
KW  - Küstenerosion
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90599
ER  -