Birgit Heim

• One of the most difficult issues when dealing with optical water remote-sensing is its acceptance as a useful application for environmental research. This problem is, on the one hand, concerned with the optical complexity and variability of the investigated natural media, and therefore the question arises as to the plausibility of the parameters derived from remote-sensing techniques. Detailed knowledge about the regional bio- and chemico-optical properties is required for such studies, however such information is seldom available for the sites of interest. On the other hand, the primary advantage of remote-sensing information, which is the provision of a spatial overview, may not be exploited fully by the disciplines that would benefit most from such information. It is often seen in a variety of disciplines that scientists have been primarily trained to look at discrete data sets, and therefore have no experience of incorporating information dealing with spatial heterogeneity. In this thesis, the opportunity was made available toOne of the most difficult issues when dealing with optical water remote-sensing is its acceptance as a useful application for environmental research. This problem is, on the one hand, concerned with the optical complexity and variability of the investigated natural media, and therefore the question arises as to the plausibility of the parameters derived from remote-sensing techniques. Detailed knowledge about the regional bio- and chemico-optical properties is required for such studies, however such information is seldom available for the sites of interest. On the other hand, the primary advantage of remote-sensing information, which is the provision of a spatial overview, may not be exploited fully by the disciplines that would benefit most from such information. It is often seen in a variety of disciplines that scientists have been primarily trained to look at discrete data sets, and therefore have no experience of incorporating information dealing with spatial heterogeneity. In this thesis, the opportunity was made available to assess the potential of Ocean Colour data to provide spatial and seasonal information about the surface waters of Lake Baikal (Siberia). While discrete limnological field data is available, the spatial extension of Lake Baikal is enormous (ca. 600 km), while the field data are limited to selected sites and expedition time windows. Therefore, this remote-sensing investigation aimed to support a multi-disciplinary limnological investigation within the framework of the paleoclimate EU-project ‘High Resolution CONTINENTal Paleoclimate Record in Lake Baikal, Siberia (CONTINENT)’ using spatial and seasonal information from the SeaWiFS satellite (NASA). From this, the SeaWiFS study evolved to become the first efficient bio-optical satellite study of Lake Baikal. During the course of three years, field work including spectral field measurements and water sampling, was carried out at Lake Baikal in Southern Siberia, and at the Mecklenburg and Brandenburg lake districts in Germany. The first step in processing the SeaWiFS satellite data involved adapting the SeaDAS (NASA) atmospheric-correction processing to match as close as possible the specific conditions of Lake Baikal. Next, various Chl-a algorithms were tested on the atmospherically-corrected optimized SeaWiFS data set (years 2001 to 2002), comparing the CONTINENT pigment ground-truth data with the Chl-a concentrations derived from the satellite data. This showed the high performance of the global Chl-a products OC2 and OC4 for the oligotrophic, transparent waters (bio-optical Case 1) of Lake Baikal. However, considerable Chl-a overestimation prevailed in bio-optical Case 2 areas for the case of discharge events. High-organic terrigenous input into Lake Baikal could be traced and information extracted using the SeaWiFS spectral data. Suspended Particulate Matter (SPM) was quantified by the regression of the SeaDAS attenuation coefficient as the optical parameter with SPM field data. Finally, the Chl-a and terrigenous input maps derived from the remote sensing data were used to assist with analyzing the relationships between the various discrete data obtained during the CONTINENT field work. Hence, plausible spatial and seasonal information describing autochthonous and allochthonous material in Lake Baikal could be provided by satellite data.Lake Baikal, with its bio-optical complexity and its different areas of Case 1 and Case 2 waters, is a very interesting case study for Ocean Colour analyses. Proposals for future Ocean Colour studies of Lake Baikal are discussed, including which bio-optical parameters for analytical models still need to be clarified by field investigations.…
• Die Gewässerfernerkundung entwickelte sich seit den 70ern vor allem aus der Ozeanographie und der Atmosphärenforschung, und wird inzwischen als anerkannte Methode genutzt, um global die Phytoplanktonverteilung in den Weltmeeren erfassen zu können, u.a. für CO2-Haushaltsmodellierungen. Atmosphärenkorrigierte Multi- und Hyperspektralscannerdaten ermöglichen die Qualifizierung bio-optischer Gewässertypen und die Quantifizierung optisch sichtbarer Wasserinhaltsstoffe und bieten gerade auch für dynamische und heterogene Küsten- und Binnengewässer das große Potential des räumlichen Informationsgewinnes.Im Rahmen des Paläoklimaprojektes CONTINENT wurde in dieser Arbeit das Oberflächenwasser des Baikalsees mit Gewässerfernerkungsmethoden analysiert. Wichtig für die Interpretation von Klima-Proxies sind v.a. auch Hinweise auf die Verteilung des autochthonen Materials im Baikalsee (Fernerkundungsparameter: Chlorophyll-a), ebenso wie Hinweise auf allochthone Einträge an den Bohrungsstellen (Fernerkundungsparameter ‚Terrigener Eintrag’). Auf denDie Gewässerfernerkundung entwickelte sich seit den 70ern vor allem aus der Ozeanographie und der Atmosphärenforschung, und wird inzwischen als anerkannte Methode genutzt, um global die Phytoplanktonverteilung in den Weltmeeren erfassen zu können, u.a. für CO2-Haushaltsmodellierungen. Atmosphärenkorrigierte Multi- und Hyperspektralscannerdaten ermöglichen die Qualifizierung bio-optischer Gewässertypen und die Quantifizierung optisch sichtbarer Wasserinhaltsstoffe und bieten gerade auch für dynamische und heterogene Küsten- und Binnengewässer das große Potential des räumlichen Informationsgewinnes.Im Rahmen des Paläoklimaprojektes CONTINENT wurde in dieser Arbeit das Oberflächenwasser des Baikalsees mit Gewässerfernerkungsmethoden analysiert. Wichtig für die Interpretation von Klima-Proxies sind v.a. auch Hinweise auf die Verteilung des autochthonen Materials im Baikalsee (Fernerkundungsparameter: Chlorophyll-a), ebenso wie Hinweise auf allochthone Einträge an den Bohrungsstellen (Fernerkundungsparameter ‚Terrigener Eintrag’). Auf den Geländekampagnen in den Sommern 2001, 2002, 2003 in Sibirien und in Deutschland wurden Feldspektrometermessungen mit gleichzeitiger Wasserprobenahme auf die optisch sichtbaren Wasserinhaltsstoffe Phytoplankton, Schwebstoff, und DOC durchgeführt. Dabei konnten Messtechniken für Geländespektrometer evaluiert, und grundlegende Aussagen über die spektrale Verteilung des In-Wasser Lichtfeldes im Baikalsee gemacht werden. Die Ocean Colour Satellitendaten des NASA-Instrumentes SeaWiFS und die Möglichkeiten der komplexen NASA Software SeaDAS wurden genutzt. Für die Ableitung des am Baikalsee anzutreffenden organikreichen terrigenen Eintrages, wurde ein vorläufiger Algorithmus aus den Geländedaten generiert. Verschiedene Algorithmen für den Parameter ‚Chlorophyll-a’ wurden mit dem Geländedatensatz der Projektpartnerin S. Fietz (Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, IGB) evaluiert. Als geeignetester etablierte sich der auf oligotrophe Gewässer optimierte NASA Chlorophyll Algorithmus ‚Ocean Colour (OC) 2’. Die Quantifizierungen und Ergebnisse werden diskutiert. Als Endergebnis wird der Überblick über Sedimenteintrag und Phytoplanktondynamik im Baikalsee für den Zeitraum 2001-2002 zur Verfügung gestellt und die autochthonen versus allochthonen Einflüsse an den Projektlokationen werden beschrieben. Der Baikalsee erwies sich als bio-optisch ein sehr komplexes und interessantes Studienobjekt. Ein wichtiger Punkt, der in dieser Arbeit angesprochen wird, ist die Atmosphärenkorrektur, die wesentliche Einflüsse auf die Qualifizierungen und Quantifizierungen hat, aber als Standardprogramm nur für den pelagialen Wasserkörper in Meeresspiegelhöhe mit marinen, bzw. Küstenatmosphären konditioniert ist. Ein weiterer bedeutender Punkt, der in dieser Arbeit diskutiert wird, ist der relevante spektrale Einfluss des organikreichen terrigenen Eintrages auf die Gewässerfarbe und dadurch auf die Qualität der Chlorophyll-Ableitung. Somit boten sich die Möglichkeiten, das räumliche Ausmaß und die Dynamik rezenter terrigener Einträge zu erfassen. Auch die Entwicklung des Phytoplankton von Frühsommer bis Spätsommer im Baikalsee konnte mit den SeaWiFS Daten nachvollzogen werden. Die hier vorgestellte Studie stellte sich als die erste grundlegende optische Gewässerfernerkundungsstudie mit Satellitendaten am Baikalsee heraus, und konnte erfolgreich abgeschlossen werden.…