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S. Knabe:
"Erfassung der räumlichen und zeitlichen Veränderungen von Bodenfeuchtemustern in semiariden Gebieten mittels ERS-1/2 InSAR Zeitreihen";
Supervisor, Reviewer: W. Wagner, F. Wieneke; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2004.

The impacts of climate change and the excessive population growth of the 21. century are strengthening the importance of the topic "water management". Especially arid and semiarid regions are severely affected by the influence of the greenhouse effect due to a growing spatial and temporal variability of precipitation. In addition to an increasing frequency and intensity of drought situations the likeliness of severe flood events in autumn and winter is growing due to an enforcement of the cyclogenesis caused by high sea surface temperatures. The increasing global water problem underlines the growing importance of drought and flood warning systems which enable the detection of potential dangers and to react to these threats in time. The knowledge of the spatial soil moisture distribution in river drainage basins and its variation over time is one of the key parameters for these systems. As soil moisture is responsible for the runoff behaviour of a drainage basin it strongly influences all hydrological processes from ground water regeneration to flood generation.

Microwave remote sensing has a great potential to monitor the spatial and temporal distribution of soil moisture continuously due to its sensitivity to changes in the amount of soil moisture and its weather- and daytime independent capability to acquire data. As besides soil moisture other surface parameters also influence the backscattering behaviour, like vegetation cover, soil roughness and soil texture, numerous methods have been developed in the past to enable a qualitative or quantitative description of the soil moisture distribution by isolating its influence on the backscattered signal. Unfortunately these methods often were unsuitable for an area extended description of the soil moisture distribution over an entire river drainage basin. The dependence on in-situ measurements for model calibration, their complexity and high amounts of calculating time often limited their applicability to single test fields.

This study describes a simple and robust empirical method, which enables the area extended description of the spatial and temporal soil moisture variation in arid and semiarid regions on the basis of ERS-1/2 InSAR time series. As the coherence information of the InSAR data is used to minimize the influence of a vegetation cover or a change in surface roughness on the backscattered signal the proposed change detection method enables the description of the soil moisture distribution of an entire river drainage basin only with the help of remote sensing data.

By guaranteeing low amounts of biomass and the temporal stability of surface roughness with the help of the coherence information, the method enabled a sensitive description of the spatial distribution of soil moisture with small estimation errors of 3,4 - 4,3vol. % . Because of the low need of calculating time, its simplicity and stability the proposed method has a great potential for an operational application to continuously generate soil moisture fields of a river drainage basin. The derived products therefore are suitable as basis for the calibration or validation of hydrological models and to offer effective spatial soil moisture information for drought and flood warning systems.

Im Zuge des globalen Klimawandels sowie der Bevölkerungsexplosion des 21. Jahrhunderts gewinnt die Thematik "Wassermanagement" zunehmend an Bedeutung. Insbesondere aride und semiaride Regionen zeigen sich aufgrund einer wachsenden räumlichen und zeitlichen Variabilität der Niederschläge von einer steigenden Wasserproblematik stark betroffen. Zusätzlich zu einer zunehmenden Frequenz und Intensität von Dürresituationen wächst gleichzeitig die Gefahr extremer Hochwasserereignisse in den Herbst und Wintermonaten aufgrund einer mit den ansteigenden Meeresoberflächentemperaturen verstärkten Zyklonenaktivität. Das wachsende Ausmaß der globalen Wasserproblematik unterstreicht die zunehmende Bedeutung von Dürre- und Hochwasserwarnsystemen, um Gefahrenpotenziale bereits frühzeitig erkennen und darauf reagieren zu können. Die entscheidende Voraussetzung für derartige Systeme ist die Kenntnis der räumlichen Bodenfeuchteverteilung von Flusseinzugsgebieten sowie deren Änderung über die Zeit. Indem die Bodenfeuchtesituation das Abflussverhalten des Einzugsgebietes steuert, besitzt sie einen entscheidenden Einfluss auf die Grundwasserbildung bis hin zum Entstehen von Flutkatastrophen.

Die Mikrowellenfernerkundung bietet aufgrund ihrer Sensibilität hinsichtlich einer Feuchteänderung sowie der wetter- und tageszeitenunabhängigen Aufnahmefähigkeit die Möglichkeit, die Bodenfeuchteverteilung eines Gebietes kontinuierlich und flächenhaft zu erfassen. Da neben der Bodenfeuchte weitere Oberflächenparameter, wie die Vegetationsbedeckung, die Bodenrauhigkeit und Bodentextur, das Rückstreusignal beeinflussen, wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Methoden entwickelt, um die Isolierung des Feuchteeinflusses zu ermöglichen und damit qualitative und quantitative Aussagen bezüglich des Bodenfeuchteaufkommens treffen zu können. Die Methoden erwiesen sich dabei jedoch in der Regel für eine großräumige Beschreibung der Bodenfeuchtesituation als ungeeignet. So beschränkte oftmals eine Abhängigkeit von in-situ Messungen sowie die hohe Komplexität und Rechenzeitintensivität die Feuchteerfassung auf einzelne Testflächen.

Die vorliegende Studie beschreibt ein einfaches und robustes empirisches Verfahren, das auf Basis von ERS-1/2 InSAR Zeitreihen die großräumige Erfassung der räumlichen und zeitlichen Variation der Bodenfeuchte in ariden und semiariden Gebieten in Form eines Feuchte-Index ermöglicht. Indem die Kohärenz-Information der InSAR Daten dazu genutzt wird, eine mögliche Beeinflussung des Rückstreusignals durch eine biomassereiche Vegetationsbedeckung oder eine Änderung der Oberflächenrauhigkeit zu minimieren, ermöglicht der vorgestellte Change Detection Ansatz eine flächenhafte Bodenfeuchteerfassung über komplette Flusseinzugsgebiete ausschließlich auf Basis von Fernerkundungsdaten. Bei der kohärenzbasierten Gewährleistung der Verfahrensprämissen Biomassearmut und Rauhigkeitsstabilität ermöglichte das Verfahren die Beschreibung der räumlichen Bodenfeuchteverteilung mit geringen Schätzfehlern von 3,4 - 4,3 vol.%. Unterstützt durch die geringe Rechenzeit und hohe Stabilität begünstigen die Eigenschaften des Verfahrens eine Operationalisierung, um kontinuierlich Bodenfeuchtefelder eines Flusseinzugsgebietes zu generieren. Die gewonnenen Produkte eignen sich somit als Kalibrierungs- oder Validierungsgrundlage für die hydrologische Modellierung und für die Gewährleistung aktueller Flächeninformation für Dürre- und Hochwasserwarnsysteme.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_119585.pdf