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K. Scipal:
"Global Soil Moisture Retrieval from ERS Scatterometer Data";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): W. Wagner, C. Schmullius; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2002.

Bodenfeuchte ist eine wesentliche Komponente des globalen Ökosystems und übt einen wichtigen Einfluss auf die Wechselwirkungen zwischen der Hydrosphäre der Biosphäre und der Atmosphäre aus. Aufgrund der Bedeutung von Bodenfeuchte für alle bio- und geophysikalischen Prozesse, ist genaue Information über die Variabilität dieser geophysikalischen Größe für viele Bereiche wichtig. Im Gegensatz zu einer Vielzahl von geophysikalischen Größen wie Temperatur, Niederschlag oder Wind, die in hoher Präzision und Dichte gemessen werden, wird Bodenfeuchte nur von wenigen Meßsysteme adäquat gemessen. Das Fehlen geeigneter Daten und Meßsysteme wird von allen betroffenen Wissenschaften als großes Defizit gesehen. Der Entwicklung von neuen innovativen Methoden kommt daher größte Bedeutung zu. Fernerkundung, im speziellen Radar Fernerkundung, wird generell als möglicher Lösungsansatz gesehen. Ziel dieser Arbeit war die globale Anwendung einer neuen innovativen Methode zur Beobachtung von Bodenfeuchte. Grundlage der Methode sind ERS Scatterometer Daten. Der ERS scatterometer ist ein C-band Radarsensor mit einer Auflösung von 50x50 km² der seit 1992 an Bord der Europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1 und ERS-2 die Erde beobachtet. Die Methode zur Analyse der Daten basiert auf einem empirischen Modell mit dem das grundlegende Streuverhalten der Erdoberfläche beschrieben wird und einem einfachen Change Detection Ansatz zur Ableitung der gesuchten Größen. Die Methode, die über ausgewählten Gebieten entwickelt wurde, konnte erfolgreich global angewendet werden. Charakteristische Auswirkungen der einzelnen Klimate auf das Rückstreuverhalten wurden nachgewiesen. Die zur Beschreibung der Rückstreueigenschaften abgeleiteten Parameter zeigen eine klare Korrelation mit charakteristischen Klima und Vegetationszonen. Basierend auf einer detaillierten Analyse der Rückstreueigenschaften, konnten problematische Konzepte in der Formulierung des zugrundeliegenden physikalische Modells aufgezeigt werden. Aufgrund dieser Studien ist eine Verbesserung der Methoden möglich. Die Validierung der abgeleiteten Bodenfeuchte ergab eine hohe Genauigkeit, der mittlere Fehler liegt im Bereich 5-7 vol%. Die Daten eignen sich daher für eine Reihe von hydrosphärischen biosphärischen und atmosphärischen Anwendungen.

Soil moisture exerts a prominent control on the interactions between the hydrosphere, biosphere and atmosphere. Being basic to all surface bio-geophysical processes, an accurate assessment of the spatial and temporal variation of soil moisture is important for numerous applications and for answering diverse research questions. Given the crucial role that soil moisture plays in land-surface processes, it is desirable to monitor soil moisture with the same accuracy and frequency as other important environmental variables such as temperature, precipitation or wind. However, currently only a few measurement networks exist, providing reliable data. The lack of a convincing approach to global soil moisture monitoring is by many felt as a pressing deficiency in related research disciplines. It is often stated, that microwave remote sensing might overcome the limitations of traditional methods. The objective of this thesis was to apply a novel approach to monitor soil moisture on a global scale. The retrieval is based on ERS scatterometer data, a low resolution active microwave instrument operated in C-band, flown onboard of ERS-1 and ERS-2 satellites. The method can be regarded as a combination of an empirical model to describe basic scattering properties of the land surface and a simple change detection method to retrieve geophysical parameters. The method has been applied successfully to global land surfaces of various climates. The distinct effect of different climatic regimes on the scattering properties of the land surface has been indicated. Derived parameters, describing scattering properties of the land surface, closely follow characteristic climate and vegetation patterns. Based, on a detail study of global scattering properties problematic concepts of the physical model were identified and will lead to an improvement of the method. Validation of retrieved soil moisture indicated a high accuracy. The error of soil moisture estimates is in the range of 5-7 vol%. The data set can therefore be used in a number of applications related to the global hydrosphere, biosphere and atmosphere.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_119280.pdf