Die Nutzung von terrestrischen Ökosystemen zur Befriedigung der Grundbedürfnisse der Menschheit hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Erdsystem und führte zur Ausprägung von anthropogen dominierten Landsystemen. Diese sind von hoher Komplexität, da sie aus einer Vielzahl von unterschiedlichsten Einflussfaktoren angetriebenen Landnutzungsveränderungen hervorgegangen sind. Aktuelle Forderungen nach einer nachhaltigen zukünftigen Landnutzung erfordern ein fundiertes und integratives Verständnis dieser Komplexität. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der raum-zeitlichen Muster und Determinanten des Landsystemwandels, insbesondere der Landnutzungsintensität, in Europa zwischen 1990 und 2010 zu erlangen. Europa ist ein interessantes Studiengebiet, da es jüngst starke Landnutzungsveränderungen erlebte und seine Heterogenität zu einer Vielfalt von Landsystemen und Landsystemveränderungen führte. Das Ziel der Arbeit wurde durch (i) die Kartierung von Intensitätsmustern und deren Veränderungen in Forst- und Agrarsystemen sowie der Ermittlung der dafür einflussreichsten räumlichen Determinanten und (ii) die Kartierung und Charakterisierung archetypischer Muster und Entwicklungsverläufe von Landsystemen untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten einen deutlichen Ost-West-Unterschied in Landsystemmustern und -veränderungen in Europa, mit intensiv genutzten und intensivierenden Regionen vor allem in Westeuropa. Dennoch wurde Europa vor allem durch relativ stabile Landsystemmuster gekennzeichnet und (De-)Intensivierungstrends waren nur von untergeordneter Bedeutung. Intensitätsmuster und -veränderungen waren stark an Standortbedingungen gebunden, vor allem an edaphische, klimatische, und länderspezifische Besonderheiten. Diese Arbeit erweitert das Verständnis des Landsystemwandels in Europa und kann zur Entwicklung wissenschaftlicher und politikbezogener Maßnahmen sowie zur Erreichung einer nachhaltigeren Landnutzung in Europa beitragen. / The utilisation of terrestrial ecosystems to satisfy the basic needs of humankind has profound impacts on the Earth System and led to the development of human-dominated land systems. These are substantially complex as they evolved from a multitude of land-change pathways driven by a variety of influential factors. Current calls for a more sustainable future land-use require a sound and integrative understanding of this complexity. The main goal of this thesis is to better understand the spatio-temporal patterns and the determinants of land-system change in Europe between 1990 and 2010, especially with regard to land-use intensity. Europe serves as an interesting study region as it recently experienced a period of marked land-use change, and since its large environmental, political, and socio-economic heterogeneity resulted in a diversity of land systems and land-change pathways. Land-system changes in Europe were examined by (i) mapping patterns and changes in forestry and agricultural intensity and identifying the most influential spatial determinants related to these changes, and (ii) mapping and characterising archetypical patterns and trajectories of land systems considering both land-use extent and intensity indicators. Results revealed a distinct east-west divide in Europe’s land-system patterns and change trajectories, with intensively used and intensifying regions particularly located in Western Europe. However, Europe was mainly characterised by relatively stable land-systems patterns with (de-) intensification trends being only of minor importance. Land-use intensity levels and changes were strongly related to site conditions, especially with regard to soil and climate, as well as to country-specific characteristics. By fostering the understanding of land-system change, this thesis has the potential to contribute to scientific and policy-related actions that address current efforts to guide future land systems in Europe to a more sustainable use.

Die Dissertation erforscht die Unsicherheit, Sensitivität und Grenzen großskaliger Erosionsmodelle. Die Modellierung basiert auf der allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG), Sedimenteintragsverhältnissen (SDR) und europäischen Daten. Für mehrere Regionen Europas wird die Bedeutung der Unsicherheit topographischer Modellparameter, ABAG-Faktoren und kritischer Schwebstofffrachten für die Anwendbarkeit empirischer Modelle zur Beschreibung von Sedimentfrachten und SDR von Flusseinzugsgebieten untersucht. Der Vergleich alternativer Modellparameter sowie Kalibrierungs- und Validierungsdaten zeigt, dass schon grundlegende Modellentscheidungen mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Zur Vermeidung falscher Modellvorhersagen sind kalibrierte Modelle genau zu dokumentieren. Auch wenn die geschickte Wahl nicht-topographischer Algorithmen die Modellgüte regionaler Anwendungen verbessern kann, so gibt es nicht die generell beste Lösung. Die Ergebnisse zeigen auch, dass SDR-Modelle stets mit Sedimentfrachten und SDR kalibriert und evaluiert werden sollten. Mit diesem Ansatz werden eine neue europäische Bodenabtragskarte und ein verbessertes SDR-Modell für Einzugsgebiete nördlich der Alpen und in Südosteuropa abgeleitet. In anderen Regionen Europas ist das SDR-Modell bedingt nutzbar. Die Studien zur jährlichen Variabilität der Bodenerosion zeigen, dass jahreszeitlich gewichtete Niederschlagsdaten geeigneter als ungewichtete sind. Trotz zufriedenstellender Modellergebnisse überwinden weder sorgfältige Algorithmenwahl noch Modellverbesserungen die Grenzen europaweiter SDR-Modelle. Diese bestehen aus der Diskrepanz zwischen modellierten Bodenabtrags- und maßgeblich zur beobachteten bzw. kritischen Sedimentfracht beitragenden Prozessen sowie der außergewöhnlich hohen Sedimentmobilisierung durch Hochwässer. Die Integration von nicht von der ABAG beschriebenen Prozessen und von Starkregentagen sowie die Disaggregation kritischer Frachten sollte daher weiter erforscht werden. / This dissertation thesis addresses the uncertainty, sensitivity and limitations of large-scale erosion models. The modelling framework consists of the universal soil loss equation (USLE), sediment delivery ratios (SDR) and European data. For several European regions, the relevance of the uncertainty in topographic model parameters, USLE factors and critical yields of suspended solids for the applicability of empirical models to predict sediment yields and SDR of river catchments is systematically evaluated. The comparison of alternative model parameters as well as calibration and validation data shows that even basic modelling decisions are associated with great uncertainties. Consequently, calibrated models have to be well-documented to avoid misapplication. Although careful choices of non-topographic algorithms can also be helpful to improve the model quality in regional applications, there is no definitive universal solution. The results also show that SDR models should always be calibrated and evaluated against sediment yields and SDR. With this approach, a new European soil loss map and an improved SDR model for river catchments north of the Alps and in Southeast Europe are derived. For other parts of Europe, the SDR model is of limited use. The studies on the annual variability of soil erosion reveal that seasonally weighted rainfall data is more appropriate than unweighted data. Despite satisfactory model results, neither the careful algorithm choice nor model improvements overcome the limitations of pan-European SDR models. These limitations are related to the mismatch of modelled soil loss processes and the relevant processes contributing to the observed or critical sediment load as well as the extraordinary sediment mobilisation during floods. Therefore, further research on integrating non-USLE processes and heavy-rainfall data as well as on disaggregating critical yields is needed.

Das weltweite Ausmaß der Urbanisierung zählt zu den großen ökologischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die Fernerkundung bietet die Möglichkeit das Verständnis dieses Prozesses und seiner Auswirkungen zu erweitern. Der Fokus dieser Arbeit lag in der Quantifizierung der städtischen Landbedeckung mittels Maschinellen Lernens und räumlich unterschiedlich aufgelöster Hyperspektraldaten. Untersuchungen berücksichtigten innovative methodische Entwicklungen und neue Möglichkeiten, die durch die bevorstehende Satellitenmission EnMAP geschaffen werden. Auf Basis von Bilder des flugzeugestützten HyMap Sensors mit Auflösungen von 3,6 m und 9 m sowie simulierten EnMAP-Daten mit einer Auflösung von 30 m wurde eine Kartierung entlang des Stadt-Umland-Gradienten Berlins durchgeführt. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Kombination von Support Vektor Regression mit synthetischen Trainingsdaten für die Subpixelkartierung eingeführt. Ergebnisse zeigen, dass sich der Ansatz gut zur Quantifizierung thematisch relevanter und spektral komplexer Oberflächenarten eignet, dass er verbesserte Ergebnisse gegenüber weiteren Subpixelverfahren erzielt, und sich als universell einsetzbar hinsichtlich der räumlichen Auflösung erweist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Wert zukünftiger EnMAP-Daten für die städtische Fernerkundung abgeschätzt. Detaillierte Untersuchungen unterstreichen deren Eignung für eine verbesserte und erweiterte Beschreibung der Stadt nach dem bewährten Vegetation-Impervious-Soil-Schema. Analysen der Möglichkeiten und Grenzen zeigen sowohl Nachteile durch die höhere Anzahl von Mischpixel im Vergleich zu hyperspektralen Flugzeugdaten als auch Vorteile aufgrund der verbesserten Differenzierung städtischer Materialien im Vergleich zu multispektralen Daten. Insgesamt veranschaulicht diese Arbeit, dass die Kombination von hyperspektraler Satellitenbildfernerkundung mit Methoden des Maschinellen Lernens eine neue Qualität in die städtische Fernerkundung bringen kann. / The global dimension of urbanization constitutes a great environmental challenge for the 21st century. Remote sensing is a valuable Earth observation tool, which helps to better understand this process and its ecological implications. The focus of this work was to quantify urban land cover by means of machine learning and imaging spectrometer data at multiple spatial scales. Experiments considered innovative methodological developments and novel opportunities in urban research that will be created by the upcoming hyperspectral satellite mission EnMAP. Airborne HyMap data at 3.6 m and 9 m resolution and simulated EnMAP data at 30 m resolution were used to map land cover along an urban-rural gradient of Berlin. In the first part of this work, the combination of support vector regression with synthetically mixed training data was introduced as sub-pixel mapping technique. Results demonstrate that the approach performs well in quantifying thematically meaningful yet spectrally challenging surface types. The method proves to be both superior to other sub-pixel mapping approaches and universally applicable with respect to changes in spatial scales. In the second part of this work, the value of future EnMAP data for urban remote sensing was evaluated. Detailed explorations on simulated data demonstrate their suitability for improving and extending the approved vegetation-impervious-soil mapping scheme. Comprehensive analyses of benefits and limitations of EnMAP data reveal both challenges caused by the high numbers of mixed pixels, when compared to hyperspectral airborne imagery, and improvements due to the greater material discrimination capability when compared to multispectral spaceborne imagery. In summary, findings demonstrate how combining spaceborne imaging spectrometry and machine learning techniques could introduce a new quality to the field of urban remote sensing.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welche Aspekte auf die Infrastrukturentwicklung im Abwasserbereich und insbesondere die Verbreitung alternativer Technologien auf Haushaltsebene Einfluss nehmen. Dabei werden technische, ökologische, ökonomische und soziale Wechselwirkungen zwischen der dezentralen und der zentralen Entsorgung berücksichtigt. Der Fokus liegt dabei auf dem ländlichen Raum der neuen Bundesländer. Es wird ein Simulationsmodell entwickelt, das das Verständnis über die Relevanz von Unsicherheiten in der Abwasserbeseitigung verbessern und eine Bewertung möglicher Maßnahmen hinsichtlich der Wirkung auf Gewässerschutz und Wirtschaftlichkeit erlauben soll. Zu diesem Zweck werden verschiedene Szenarien analysiert. Es zeigt sich zum einen, dass eine Verringerung der Ablauffrachten aus dezentralen Anlagen durch eine Reihe von Maßnahmen möglich ist, die in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen (Einsparpotenziale, Eigenkapitalausstattung, Umweltbewusstsein etc.) unterschiedlich wirken und daher auch situationsabhängig einzusetzen sind. Dazu gehören etwa die Entwicklung von Förderinstrumenten und Finanzierungsmodellen, ökologische Kampagnen, die Bekanntmachung von Investitionstätigkeiten, die frühzeitige Information über rechtliche Veränderungen und der gezielte Einsatz von Sanierungsanordnungen. Zum anderen können bei der zentralen Entsorgung gerade im ländlichen Raum Auslastungs- und Finanzierungsprobleme entstehen, die den weiteren Ausbau der zentralen Infrastruktur gefährden. Die Szenarien zeigen, dass daher bei der Infrastrukturplanung Unsicherheiten der Bevölkerungsentwicklung und insbesondere des spezifischen Abwasseranfalls berücksichtigt werden müssen. Eine zentrale Entsorgung ist im ländlichen Raum zu sozialverträglichen Gebühren nur unter erheblichem Fördermitteleinsatz möglich. Wichtigste Maßnahme zur Abschwächung der positiven Rückkopplung aus steigenden Gebühren und sinkendem Abwasseranfall ist die Erhebung von Grundgebühren.

Das mittlere Baruther Urstromtal und Umgebung zwischen Luckenwalde und Golßen (Brandenburg, Deutschland) ist reich an äolischen Bildungen (DE BOER, 1990). Aus einer Kombination der bekannten Dünentypen (Parabel-, Längs-, Quer- und Kupstendünen) wird eine Reihe von 6 Dünenkomplexen abgeleitet. Sie sind aus einem oder mehreren Dünentypen aufgebaut und haben eine unterschiedliche Genese, Unterschiede im Alter und der Alterssfolge sowie eine bestimmte topographische Lage. Die (oberflächig anstehenden) Talsande/Flug(deck)sande, die Alt- und die Jungdünensande werden von Fein- bis Mittelsanden gebildet. In den jeweiligen Vertikalprofilen ist nach dem Körnungsbild eine Dreiteilung zu erkennen: die "liegenden" (Urstromtalterrassen-)Sande, die Altdünensande und die "hangenden" Jungdünensande. Das Liegende der ältesten Binnendünen ähnelt den Terrassensanden sehr. Daher darf angenommen werden, daß die oberen Urstromtalsande eine starke äolische Komponente besitzen. Altersbestimmungen wurden durch relative Positionierung, Feststellungen zur Art der Bodenbildungen, archäologische Funde, Pollenanalysen sowie Karten- und Literaturstudien vorgenommen, ergänzt durch Radiokarbon- (14C-) und Thermolumineszenzdatierungen. Eine methodische Neuerung ist die automatisierte Bearbeitung der Dünnschliffbilder. Mit dem Quantimet-970-Bildverarbeitungssystem wurde die Einregelung der Längsachsen von Quarzkörnern ermittelt. Die Messungen ergaben, dass die (N)NO-(S)SW-, die ONO-WSW- und die SSO-NNW-Richtungen vorherrschen. Es ist zu vermuten, dass die wichtigsten dünenbildenden Winde im Weichselspätglazial und im Holozän aus den westlichen und südlichen Quadranten wehten, wobei Südwestwinde vorgeherrscht haben dürften. Auf Grund der Forschungsergebnisse werden 12 Phasen der Dünenbildung unterschieden. Sie vermitteln ein Bild der äolischen Prozesse und Landschaftsformen, welches mit Daten aus Niedersachsen und West-Polen größtenteils übereinstimmt. / The Central Baruth Ice-Marginal Valley and surroundings between Luckenwalde and Golßen (Brandenburg, Germany) is rich in aeolian deposits and aeolian landscape forms DE BOER (1990). From a combination of the well-known dune forms (longitudinal, transverse, parabolic and hummocky dunes) a series of 6 dune complexes can be identified. These dune complexes are built by one or several dune types and differ in genesis or building sequence, in age or age sequence as well as in topographic position. The (surficial) valley/aeolian sands, the cover sands and the drift sands are mainly composed of fine- to medium-grained fractions. Based on grain-size analysis three units can be distinguished in the studied vertical profiles: the underlying (valley terrace) sands, the cover sands ("Altdünensande") and the overlying drift sands ("Jungdünensande"). The sands of the substratum of the oldest inland dunes are very similar to these dune sands. Therefore it is accepted that the upper parts of the valley sands contain a strong aeolian component. A modernization is the automated method of long axes orientation measurements on elongated quartz grains in thin sections with the Quantimet-970 Image Analyzer. The results showed that the (N)NE-(S)SW-, the ENE-WSW- and the SSE-NNW-directions dominated. It is to be expected that the most important dune building winds during the Weichselian Late Glacial and during the Holocene were winds from the western and southern quadrants, with southwest winds most likely being the most important. Dating was done by means of relative positioning, palaeosols, archaeological finds, pollen analysis, cartographic and literature research as well as by means of the 14C- and thermoluminescence dating methods. Based on the results of this research 12 dune-forming phases have been distinguished. They give an impression of aeolian processes and landscape forms that are in accordance with dates obtained from dunes in Niedersachsen and west Poland.

Die Biodiversitätskrise des Anthropozäns wird vor allem durch vom Menschen bedingte Umweltveränderungen verursacht. Naturschutzgebiete sind ein globaler Eckpfeiler des Umweltschutzes und besonders wichtig für den Erhalt von Großsäugern. Fortschreitender menschlicher Einfluss sowie zunehmender Verlust und die Zerteilung von Lebensräumen innerhalb und außerhalb von Naturschutzgebieten beeinflussen deren Effektivität und Wert für den Umweltschutz stark, besonders in Zeiten sozioökonomischer und institutioneller Schocks mit reduzierten Ressourcen für den Umweltschutz. Der Zusammenbruch der Sowjetunion im Jahr 1991 war solch ein Schock und das Ziel dieser Doktorarbeit war es, besser zu verstehen, wie dieser Schock die Landnutzung, die Effektivität von Naturschutzgebieten und die Populationsdynamik von Wildtieren beeinflusst hat. Der europäische Teil Russlands bot sich deshalb als Untersuchungsgebiet an, da es eine vom Menschen stark beeinflusste Region ist, welche Lebensraum für Großsäuger aufweist sowie ein Netzwerk von Naturschutzgebieten besitzt, die über Langzeitdaten zur Biodiversität verfügen. Diese Doktorarbeit verwendete umfassende Datensätze und interdisziplinäre Ansätze, um die Veränderungen in Landnutzung, Jagddruck, Naturschutzgebieten, Lebensräumen und Populationsdynamiken von Wildtieren in post-sowjetischer Zeit zu beobachten und auszuwerten. Die Ergebnisse zeigen, dass der sozioökonomische und institutionelle Schock nach 1991 einen verringerten Landnutzungsdruck zur Folge hatte, bedingt durch die weit verbreitete Aufgabe von Landwirtschaft und generell abnehmende Raten von Waldeinschlag. Naturschutzgebiete spielten eine wichtige Rolle beim Schutz der Biodiversität und profitierten von vergrößerten Lebensräumen für Großsäuger. Wildtierpopulationsdynamiken waren in post-sowjetischer Zeit wesentlich beeinflusst von Landnutzungswandel und Jagddruck. Diese Forschungsergebnisse leisten einen wertvollen Beitrag zur Unterstützung des Biodiversitätsmonitorings. / The biodiversity crisis of the Anthropocene era is mainly caused by human-induced environmental changes such as land-use change and the overexploitation of wildlife. Protected areas are a cornerstone of the global conservation efforts and particularly important for preserving large mammals. Increasing human impact and continued loss and fragmentation of wildlife habitats inside and outside protected areas strongly affect their effectiveness and conservation value, especially during times of socio-economic and institutional shocks with reduced resources for nature conservation. The breakdown of the Soviet Union in 1991 was such a shock and the overall aim of this thesis was to contribute to a better understanding of how this shock affected land use, protected area effectiveness, and wildlife dynamics in European Russia. European Russia served as a representative area for such a study as it is a human-dominated region, which harbors large mammal species and a long-established network of scientific protected areas providing long-term biodiversity data. The overall aim of this thesis was assessed by using a broad range of data and interdisciplinary approaches to monitor and evaluate changes in land use and hunting pressure, protected areas, wildlife habitats, and species population dynamics in post-Soviet times. The results of this thesis revealed that the socio-economic and institutional shock after 1991 resulted in reduced land-use pressure due to widespread farmland abandonment and overall lowered rates of forest logging in European Russia. Protected areas played an important role in halting threats to biodiversity and benefitted from increased large mammals’ habitat within their zone of interaction. Wildlife dynamics were significantly affected by land-use change and hunting pressure in post-Soviet times. The findings of this thesis provide a valuable contribution to support biodiversity monitoring and overcome knowledge gaps on biodiversity conservation.