Ziel dieser Dissertation ist, Wissensdefizite im Bereich der Bioirrigation von Süßwassersedimenten abzubauen. Als Untersuchungsorganismus wurde Chironomus plumosus ausgewählt weil diese weit verbreitete Larve ihre U-förmigen Röhren mit Überstandswasser durchspült und so Nahrung aus dem Wasser filtriert. Um Bioirrigation in Wohnröhren mit einem Durchmesser von ca. 1,7 mm zu untersuchen, wurden geeignete Messmethoden entwickelt, mit denen für das 4. Larvenstadium die Parameter Fließgeschwindigkeit (14,9 mm/s), Pumpzeit (33 min/h) und Pumprate (61 ml/h) gemessen wurden. Bei einer Populationsdichte von 745 Larven/m2 kann somit ein Wasservolumen äquivalent zum Volumen des Müggelsee in Berlin, innerhalb von 5 Tagen durch das Sediment gepumpt werden. Die Positronen-Emissions-Tomographie wurde für die Sedimentanalytik adaptiert und der Transport im Porenwasser analysiert. Mit den Untersuchungen wure gezeigt, dass auch in schlammigen Seesedimenten ein advektiver Transport durch Bioirrigation verursacht wird, der nicht zu vernachlässigen ist. Steigende Temperaturen resultieren aufgrund steigender Fließgeschwindigkeit in einen signifikanten Anstieg der Pumprate sowie der Eintragsrate von Überstandswasser ins Sediment. Ein abfallender Sauerstoffgehalt verlängert die Pumpzeit und führt zu einer sinkenden Fließgeschwindigkeit. Außerdem wird aus den Untersuchungen eine jahreszeitliche Variabilität der Bioirrigation sichtbar, welche unabhängig von konstanten Laborbedingungen auftritt. Mit dem Wasserstrom werden Porenwasserspezies wie SRP in den Wasserkörper abtransportiert, wohingegen SO42- und O2 aus dem Überstandswasser in das Sediment eingetragen werden. Ferner kommt es zur Oxidation von Fe2+ infolgedessen Phosphat im Sediment festgelegt wird, wie mittels P-Fraktionierung gezeigt werden konnte. Mikrobiologische Untersuchungen zeigten, dass Bioirrigation die mikrobielle Abundanz steigert, die Bakteriengemeinschaft verändert und das Potential zur enzymatischen Hydrolyse erhöht. / The aim of this thesis is to fill gaps of knowledge regarding bioirrigation in freshwater sediments. Chironomus plumosus was chosen for the investigations since the filter-feeding larva dwelling in U-shaped burrows is quite common and flushes its burrow with water from the overlying water body. To investigate bioirrigation activity in burrows of approximately 1.7 mm in diameter appropriate measurement techniques were developed. With the methods several parameters were measured for 4th stage of larvae: flow velocity (14.9 mm s-1), pumping time (33 min h-1), and pumping rate (61 ml h-1). Consequently, a water volume equivalent to the volume of Lake Müggelsee in Berlin is pumped through the sediment every 5 days by a population density of 745 larvae m-2. The nuclear medicine imaging technique Positron Emissions Tomography was adapted and used to analyze the transport in the sediment pore water. By means of the experiments, it could be shown that even in muddy lake sediments advection is a relevant transport process and should not be neglected. Rising temperatures result in increased pumping rates and increased influx rates of surface water into the sediment due to increased flow velocities in the burrows. Dropping oxygen concentrations prolong the pumping duration while the flow velocity decreases. Furthermore, experiments show a seasonal variability of bioirrigation which is independent of constant laboratory conditions. Pore water species such as SRP are transported with the water flow into the overlying water body, whereas SO42- and O2 are transported from the overlying water into the sediment. Due to the oxidation of Fe2+, phosphorus is fixed into the sediment, a result confirmed by P-fractionation. Microbiological investigations of the burrow walls demonstrated that the bioirrigation activity enhances the microbial abundance, changes the community structure, and increases the potential of enzymatic hydrolysis.

Auf dem Luftbildsektor vollziehen sich seit einigen Jahren grundsätzliche Veränderungen. Digitale flugzeuggetragene Kamerasysteme und hochauflösende Satellitensysteme bieten neue Potentiale der Datenakquise und -auswertung. Diese digitalen Datensätze werden in absehbarer Zeit das herkömmliche Luftbild ersetzen und Kartographie, Photogrammetrie und Fernerkundung erheblich verändern. Die neue Generation von digitalen Kameras wird zwei zentrale Bereiche der Kartographie einschneidend beeinflussen: Die Orthokartenherstellung und die Kartenaktualisierung. Der Bedarf aktueller Geobasisdaten macht Orthobilder besonders für Geoinformationssysteme interessant. Bisher standen als Basisdaten für Orthobildkarten großer Auflösung (> 1:10 000) lediglich Luftbilder zur Verfügung. Es wird gezeigt, daß die digitalen Daten der neuen Kamerageneration zur Erstellung von Orthobildkarten operationell einsetzbar sind. Durch die automatisierte Prozessierung werden sie den Anforderungen an schnelle aktuelle Kartenprodukte gerecht, mit ihrer hochgenauen Navigation bieten die digitalen Systeme die automatisierte Erstellung geometrisch sehr genauer Datensätze, die mit herkömmlichen Mitteln nur sehr aufwendig erreicht werden könnten. Ein Vergleich mit Luftbildern zeigt und bewertet die Unterschiede beider Aufnahmesysteme. Untersucht wurden Datensätze der digitalen Kamera HRSC-A des DLR Adlershof. Mit der HRSC-A (High Resolution Stereo Camera - Airborne) und der speziell für die Prozessierung dieser Daten entwickelten Software steht den Geoinformationsnutzern erstmals ein operationelles System zur Verfügung, das vollständig digital und vollautomatisch hochauflösende Orthobilddaten produziert. Die Pixelauflösung liegt zwischen 10 und 40 cm (Flughöhe von 2500 bis 10 000 m). Als vorteilhaft für die Analyse erweist sich die gleichzeitige Verfügbarkeit von hochauflösenden panchromatischen und multispektralen Datensätzen, die Verfügbarkeit eines hochauflösenden Geländemodells (x,y: 50 cm bzw. 1m, z: 10 cm) und die hohe Genauigkeit der Datensätze. Die Arbeit diskutiert die Problematik einer automatisierten Auswertung hochauflösender Daten. Diese Datensätze stellen neue Anforderungen an Auswertungsverfahren. Der Detailreichtum erschwert die Interpretation, gröbere räumliche Auflösungen glätten die Komplexität innerhalb heterogener Landnutzungen (besonders in urbanen Gebieten) und erleichtern so eine automatische Interpretation. Es wird gezeigt, daß "klassische" Auswertungsmethoden wie pixelbasierte Klassifizierungen (überwacht oder unüberwacht) zur Auswertung der hochauflösenden Daten nur bedingt geeignet sind. Im Rahmen der Arbeit werden zwei neue Ansätze entwickelt und untersucht, die nicht mehr pixelweise, sondern flächenhaft und objektorientiert arbeiten. Ein per-parcel-Ansatz zeigt gute Ergebnisse bei der Auswertung. Das Verfahren ermittelt zunächst mittels einer unüberwachten Klassifizierung Szenekomponenten in definierten Untereinheiten (parcel), die den Inhalt des Datensatzes repräsentieren. Die klassifizierten Pixel innerhalb der definierten parcel-Einheiten werden anschließend extrahiert und ihr Verhältnis zueinander weiter ausgewertet. Ergebnis ist zunächst die prozentuelle Verteilung der Szenekomponenten in den Einheiten, anschließend werden Zusammenhänge zwischen den vorhandenen Komponenten und der Landoberfläche definiert. Untersucht wurde ferner ein objektorientierter Ansatz, der die Interpretation von Einzelobjekten erlaubt. Hierbei wird das Bild in homogene Objekte segmentiert, die die Grundlage für die weitere Analyse bilden. Der diskutierte Ansatz besteht aus zwei Strategien: Mittels multiskalarer Segmentierung wird der Bilddatensatz zunächst in Einheiten strukturiert, verschiedene Maßstabsebenen sind gleichzeitig verfügbar. Grundidee ist die Schaffung eines hierarchischen Netzes von Bildobjekten. Diese gefundenen Einheiten werden anschließend spektral mittels Nearest Neighbour oder wissensbasiert mittels Fuzzy Logic Operatoren klassifiziert. Der Ansatz zeigt überzeugende Ergebnisse bei einer automatisierten Hauserkennung und der Aktualisierung bestehender Vektordatensätze. Die Einteilung der Bilddaten in Segmente, also zunächst eine Abstrahierung der Information vom Einzelpixel zu größeren semantischen Einheiten und die weitere Bearbeitung dieser Segmente erwies sich als sinnvoll. Es wurde ferner gezeigt, daß für die Analyse in städtischen Räumen die Einbeziehung von Oberflächeninformation unbedingt erforderlich ist. Durch die spektrale Ähnlichkeit von Bildelementen bietet die Einbeziehung des Oberflächenmodells die Möglichkeit, mittels einer zusätzlich bekannten Information über die Höhe der Objekte, diese Klassen zu trennen. / Remote sensing goes through times of fundamental changes. New digital airborne camera systems offer new potentials for data aquisition and interpretation. These data sets will replace aerial photography in the near future and change photogrammetry, cartography and remote sensing. The new camera generation will influence two central domains of cartography: Orthomap production and map updating. As a base for in-time updating orthomaps became more and more important. Up to now large scale mapping (scales > 1:10,000) is done nearly exclusively with aerial photographs. It can be shown that the digital data sets of the new camera generation can be used operationally for the production of orthomaps. A fully automated processing line provides the ortho images very shortly after aquisition, due to the used high precision navigation system the accuracy of the data is very high, even very big scales can be realized. A comparison of digital cameras and aerial photos discusses and rates the properties of the different aquisition systems and data sets. For interpretation data sets of the digital camera HRSC-A were used. The High Resolution Stereo Camera - Airborne (HRSC-A) digital photogrammetric camera and its processing software provides the geoinformation industry for the first time with an entirely digital and fully automatic process to produce highly accurate digital image data. The pixel size ranges between 10 and 40 cm (flight altitude 2500 - 10,000 m). The airborne camera combines high resolution, photogrammetric accuracy and all-digital acquisition and provides both multispectral and elevation information. The pushbroom instrument provides digital ortho-images and digital surface models with an accuracy of 10-20 cm. The use of this wide range of image information showed to be very helpful for data analysis. This investigation focuses on the problems of automated interpretation of high-resolution data. These data sets make high demands on automated interpretation procedures. The richness of details depicted in the data sets complicates the interpretation, coarser spatial resolutions smooth out spatial complexity within heterogeneous land cover types, such as urban, and make an automated interpretation easier. This report shows that conventional interpretation techniques like pixelbased classification (supervised or unsupervised) do not lead to satisfactory results. Two new object-oriented and region-oriented approaches for the interpretation of high resolution data sets were developped and discussed. The parcel-based approach showed good results in interpretation of the data. The proposed methodology begins with an unsupervised per-pixel classification to identify spectral clusters which represent the range of scene components present in the pre-defined land parcels. The per-parcel analysis extracts the pixels classified as scene components within the land parcel under examination and calculates the total numbers and fractions for each scene component present. To identify land cover types not represented by scene components at the land parcel level, it is necessary to process the scene component information and infer relationships between the scene components present and land cover type. A set of rules was devised to identify a range of land cover types from the mixtures of scene components found within each land parcel. Secondly an object-oriented and multi-scale image analysis approach was used for the interpretation of single objects. The procedure contains two basic domains. The strategy is to build up a hierarchical network of image objects which allows to represent the image information content at different resolutions (scales) simultaneously. In a second step the image objects were classified by means of fuzzy logic, either on features of objects and/or on relations between networked objects operating on the semantic network. The procedure showed very good results in detecting houses and updating vector data sets. Segmenting the data in semantic units and performing further analysis on these units showed to be very helpful for interpretation. It could be shown that for analysis of urban areas the use of a Digital Surface Model is necessary. Due to the spectral similarities of image elements the elevation information offers an important additional tool for analysis.

Oberflächennahe Prozesse werden durch die dynamischen Eigenschaften der Bodenoberfläche besonders beeinflusst. Zwar sind die kausalen Zusammenhänge dieser Prozesse weitestgehend bekannt, doch gibt es einen Mangel an verfügbaren Datenquellen und Erhebungsmethoden, die es erlauben, die Prozesse auf unterschiedlichen Skalen zu quantifizieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, das Potential ausgewählter moderner Fernerkundungstechnologien zu bewerten, relevante Bodeneigenschaften zu quantifizieren und damit das Verständnis von oberflächennahen Prozessen in degradierten Landschaften zu verbessern. Das Studiengebiet befand sich in einer Rekultivierunglandschaft des Niederlausitzer Braunkohletagebaus Welzow-Süd. Die Größe von 4 ha ermöglichte eine umfassende, interdisziplinäre und multi-temporale Analyse der Bodeneigenschaften auf Grundlage von Fernerkundungsmethoden sowie hydrologischen und bodenkundlichen Feld- und Labormessungen. Die Quantifizierung der Bodenfeuchte als eine entscheidende Variable für Infiltrations- und Abflussprozesse war das Ziel von labor- und feldspektroskopischen Messungen sowie von hyperspektralen Flugzeugscanner-Messungen. Der hierbei entwickelte Normalized Soil Moisture Index (NSMI) wurde als optimales Quantifizierungsmodell für Oberflächen-Bodenfeuchte im Feld ermittelt. Bodenrauhigkeit wurde in hoher Präzision durch Anwendung eines stationären Laserscanners gemessen und in Form neuartiger multi-skalarer Indizes quantifiziert. Die Analyse der raum-zeitlichen Verteilungen ermöglichte die Identifizierung von Rauhigkeitsmustern, die unter dem Einfluss der Erosion im Feld entstanden. Diese Arbeit entwickelte neuartige Methoden und Indizes zur Quantifizierung von Oberflächen-Bodenfeuchte und Rauhigkeit im Feld. Für die Zukunft verspricht deren Anwendung die Entwicklung eines tieferen Verständnisses von Bodenerosionsprozessen sowie die Sammlung wertvoller Daten durch Monitoring- und Modellierungskampagnen. / Soil processes taking place in the context of erosion and land degradation are highly dependent on the properties of the surface. While the causes and effects of such processes are commonly well understood on a conceptual level, there is a lack of adequate data sources allowing for their quantification at various spatial scales. The main goal of this thesis was to assess the role of state-of-the-art remote sensing methods for the quantification of soil properties with the aim to improve the understanding of surface processes taking place in a degraded landscape. The chosen study area of 4 ha size located in a lignite mine in eastern Germany allowed for a comprehensive, interdisciplinary and multi-temporal analysis of surface properties based on remote sensing, pedological and hydrological measurements. The quantification of surface soil moisture as an important variable for infiltration and runoff processes has been the objective in laboratory and field spectroscopic experiments as well as in airborne hyperspectral measurements. The newly developed Normalized Soil Moisture Index (NSMI) was identified as the most robust quantifier for surface soil moisture in the field. Surface roughness was successfully quantified at high precision in form of novel multiscale indices derived from datasets collected with a stationary laser scanning device. The analysis of spatiotemporal roughness distributions allowed for the detection of distinct patterns that developed under the influence of soil erosion in the field. The thesis developed a set of methods and indices that successfully implement the quantification of surface soil moisture and roughness in the field. For the future, the application of these methods promises further insights into the details of soil erosion processes taking place as well as the collection of invaluable datasets to be used for soil erosion monitoring and modeling campaigns.

Hitzestress beeinflusst nicht nur das Wohlbefinden, sondern vor allem auch die menschliche Gesundheit. Während Hitzestress im Außenraum bereits detailliert untersucht wurde, gibt es nur wenige Studien, welche sich mit thermischen Belastungen im Innenraum befassen. Dabei hält sich die Bevölkerung der Industriestaaten im Durchschnitt durchschnittlich 90 % des Tages im Innenraum auf. Analysen der klimatischen Bedingungen im Innenraum sind essenziell, um zugrundeliegende Prozesse zu verstehen, die Auswirkungen auf den Menschen zu erfassen und passende Anpassungsstrategien entwickeln zu können. Ziel der Arbeit ist es daher, verschiedene Innenraumklimata zu untersuchen und zu bewerten. Zur Untersuchung ihrer Charakteristika wurden Räume ohne Nutzerverhalten innerhalb eines Gebäudes bemessen und analysiert. Die Ergebnisse wurden dann verwendet, um ein detailliertes Innenraummesssystem zu entwickelt und an verschiedenen Standorten in Berlin aufzubauen. Die erhobenen Daten wurden dann verwendet, um die Variabilität von Hitzestress im Innenraum zeitlich und räumlich anhand des UTCI (Universal Thermal Climate Index) zu untersuchen. Den Abschluss bilden umfangreiche Analysen zu den Einflüssen von Innenraum- und Außenraumtemperaturen auf die Mortalität mittels Generalisierter Additiver Modelle (GAM). Die Ergebnisse zeigen, dass Hitzestress im Innenraum eine ernstzunehmende Gefahr darstellt. Alle Untersuchungsräume weisen hohe thermische Belastungen auf. UTCI Werte im Innenraum schwanken innerhalb eines Gebäudes und weisen im Vergleich zum Außenraum sehr hohe Belastungswerte während der Nacht auf. Die höchsten Werte wurden in modernen Gebäuden mit großen Fensterflächen ermittelt. Bezüglich der unterschiedlichen Einflussfaktoren auf das Innenraumklima konnte das Außenklima als wichtigste Einflussgröße bestätigt werden. Des Weiteren zeigt sich, dass die Innenraumtemperatur im Vergleich zur Außenraumtemperatur ein ebenso guter Prädiktor für Mortalität ist. / Heat stress influences not only the comfort of humans but also human health. Heat stress in outdoor environments has been investigated extensively, whereas only a few studies have focused on indoor environments. People in industrialized countries spend approximately 90 % of their day in confined spaces. Analyses of indoor climatic conditions are essential to understanding the underlying processes, determining the impacts on humans and developing appropriate adaptation measures. The aim of this work is to investigate and assess different indoor climates and provide a valuable contribution to future research questions. To analyze indoor climate characteristics or, rather, the influence of different meteorological parameters, the indoor climate in four rooms in one building without user behavior was measured and examined. The results were used to establish a detailed indoor measurement system at different study sites distributed over Berlin. The gathered data were then used to assess indoor heat stress variability on a temporal and spatial scale using the UTCI (Universal Thermal Climate Index). Finally, an extensive analysis of the influence of indoor climate and outdoor climate on mortality was conducted by applying generalized additive models (GAM). The results indicate that indoor heat stress is a severe threat. All study rooms experienced high thermal loads, regardless of the building type they were located in or their location within the building. Indoor UTCI values varied within buildings and further exhibited very high heat stress levels during night compared to outdoors. The highest values were measured in modern buildings with a high percentage of windows. Among the different driving factors of indoor climate, outdoor climate was confirmed to have the highest impact. Moreover, this thesis shows that indoor air temperature is an equally good predictor of mortality compared to outdoor climate.

An einer rieselfeldbürtigen Altlast werden Ausbreitungs- und Abbaumechanismen von Ammonium basierend auf hydrogeochemischen Parametern und stabilen Isotopen identifiziert und modelliert. Da das Rieselfeld seit fast 20 Jahren geschlossen ist, können auch die Dekontaminationsprozesse untersucht werden. Die Ammoniumausbreitung wird durch Kationenaustausch gesteuert, der durch Eintrag und Akkumulation von abwasserbürtigem organischem Material (OM) zusätzlich erhöht ist. Die stabilen Isotope von Ammonium und Nitrat zeigen vollständigen Abbau des reaktiv verfügbaren Ammoniums durch Nitrifikation in der aeroben Zone direkt an der Schadstoffquelle an. Das entstehende Nitrat wird abstromig durch heterotrophe Denitrifikation abgebaut. Wie die reaktive Stofftransportmodellierung zeigt, sind die am oberen Rand der Fahne im Abstrom des Rieselfeldes auftretenden erhöhten delta15N-Signaturen von Ammonium entweder auf dortige Nitrifikation oder Anammox nahe der Schadstoffquelle zurückzuführen. Das akkumulierte OM liefert durch seine Austauschwirksamkeit zusätzliches Ammonium während der Dekontaminationsphase. Andererseits ermöglicht eingelöstes DOC die Entfernung des sekundären Nitrats durch heterotrophe Denitrifikation. Sollte OM aufgebraucht werden, besteht die Gefahr der Ausbreitung von Nitrat. Sollte innerhalb der Ammoniumfahne Sulfidminerale akkumuliert worden sein, bestünde dann die Gefahr erhöhter Sulfatfrachten durch autotrophe Denitrifikation. Es kann gezeigt werden, dass mit einem reaktiven Multikomponenten-Transportmodell das Langzeitverhalten von Ammonium im Feldmaßstab besser simuliert werden kann als mit einem auf Sorptionsisothermen (Henry, Freundlich) beruhenden Transportmodell. Prognosesimulationen liefern einen deutlich längeren Dekontaminationszeitraum bei Verwendung des reaktiven Modells. Die Anwendbarkeit der Sorptionsisothermen im Feldmaßstab ist deshalb, vor allem bei der Ermittlung von Dekontaminationszeiträumen, grundsätzlich in Frage zu stellen. / Using the example of a contaminant site caused by sewage farm operation ammonium fate and attenuation are identified and modelled based upon hydrogeochemical parameters and stable isotopes. A feature of the site is the chance to investigate the decontamination processes in a contaminant source, which was closed 20 years ago. The ammonium plume migration is controlled by cation exchange, which is increased due to infiltration and accumulation of sewage based organic matter (OM). Complete nitrification of available, i.e. desorbed, ammonium in the aerobic zone directly below the sewage farm is detectable based upon stable isotopes of ammonium and nitrate. The secondary nitrate is degraded downstream the contamination source by heterotrophic denitrification. It is shown by reactive contaminant transport modelling, that increased delta15N signatures at the upper fringe of the plume downstream of the source are caused by nitrification on site or by Anammox close to the contaminant source. The exchange affecting accumulated OM cause a release of additional ammonium. On the other hand DOC dissolved from OM facilitates degradation of secondary nitrate due to heterotrophic denitrification. In the case of depleted OM the risk of nitrate migration is arising. In the case of accumulated sulphide minerals which are precipitated due to redox processes during the sewage water infiltration, there may be a risk of increased sulphate loads due to autotrophic denitrification. It can be shown that a reactive multicomponent transport model is better suited to simulate the long term migration of ammonium in field scale than a transport model based on sorption isotherms (Henry, Freundlich). With regard to the aquifer decontamination the application of the reactive transport model yields a longer future decontamination period than the simple retardation model. Hence the applicability of sorption isotherms in field scale is doubtful, especially for investigations of aquifer decontamination.

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