In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten einer Nutzung thermal-infraroter Wellenlängen zur fernerkundlichen Erfassung/Quantifizierung von Bodenparametern vorgestellt. Die Studie basiert auf Bodenproben des Untersuchungsgebietes Mullewa, welches sich in einer semiariden Agrarregion im West-Australischen Weizengürtel befindet. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Bewertung des langwelligen Infrarots (LWIR), innerhalb des atmosphärischen Fensters zwischen 8 und 14 Mikrometer, bezüglich seines spektralen Potentials für die quantitative Ableitung des Ton- und Sandgehaltes sowie des Gehaltes an organischem Kohlenstoff (SOC). Zur Abschätzung der Effizienz wurden die Ergebnisse des LWIR einer Quantifizierung aus dem herkömmlich gebrauchten solar-reflektiven Wellenlängenbereichs zwischen 0,4 und 2,5 Mikrometer (VNIR-SWIR) gegenübergestellt. Mit verschiedenen Methoden der Laborspektroskopie wurden Bodenproben aus dem Untersuchungsgebiet im thermalen (Emissions-FTIR-Spektroskopie und direktional-hemisphärische Reflexions- (DHR) Spektroskopie)und im solar-reflektiven (Diffuse Reflexions-Spektroskopie) Wellenlängenbereich eingemessen und anschließend auf ihren Informationsgehalt hin untersucht. Die quantitative Modellierung der pedologischen Parameter aus den gemessenen spektralen Signaturen wurde mithilfe einer multivariaten Regressionsanalyse (Partial Least Squares Regression – PLSR) realisiert. Diese Grundlagenstudie konnte zeigen, dass die spektralen Voraussetzungen im LWIR für ein mögliches Monitoring der Bodenparameter mit thermalen Fernerkundungsdaten gegeben sind. Die Arbeit demonstriert darüber hinaus, dass für die Erfassung/Quantifizierung der Textur-Parameter (Sand- und Tongehalt) der relevante spektrale Informationsgehalt im LWIR deutlich höher ist als im VNIR-SWIR. / This study embraces the feasibility of using the thermal infrared wavelength region for future remote sensing applications to detect/quantify soil parameters. The research is based on soil samples from the semiarid agricultural area of Mullewa, located within the wheat belt of Western Australia. The main focus of this study is to assess the potential of the longwave infrared (LWIR), within the atmospheric window between 8 and 14 micrometer, to predict the content of sand, clay and organic carbon (SOC) in soils. The results are compared with predictions made with the traditionally used solar-reflective wavelength region (visible, VIS: 0.4 - 0.7 micrometer; near infrared, NIR: 0.7 - 1.1 micrometer; shortwave infrared, SWIR: 1.1 - 2.5 micrometer). Using laboratory spectroscopy, the Mullewa soil samples were measured, both in the thermal infrared (emission FTIR spectroscopy and directional hemispherical reflection (DHR) spectroscopy) and in the solar-reflective (diffuse reflection spectroscopy) wavelength region. This data was analyzed to determine the relevant content of information for the soil parameters. Multivariate regression analyses (partial least squares regression - PLSR) were used to quantitatively model the soil parameters from the spectral signatures. This basic research demonstrated that the spectral requirements in the LWIR are met for monitoring these soil parameters with thermal remote sensing instruments. Furthermore the study found that the relevant spectral information for the detection/quantification of the sand- and the clay content (textural parameters) is explicitly higher in the LWIR than in the VNIR-SWIR.

gekürzte Zweitveröffentlichung / Moorböden sind wirksame Speicher für Kohlenstoff (C) und damit bedeutend für das globale Klima. Naturnahe Moorböden mit hohen Wasserständen können beträchtliche Mengen an C akkumulieren. Durch Entwässerung verlieren sie ihre Netto-Senkenfunktion und setzen verstärkt C frei. Neben äußeren Umweltbedingungen spielt die Qualität der organischen Bodensubstanz (OBS) die entscheidende Rolle bei der C-Freisetzung aus Moorböden. Gegenwärtig fehlen allerdings detaillierte Daten, die Aussagen zur Qualität der OBS und zur potentiellen C-Freisetzung erlauben. Die vorliegende Arbeit untersucht die Qualität der OBS und das C-Freisetzungspotential ausgewählter Moorböden in Abhängigkeit von Bildungsbedingungen und Entwässerungsintensitäten mit unterschiedlichen methodischen Ansätzen. Mittels Infrarotspektroskopie konnten deutliche Unterschiede in den Absorptionsspektren zwischen Nieder- und Hochmoortorfen und zwischen unterschiedlich stark entwässerten Torfen gefunden werden. Um das C-Freisetzungspotential zu untersuchen, wurde die labile Fraktion der OBS bestimmt. Dafür wurde eine Methode zur Heißwasserextraktion organischer Böden entwickelt, die erfolgreich an Torfen unterschiedlicher Moorstandorte angewendet werden konnte. In einem weiteren Schritt wurde das Verhältnis von Gesamt-C zu OBS von Moorbodenhorizonten bestimmt. Die dabei gefundenen Abhängigkeiten von der jeweiligen Torfart und der Entwässerungsintensität belegen die Notwendigkeit für angepasste Umrechnungsfaktoren, um Fehler bei C-Bilanzierungen zu vermeiden. Außerdem wurde ein Entscheidungssystem zur Moortypenklassifikation sowie zur Berechnung der C-Speichermengen und C-Freisetzungspotentiale für Moorflächen unbekannten Typs entwickelt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können zu einem besseren Verständnis von stofflichen Transformationen in Moorökosystemen beitragen. / Peatland soils store huge amounts of organic Carbon (C) and play a substantial role in the global climate system. Undisturbed peatlands with high water-tables accumulate significant C amounts. Through drainage, they change from C-sinks to C-sources. Beside various environmental factors, the quality of soil organic matter (SOM) strongly affects C-release out of peatland soils. Detailed data on SOM quality and potential C-release is currently missing. The present study investigates the quality of SOM and the C-release potential of selected peatland soils depending on building conditions and drainage intensities using various methodical approaches. With infrared spectroscopy, differences in absorption bands between fen and bog peats, as well as between peats under different influence of drainage could be found. The C release potential was investigated by determination of the labile fraction of SOM. For this purpose, a method for the hot-water-extraction of organic soils was developed and could successfully be applied for peats out of different sites. Additionally, organic C in relation to SOM was studied which showed clear relationships with peat types and level of drainage and demonstrates the need for an individual adaption of conversion factors when assessing C stocks. Furthermore, a decision support system for the determination of hydrogenetic mire types and the calculation of C-storages and C-release potentials of unknown peatland areas was developed. The results of the present study may contribute to a better understanding of organic matter transformation in peatlands.

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.

Die Arktis erwärmt sich mehr als 3x so schnell wie der globale Durchschnitt, was zu Permafrostdegradation führt. Permafrostdegradation führt zu einer Absenkung des Bodens mit erheblichen Veränderungen der Landoberfläche (VdL), die tiefgreifende ökologische Folgen haben und Infrastruktur-Stabilität bedrohen. Fernerkundungsdaten ermöglichen die Erkundung von VdL und Störungen in weiten Regionen. Erste Anzeichen von Permafrostdegradation zu detektieren, bleibt jedoch eine Herausforderung auf Grund ihrer kleinen räumlichen Skalen und hohen zeitlichen Variabilität. Die zunehmende Verfügbarkeit hochauflösender Bilddaten erfordert zudem nachhaltige Ansätze für deren effiziente Verarbeitung. Auch ist es wichtig, die Anfälligkeit von Infrastruktur im Kontext dieser VdL und die potenziellen ökologischen Folgen im Falle eines Infrastruktur-Versagens zu verstehen. Meine Dissertation widmete sich diesen Herausforderungen am Beispiel Alaskas (U.S.A.). Die drei Studien hatten folgende Ziele: (i) Erkennung und Quantifizierung von VdL, im Kontext von Permafrostdegradation, unter Nutzung hochauflösender Fernerkundungsdaten und Bewertung ihrer Bedrohung für Infrastruktur und (ii) Identifizierung von Infrastrukturelementen mit entscheidender Bedeutung für die Bevölkerung Alaskas, um deren Anfälligkeit für Permafrostdegradation einschätzen zu können. Das Ergebnis sind (i) zwei skalierbare, weitgehend automatisierte, leicht zugängliche methodische Rahmen, die erfolgreich VdL und Erosionsprozesse an Seeufern erkennen und quantifizieren. Außerdem erstellte ich (ii) ein umfassendes Inventar kritischer Infrastruktur und vom Menschen beeinflusster Gebiete, das über industrielle und wirtschaftliche Bedeutung hinausgeht. Dieses Inventar beruht auf der Integration verschiedener Quellen, wodurch eine eingehende Analyse der Anfälligkeit der Infrastruktur für Permafrostdegradation und ökologischen Folgen möglich wird, die im Falle eines Versagens der Infrastruktur entstehen können. / The Arctic is warming more than 3x faster than the global average, leading to permafrost degradation. When permafrost thaws, it results in ground subsidence and causes substantial land surface changes, which have profound ecological consequences and pose a threat to infrastructure stability. Remote sensing data allows us to explore land surface changes and disturbances across regions, yet early detection of permafrost degradation remains challenging due to its small-scale occurrence and high temporal variability. Further, the increasing availability of high-resolution imagery requires a sustainable framework to efficiently process these data. Also, it is essential to understand the vulnerability of infrastructure in context of these land surface changes and the potential ecological consequences that may arise in the event of infrastructure failure. In my thesis, I addressed these challenges focusing on the U.S. state of Alaska. I conducted three studies with the objectives to (i) detecting and quantifying the trajectories of land surface changes attributed to permafrost degradation using very high-resolution remote sensing data and assessing their threat to infrastructure, and (ii) identifying infrastructure elements critical to the Alaskan population to allow an estimation of their vulnerability to permafrost degradation. As a result of my research, I developed (i) two scalable, widely automated and easily accessible frameworks that successfully detect and quantify land surface displacements and shoreline erosion processes attributed to permafrost degradation. Additionally, (ii) I have compiled a comprehensive inventory of critical infrastructure and human-impacted areas, extending beyond economic and industrial importance. I created this inventory by integrating different data sources, allowing for an in-depth analysis of infrastructure vulnerability to permafrost degradation and the ecological consequences that may arise in the event of infrastructure failure.

Der Übergang vom fossilen Zeitalter hin zu einer kohlenstoffarmen Zukunft mit erneuerbaren Energien erfordert eine tiefgreifende Transformation, Reorganisation und Neukonfiguration des sozio-ökologischen Stoffwechsels, der insbesondere eine tiefgreifende raumzeitliche und politische Veränderung darstellt. Diese Arbeit analysiert diesen Wandel, indem sie die Rolle thermodynamischer Narrative untersucht, die im Zusammenhang mit der Elektrifizierung des Kapitalismus im Deutschland des endenden 19. Jahrhunderts aufgekommen sind. Sie geht der Frage nach, welche Bedeutung diese thermodynamischen Narrative für die lokale Umstrukturierung der Mensch-Umwelt-Beziehung in der kohlenstoffarmen Energiewende weiterhin haben. Anhand eines neuartigen Analyserahmens, genannt ‚kritische Thermodynamik‘, der diese miteinander verbundenen Beziehungen in einem historisch-materialistischen Kontext analysiert, werden drei Hauptargumente vorgebracht. Erstens führt eine thermodynamische Narration mit ihren materiellen Implikationen das menschliche Streben nach "grüner" Energie in einen gegenwärtigen Zustand, auf dem die wissenschaftlichen und politischen Einzelheiten eines zukünftigen Natur-Energie-Beziehung aufbauen. Zweitens, in der gegenwärtigen Phase der Energiewende produziert das Kapital aufgrund des Fokus auf die effiziente Verteilung erneuerbarer Energien neue ökonomische Formationen in Prozessen der ökologischen Modernisierung. Dabei wird die Energieflexibilität als zentrales Terrain für die Aufrechterhaltung eines Status Quos als Ausgleich infrastruktureller Defizite herausgearbeitet. Drittens steuert der Staat die Energiewende durch experimentelle Ansätze, die dem Kapital einen technokratischen Raum für seine notwendigen socio-ecological fixes bieten sollen. / The transition from the fossil fuel era to a low-carbon future of renewable energy requires profound transformation, reorganisation, and reconfiguration of the socio-ecological metabolism. Since this metabolism was initially built upon centralised thermal power plants, the move to a future system that predominantly lives of ‘green megawatts’ from decentralised renewable energy sources represents a major spatiotemporal and political shift. This thesis analyses such a shift by investigating the role of thermodynamic narratives, which emerged in the context of electrification of capitalism in Germany at the end of the 19th century. It addresses the question of how these thermodynamic narratives continue to matter for the localised restructuring of the human-environmental relationship in the low-carbon energy transition. Through a novel framework of ‘critical thermodynamics’, which analyses these interconnected relations through a historical materialist framework, the thesis makes three main arguments. First, a thermodynamic narrativity along with its material implications guides the human quest for abundant ‘green’ energy into the contemporary conjuncture on which the scientific and political specificities of the future nature-energy relationship are built. Second, because of a focus on the efficient distribution of renewable energy in the current phase of the energy transition, capital produces new economic formations in wider processes of ecological modernisation. Here, energy flexibility is exposed as a central terrain for maintaining a status quo despite infrastructural shortcomings. Third, the state guides the energy transition through experimental approaches, intended to provide a technocratic space for capital to perform its necessary socio-ecological fixes.

In vielen Städten erfordern fortschreitende Urbanisierung und Klimaerwärmung ein besseres Verständnis des urbanen Wasserkreislaufes zur Entwicklung nachhaltiger Wassernutzungskonzepte. Jedoch erschwert die Komplexität urbaner Wasserflüsse die Nutzung hydrologischer Tracer. In dieser Arbeit werden stabile Isotope des Wassers, hydrochemische und -klimatische Daten genutzt, um die Wasserverteilung und -speicherung in Berlin in den Trockenjahren 2018–2020 zu untersuchen. Auf kleinräumiger Skala wurden Unterschiede bei Evapotranspiration, unterirdischen Fließwegen und Wasserspeicherung unter urbanen Grasflächen, Sträuchern und Bäumen deutlich. Im peri-urbanen Fluss Erpe erschwerte die geringe Variabilität von Abfluss- und Isotopendynamiken die Bestimmung von Verweilzeiten und Mischprozessen. Während warmer, trockener Sommer führte ein hoher Klarwasseranteil zu einer Verschlechterung der Wasserqualität. Auf der stadtweiten Skala wurde der Einfluss von Grundwasser, Niederschlag und Abwasser auf verschiedene Flüsse untersucht. Große Variabilität der Isotopendynamiken wurde in Einzugsgebieten mit Flächenversiegelung und Regenwassereinleitung beobachtet. Die Anreicherung schwerer Isotope in Spree und Havel im Sommer und Herbst verdeutlichte den Einfluss von großskaligen Klimadynamiken und Verdunstung im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebiet. Ein nachhaltiges Management urbaner Grünflächen sowie die Speicherung von Regenwasser können dazu beitragen, den Einfluss von Klimaänderungen auf Berlins Wasserressourcen auf lokaler Ebene abzumindern. Jedoch werden großskalige Nutzungskonzepte in den Einzugsgebieten der Spree und Havel benötigt, um Wasserverluste zu minimieren und Abflussraten aufrecht zu erhalten. Weiterführende isotopenbasierte Studien haben großes Potential, das Verständnis von Wasseralter, Abflussentstehung, Verdunstung und langfristigen Dürrefolgen, sowie der Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Metropolenregionen, weiter zu verbessern. / In urban areas, progressing urbanisation and climate warming call for a comprehensive understanding of urban water cycling to establish sustainable water management strategies. However, the complexity of urban water fluxes complicates the application of hydrological tracers. This thesis used stable isotopes of water, combined with hydrochemical and climatic data, to characterise water partitioning and storage in Berlin, Germany, during the exceptionally warm and dry 2018–2020 period. At the plot-scale, differences in evapotranspiration, subsurface flow paths and storage under urban grassland, shrub and trees were evident. In the peri-urban river Erpe, low variability in discharge and isotopic dynamics limited the applicability of transit time and end member mixing approaches. During warm and dry summers, high contributions of treated wastewater effluents caused a deterioration of water quality. At the city-scale, contributions of groundwater, storm runoff and effluents to different local streams were studied. Isotope dynamics were most variable in catchments with high levels of imperviousness and connectivity to storm drains. In the Spree and Havel rivers, the isotopic enrichment in summer and autumn reflected the impact of large-scale climate dynamics and evaporative losses in the upstream catchment. To mitigate climate change impacts on Berlin’s water resources in the future, the sustainable management of urban green spaces and better capturing of urban rainfall may limit water consumption at the local scale. However, maintaining discharge in the Spree and Havel rivers during warm and dry periods will require catchment-scale management practices that limit water consumption and losses in upstream areas. Future isotope-based research in urban areas has great potential to improve the understanding of urban water ages, source contributions to urban streamflow, evaporation and long-term drought recovery, as well as upscaling the results to other metropolitan areas.

Die Unsicherheiten bei der Beobachtung und Modellierung der Nährstoffverfügbarkeit und des Nährstoffflusses erschweren das Verständnis von Nährstoffkreislauf und Nährstofftransportprozessen und die Vorhersage des Verhaltens von Nährstoffen. Diese Arbeit beginnt mit einer Literaturüberblick über Arten und Quellen von Unsicherheiten bei der Beobachtung und Modellierung von Nährstoffen in Gewässern. Basierend auf dieser Überblick werden drei Fallstudien zur Beobachtung und Modellierung von Nährstoffen unter Berücksichtigung von Unsicherheiten vorgestellt. In der ersten Studie wurden die Unsicherheiten verschiedener Inferenzmethoden zur Klassifizierung des Gewässergüte in Bezug auf den gesamten reaktiven Phosphor (TRP) mit hochaufgelösten Daten aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten bewertet. In der zweiten Studie wurden die in den hochauflösenden Daten beobachteten Konzentrations-Abfluss (C-Q) Hysteresen mit einem empirischen Modell formuliert, um TRP-Transferereignisse zu charakterisieren. Die Quelle und Pfade von Nährstoffübertragungen wurden aus den Ergebnissen abgeleitet, um Entscheidungen im Wassermanagement zu unterstützen. Die Konzentration-Abfluss-Temperatur (C-Q-T) Beziehung wurde für Nitrat (NO3) in einem von Borkenkäferbefall betroffenen Waldeinzugsgebiet untersucht. Die zeitlichen Variationen der Parameter eines einfachen mechanistischen Modells informierten über die Entwicklung der hydrobiochemischen Prozesse als Reaktion auf die natürliche Störung. In einem interdisziplinären Essay, der diesen Fallstudien folgt, wurde eine buddhistische Perspektive eingenommen und diskutiert, worin die grundsätzlichen Ursachen für das Leiden unter Unsicherheit in der Wissenschaft liegen, sowie Möglichkeiten, Wissenschaft mit Selbstreflexion, Mitgefühl und Frieden zu betreiben. In den Schlussfolgerungen wird eine Kontemplation über die Erfahrung, mit der Unsicherheit in der hydrologischen Wissenschaft in dieser Dissertation präsentiert. / Uncertainty in monitoring and modelling availability and flux of nutrient pollutants obscures understanding of nutrient cycle and transport processes and prediction of nutrient behaviours. This thesis starts with a literature review of types and sources of uncertainty in monitoring and modelling of the nutrients in waters. Based on this review, three study cases of monitoring quantities and modelling behaviours of the nutrients with the considerations of uncertainty are presented. In the first study, the uncertainties of different inference methods for classifying physico-chemical status in terms of total reactive phosphorus (TRP) were assessed based on high-resolution data from agricultural catchments. In the second study, concentration-discharge (C-Q) hystereses observed in the high-resolution data were formularised with an empirical model and to characterise TRP transfer events at the sub-hourly scale. The sources and pathways of nutrient transfers were inferred from the transfer event characteristics to inform major targets for water management measures. In the third study, the C-Q relationship was further researched for nitrate (NO3) at a bi-weekly to monthly frequency in a forest catchment affected by bark beetle infestation. The temporal variations of the parameters of a simple mechanistic model describing the concentration-discharge-temperature (C-Q-T) relationship informed the evolution of catchment-scale hydrological and biogeochemical processes in response to the natural disturbance. In an interdisciplinary essay following the case studies, a Buddhist perspective on fundamental causes of the suffering around uncertainty in science and ways to pursue science with self-reflection, compassion and peacefulness were discussed. Contemplations on the experience of confronting the uncertainty in the hydrological science of this thesis are also presented in the conclusions.

Grasländer sind wichtige Elemente der zentraleuropäischen Landschaft und stellen essenzielle Ökosystemdienstleistungen bereit. Dürren, welche durch den globalen Klimawandel zunehmen, haben negative Auswirkungen auf die Vitalität und Produktivität von Grasland. Satellitenmissionen wie Sentinel-2 und Landsat liefern große, bisher ungenutzte Möglichkeiten für das Grasland Monitoring. Ansätze auf Basis quantitativer Parameter, z.B. Prozentanteile von photosynthetisch aktiver Vegetation (PV), nicht photosynthetisch aktiver Vegetation (NPV) und Boden sind bisher für die Anwendung in zentraleuropäischen Grasländern nicht erforscht. Das Ziel der Arbeit war es, das Verständnis von Dürreeinflüssen auf zentraleuropäische Grasländer durch die Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoring Frameworks zu verbessern. Der erste Teil dieses Frameworks umfasste die Ableitung konsistenter Zeitreihen von PV-, NPV-, und Bodenanteilen. Der zweite Teil umfasste die Quantifizierung von Dürreeffekten anhand dieser Zeitreihen. Die Ergebnisse zeigten einen großflächigen, massiven und langanhaltenden Rückgang von Graslandvitalität in extremen Dürrejahren (z.B. 2003, 2018-2020). Robuste statistische Zusammenhänge bestätigten die starke Kopplung von Graslandvitalität und Dürre, insbesondere bei gleichzeitigen Hitzewellen. Zudem beeinflussten Bodeneigenschaften sowie klimatische und hydrologische Bedingungen die Dürresensitivität. Die Ergebnisse unterstreichen den Wert von generalisierten Entmischungsansätzen basierend auf Sentinel-2/Landsat Zeitreihen für großflächiges, quantitatives Monitoring von Grasland. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch den Klimawandel verstärkte Dürreereignisse in Zukunft erheblichen Einfluss auf die Vitalität von Grasländern in Zentraleuropa haben werden. Die hier gewonnenen Informationen liefern wichtige Beiträge zur Verbesserung von Dürremonitoring und können die Maßnahmenentwicklung zur Verringerung von Dürreschäden im Grasland unterstützen. / Grasslands are vital landscape elements in Central Europe providing essential ecosystem services. Drought events, which are increasing with global climate change, negatively affect grassland vitality and productivity. Satellite remote sensing missions such as Sentinel-2/Landsat offer untapped potential for monitoring grassland vitality. However, workflows for grassland monitoring based on fractional cover of photosynthetic vegetation (PV), non-photosynthetic vegetation (NPV), and soil, remain largely unexplored. The goal of this thesis was to advance the understanding of drought impacts on Central European grasslands by developing a framework for monitoring grassland vitality. The framework included the retrieval of consistent PV, NPV, and soil fractional cover time series from Landsat/Sentinel-2, which was achieved by implementing and generalizing an unmixing workflow. Second, drought impacts were quantified and evaluated based on fractional cover time series. Results showed large-scale, severe, and long-lasting negative impacts on grassland vitality in extreme drought years (e.g., in 2003, and 2018-2020). Robust statistical links confirmed the overall consistent coupling of grassland vitality to drought, specifically to compounding droughts and heatwaves. Spatiotemporal patterns of grassland drought sensitivity revealed that underlying factors such as soil features, and climatic and hydrological conditions modulate drought impacts on local to regional scales. Findings of this thesis emphasize the value of generalized unmixing workflows based on Sentinel-2/Landsat time series for quantitative grassland monitoring across large areas. Furthermore, results suggest that droughts amplified by climate change will pose substantial challenges for grassland vitality across Central European grasslands in the future. The findings provide a steppingstone towards improved drought monitoring and can thus inform adaptation efforts to alleviate drought impacts on grasslands.