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.

To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced. / Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert.

To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced. / Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert.