Made available in DSpace on 2016-12-23T13:51:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Luciano Melo Coutinho.pdf: 3367778 bytes, checksum: 40800cad5c76869e0227b5f438c91f96 (MD5) Previous issue date: 2010-09-08 / A watershed is the primary unit of water resource management, because their behavior affects the hydrological occurrence and magnitude of water erosion. Hydrologic simulation models, which allow to estimate the hydrology and water erosion, consisting of important management tool to minimize environmental degradation in these units. The Permanent Preservation Areas (PPA) are defined for protection of natural resources by density of vegetation. The aim of the present work was undertaken, in Silver Basin (Castelo ES) studies relief (guided by different sources of elevation data and interpolation procedures) and quantification of the annual erosion (under different scenarios of land use). This end, we worked in an environment of Geographic Information Systems, data relief (topographic maps and radar images) and land use (aerial photography), which allowed the manipulation of data and generation of factors of interest on the proposed procedures, and: a) evaluate the delimitation of the Silver Bowl from different digital elevation models; b) classify the forms of natural cover and use and land cover; c) delimit the areas considered as PPA; d) apply Universal Soil Loss Equation (USLE) the scenarios of land use and occupancy with respect to PPA. The delineation manual, generated by the topographical map of Castelo-ES and interpolation by interpolating isolines Topo to Raster , supported consisted hydrography, respectively, the method delimitation and interpolating the best performance the delimitation of basin, therefore, alternatives adopted for subsequent studies. The main physical characteristics of the River Plate basin are drainage area 132.28 Km², average elevation 593m and mean slope 39.77%. Pastures are the main form of land use in the basin, clean pasture (24.01%) and dirty pasture (6.62%), followed by permanent crops (27.26%). The portion corresponding to PPA equivalent to 55.48% of the basin (73.39 km²). The average annual erosion are 85.43 ton/ha/ year actual use of soil and 27.50 ton/ha/ year when adopting PPA, difference of 32.20% / A bacia hidrográfica consiste na principal unidade de gestão de recursos hídricos, pois seu comportamento hidrológico condiciona a ocorrência e magnitude da erosão hídrica. Modelos de simulação hidrológica, que permitem estimar o comportamento hidrológico e a erosão hídrica, consistem em importante ferramenta de gestão para minimizar a degradação ambiental nestas unidades territoriais. As Áreas de Preservação Permanente (APP) são delimitadas para proteção dos recursos naturais pelo adensamento da vegetação. Objetivou-se, no presente trabalho, desenvolver, na bacia da Prata (Castelo-ES), estudos do relevo (pautados em diferentes fontes de dados altimétricos e procedimentos de interpolação) e quantificação da erosão anual (sob diferentes cenários de uso do solo). Para tanto, foram trabalhados, em ambiente de Sistemas de Informação Geográfica, os dados de relevo (carta topográfica e imagens de radar) e de uso do solo (aerofotos), os quais permitiram a manipulação de dados e a geração dos fatores de interesse diante os procedimentos propostos, sendo: a) avaliar a delimitação da bacia da Prata a partir de diferentes modelos digitais de elevação; b) classificar as formas de cobertura natural e de uso e ocupação do solo; c) delimitar as áreas consideradas como APP s; e d) aplicar da Equação Universal de Perdas de Solos (EUPS) nos cenários de ocupação do solo e ocupação com respeito às APP s. A delimitação manual, gerada por intermédio de carta topográfica de Castelo-ES, e a interpolação de isolinhas pelo interpolador Topo to Raster , com suporte de hidrografia consistiram, respectivamente, no método de delimitação e interpolador de melhor desempenho na delimitação da bacia, sendo, portanto, as alternativas adotadas para os estudos subsequentes. As principais características físicas da bacia do rio da Prata são área de drenagem de 132,28 km², altitude média 593m e declividade média 39,77%. As pastagens são a principal forma de uso do solo na bacia, pasto limpo (24,01%) e pasto sujo (6,62%), seguido das culturas permanentes (27,26%). A porção correspondente à APP equivale a 55,48% da bacia (73,39 km²). Os valores médios de erosão anual são de 85,43 ton/ha/ano pelo uso real do solo e de 27,50 ton/ha/ano quando da adoção de APP, diferença de 32,20%

Le fonctionnement hydrologique des petits bassins versants ruraux de quelques km² à régime intermittent est complexe car de nombreux processus affectent le cheminement des eaux de surface. Il en résulte une variabilité de la densité de drainage et de la dynamique de l'écoulement au sein du réseau hydrographique. Cette dynamique de fonctionnement est peu prise en considération du fait des difficultés d'ordres techniques et économiques pour suffisamment observer les mouvements de l'eau à la surface. Or, c'est une information essentielle pour décrire la connectivité hydrologique du bassin qui représente la distribution spatiale et temporelle des surfaces contributives à l'écoulement par leur connexion au réseau de drainage. De telles connaissances seraient utiles pour traiter la question de la séparation entre production et transfert effectuée dans les modèles hydrologiques, avec la perspective de proposer des simulations plus justes physiquement. L'objectif de la thèse est de proposer des approches spatiales pour mieux intégrer la dynamique de fonctionnement du réseau de drainage en lien étroit avec la réponse hydrologique du bassin. Le Mercier (7 km²) est le site expérimental situé en tête du bassin versant de l'Yzeron (142 km²) localisé à l'ouest de l'agglomération lyonnaise. Ce bassin sur socle cristallin est composé essentiellement de surfaces agricoles et de forêts. Son fonctionnement hydrologique est affecté par l'existence de zones humides contributives. Un réseau de routes et de fossés anthropiques s'ajoute aux talwegs naturels. Les méthodes développées relèvent de deux approches : (1) la microtopographie issue d'un MNT LiDAR (Light Detection and Ranging) permet d'identifier et décrire des extensions fonctionnelles du réseau de drainage d'une part au niveau des linéaires artificiels avec un apport minimal de données externes, et d'autre part au niveau des talwegs naturels en distinguant la présence ou l'absence d'un chenal de drainage, signe d'un potentiel d'écoulement concentré. (2) Un dispositif de 18 capteurs limnimétriques est mis en œuvre pour assurer un suivi permanent de la réponse hydrologique par emboitement de stations au sein du réseau hydrographique. Cette observation « multi-locale » permet de mesurer l'évolution de la densité de drainage, d'identifier localement la hiérarchie des facteurs qui affectent la réponse et de distinguer différentes dynamiques de transfert dans le réseau de drainage. Les résultats des approches par la microtopographie et par observations multi-locales aident à identifier des régions du bassin au comportement différent. Ils permettent notamment de mieux comprendre les interrelations entre occupation du sol et processus hydrologiques, voire géomorphologie et processus. Ces résultats valident donc l'intérêt du capteur LiDAR et celui d'un dispositif in situ souple et adaptable pour proposer un « pattern de drainage » réaliste en limitant le recours au terrain. Enfin, ce pattern décrivant la tendance d'organisation spatiale des écoulements, est paramétré dans une fonction de transfert géomorphologique calculée sur la base des cheminements fournis par un MNT. L'usage de cet outil constitue une ébauche mais conforte l'idée d'un couplage entre le pattern de drainage et la réponse du bassin versant dans des conditions d'intensité pluvieuse soutenue et d'humidité modérée pour expliquer la réponse rapide du bassin. L'ensemble des résultats justifie donc la mise en avant de la nature transitoire du réseau de drainage pour paramétrer des modèles spatialisés avec la perspective d'améliorer leurs capacités prédictives. / Hydrological functioning of small temporary catchments depends on several processes governing transfer from surface water paths. As a result flow dynamics and drainage density are highly variable in space and time. But this complex dynamic is not enough taken into account because of technical and economical limitations. However, it is essential to describe hydrological connectivity as a spatial and temporal pattern of contributive areas to the drainage network. Get this pattern may facilitate the conceptual distinction between production and transfer functions to improve spatially distributed models. The aim of the study is to develop methods to describe spatial and temporal patterns of the drainage network in relation to catchment hydrological responses. The Mercier headwater catchment (7 km²) is located into the Yzeron catchment near Lyon (France). The land use is principally composed of agricultural plots and forested areas. The hydrographical network consists of natural thalwegs and many roadside ditches and agrarian ditches. Both approaches are developed for this purpose: first, the micro-topography from a LiDAR DEM helps to describe potential flow lengths from drainage network extensions during rainfall events. On the one hand, main artificial ditches are mapped from the DEM with minimal corrections from ancillary data. On the other hand, channelized or unchannelized reaches are located from the DEM into the natural thalwegs. Second, a water level sensor device is set up to record hydrological response from 18 stations located in nested sub-catchments into the hydrological network. These synoptic measurements are used to estimate temporal changes in drainage density, to analyze local hydrological functioning, or to describe flood propagation to the outlet. Results from both approaches lead to the identification of specific behaviors inside the hydrological network controlled by functional thresholds. These patterns help to better understand the relationship between land use and hydrological processes. The results also show the interest of LiDAR DEM and the suitability of adaptable distributed measurements as a substitute to heavy in situ studies for the identification of drainage patterns. Finally, to test the assumption of a gradual drainage network extension during a rainfall event, a simplified drainage pattern is processed into a geomorphological transfer function. This tool is fairly easy to set and is used to initiate an association between local hydrological knowledge and global catchment response. Both approaches lead to conclude that various drainage pattern must be integrated into spatially distributed models according to hydrological conditions, rather than a single hydrological network.

Made available in DSpace on 2016-12-08T16:55:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sinara.pdf: 7213170 bytes, checksum: 532417886f356ca3ecc311dcfdce19a1 (MD5) Previous issue date: 2011-08-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Many cities and rural communities are settled in areas with natural dynamics that represent danger to people, such as floods, landslides, high winds, earthquakes, among others. These dangerous phenomena with high magnitude and / or frequency can lead to accidents and even disasters with many losses and damages, including loss of life. The development of many regions and countries could be affected by the occurrence of such disasters, as economic resources are lost when the event occurs, and also spent on reconstruction, which leads to a vicious circle, since the economic resource is spent on emergencies and reconstruction and not on prevention. The best way to minimize the negative impacts of natural disasters is to create methods of prevention. Mapping is an essential tool for planning, management and monitoring areas considered at risk. For case study, it was chosen the sub-basin of the river Ribeirão Sorocaba located in Luis Alves, Santa Catarina, a region that was highly affected by the rains in November 2008. The methodological approach of the research was to automatically extract the Digital Elevation Model (DEM) through IKONOS stereo pair image ans its metadata files. With DEM it was possible to orthorectify the image and evaluate the cartographic quality of both generated products accordingly to the Cartographic Exactness Standard (PEC, in Portuguese). Evaluation showed that the objective of obtaining a scale better than 1:50.000 was achieved. The products can obtain the scale of 1:10.000 in planimetry and 1:25.000 in altimetry, both in class A of PEC / Muitas cidades e comunidades rurais estão assentadas em sítios naturais sujeitos a fenômenos da dinâmica natural que representam risco para a população, como: inundações, deslizamentos, ventos fortes, terremotos, entre outros. A deflagração desses fenômenos perigosos com alta magnitude e/ou frequência pode provocar desde acidentes até catástrofes com muitas perdas e danos, inclusive com perdas de vidas humanas. O desenvolvimento de muitas regiões e países pode ser prejudicado pela ocorrência dessas catástrofes, pois recursos econômicos são perdidos no momento da ocorrência do evento e também gastos na reconstrução, o que leva a um círculo vicioso, uma vez que o recurso econômico é gasto em emergências e reconstrução e não em prevenção. A melhor forma de minimizar os impactos causados pelos desastres naturais é criar métodos de prevenção. Nesse sentido, essa pesquisa divulga a cartografia como instrumento fundamental para o planejamento, gestão e monitoramento das áreas consideradas de risco. Para estudo de caso foi escolhida a sub-bacia do Ribeirão Sorocaba localizada no município de Luís Alves, em Santa Catarina, região esta que foi muito afetada pelas chuvas de novembro de 2008. A metodologia da pesquisa se resume na extração automática do Modelo Digital de Elevação (MDE) por meio do par estereoscópico da imagem IKONOS e dos seus arquivos de Metadados. Com o MDE foi possível ortorretificar a imagem e avaliar a qualidade cartográfica dos dois produtos gerados segundo o Padrão de Exatidão Cartográfica (PEC). A avaliação mostrou que o objetivo de alcançar uma escala melhor que 1:50.000 foi alcançado. Os produtos podem chegar a escala de 1:10.000 na planimetria e 1:25.000 na altimetria, ambos na classe A do PEC

A growing number of scientists are investigating applications of landscape ecology principles to marine studies, yet few coral reef scientists have examined spatial patterns across entire reefscapes with a holistic ecosystem-based view. This study was an effort to better understand reefscape ecology by quantitatively assessing spatial structures and habitat arrangements using remote sensing and geographic information systems (GIS). Quantifying recurring patterns in reef systems has implications for improving the efficiency of mapping efforts and lowering costs associated with collecting field data and acquiring satellite imagery. If a representative example of a reef is mapped with high accuracy, the data derived from habitat configurations could be extrapolated over a larger region to aid management decisions and focus conservation efforts. The aim of this project was to measure repeating spatial patterns at multiple scales (10s m2 to 10s km2) and to explain the environmental mechanisms which have formed the observed patterns. Because power laws have been recognized in size-frequency distributions of reef habitat patches, this study further investigated whether the property exists for expansive reefs with diverse geologic histories. Intra- and inter-reef patch relationships were studied at three sites: Andavadoaka (Madagascar), Vieques (Puerto Rico), and Saipan (Commonwealth of the Northern Mariana Islands). In situ ecological information, including benthic species composition and abundance, as well as substrate type, was collected with georeferenced video transects. LiDAR (Light Detection and Ranging) surveys were assembled into digital elevation models (DEMs), while vessel-based acoustic surveys were utilized to empirically tune bathymetry models where LiDAR data were unavailable. A GIS for each site was compiled by overlying groundtruth data, classifications, DEMs, and satellite images. Benthic cover classes were then digitized and analyzed based on a suite of metrics (e.g. patch complexity, principle axes ratio, and neighborhood transitions). Results from metric analyses were extremely comparable between sites suggesting that spatial prediction of habitat arrangements is very plausible. Further implications discussed include developing an automated habitat mapping technique and improving conservation planning and delimitation of marine protected areas.

In der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, dass es möglich ist mittels öffentlich zugänglicher Daten der Landesämter Paläooberflächen im Zentrum einer Großstadt zu modellieren. Auf der Suche nach dem anthropogen unbeeinflussten Georelief des heutigen Stadtgebietes Leipzigs ist nicht nur die Rekonstruktion ursprünglicher, natürlicher Gegeben-heiten das Ziel, sondern auch die Auseinandersetzung damit, wie der Mensch seine Umwelt in diesem Gebiet bis heute formte und strukturierte. Die Thematik vereint verschiedene geographische Disziplinen, wie z. B. Geomorphologie, Geoarchäologie und Geoinformatik, indem das verbindende Element der Untersuchungsraum in der Innenstadt von Leipzig ist. Zur Rekonstruktion der Erdoberfläche als Digitales Geländemodell (DGM) vor etwa 1.000 Jahren (DGM 1015) und 11.000 Jahren (DGM BASIS) sind hauptsächlich Daten des Sächsischen Landesamtes für Archäologie und des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie ausgewertet worden. Um die heterogenen Ausgangsdaten mit Hilfe von Leitprofilen verarbeiten zu können, erfolgt vorab das Aufstellen von Arbeitshypothesen. Alle Daten sind so aufbereitet, dass sie in einer Gesamtdatenbank zusammengefasst dargestellt und in einem Geographischen Informationssystem (GIS) auswertbar sind. Ausgehend von der Gesamtdatenbank fand auf Grundlage der Arbeitshypothesen die Generierung von Teildatenbanken statt. Demnach entspricht der Aufschlussansatzpunkt dem rezenten Relief (DGM HEUTE) und die erste anthropogen unbeeinflusste Sedimentschicht bzw. die Schicht mit den ältesten Siedlungsspuren dem Paläorelief vor ca. 1.000 Jahren (DGM 1015ROH bzw. DGM 1015). Des Weiteren präsentiert die Basis der holozänen Sedimente das Paläorelief vor ca. 11.000 Jahren (DGM BASIS). Basierend auf den Modellen DGM 1015ROH und DGM HEUTE findet eine Evaluierung der Datengrundlagen und der Methodik statt. Dafür erfolgt eine Gegenüberstellung des DGM HEUTE mit dem auf LiDAR-Daten basierendem DGM 2 des Staatsbetriebes Geobasisinformation und Vermessung Sachsen. Denn es besteht in der vorliegenden Dissertation die Annahme, dass es möglich ist, ein DGM 1015 bzw. DGM BASIS zu erstellen, wenn es gelingt mit denselben Daten das DGM 2 annähernd zu reproduzieren. Nach der »Observed vs. Predicted Analyse« besteht offensichtlich ein von der Datenherkunft unabhängiger, signifikanter, monotoner Zusammenhang, zwischen dem DGM HEUTE und dem DGM 2, welcher nicht zufällig ist. Folglich ist es möglich, mit den Daten und der Methodik auch ein DGM 1015 bzw. DGM BASIS zu erstellen. Weiterhin konnte mit Hilfe von multivariater Statistik nachgewiesen werden, dass die Heterogenität der Datengrundlagen in Bezug auf das Jahr der Datenerhebung und die Art der Koordinatenbestimmung (xi, yi, zi) einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Abweichung zwischen dem DGM HEUTE und dem DGM 2 im Testdatensatz haben. Nachdem die Datengrundlagen evaluiert und teilweise u. a. mit Hilfe der Leitprofile, historischen Aufnahmen und dem DGM 2 an umgebende Profile angepasst wurden, findet die Extraktion der finalen Teildatenbanken DGM 1015 und DGM BASIS aus dem Gesamtdatensatz statt. Der Vorteil dieses für Leipzig entwickelten Untersuchungsdesigns liegt darin, dass durch den Vergleich zwischen dem DGM HEUTE und dem DGM 2 eine Evaluierung der Datengrundlagen messbar wird und nicht ausschließlich auf qualitative Kriterien zurückzuführen ist. Es wird somit auch quantitativ bewiesen, dass diese Methodik zur Paläoreliefmodellierung für die Innenstadt von Leipzig sehr gut angewendet werden kann. Prinzipiell ist es nicht möglich abschließend eine Realität der interpolierten Paläooberflächen zu präsentieren, sondern es können lediglich verschiedene Realitäten und deren Wahrscheinlichkeiten vorgestellt werden. Neben geostatistischen Methoden kommen auch deterministische Interpolationsverfahren zum Einsatz. Zur Quantifizierung der Ergebnisse erfolgt u. a. eine Kreuzvalidierung, auf deren Grundlage die Auswahl der finalen Interpolationsdarstellungen stattfindet. Das DGM BASIS und DGM 1015 stellen die Ausgangssituation der Reliefverhältnisse bei der Siedlungsgründung Leipzigs dar. Grundsätzlich ist es mit der vorliegenden Arbeit gelungen eine neue, fundierte Perspektive zur kritischen Diskussion der Landschafts- und Siedlungsgenese im Untersuchungsgebiet bereitzustellen. Neben einer detailgetreuen Abbildung der geomorphologischen und geologischen Gegebenheiten im heutigen Zentrum Leipzigs im Jahr 1015 und zu Beginn des Holozäns, ist es möglich, den Flurabstand zwischen den DGM zu bestimmen, um Veränderungen zu quantifizieren. In diesem Kontext ist es weiterhin möglich natürliche von anthropogenen Prozessen zu trennen und diese zeitlich aufzuschlüsseln. Auf dieser Basis können detailliertere Aussagen zum Relief zwischen Weiße Elster- und Parthetal um das Jahr 1015 gemacht werden. Des Weiteren lassen die Paläomodelle Rückschlüsse auf die raumbezogenen Gunstfaktoren bei der Siedlungsplatzwahl und -gestaltung zu. Zudem existiert das Potenzial zur Entwicklung einer visuell reizvollen Grundlage, um geowissenschaftliche und geoarchäologische Sachverhalte im Bildungsbereich für die Öffentlichkeit zu nutzen. Die Thematik hat durch den Charakter einer Fallstudie zunächst einen lokalen Bezug zu Leipzig (Sachsen). Das dabei entwickelte Untersuchungsdesign eröffnet jedoch eine neue, fundierte und transparente Möglichkeit zur Paläoreliefrekonstruktion in weiteren Untersuchungsgebieten.:Bibliografische Daten I Zitat II Danksagung III Zusammenfassung IV Abstract VI Abbildungs- & Tabellenverzeichnis XII Abkürzungsverzeichnis XVIII 1. Einleitung 1 1.1 Fragestellung und Zielführung 1 1.2 Abgrenzung des Untersuchungsgebietes 3 1.3 Grundlagen 7 1.3.1 Fachliche Einordnung der Thematik 7 1.3.2 Begriffe und Definitionen 9 1.3.2.1 »Natürlich gewachsener Boden« 9 1.3.2.2 Zeitangaben 9 1.3.2.3 Digitale Erdoberflächenmodelle 12 1.3.2.4 Lage- und Höhenbezugssystem 13 1.3.2.5 Unsicherheiten und Fehler 13 1.4 Forschungsgeschichtlicher Überblick 16 1.5 Ähnliche Forschungen außerhalb Leipzigs 24 2. Stand des Wissens im Untersuchungsgebiet 26 2.1 Naturräumliche Einordnung 26 2.1.1 Klima 29 2.1.2 Geologie 31 2.1.2.1 Leitprofil der Leipziger Tieflandsbucht 31 2.1.2.2 Geologischer Aufbau des Untersuchungsgebietes 34 2.1.3 Boden 36 2.1.4 Vegetation 40 2.1.5 Gewässernetz 41 2.1.5.1 Auengenese der Weißen Elster 43 2.1.5.2 Auengenese der Parthe 47 2.1.5.3 Zusammenfluß der Weißen Elster und Parthe 49 2.2 Siedlungsgeschichtliche Einordnung 50 2.2.1 Allgemeiner Überblick 51 2.2.2 Die im Jahr 1015 erwähnte »urbs Libzi« 56 2.2.3 Die Zwillingssiedlung der »urbs Libzi« 59 2.2.4 Wasserbauliche Einschnitte im Untersuchungsgebiet 63 3. Methodik 67 3.1 Generierung der Datenbasis 71 3.1.1 Formulieren der Arbeitshypothesen 72 3.1.2 Datengrundlagen und deren Aufbereitung 75 3.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 77 3.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 78 3.2.1 Generierung der Teildatenbanken 78 3.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 78 3.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 82 3.3 Evaluation der Methodik 82 3.3.1 Deskriptive Statistik 83 3.3.2 »Observed vs. predicted Analyse« 84 3.3.3 Multivariate Statistik 86 3.3.4 Validation der Methodik 91 3.4 Evaluation der Datengrundlagen und Generierung der finalen Teildatenbanken 92 3.4.1 Evaluation der Datengrundlagen 94 3.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 95 3.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 95 3.4.4 Validation der Datengrundlage 96 3.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 96 3.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 98 3.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 102 3.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 104 3.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 105 3.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 106 3.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 106 3.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 110 3.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 111 4. Ergebnisse und Diskussion 114 4.1 Generierung der Datenbasis 114 4.1.1 Arbeitshypothesen 114 4.1.2 Datengrundlagen 114 4.1.2.1 Höhenfestpunkte 114 4.1.2.2 LiDAR Daten 118 4.1.2.3 Historische Archive 120 4.1.2.4 Leitprofile 123 4.1.2.5 Geologische Aufschlüsse 126 4.1.2.6 Archäologische Dokumentationen 131 4.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 141 4.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 143 4.2.1 Generierung der Teildatenbanken 143 4.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 144 4.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 150 4.3. Evaluierung der Methodik 152 4.3.1 Deskriptive Statistik 152 4.3.2 »Observed vs. Predicted Analyse« 154 4.3.3 Multivariate Statistik 157 4.3.4 Validation der Methodik 163 4.4. Evaluierung der Datengrundlagen 166 4.4.1 Evaluation und ggf. Anpassung der Datengrundlagen 168 4.4.1.1 Geologische Aufschlüsse 168 4.4.1.2 Archäologische Dokumentationen 169 4.4.1.3 Fallbeispiel: Teiluntersuchungsgebiet Matthäikirchhof 173 4.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 176 4.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 179 4.4.4 Validation der Datengrundlage 182 4.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 184 4.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 184 4.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 186 4.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 193 4.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 197 4.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 198 4.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 199 4.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 207 4.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 210 4.7 Landschafts- und Siedlungsgenetische Interpretation der Paläomodelle 218 5. Synthese und Ausblick 233 6. Literaturverzeichnis 248 7. Anlagen i / In search of the anthropogenically undisturbed palaeo-surface of the city of Leipzig, the main goals are the reconstruction of the specific natural conditions during the Holocene and a deduction about how the environment has been shaped and structured by humans in this area over the last 1,000 years. In the present doctoral thesis, the possibility to model palaeo-surfaces for the central part of a big city by means of publicly accessible data of the state offices is demonstrated. The topic combines various geographical disciplines with a focus on the interface between Geosciences and Archaeology (often termed Geoarchaeology). For the reconstruction of the earth's surface as a Digital Elevation Model (DEM) about 1,000 years ago (DEM 1015) and 11,000 years ago (DEM BASIS) mainly data from the Archaeological Heritage Office Saxony and the Saxon State Office for Environment, Agriculture and Geology have been evaluated. The qualitative data are linked by using GIS through surveying techniques. To be able to process the heterogeneous data, working hypotheses are established in advance. According to them, the elevation of the top of a geological drill or archaeological excavation represents the current surface (DEM HEUTE). In addition, the first anthropogenically undisturbed layer of a geological drill or the layer with the oldest settlement trace of an archaeological excavation represents the data basis for the DEM 1015ROH and the DEM 1015, respectively. Furthermore, the basis in transition to Holocene sediments represents the palaeo-relief approximately 11,000 years ago (DEM BASIS). All data are summarized in an overall database. Hence, the data can be analyzed in a Geographical Information System (GIS). Based on the models DEM 1015ROH and DEM HEUTE the data basis and the methodology are evaluated. For this purpose, a comparison between the DEM HEUTE and another recent DEM, which was generated with LiDAR data provided by the State Operation Geobasisinformation and Surveying Saxony (DEM 2), is conducted. Therefore, it is assumed that it is possible to create a DEM 1015 or DEM BASIS, if it is possible to reproduce approximately the DEM 2 with the same data. The Observed vs. Predicted Analysis shows, that between the DEM HEUTE and the DEM 2 a non-data-independent, significant, monotonic relationship exists, which is not random. Consequently, based on the mentioned assumption above, it is possible to use the data and methodology to create a DEM 1015 or DEM BASIS. Furthermore, the multivariate statistic for the data set demonstrated, that the heterogeneity of the data bases in relation to the year of data collection and the type of coordinate determination (xi, yi, zi) had a negligible influence on the deviation between the DEM HEUTE and the DEM 2. Nevertheless, a check and, if necessary, a correction of the original data is necessary. If there are anomalies, the correction of the original data will be adapted to the surroundings by means of representative soil profiles, historical recordings and the DEM 2. After the data basis and methodology are validated the final sub databases DEM 1015 and DEM BASIS are extracted from the overall database. By means of the developed investigation design the comparison between the DEM HEUTE and the DEM 2 can be based on a quantitative evaluation of the data basis and not exclusively to qualitative criteria. Thus, it is also proved quantitatively that the methodology to model the palaeo-surface works very well for the inner city of Leipzig. However, models represent only a limited picture of reality. In principle, there is no unique interpolation result. That´s why, it is mandatory to present different realities of the palaeo-surfaces and their probabilities. Therefore, in addition to geostatistical interpolation methods, deterministic methods are also used. To quantify the results, among other things, a cross validation is performed. On this basis the selection of the most likely interpolation for the final representation takes place. The DGM BASIS and DGM 1015 show the highest possible approximation of the palaeo-surfaces. In general, the present dissertation has succeeded in providing a new, well-founded perspective for the critical discussion of landscape and settlement genesis in the study area. In addition to a detailed mapping of the geomorphological and geological conditions in the center of Leipzig at the time of 1015 and at the beginning of the Holocene, it is possible to determine the differences between the DEMs to quantify changes. In this context, it was also possible to separate natural from anthropogenic processes and to date the changes. On that basis, more detailed statements about the relief between the river valleys of Weiße Elster and Parthe around the year 1015 can now be made. In addition, the palaeo-models allow conclusions on the space-related favorable factors in settlement site selection and design. Finally, there is the possibility to represent the palaeo-surfaces as a visually appealing basis for geoarchaeological questions in public education. Due to its´ nature of being a case study, the topic has a local connection to Leipzig (Saxony). However, the developed investigation design will open new, well-founded, transparent options for the reconstruction of palaeo-reliefs in further study areas.:Bibliografische Daten I Zitat II Danksagung III Zusammenfassung IV Abstract VI Abbildungs- & Tabellenverzeichnis XII Abkürzungsverzeichnis XVIII 1. Einleitung 1 1.1 Fragestellung und Zielführung 1 1.2 Abgrenzung des Untersuchungsgebietes 3 1.3 Grundlagen 7 1.3.1 Fachliche Einordnung der Thematik 7 1.3.2 Begriffe und Definitionen 9 1.3.2.1 »Natürlich gewachsener Boden« 9 1.3.2.2 Zeitangaben 9 1.3.2.3 Digitale Erdoberflächenmodelle 12 1.3.2.4 Lage- und Höhenbezugssystem 13 1.3.2.5 Unsicherheiten und Fehler 13 1.4 Forschungsgeschichtlicher Überblick 16 1.5 Ähnliche Forschungen außerhalb Leipzigs 24 2. Stand des Wissens im Untersuchungsgebiet 26 2.1 Naturräumliche Einordnung 26 2.1.1 Klima 29 2.1.2 Geologie 31 2.1.2.1 Leitprofil der Leipziger Tieflandsbucht 31 2.1.2.2 Geologischer Aufbau des Untersuchungsgebietes 34 2.1.3 Boden 36 2.1.4 Vegetation 40 2.1.5 Gewässernetz 41 2.1.5.1 Auengenese der Weißen Elster 43 2.1.5.2 Auengenese der Parthe 47 2.1.5.3 Zusammenfluß der Weißen Elster und Parthe 49 2.2 Siedlungsgeschichtliche Einordnung 50 2.2.1 Allgemeiner Überblick 51 2.2.2 Die im Jahr 1015 erwähnte »urbs Libzi« 56 2.2.3 Die Zwillingssiedlung der »urbs Libzi« 59 2.2.4 Wasserbauliche Einschnitte im Untersuchungsgebiet 63 3. Methodik 67 3.1 Generierung der Datenbasis 71 3.1.1 Formulieren der Arbeitshypothesen 72 3.1.2 Datengrundlagen und deren Aufbereitung 75 3.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 77 3.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 78 3.2.1 Generierung der Teildatenbanken 78 3.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 78 3.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 82 3.3 Evaluation der Methodik 82 3.3.1 Deskriptive Statistik 83 3.3.2 »Observed vs. predicted Analyse« 84 3.3.3 Multivariate Statistik 86 3.3.4 Validation der Methodik 91 3.4 Evaluation der Datengrundlagen und Generierung der finalen Teildatenbanken 92 3.4.1 Evaluation der Datengrundlagen 94 3.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 95 3.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 95 3.4.4 Validation der Datengrundlage 96 3.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 96 3.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 98 3.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 102 3.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 104 3.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 105 3.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 106 3.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 106 3.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 110 3.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 111 4. Ergebnisse und Diskussion 114 4.1 Generierung der Datenbasis 114 4.1.1 Arbeitshypothesen 114 4.1.2 Datengrundlagen 114 4.1.2.1 Höhenfestpunkte 114 4.1.2.2 LiDAR Daten 118 4.1.2.3 Historische Archive 120 4.1.2.4 Leitprofile 123 4.1.2.5 Geologische Aufschlüsse 126 4.1.2.6 Archäologische Dokumentationen 131 4.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 141 4.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 143 4.2.1 Generierung der Teildatenbanken 143 4.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 144 4.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 150 4.3. Evaluierung der Methodik 152 4.3.1 Deskriptive Statistik 152 4.3.2 »Observed vs. Predicted Analyse« 154 4.3.3 Multivariate Statistik 157 4.3.4 Validation der Methodik 163 4.4. Evaluierung der Datengrundlagen 166 4.4.1 Evaluation und ggf. Anpassung der Datengrundlagen 168 4.4.1.1 Geologische Aufschlüsse 168 4.4.1.2 Archäologische Dokumentationen 169 4.4.1.3 Fallbeispiel: Teiluntersuchungsgebiet Matthäikirchhof 173 4.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 176 4.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 179 4.4.4 Validation der Datengrundlage 182 4.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 184 4.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 184 4.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 186 4.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 193 4.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 197 4.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 198 4.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 199 4.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 207 4.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 210 4.7 Landschafts- und Siedlungsgenetische Interpretation der Paläomodelle 218 5. Synthese und Ausblick 233 6. Literaturverzeichnis 248 7. Anlagen i

In der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, dass es möglich ist mittels öffentlich zugänglicher Daten der Landesämter Paläooberflächen im Zentrum einer Großstadt zu modellieren. Auf der Suche nach dem anthropogen unbeeinflussten Georelief des heutigen Stadtgebietes Leipzigs ist nicht nur die Rekonstruktion ursprünglicher, natürlicher Gegeben-heiten das Ziel, sondern auch die Auseinandersetzung damit, wie der Mensch seine Umwelt in diesem Gebiet bis heute formte und strukturierte. Die Thematik vereint verschiedene geographische Disziplinen, wie z. B. Geomorphologie, Geoarchäologie und Geoinformatik, indem das verbindende Element der Untersuchungsraum in der Innenstadt von Leipzig ist. Zur Rekonstruktion der Erdoberfläche als Digitales Geländemodell (DGM) vor etwa 1.000 Jahren (DGM 1015) und 11.000 Jahren (DGM BASIS) sind hauptsächlich Daten des Sächsischen Landesamtes für Archäologie und des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie ausgewertet worden. Um die heterogenen Ausgangsdaten mit Hilfe von Leitprofilen verarbeiten zu können, erfolgt vorab das Aufstellen von Arbeitshypothesen. Alle Daten sind so aufbereitet, dass sie in einer Gesamtdatenbank zusammengefasst dargestellt und in einem Geographischen Informationssystem (GIS) auswertbar sind. Ausgehend von der Gesamtdatenbank fand auf Grundlage der Arbeitshypothesen die Generierung von Teildatenbanken statt. Demnach entspricht der Aufschlussansatzpunkt dem rezenten Relief (DGM HEUTE) und die erste anthropogen unbeeinflusste Sedimentschicht bzw. die Schicht mit den ältesten Siedlungsspuren dem Paläorelief vor ca. 1.000 Jahren (DGM 1015ROH bzw. DGM 1015). Des Weiteren präsentiert die Basis der holozänen Sedimente das Paläorelief vor ca. 11.000 Jahren (DGM BASIS). Basierend auf den Modellen DGM 1015ROH und DGM HEUTE findet eine Evaluierung der Datengrundlagen und der Methodik statt. Dafür erfolgt eine Gegenüberstellung des DGM HEUTE mit dem auf LiDAR-Daten basierendem DGM 2 des Staatsbetriebes Geobasisinformation und Vermessung Sachsen. Denn es besteht in der vorliegenden Dissertation die Annahme, dass es möglich ist, ein DGM 1015 bzw. DGM BASIS zu erstellen, wenn es gelingt mit denselben Daten das DGM 2 annähernd zu reproduzieren. Nach der »Observed vs. Predicted Analyse« besteht offensichtlich ein von der Datenherkunft unabhängiger, signifikanter, monotoner Zusammenhang, zwischen dem DGM HEUTE und dem DGM 2, welcher nicht zufällig ist. Folglich ist es möglich, mit den Daten und der Methodik auch ein DGM 1015 bzw. DGM BASIS zu erstellen. Weiterhin konnte mit Hilfe von multivariater Statistik nachgewiesen werden, dass die Heterogenität der Datengrundlagen in Bezug auf das Jahr der Datenerhebung und die Art der Koordinatenbestimmung (xi, yi, zi) einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Abweichung zwischen dem DGM HEUTE und dem DGM 2 im Testdatensatz haben. Nachdem die Datengrundlagen evaluiert und teilweise u. a. mit Hilfe der Leitprofile, historischen Aufnahmen und dem DGM 2 an umgebende Profile angepasst wurden, findet die Extraktion der finalen Teildatenbanken DGM 1015 und DGM BASIS aus dem Gesamtdatensatz statt. Der Vorteil dieses für Leipzig entwickelten Untersuchungsdesigns liegt darin, dass durch den Vergleich zwischen dem DGM HEUTE und dem DGM 2 eine Evaluierung der Datengrundlagen messbar wird und nicht ausschließlich auf qualitative Kriterien zurückzuführen ist. Es wird somit auch quantitativ bewiesen, dass diese Methodik zur Paläoreliefmodellierung für die Innenstadt von Leipzig sehr gut angewendet werden kann. Prinzipiell ist es nicht möglich abschließend eine Realität der interpolierten Paläooberflächen zu präsentieren, sondern es können lediglich verschiedene Realitäten und deren Wahrscheinlichkeiten vorgestellt werden. Neben geostatistischen Methoden kommen auch deterministische Interpolationsverfahren zum Einsatz. Zur Quantifizierung der Ergebnisse erfolgt u. a. eine Kreuzvalidierung, auf deren Grundlage die Auswahl der finalen Inter-polationsdarstellungen stattfindet. Das DGM BASIS und DGM 1015 stellen die Ausgangssituation der Reliefverhältnisse bei der Siedlungsgründung Leipzigs dar. Grundsätzlich ist es mit der vorliegenden Arbeit gelungen eine neue, fundierte Perspektive zur kritischen Diskussion der Landschafts- und Siedlungsgenese im Untersuchungsgebiet bereitzustellen. Neben einer detailgetreuen Abbildung der geomorphologischen und geologischen Gegebenheiten im heutigen Zentrum Leipzigs im Jahr 1015 und zu Beginn des Holozäns, ist es möglich, den Flurabstand zwischen den DGM zu bestimmen, um Veränderungen zu quantifizieren. In diesem Kontext ist es weiterhin möglich natürliche von anthropogenen Prozessen zu trennen und diese zeitlich aufzuschlüsseln. Auf dieser Basis können detailliertere Aussagen zum Relief zwischen Weiße Elster- und Parthetal um das Jahr 1015 gemacht werden. Des Weiteren lassen die Paläomodelle Rückschlüsse auf die raumbezogenen Gunstfaktoren bei der Siedlungsplatzwahl und -gestaltung zu. Zudem existiert das Potenzial zur Entwicklung einer visuell reizvollen Grundlage, um geowissenschaftliche und geoarchäologische Sachverhalte im Bildungsbereich für die Öffentlichkeit zu nutzen. Die Thematik hat durch den Charakter einer Fallstudie zunächst einen lokalen Bezug zu Leipzig (Sachsen). Das dabei entwickelte Untersuchungsdesign eröffnet jedoch eine neue, fundierte und transparente Möglichkeit zur Paläoreliefrekonstruktion in weiteren Untersuchungsgebieten.:INHALTSVERZEICHNIS Bibliografische Daten I Zitat II Danksagung III Zusammenfassung IV Abstract VI Abbildungs- & Tabellenverzeichnis XII Abkürzungsverzeichnis XVIII 1. Einleitung 1 1.1 Fragestellung und Zielführung 1 1.2 Abgrenzung des Untersuchungsgebietes 3 1.3 Grundlagen 7 1.3.1 Fachliche Einordnung der Thematik 7 1.3.2 Begriffe und Definitionen 9 1.3.2.1 »Natürlich gewachsener Boden« 9 1.3.2.2 Zeitangaben 9 1.3.2.3 Digitale Erdoberflächenmodelle 12 1.3.2.4 Lage- und Höhenbezugssystem 13 1.3.2.5 Unsicherheiten und Fehler 13 1.4 Forschungsgeschichtlicher Überblick 16 1.5 Ähnliche Forschungen außerhalb Leipzigs 24 2. Stand des Wissens im Untersuchungsgebiet 26 2.1 Naturräumliche Einordnung 26 2.1.1 Klima 29 2.1.2 Geologie 31 2.1.2.1 Leitprofil der Leipziger Tieflandsbucht 31 2.1.2.2 Geologischer Aufbau des Untersuchungsgebietes 34 2.1.3 Boden 36 2.1.4 Vegetation 40 2.1.5 Gewässernetz 41 2.1.5.1 Auengenese der Weißen Elster 43 2.1.5.2 Auengenese der Parthe 47 2.1.5.3 Zusammenfluß der Weißen Elster und Parthe 49 2.2 Siedlungsgeschichtliche Einordnung 50 2.2.1 Allgemeiner Überblick 51 2.2.2 Die im Jahr 1015 erwähnte »urbs Libzi« 56 2.2.3 Die Zwillingssiedlung der »urbs Libzi« 59 2.2.4 Wasserbauliche Einschnitte im Untersuchungsgebiet 63 3. Methodik 67 3.1 Generierung der Datenbasis 71 3.1.1 Formulieren der Arbeitshypothesen 72 3.1.2 Datengrundlagen und deren Aufbereitung 75 3.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 77 3.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 78 3.2.1 Generierung der Teildatenbanken 78 3.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 78 3.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 82 3.3 Evaluation der Methodik 82 3.3.1 Deskriptive Statistik 83 3.3.2 »Observed vs. predicted Analyse« 84 3.3.3 Multivariate Statistik 86 3.3.4 Validation der Methodik 91 3.4 Evaluation der Datengrundlagen und Generierung der finalen Teildatenbanken 92 3.4.1 Evaluation der Datengrundlagen 94 3.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 95 3.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 95 3.4.4 Validation der Datengrundlage 96 3.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 96 3.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 98 3.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 102 3.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 104 3.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 105 3.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 106 3.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 106 3.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 110 3.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 111 4. Ergebnisse und Diskussion 114 4.1 Generierung der Datenbasis 114 4.1.1 Arbeitshypothesen 114 4.1.2 Datengrundlagen 114 4.1.2.1 Höhenfestpunkte 114 4.1.2.2 LiDAR Daten 118 4.1.2.3 Historische Archive 120 4.1.2.4 Leitprofile 123 4.1.2.5 Geologische Aufschlüsse 126 4.1.2.6 Archäologische Dokumentationen 131 4.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 141 4.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 143 4.2.1 Generierung der Teildatenbanken 143 4.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 144 4.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 150 4.3. Evaluierung der Methodik 152 4.3.1 Deskriptive Statistik 152 4.3.2 »Observed vs. Predicted Analyse« 154 4.3.3 Multivariate Statistik 157 4.3.4 Validation der Methodik 163 4.4. Evaluierung der Datengrundlagen 166 4.4.1 Evaluation und ggf. Anpassung der Datengrundlagen 168 4.4.1.1 Geologische Aufschlüsse 168 4.4.1.2 Archäologische Dokumentationen 169 4.4.1.3 Fallbeispiel: Teiluntersuchungsgebiet Matthäikirchhof 173 4.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 176 4.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 179 4.4.4 Validation der Datengrundlage 182 4.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 184 4.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 184 4.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 186 4.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 193 4.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 197 4.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 198 4.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 199 4.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 207 4.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 210 4.7 Landschafts- und Siedlungsgenetische Interpretation der Paläomodelle 218 5. Synthese und Ausblick 233 6. Literaturverzeichnis 248 7. Anlagen i / In search of the anthropogenically undisturbed palaeo-surface of the city of Leipzig, the main goals are the reconstruction of the specific natural conditions during the Holocene and a deduction about how the environment has been shaped and structured by humans in this area over the last 1,000 years. In the present doctoral thesis, the possibility to model palaeo-surfaces for the central part of a big city by means of publicly accessible data of the state offices is demonstrated. The topic combines various geographical disciplines with a focus on the interface between Geosciences and Archaeology (often termed Geoarchaeology). For the reconstruction of the earth's surface as a Digital Elevation Model (DEM) about 1,000 years ago (DEM 1015) and 11,000 years ago (DEM BASIS) mainly data from the Archaeological Heritage Office Saxony and the Saxon State Office for Environment, Agriculture and Geology have been evaluated. The qualitative data are linked by using GIS through surveying techniques. To be able to process the heterogeneous data, working hypotheses are established in advance. According to them, the elevation of the top of a geological drill or archaeological excavation represents the current surface (DEM HEUTE). In addition, the first anthropogenically undisturbed layer of a geological drill or the layer with the oldest settlement trace of an archaeological excavation represents the data basis for the DEM 1015ROH and the DEM 1015, respectively. Furthermore, the basis in transition to Holocene sediments represents the palaeo-relief approximately 11,000 years ago (DEM BASIS). All data are summarized in an overall database. Hence, the data can be analyzed in a Geographical Information System (GIS). Based on the models DEM 1015ROH and DEM HEUTE the data basis and the methodology are evaluated. For this purpose, a comparison between the DEM HEUTE and another recent DEM, which was generated with LiDAR data provided by the State Operation Geobasisinformation and Surveying Saxony (DEM 2), is conducted. Therefore, it is assumed that it is possible to create a DEM 1015 or DEM BASIS, if it is possible to reproduce approximately the DEM 2 with the same data. The Observed vs. Predicted Analysis shows, that between the DEM HEUTE and the DEM 2 a non-data-independent, significant, monotonic relationship exists, which is not random. Consequently, based on the mentioned assumption above, it is possible to use the data and methodology to create a DEM 1015 or DEM BASIS. Furthermore, the multivariate statistic for the data set demonstrated, that the heterogeneity of the data bases in relation to the year of data collection and the type of coordinate determination (xi, yi, zi) had a negligible influence on the deviation between the DEM HEUTE and the DEM 2. Nevertheless, a check and, if necessary, a correction of the original data is necessary. If there are anomalies, the correction of the original data will be adapted to the surroundings by means of representative soil profiles, historical recordings and the DEM 2. After the data basis and methodology are validated the final sub databases DEM 1015 and DEM BASIS are extracted from the overall database. By means of the developed investigation design the comparison between the DEM HEUTE and the DEM 2 can be based on a quantitative evaluation of the data basis and not exclusively to qualitative criteria. Thus, it is also proved quantitatively that the methodology to model the palaeo-surface works very well for the inner city of Leipzig. However, models represent only a limited picture of reality. In principle, there is no unique interpolation result. That´s why, it is mandatory to present different realities of the palaeo-surfaces and their probabilities. Therefore, in addition to geostatistical interpolation methods, deterministic methods are also used. To quantify the results, among other things, a cross validation is performed. On this basis the selection of the most likely interpolation for the final representation takes place. The DGM BASIS and DGM 1015 show the highest possible approximation of the palaeo-surfaces. In general, the present dissertation has succeeded in providing a new, well-founded perspective for the critical discussion of landscape and settlement genesis in the study area. In addition to a detailed mapping of the geomorphological and geological conditions in the center of Leipzig at the time of 1015 and at the beginning of the Holocene, it is possible to determine the differences between the DEMs to quantify changes. In this context, it was also possible to separate natural from anthropogenic processes and to date the changes. On that basis, more detailed statements about the relief between the river valleys of Weiße Elster and Parthe around the year 1015 can now be made. In addition, the palaeo-models allow conclusions on the space-related favorable factors in settlement site selection and design. Finally, there is the possibility to represent the palaeo-surfaces as a visually appealing basis for geoarchaeological questions in public education. Due to its´ nature of being a case study, the topic has a local connection to Leipzig (Saxony). However, the developed investigation design will open new, well-founded, transparent options for the reconstruction of palaeo-reliefs in further study areas.:INHALTSVERZEICHNIS Bibliografische Daten I Zitat II Danksagung III Zusammenfassung IV Abstract VI Abbildungs- & Tabellenverzeichnis XII Abkürzungsverzeichnis XVIII 1. Einleitung 1 1.1 Fragestellung und Zielführung 1 1.2 Abgrenzung des Untersuchungsgebietes 3 1.3 Grundlagen 7 1.3.1 Fachliche Einordnung der Thematik 7 1.3.2 Begriffe und Definitionen 9 1.3.2.1 »Natürlich gewachsener Boden« 9 1.3.2.2 Zeitangaben 9 1.3.2.3 Digitale Erdoberflächenmodelle 12 1.3.2.4 Lage- und Höhenbezugssystem 13 1.3.2.5 Unsicherheiten und Fehler 13 1.4 Forschungsgeschichtlicher Überblick 16 1.5 Ähnliche Forschungen außerhalb Leipzigs 24 2. Stand des Wissens im Untersuchungsgebiet 26 2.1 Naturräumliche Einordnung 26 2.1.1 Klima 29 2.1.2 Geologie 31 2.1.2.1 Leitprofil der Leipziger Tieflandsbucht 31 2.1.2.2 Geologischer Aufbau des Untersuchungsgebietes 34 2.1.3 Boden 36 2.1.4 Vegetation 40 2.1.5 Gewässernetz 41 2.1.5.1 Auengenese der Weißen Elster 43 2.1.5.2 Auengenese der Parthe 47 2.1.5.3 Zusammenfluß der Weißen Elster und Parthe 49 2.2 Siedlungsgeschichtliche Einordnung 50 2.2.1 Allgemeiner Überblick 51 2.2.2 Die im Jahr 1015 erwähnte »urbs Libzi« 56 2.2.3 Die Zwillingssiedlung der »urbs Libzi« 59 2.2.4 Wasserbauliche Einschnitte im Untersuchungsgebiet 63 3. Methodik 67 3.1 Generierung der Datenbasis 71 3.1.1 Formulieren der Arbeitshypothesen 72 3.1.2 Datengrundlagen und deren Aufbereitung 75 3.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 77 3.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 78 3.2.1 Generierung der Teildatenbanken 78 3.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 78 3.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 82 3.3 Evaluation der Methodik 82 3.3.1 Deskriptive Statistik 83 3.3.2 »Observed vs. predicted Analyse« 84 3.3.3 Multivariate Statistik 86 3.3.4 Validation der Methodik 91 3.4 Evaluation der Datengrundlagen und Generierung der finalen Teildatenbanken 92 3.4.1 Evaluation der Datengrundlagen 94 3.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 95 3.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 95 3.4.4 Validation der Datengrundlage 96 3.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 96 3.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 98 3.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 102 3.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 104 3.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 105 3.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 106 3.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 106 3.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 110 3.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 111 4. Ergebnisse und Diskussion 114 4.1 Generierung der Datenbasis 114 4.1.1 Arbeitshypothesen 114 4.1.2 Datengrundlagen 114 4.1.2.1 Höhenfestpunkte 114 4.1.2.2 LiDAR Daten 118 4.1.2.3 Historische Archive 120 4.1.2.4 Leitprofile 123 4.1.2.5 Geologische Aufschlüsse 126 4.1.2.6 Archäologische Dokumentationen 131 4.1.3 Zusammenfassung: Gesamtdatenbank 141 4.2 Zwischenergebnisse »DGM 1015ROH« und »DGM HEUTE« 143 4.2.1 Generierung der Teildatenbanken 143 4.2.2 Interpolation und qualitative Auswertung der Zwischenergebnisse 144 4.2.3 Definition von Teiluntersuchungsgebieten 150 4.3. Evaluierung der Methodik 152 4.3.1 Deskriptive Statistik 152 4.3.2 »Observed vs. Predicted Analyse« 154 4.3.3 Multivariate Statistik 157 4.3.4 Validation der Methodik 163 4.4. Evaluierung der Datengrundlagen 166 4.4.1 Evaluation und ggf. Anpassung der Datengrundlagen 168 4.4.1.1 Geologische Aufschlüsse 168 4.4.1.2 Archäologische Dokumentationen 169 4.4.1.3 Fallbeispiel: Teiluntersuchungsgebiet Matthäikirchhof 173 4.4.2 Finale Teildatenbanken »DGM 1015« und »DGM BASIS« 176 4.4.3 Interpolation und qualitative Auswertung der Ergebnisse 179 4.4.4 Validation der Datengrundlage 182 4.5 Geostatistische Auswertung des »DGM 1015« und »DGM BASIS« 184 4.5.1 Objektive Auswahl der Rasterzellengröße 184 4.5.2 Simulation und Analyse der Paläooberflächen 186 4.5.3 Simulation und Analyse der Fließgewässer 193 4.5.4 Evaluation der vorhergesagten Unsicherheiten 197 4.6 Abschließende Interpolation und räumliche Validierung 198 4.6.1 Weitere Interpolationsmöglichkeiten und finale Modelle 199 4.6.2 Flurabstandsberechnungen zwischen den DGM 207 4.6.3 Anstehende geologische Substrate der finalen DGM 210 4.7 Landschafts- und Siedlungsgenetische Interpretation der Paläomodelle 218 5. Synthese und Ausblick 233 6. Literaturverzeichnis 248 7. Anlagen i

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This thesis addresses the problem of improving the delineation of skylines, also referred to as skyline detection, in occluded and challenging environments where existing skyline delineation methods may struggle or fail. Delineated skylines can be used in monocular camera localization methods by comparing delineated skylines to digital elevation model data to estimate a position based on known terrain. This is particularly useful in GPS-denied environments in which active sensing is either impractical or undesirable for various reasons, so that passive sensing using monocular cameras is necessary and/or strategically advantageous. This thesis presents a novel method of skyline delineation using deep learning-based semantic segmentation of monocular camera images to detect natural skylines of distant landscapes in the presence of occlusions. Skylines are extracted from semantic segmentation predictions as the boundary between pixel clusters labeled as terrain to those labeled as sky, with additional segmentation classes representing the known set of potential occlusions in a given environment. Additionally, each pixel in the detected skyline contours are assigned a confidence score based on local intensity gradients to reduce the potential impacts of erroneous skyline contours on position estimation. The utility of these delineated skylines is demonstrated by obtaining orientation and position estimates using existing methods of skyline-based localization. In these methods, the delineated natural skyline is compared to rendered skylines using digital elevation model data and the position estimate is obtained by finding the closest match. Results from the proposed skyline delineation method using semantic segmentation, with accompanying localization demonstration, is presented on two distinct data sets. The first is obtained from the Perseverance Rover operating in the Jezero Crater region of Mars, and the second is obtained from an uncrewed surface vessel operating in the Gulf of Koper, Slovenia. / Denna avhandling tar upp problemet med att förbättra avgränsningen av skylines, även kallad skylinedetektion, i tilltäppta och utmanande miljöer där befintliga skylineavgränsningsmetoder kan kämpa eller misslyckas. Avgränsade skylines kan användas i monokulära kameralokaliseringsmetoder genom att jämföra avgränsade skylines med digitala höjdmodelldata för att uppskatta en position baserat på känd terräng. Detta är särskilt användbart i GPS-nekas miljöer där aktiv avkänning är antingen opraktisk eller oönskad av olika skäl, så att passiv avkänning med användning av monokulära kameror är nödvändig och/eller strategiskt fördelaktig. Denna avhandling presenterar en ny metod för skylineavgränsning med användning av djupinlärningsbaserad semantisk segmentering av monokulära kamerabilder för att detektera naturliga skylines av avlägsna landskap i närvaro av ocklusioner. Horisonter extraheras från semantiska segmenteringsförutsägelser som gränsen mellan pixelkluster märkta som terräng till de märkta som himmel, med ytterligare segmenteringsklasser som representerar den kända uppsättningen potentiella ocklusioner i en given miljö. Dessutom tilldelas varje pixel i de detekterade skylinekonturerna ett konfidenspoäng baserat på lokala intensitetsgradienter för att minska den potentiella påverkan av felaktiga skylinekonturer på positionsuppskattning. Användbarheten av dessa avgränsade skylines demonstreras genom att erhålla orienterings- och positionsuppskattningar med hjälp av befintliga metoder för skylinebaserad lokalisering. I dessa metoder jämförs den avgränsade naturliga horisonten med renderade silhuetter med hjälp av digitala höjdmodelldata och positionsuppskattningen erhålls genom att hitta den närmaste matchningen. Resultat från den föreslagna metoden för skylineavgränsning med semantisk segmentering, med tillhörande lokaliseringsdemonstration, presenteras på två distinkta datamängder. Den första kommer från Perseverance Rover som verkar i Jezero Crater-regionen på Mars, och den andra erhålls från ett obemannat ytfartyg som verkar i Koperbukten, Slovenien.

This project attempted to combine digital data sets to define and map geologic features in the Sparta and Montpelier quadrangles of Chickasaw and Clay counties in northeastern Mississippi. LANDSAT TM, digital elevation, and soil permeability data was used in conjunction with reference data for the Sparta quadrangle to build a computer model. Variables used in the model were: geology, slope, soil permeability, vegetation indices, the first three bands of a tasseled cap transformation, and drainage frequency. The data used was LANDSAT TM 30 meter imagery, digital elevation models, also at 30 meter resolution, Penn State STASGO soils data, and the existing map of the Sparta quadrangle. The purpose of this project was to use digital data to remotely map geologic features through heavy vegetation using a computer model. While the results of this project were not completely successful, the methods used show some potential for future application.

Syftet med fallstudien var att undersöka möjligheterna och nyttan med att implementera en höjdmodell med högre upplösning i SMHI:s översvämningsmodellering som tillämpar den hydrauliska modellen LISFLOOD-FP. SMHI utfärdar översvämningsvarningar och det är därför av vikt att översvämningsmodelleringen håller hög kvalitet. Samtidigt kräver modelleringen tid och resurser från Nationellt Superdatorcentrum i Linköping, NSC. Därför vägdes de potentiella fördelarna med högre upplösning mot förlängd körtid. Fallstudien bestod av två delar där en höjdmodell på två meters upplösning i xy-planet implementerades och jämfördes med den i dagsläget uppställda modellen på fem meters upplösning. Detta gjordes genom att återskapa översvämningstillfällen med dess flöden från S-HYPE och mätningar. I studiens första del hämtades satellitdata från Copernicus från två tidigare översvämningstillfällen för validering av över-svämningsmodelleringen. De tidigare översvämningstillfällena var dels i Emån i Småland år 2012 och dels i Västerdalälven i Dalarna år 2018. Ett index för passning beräknades mellan översvämningskartorna producerade med två respektive fem meters upplösning gentemot satellitbilderna för att kvantifiera överlappande ytor. Därtill beräknades vattendragens lutning för att undersöka om det fanns indikationer på något samband med förändring i index med ökad upplösning på höjdmodellen. Studiens andra del bestod i att undersöka hur höjdmodellens upplösning påverkar vattnets spridning kring översvämningsvallar i modellen. I undersökningen återskapades ett översvämningstillfälle från 2020 i Helige å i Småland. Ett antal delavrinningsområden visade sig instabila för den högre upplösta höjdmodellen och kunde därför endast simuleras med lägre flöden. Erhållna resultat visade dock på att översvämningskarteringen förbättrades med upplösningen två meter vid jämförelse med data från Copernicus. Körtiden ökade dock med över 12 gånger vid simulering av högre upplösning. Vidare visades tröskeleffekter i studiens resultat, då översvämnings-vallen stoppade vattnet i den högre upplösta höjdmodellen men inte i den med lägre upplösning. På grund av stabilitetsproblemet och studiens begränsade omfattning, kunde slutsats inte dras om huruvida SMHI bör implementera en höjdmodell med två meters upplösning i systemet för översvämningsvarningar. Däremot kunde konstateras att stabiliteten i modellen måste öka för att det ska vara möjligt. Slutligen drogs slutsatsen att det förekommer tröskeleffekter mellan de två höjdmodellerna och att prestandan ökar generellt för den högre upplösningen när det kommer till precisionen i översvämningsmodelleringen. / The purpose of this case study was to examine the possibilities and advantages of implementing a DEM with higher resolution in inundation modelling at SMHI, the Swedish Meteorological and Hydrological Institute, which uses the hydraulic model LISFLOOD-FP. The institute issues flood warnings and therefore it is of high importance that the innundation modelling gives adequate results. On the other hand, running the models at a higher spatial resolution takes more time and resources. Therefore, potentially improved modelling results were discussed in a context of prolonged runtime. The case study consisted of two parts where a Digital Elevation Model, DEM of two meter resolution was implemented and compared to the five meter DEM that is currently in use. This was done by recreating previous flooding events by using discharge data from S-HYPE. In the first part, satellite data from Copernicus from two previous flooding events in Sweden were used for model validation in comparison with the results from inundation models of SMHI for the different DEM:s. An index was calculated to quantify the overlapping inundation areas. The events were at the river Emån in 2012 and at Västerdalälven in 2018. Moreover, the slope of the rivers within each study area was calculated to investigate correlation between improved flood modelling results for higher DEM resolution and slope of the rivers. The second part of the study investigated flood embankments for the two different DEM:s around Helige å river. A flooding event which took place in 2020 was recreated and the water flow around the built embankments was compared for the two resolutions.  Running the models, it turned out that simulations of several subcatchment areas were unstable with the two meter DEM, and could only be run with lower flow. The obtained results, however, revealed an improved inundation modelling for the DEM with a resolution of 2 m for all study areas in comparison to the data from Copernicus; however the runtime was increased by over 12 times. Moreover, the results also showed threshold effects, where the flooding was impeded by the flooding embankment with the two meter DEM but not at the lower resolution. Due to the stability issue and the limited scope of this study, it cannot be concluded whether SMHI should implement the two meter DEM in their flood warnings system. However, it was concluded that the stability has to be increased to make it feasible. It was also concluded that there are threshold effects between the two DEM:s and that the performance seems to increase overall for the higher resolution when it comes to precision of the modelling.