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Die vorliegende Dissertation untersucht die Einsatzmöglichkeiten von multispektralen Fernerkundungsdaten in der Kohlenstoffbilanzierung in großen Landschaftsräumen, wie z.B. des Naturparks TERRA.vita. Ziel der Arbeit ist es, neue Erkenntnisse zu gewinnen, welche Modelle und Parameter in der modellbasierten Kohlenstoffbilanzierung sicher aus Fernerkundungsdaten gewonnen werden können. Die Dissertation soll aber auch deutlich machen, wo etwaige Schwachstellen der Fernerkundungsdaten liegen, die möglicherweise durch terrestrische Messungen verifiziert werden müssen. Die Arbeit beschäftigt sich dabei mit dem Forschungsgebiet der Kohlenstoffbilanzierung und den aktuellen rechtlichen Rahmenbedingungen sowie klimapolitischen Hintergründen. Die für die Untersuchung ausgewählten Fernerkundungssensoren MODIS, ASTER und LANDSAT TM werden im Hinblick auf ihre speziellen qualitativen Eigenschaften (wie räumliche und zeitliche Auflösung sowie radiometrischen Besonderheiten) miteinander verglichen und beurteilt. Die drei Sensoren werden darüber hinaus mit CORINE Land Cover 2000 Daten verglichen. CORINE, dargestellt in thematischen Karten, ist aus dem Programm Coordination of Information on the Environment aus dem Jahre 1997 entnommen und beschreibt eine einheitliche Kartierung der Landnutzungen und Bodenbedeckungen in Europa. Ein besonderer Fokus der Arbeit liegt auf der Erfassung der Biomasse (speziell in Waldbeständen) sowie der Beschreibung der Methodik der derzeitigen Verfahren zur Determinierung und Bilanzierung von Kohlenstoffvorräten in komplexen Waldökosystemen und den Einsatzmöglichkeiten mittels multispektraler Fernerkundungsdaten.

Several decades of intensive dryland-farming in the Gadarif Region, located in the Eastern part of Sudan, has led to rapid landuse/landcover (LULC) changes mainly due to agricultural expansion, government policies and environmental calamities such as drought. The study area represents part of the African Sahel. The fundamental goal of the thesis was to assess land degradation and the impact of agriculture expansion on land cover, soil and crops production. To analyse and to monitor the LULC changes, multi-temporal Landsat data of the years 1979, 1989 and 1999 and ASTER data of the year 2009 covering an area of approximately 1200 km² were used. For this a post-classification comparison technique was applied to detect LULC changes from satellite images. Six LULC classes were identified during the classification scheme, namely cultivated land, fallow land, woodland, bare land, settlement and water. For the four dates of satellite images the overall classification accuracy ranged from 86 % to 92 %. During the three decades of the study period an extensive change of LULC patterns occurred. The cultivated areas increased significantly, covering 81 % of the previous woodland in the period 1979 – 2009. Fallow land only increased during the period 1989 – 1999. Over the three decades, urban expansion continuously increased covering an area of 23, 21 and 27 km² for the periods 1979 – 1989, 1989 – 1999 and 1999 – 2009 respectively. The detailed LULC map of the study area was obtained by using a dual polarisation (HH and HV) TerraSAR-X data of the year 2009. The different LULCs of the study area were analysed by employing an object-oriented classification approach. For that purpose, multi-resolution segmentation of the Definiens Software was used for creating the image objects. Using the feature-space optimisation tool the attributes of the TerraSAR-X images were optimised in order to obtain the best separability among classes for the LULC mapping. In addition to the classes that have been obtained by the optical data, the following LULCs resulted from SAR data: harvested land, rock, settlement 1 (local-roof buildings) and settlement 2 (concrete roof buildings). The backscattering coefficients for some classes were different along HH and HV polarisation. The best separation distance of the tested spectral, shape and textural features showed different variations among the discriminated LULC classes. An overall accuracy of 84 % with a kappa value of 0.82 was resulted from the classification scheme. Accuracy differences among the classes were kept minimal. For more than six decades in the Gadarif Region mechanised dryland farming is practised. As a result, due to continuous conventional tillage, extensive woodcutting and over-grazing, serious soil degradation occurred. To discuss the impact of LULC changes on the selected soil properties, three main LULC types were chosen to be investigated, namely: cultivated land, fallow land and woodland. In addition to the reference soil profiles, soil samples were also collected at two depths from ten sample plots for each of the LULC type. For these soil samples, various soil properties such as texture, bulk density (BD), organic matter (OM), soil pH, electrical conductivity (EC), sodium adsorption ratio (SoAR), phosphorous (P) and potassium (K) were analysed. Laboratory tests proved that soil properties were significantly affected by LULC changes. Within the different LULC types, clay content in the surface layers (0 – 5 and 5 – 15 cm) varied from 59 % to 65 %, whereas silt fractions ranged from 27 % to 37 %. Soil BD, OM and P were significantly different (p < 0·05) across the three LULC types. Soil pH was significantly different between cultivated land and woodland on one side and between fallow land and woodland on the other side. EC and SoAR values of fallow land were found to be significantly different (p < 0·05) from woodland. The dryland vertisol of the Gadarif Region in Sudan produced more than one-third of the national production of sorghum – the main food stuff in the country. Soil compaction has been recognised as one of the major problems in crop production worldwide. Soil strength and infiltration rate are important variables for understanding and predicting the soil processes. The effects of three different landuse systems (cultivated land, fallow land and woodland) on soil compaction and infiltration rate were investigated at two sites of the study area. Site 1 represents the older one of the two. The soil penetration resistance (SPR) was measured in three depths using a manually operated cone penetrometer. Infiltration rate was measured in the field using a double-ring infiltrometer. Following the cone-penetrometer sampling, soil samples were collected to determine the variables that affect SPR and infiltration rate vs. particle size, dry BD, volumetric moisture content (VMC) and organic carbon (OC) content. Field measurements and soil samples were collected for each landuse type. The measured infiltration rate data were inserted into the Kostiakov Model in order to predict the cumulative soil water infiltration. Soil compaction for the cultivated land was 65 % larger in comparison to woodland. Woodland areas showed an increase in the infiltration rate by 87 % and 74 % compared to cultivated and fallow land respectively. Both study sites showed an increase in the dry BD when SPR is increasing, while VMC decreases with increasing SPR. Also, low OC contents were observed to be associated with high SPR values. For Site 1 the average coefficient of determination (R²) for the infiltration data fit to the Kostiakov Model were 0.65, 0.73 and 0.84 for cultivated land, fallow land and woodland respectively. However, for Site 2 they were 0.63, 0.76 and 0.78. In the Gadarif Region agriculture is the main activity and practised in many forms with a variety of environmental effects and consequences. Continuous ploughing of the cultivated land coupled with inproper soil management has contributed to soil deterioration when the landuse changed from woodland to cultivated and fallow land. Therefore, the development of sustainable landuse practises in the dryland-farming of the study area need to be improved in order to reduce the amount of soil degradation in the future. / Mehrere Jahrzehnte intensiven Trockenfeldbaus in der Region von Gadarif, welche sich im östlichen Teil des Sudans befindet, führten hauptsächlich aufgrund von landwirtschaftlicher Expansion, politischen Beschlüssen der Regierung und Naturkatastrophen wie Trockenheit zu einer raschen Veränderung der Landnutzung und Landbedeckung. Das wesentliche Ziel dieser Dissertation war es, die Degradation des Landes, sowie die Auswirkungen von landwirtschaftlicher Expansion auf die Landbedeckung, den Boden und den Pflanzenbau im Untersuchungsgebiet, welches Teile der afrikanischen Sahelzone beinhaltet, abzuschätzen. Zur Analyse und Beobachtung der Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung wurden multi-temporale Landsat-Daten der Jahre 1979, 1989 und 1999 sowie ASTER-Daten aus dem Jahr 2009 genutzt, welche eine Fläche von schätzungsweise 1200 km² abdecken. Um Veränderungen von Landnutzung und Landbedeckung aus Satellitenbilddaten zu bestimmen, wurde ein auf Post-Klassifikation basierendes Vergleichsverfahren angewandt. Sechs Landnutzungs- und Landbedeckungsklassen, welche die Namen bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land, Waldgebiet, Ödland, besiedeltes Land und Wasserfläche tragen, wurden während des Klassifikationsprozesses bestimmt. Für die vier Aufnahmezeitpunkte der Satellitendaten lag die allgemeine Klassifikationsgenauigkeit zwischen 86 % und 92 %. Während des dreißigjährigen Untersuchungszeitraums fand eine beträchtliche Veränderung der Landnutzungs- und Landbedeckungsstruktur statt. Bewirtschaftete Flächen nahmen in ihrem Anteil signifikant zu und bedeckten innerhalb des Zeitraums von 1979 bis 2009 81 % der früheren Waldgebiete. Der Anteil von brach liegendem Land nahm lediglich während des Zeitraums von 1989 bis 1999 zu. Besiedelte Gebiete breiteten sich über die drei Jahrzehnte kontinuierlich aus und wuchsen innerhalb des Zeitraums von 1979 bis 1989 um eine Fläche von 23 km², sowie um 21 km² zwischen 1989 und 1999 und um 27 km² in dem Zeitabschnitt 1999 – 2009. Eine detaillierte Karte zur Landnutzung und Landbedeckung des Untersuchungsgebiets wurde mittels der Nutzung dual polarisierter (HH und HV) TerraSAR-X Daten aus dem Jahr 2009 erzeugt. Die verschiedenen Landnutzungen und Landbedeckungen im Beobachtungsgelände wurden durch die Anwendung eines objektorientierten Klassifikationsansatzes analysiert. Um Bildobjekte zu erzeugen, wurde für diesen Zweck die auf einer mehrfachen Auflösung basierende Segmentierung der Software Definiens genutzt. Das Werkzeug Feature Space Optimisation wurde für die Optimierung der Attribute der TerraSAR-X Bilder angewandt, damit eine ideale Unterscheidungsfähigkeit entlang der Klassen für die Kartierung der Landnutzungen und Landbedeckungen erreicht werden kann. Zusätzlich zu jenen Klassen, welche mittels optischer Daten abgeleitet wurden, ergaben sich aus SAR-Daten noch die nachfolgenden Landnutzungen und Landbedeckungen: Abgeerntetes Land, Fels, Besiedlung 1 (Gebäude mit landestypischer Bedachung) und Besiedlung 2 (Gebäude mit Betondach). Die Koeffizienten der Rückstreuung entlang der Polarisationen HH und HV waren für einige Klassen unterschiedlich. Der günstigste Trennungsabstand der getesteten spektralen, formgebenden und texturalen Features ergab verschiedene Abweichungen zwischen den bestimmten Klassen der Landnutzung und Landbedeckung. Die Klassifikationsmaßnahmen ergaben eine Gesamtgenauigkeit von 84 % mit einem Kappa-Wert von 0.82. Genauigkeitsunterschiede entlang der Klassen wurden minimal gehalten. Seit über sechs Jahrzehnten wird in der Region Gadarif maschinenbetriebener Trockenfeldbau ausgeübt. In Folge dessen fand eine beträchtliche Abholzung und Überweidung sowie eine schwerwiegende Bodendegradation aufgrund des stetigen konventionellen Feldbaus statt. Um die Auswirkungen der Veränderung von Landnutzung und Landbedeckung auf die ausgewählten Bodenbeschaffenheiten auszuwerten, wurden drei Haupttypen der Landnutzung und Landbedeckung für die weitere Untersuchung ausgewählt: Bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land, und Waldgebiet. Zusätzlich zu den Referenzbodenprofilen wurden außerdem für jeden Landnutzungs- und Landbedeckungstyp auf je zehn Probeflächen Bodenproben in zwei Tiefen entnommen. Bei diesen Bodenproben wurden zahlreiche Bodeneigenschaften analysiert, wie etwa Textur, Bodendichte (BD), organischer Materialgehalt (OM), pH-Wert des Bodens, elektrische Leitfähigkeit (EC), Adsorptionsgeschwindigkeit von Natrium (SoAR), Phosphorgehalt (P) sowie Kaliumgehalt (K). Labortests ergaben, dass die Bodeneigenschaften signifikant durch die Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung beeinflusst werden. Innerhalb der verschiedenen Landnutzungs- und Landbedeckungstypen variierte der Tongehalt in den Deckschichten (0 – 5 cm und 5 – 15 cm) zwischen 59 % und 65 %, wohin gegen sich die Lehmanteile von 27 % bis 37 % bewegten. Bodendichte, organischer Materialgehalt und Phosphorgehalt zeigten signifikant unterschiedliche Werte bei den drei Typen der Landnutzung und Landbedeckung (p < 0.05). Der pH-Wert des Bodens war signifikant verschieden zwischen bewirtschaftetem Land und Waldgebiet zum einen, und zwischen brach liegendem Land und Waldgebiet zum anderen. Die Werte der elektrischen Leitfähigkeit und der Adsorptionsgeschwindigkeit von Natrium bei brach liegendem Land erwiesen sich als maßgeblich verschieden zu jenen von Waldgebieten (p < 0.05). Auf dem Trockenland-Vertisolboden der Region Gadarif im Sudan wurde mehr als ein Drittel der nationalen Hirseproduktion erwirtschaftet – dem Haupternährungserzeugnis des Landes. Bodenverdichtung erwies sich als eines der weltweiten Hauptprobleme für den Pflanzenbau. Bodenfestigkeit und Versickerungsrate sind wichtige Variabeln, um Bodenprozesse verstehen und vorhersagen zu können. Die Auswirkungen der drei verschiedenen Landnutzungssysteme (bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land und Waldgebiet) auf die Bodenverdichtung und Versickerungsrate wurden an zwei Standorten im Beobachtungsgebiet untersucht. Standort 1 ist der ältere der beiden. Der Widerstand der Bodenpenetration (SPR) wurde in drei Tiefen durch eine manuell angewandte Rammsonde gemessen. Mittels der Nutzung eines Doppelring-Infiltrometers ist die Versickerungsrate im Feld gemessen worden. Im Anschluss an die Probenentnahme mittels Rammsonden wurden Bodenproben gesammelt, um jene Variabeln bestimmen zu können, welche den Widerstand der Bodenpenetration sowie der Versickerungsrate im Vergleich zur Partikelgröße, zur trockenen Bodendichte, zum volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt (VMC) und zum organischen Karbongehalt (OC) beeinflussen. Für jeden Landnutzungstypen wurden Feldmessungen durchgeführt und Bodenproben entnommen. Die gemessenen Daten der Versickerungsrate wurden in das Kostiakov-Modell eingespeist, um die gesamte Bodenwasserversickerung vorhersagen zu können. Die Bodenverdichtung bei bewirtschaftetem Land war 65 % stärker als bei Waldgebiet. Für Waldgebietsflächen wurde eine Zunahme der Versickerungsrate um 87 % verglichen mit bewirtschaftetem Land und um 74 % im Vergleich zu brach liegendem Land aufgezeigt. Beide Untersuchungsstandorte zeigten eine Zunahme in der trockenen Bodendichte für den Fall, dass der Widerstand der Bodenpenetration zunimmt, während der volumetrische Feuchtigkeitsgehalt mit zunehmendem Bodenpenetrationswiderstand abnimmt. Ebenso wurde beobachtet, dass ein geringer organischer Karbongehalt in Verbindung zu hohen Widerstandswerten der Bodenpenetration steht. Bei Standort 1 passte der durchschnittliche Bestimmungskoeffizient (R²) der Versickerungsrate zum Kostiakov-Modell mit den Werten 0.65 für bewirtschaftetes Land, 0.73 für brach liegendes Land und 0.84 für Waldgebiet. Für Standort 2 indessen ergaben die Werte 0.63, 0.76 und 0.78. Landwirtschaft, die in vielen Formen ausgeübt wird, ist die Haupttätigkeit in der Region Gadarif, und geht mit verschiedenartigsten Umweltauswirkungen und Konsequenzen einher. Kontinuierliche Feldbestellung des bewirtschafteten Landes, verbunden mit ungeeigneter Bodenbewirtschaftung, hat sich seit jenem Zeitpunkt, als sich die Landnutzung von Waldgebiet zu bewirtschaftetem und brach liegendem Land änderte, zu Bodenschädigung geführt. Daher muss die Entwicklung nachhaltiger Landnutzungspraktiken beim Trockenfeldbau im Untersuchungsgebiet verbessert werden, damit in Zukunft der Umfang der Bodendegradation verringert werden kann.

Several decades of intensive dryland-farming in the Gadarif Region, located in the Eastern part of Sudan, has led to rapid landuse/landcover (LULC) changes mainly due to agricultural expansion, government policies and environmental calamities such as drought. The study area represents part of the African Sahel. The fundamental goal of the thesis was to assess land degradation and the impact of agriculture expansion on land cover, soil and crops production. To analyse and to monitor the LULC changes, multi-temporal Landsat data of the years 1979, 1989 and 1999 and ASTER data of the year 2009 covering an area of approximately 1200 km² were used. For this a post-classification comparison technique was applied to detect LULC changes from satellite images. Six LULC classes were identified during the classification scheme, namely cultivated land, fallow land, woodland, bare land, settlement and water. For the four dates of satellite images the overall classification accuracy ranged from 86 % to 92 %. During the three decades of the study period an extensive change of LULC patterns occurred. The cultivated areas increased significantly, covering 81 % of the previous woodland in the period 1979 – 2009. Fallow land only increased during the period 1989 – 1999. Over the three decades, urban expansion continuously increased covering an area of 23, 21 and 27 km² for the periods 1979 – 1989, 1989 – 1999 and 1999 – 2009 respectively. The detailed LULC map of the study area was obtained by using a dual polarisation (HH and HV) TerraSAR-X data of the year 2009. The different LULCs of the study area were analysed by employing an object-oriented classification approach. For that purpose, multi-resolution segmentation of the Definiens Software was used for creating the image objects. Using the feature-space optimisation tool the attributes of the TerraSAR-X images were optimised in order to obtain the best separability among classes for the LULC mapping. In addition to the classes that have been obtained by the optical data, the following LULCs resulted from SAR data: harvested land, rock, settlement 1 (local-roof buildings) and settlement 2 (concrete roof buildings). The backscattering coefficients for some classes were different along HH and HV polarisation. The best separation distance of the tested spectral, shape and textural features showed different variations among the discriminated LULC classes. An overall accuracy of 84 % with a kappa value of 0.82 was resulted from the classification scheme. Accuracy differences among the classes were kept minimal. For more than six decades in the Gadarif Region mechanised dryland farming is practised. As a result, due to continuous conventional tillage, extensive woodcutting and over-grazing, serious soil degradation occurred. To discuss the impact of LULC changes on the selected soil properties, three main LULC types were chosen to be investigated, namely: cultivated land, fallow land and woodland. In addition to the reference soil profiles, soil samples were also collected at two depths from ten sample plots for each of the LULC type. For these soil samples, various soil properties such as texture, bulk density (BD), organic matter (OM), soil pH, electrical conductivity (EC), sodium adsorption ratio (SoAR), phosphorous (P) and potassium (K) were analysed. Laboratory tests proved that soil properties were significantly affected by LULC changes. Within the different LULC types, clay content in the surface layers (0 – 5 and 5 – 15 cm) varied from 59 % to 65 %, whereas silt fractions ranged from 27 % to 37 %. Soil BD, OM and P were significantly different (p < 0·05) across the three LULC types. Soil pH was significantly different between cultivated land and woodland on one side and between fallow land and woodland on the other side. EC and SoAR values of fallow land were found to be significantly different (p < 0·05) from woodland. The dryland vertisol of the Gadarif Region in Sudan produced more than one-third of the national production of sorghum – the main food stuff in the country. Soil compaction has been recognised as one of the major problems in crop production worldwide. Soil strength and infiltration rate are important variables for understanding and predicting the soil processes. The effects of three different landuse systems (cultivated land, fallow land and woodland) on soil compaction and infiltration rate were investigated at two sites of the study area. Site 1 represents the older one of the two. The soil penetration resistance (SPR) was measured in three depths using a manually operated cone penetrometer. Infiltration rate was measured in the field using a double-ring infiltrometer. Following the cone-penetrometer sampling, soil samples were collected to determine the variables that affect SPR and infiltration rate vs. particle size, dry BD, volumetric moisture content (VMC) and organic carbon (OC) content. Field measurements and soil samples were collected for each landuse type. The measured infiltration rate data were inserted into the Kostiakov Model in order to predict the cumulative soil water infiltration. Soil compaction for the cultivated land was 65 % larger in comparison to woodland. Woodland areas showed an increase in the infiltration rate by 87 % and 74 % compared to cultivated and fallow land respectively. Both study sites showed an increase in the dry BD when SPR is increasing, while VMC decreases with increasing SPR. Also, low OC contents were observed to be associated with high SPR values. For Site 1 the average coefficient of determination (R²) for the infiltration data fit to the Kostiakov Model were 0.65, 0.73 and 0.84 for cultivated land, fallow land and woodland respectively. However, for Site 2 they were 0.63, 0.76 and 0.78. In the Gadarif Region agriculture is the main activity and practised in many forms with a variety of environmental effects and consequences. Continuous ploughing of the cultivated land coupled with inproper soil management has contributed to soil deterioration when the landuse changed from woodland to cultivated and fallow land. Therefore, the development of sustainable landuse practises in the dryland-farming of the study area need to be improved in order to reduce the amount of soil degradation in the future. / Mehrere Jahrzehnte intensiven Trockenfeldbaus in der Region von Gadarif, welche sich im östlichen Teil des Sudans befindet, führten hauptsächlich aufgrund von landwirtschaftlicher Expansion, politischen Beschlüssen der Regierung und Naturkatastrophen wie Trockenheit zu einer raschen Veränderung der Landnutzung und Landbedeckung. Das wesentliche Ziel dieser Dissertation war es, die Degradation des Landes, sowie die Auswirkungen von landwirtschaftlicher Expansion auf die Landbedeckung, den Boden und den Pflanzenbau im Untersuchungsgebiet, welches Teile der afrikanischen Sahelzone beinhaltet, abzuschätzen. Zur Analyse und Beobachtung der Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung wurden multi-temporale Landsat-Daten der Jahre 1979, 1989 und 1999 sowie ASTER-Daten aus dem Jahr 2009 genutzt, welche eine Fläche von schätzungsweise 1200 km² abdecken. Um Veränderungen von Landnutzung und Landbedeckung aus Satellitenbilddaten zu bestimmen, wurde ein auf Post-Klassifikation basierendes Vergleichsverfahren angewandt. Sechs Landnutzungs- und Landbedeckungsklassen, welche die Namen bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land, Waldgebiet, Ödland, besiedeltes Land und Wasserfläche tragen, wurden während des Klassifikationsprozesses bestimmt. Für die vier Aufnahmezeitpunkte der Satellitendaten lag die allgemeine Klassifikationsgenauigkeit zwischen 86 % und 92 %. Während des dreißigjährigen Untersuchungszeitraums fand eine beträchtliche Veränderung der Landnutzungs- und Landbedeckungsstruktur statt. Bewirtschaftete Flächen nahmen in ihrem Anteil signifikant zu und bedeckten innerhalb des Zeitraums von 1979 bis 2009 81 % der früheren Waldgebiete. Der Anteil von brach liegendem Land nahm lediglich während des Zeitraums von 1989 bis 1999 zu. Besiedelte Gebiete breiteten sich über die drei Jahrzehnte kontinuierlich aus und wuchsen innerhalb des Zeitraums von 1979 bis 1989 um eine Fläche von 23 km², sowie um 21 km² zwischen 1989 und 1999 und um 27 km² in dem Zeitabschnitt 1999 – 2009. Eine detaillierte Karte zur Landnutzung und Landbedeckung des Untersuchungsgebiets wurde mittels der Nutzung dual polarisierter (HH und HV) TerraSAR-X Daten aus dem Jahr 2009 erzeugt. Die verschiedenen Landnutzungen und Landbedeckungen im Beobachtungsgelände wurden durch die Anwendung eines objektorientierten Klassifikationsansatzes analysiert. Um Bildobjekte zu erzeugen, wurde für diesen Zweck die auf einer mehrfachen Auflösung basierende Segmentierung der Software Definiens genutzt. Das Werkzeug Feature Space Optimisation wurde für die Optimierung der Attribute der TerraSAR-X Bilder angewandt, damit eine ideale Unterscheidungsfähigkeit entlang der Klassen für die Kartierung der Landnutzungen und Landbedeckungen erreicht werden kann. Zusätzlich zu jenen Klassen, welche mittels optischer Daten abgeleitet wurden, ergaben sich aus SAR-Daten noch die nachfolgenden Landnutzungen und Landbedeckungen: Abgeerntetes Land, Fels, Besiedlung 1 (Gebäude mit landestypischer Bedachung) und Besiedlung 2 (Gebäude mit Betondach). Die Koeffizienten der Rückstreuung entlang der Polarisationen HH und HV waren für einige Klassen unterschiedlich. Der günstigste Trennungsabstand der getesteten spektralen, formgebenden und texturalen Features ergab verschiedene Abweichungen zwischen den bestimmten Klassen der Landnutzung und Landbedeckung. Die Klassifikationsmaßnahmen ergaben eine Gesamtgenauigkeit von 84 % mit einem Kappa-Wert von 0.82. Genauigkeitsunterschiede entlang der Klassen wurden minimal gehalten. Seit über sechs Jahrzehnten wird in der Region Gadarif maschinenbetriebener Trockenfeldbau ausgeübt. In Folge dessen fand eine beträchtliche Abholzung und Überweidung sowie eine schwerwiegende Bodendegradation aufgrund des stetigen konventionellen Feldbaus statt. Um die Auswirkungen der Veränderung von Landnutzung und Landbedeckung auf die ausgewählten Bodenbeschaffenheiten auszuwerten, wurden drei Haupttypen der Landnutzung und Landbedeckung für die weitere Untersuchung ausgewählt: Bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land, und Waldgebiet. Zusätzlich zu den Referenzbodenprofilen wurden außerdem für jeden Landnutzungs- und Landbedeckungstyp auf je zehn Probeflächen Bodenproben in zwei Tiefen entnommen. Bei diesen Bodenproben wurden zahlreiche Bodeneigenschaften analysiert, wie etwa Textur, Bodendichte (BD), organischer Materialgehalt (OM), pH-Wert des Bodens, elektrische Leitfähigkeit (EC), Adsorptionsgeschwindigkeit von Natrium (SoAR), Phosphorgehalt (P) sowie Kaliumgehalt (K). Labortests ergaben, dass die Bodeneigenschaften signifikant durch die Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung beeinflusst werden. Innerhalb der verschiedenen Landnutzungs- und Landbedeckungstypen variierte der Tongehalt in den Deckschichten (0 – 5 cm und 5 – 15 cm) zwischen 59 % und 65 %, wohin gegen sich die Lehmanteile von 27 % bis 37 % bewegten. Bodendichte, organischer Materialgehalt und Phosphorgehalt zeigten signifikant unterschiedliche Werte bei den drei Typen der Landnutzung und Landbedeckung (p < 0.05). Der pH-Wert des Bodens war signifikant verschieden zwischen bewirtschaftetem Land und Waldgebiet zum einen, und zwischen brach liegendem Land und Waldgebiet zum anderen. Die Werte der elektrischen Leitfähigkeit und der Adsorptionsgeschwindigkeit von Natrium bei brach liegendem Land erwiesen sich als maßgeblich verschieden zu jenen von Waldgebieten (p < 0.05). Auf dem Trockenland-Vertisolboden der Region Gadarif im Sudan wurde mehr als ein Drittel der nationalen Hirseproduktion erwirtschaftet – dem Haupternährungserzeugnis des Landes. Bodenverdichtung erwies sich als eines der weltweiten Hauptprobleme für den Pflanzenbau. Bodenfestigkeit und Versickerungsrate sind wichtige Variabeln, um Bodenprozesse verstehen und vorhersagen zu können. Die Auswirkungen der drei verschiedenen Landnutzungssysteme (bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land und Waldgebiet) auf die Bodenverdichtung und Versickerungsrate wurden an zwei Standorten im Beobachtungsgebiet untersucht. Standort 1 ist der ältere der beiden. Der Widerstand der Bodenpenetration (SPR) wurde in drei Tiefen durch eine manuell angewandte Rammsonde gemessen. Mittels der Nutzung eines Doppelring-Infiltrometers ist die Versickerungsrate im Feld gemessen worden. Im Anschluss an die Probenentnahme mittels Rammsonden wurden Bodenproben gesammelt, um jene Variabeln bestimmen zu können, welche den Widerstand der Bodenpenetration sowie der Versickerungsrate im Vergleich zur Partikelgröße, zur trockenen Bodendichte, zum volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt (VMC) und zum organischen Karbongehalt (OC) beeinflussen. Für jeden Landnutzungstypen wurden Feldmessungen durchgeführt und Bodenproben entnommen. Die gemessenen Daten der Versickerungsrate wurden in das Kostiakov-Modell eingespeist, um die gesamte Bodenwasserversickerung vorhersagen zu können. Die Bodenverdichtung bei bewirtschaftetem Land war 65 % stärker als bei Waldgebiet. Für Waldgebietsflächen wurde eine Zunahme der Versickerungsrate um 87 % verglichen mit bewirtschaftetem Land und um 74 % im Vergleich zu brach liegendem Land aufgezeigt. Beide Untersuchungsstandorte zeigten eine Zunahme in der trockenen Bodendichte für den Fall, dass der Widerstand der Bodenpenetration zunimmt, während der volumetrische Feuchtigkeitsgehalt mit zunehmendem Bodenpenetrationswiderstand abnimmt. Ebenso wurde beobachtet, dass ein geringer organischer Karbongehalt in Verbindung zu hohen Widerstandswerten der Bodenpenetration steht. Bei Standort 1 passte der durchschnittliche Bestimmungskoeffizient (R²) der Versickerungsrate zum Kostiakov-Modell mit den Werten 0.65 für bewirtschaftetes Land, 0.73 für brach liegendes Land und 0.84 für Waldgebiet. Für Standort 2 indessen ergaben die Werte 0.63, 0.76 und 0.78. Landwirtschaft, die in vielen Formen ausgeübt wird, ist die Haupttätigkeit in der Region Gadarif, und geht mit verschiedenartigsten Umweltauswirkungen und Konsequenzen einher. Kontinuierliche Feldbestellung des bewirtschafteten Landes, verbunden mit ungeeigneter Bodenbewirtschaftung, hat sich seit jenem Zeitpunkt, als sich die Landnutzung von Waldgebiet zu bewirtschaftetem und brach liegendem Land änderte, zu Bodenschädigung geführt. Daher muss die Entwicklung nachhaltiger Landnutzungspraktiken beim Trockenfeldbau im Untersuchungsgebiet verbessert werden, damit in Zukunft der Umfang der Bodendegradation verringert werden kann.

Tesis por compendio / [ES] El cambio climático indudablemente afectará los eventos de nieve ya que se espera que la temperatura y la precipitación cambien en el futuro. Las montañas españolas se ven especialmente afectadas por esta situación, ya que el almacenamiento de nieve se concentra en periodos muy concretos del año hidrológico y juega un papel muy importante en la gestión de los recursos hídricos. En este estudio se realiza en primer lugar un análisis del comportamiento de los fenómenos complejos relacionados con la nieve en las cuatro principales regiones montañosas de España en los próximos 50 años. El modelo hidrológico ASTER se aplica utilizando como insumo básico datos de temperatura y precipitación, estimados bajo un escenario de cambio climático. Los resultados muestran diferentes cambios en los caudales máximos y promedio esperados, dependiendo de la muy diferente magnitud y signo de los cambios en la precipitación. Puede producirse un aumento de los episodios de inundación como consecuencia de una compleja relación entre los cambios en las precipitaciones y un aumento de las intensidades máximas de deshielo que oscilan entre el 2,1% en los Pirineos y el 7,4% en la Cordillera Cantábrica. Sin embargo, los patrones comunes se muestran en una menor duración de las reservas de masa de nieve, que se espera que ocurra 45 días antes para la Cordillera Cantábrica, y alrededor de 30 días para el resto de las regiones montañosas estudiadas. Los cambios observados también conducen a una disminución preocupante del efecto regulador de los fenómenos relacionados con la nieve en los ríos españoles, con una disminución de la acumulación media de nieve que oscila entre un 28% para Pirineos y Sierra Nevada y un 42% para el Sistema Central y la Cordillera Cantábrica. Se espera una disminución del caudal medio, que fluctúe desde el 2,4% en los Pirineos hasta el 7,3% en la Cordillera Cantábrica, aumentando únicamente en el Sistema Central un 4,0%, siendo necesario desarrollar nuevas medidas de adaptación al cambio climático. Por otro lado, con el fin de lograr una mejor estimación del Equivalente de agua de nieve (SWE) utilizando una red meteorológica y de profundidad de nieve (SD) económica y extensa; y que mejore la calibración del modelo hidrológico ASTER, se proporcionan nuevos modelos de regresión de densidad de nieve (SDEN). A partir del gran banco de datos de densidad de nieve (SDEN) existente para los Pirineos españoles, siendo una de las zonas más importantes y mejor monitorizadas del mundo, se evalúan modelos de regresión lineal simple y múltiple que relacionan SDEN con la intra-dependencia del tiempo anual y otros factores como la precipitación acumulada estacional, las temperaturas promedio de 7 días, la profundidad de la nieve (SD) y la elevación. Los resultados mostraron tasas de densificación similares sin mostrar un patrón espacial. La tasa de densificación para el conjunto de muestras manuales se fijó en 1,2 x 10-3 kg/L/día, muy similar al conjunto de medidas automáticas. Los resultados aumentan el conocimiento sobre SDEN en los Pirineos, aunque hay que tener en cuenta la alta variabilidad espacial encontrada. Finalmente, se estudian los efectos que el cambio climático puede tener en las inundaciones para un caso de estudio de una cuenca nival de la Cordillera Cantábrica. Usando diferentes modelos climáticos, considerando un escenario de emisiones de gases de efecto invernadero comparativamente altas (RCP8.5), con datos diarios de temperatura y precipitación entre los años 2007-2070, y comparando los resultados en términos relativos, se estiman el caudal y la variación del riesgo de inundación debido al cambio climático. En el caso concreto de Reinosa, el modelo climático MRI-CGCM3 muestra que el cambio climático provocará un aumento significativo de habitantes potenciales afectados y daños económicos por riesgo de inundaciones. / [CA] El canvi climàtic afectarà indubtablement els esdeveniments de neu ja que s'espera que la temperatura i la precipitació canvien en el futur. Les muntanyes espanyoles estan especialment afectades per aquesta situació, ja que l'emmagatzematge de neu es concentra en períodes molt concrets de l'any hidrològic i juga un paper molt important en la gestió dels recursos hídrics. En aquest estudi es fa una anàlisi del comportament dels fenòmens complexos relacionats amb la neu a les quatre principals regions muntanyoses d'Espanya en els propers 50 anys. El model hidrològic ASTER s'aplica utilitzant com a insum bàsic dades de temperatura i precipitació, estimades sota un escenari de canvi climàtic. Els resultats mostren diferents canvis en els cabals màxims i la mitjana esperada, depenent de la molt diferent magnitud i signe dels canvis en la precipitació. Es pot produir un augment dels episodis d'inundació com a conseqüència d'una relació complexa entre els canvis en les precipitacions i un augment de les intensitats màximes de desglaç que oscil¿len entre el 2,1% als Pirineus i el 7,4% a la Serralada. Cantàbrica. Tot i això, els patrons comuns es mostren en una menor duració de les reserves de massa de neu, que s'espera que ocórreguen 45 dies abans per a la Serralada Cantàbrica, i al voltant de 30 dies per a la resta de les regions muntanyoses estudiades. Els canvis observats també condueixen a una disminució preocupant de l'efecte regulador dels fenòmens relacionats amb la neu als rius espanyols, amb una disminució de l'acumulació mitjana de neu que oscil¿la entre un 28% per als Pirineus i Sierra Nevada i un 42% per al Sistema Central i la Serralada Cantàbrica. S'espera una disminució del cabal mitjà, que fluctua des del 2,4% als Pirineus fins al 7,3% a la Serralada Cantàbrica, augmentant únicament al Sistema Central un 4,0%, i cal desenvolupar noves mesures d'adaptació al canvi climàtic. D'altra banda, per tal d'aconseguir una estimació millor de l'Equivalent d'aigua de neu (SWE) utilitzant una xarxa meteorològica i de profunditat de neu (SD) econòmica i extensa que condueix a millorar el calibratge del model hidrològic ASTER, es proporcionen nous models de regressió de densitat de neu (SDEN). A partir del banc de dades més significatiu de densitat de neu (SDEN) als Pirineus espanyols, i sent una de les zones més importants i millor monitorizades del mon per a mostrejos manuals in situ i mesures automàtiques, s'avaluen models de regressió lineal simple i múltiple que relacionen SDEN amb intra-dependència del temps anual i altres factors com la precipitació acumulada estacional, les temperatures mitjana de 7 dies, la profunditat de la neu (SD) i l'elevació. La precipitació estacional acumulada va presentar una influència més dominant que la precipitació diària, sent usualment el segon factor determinant de SDEN més dominant, seguit per la temperatura. Les temperatures mitjanes van mostrar el millor ajustament a SDEN. Els resultats van mostrar taxes de densificació similars, sense mostrar un patró espacial. La taxa de densificació per al conjunt de mostres manuals es va fixar en 1,2 x 10-3 kg/L/dia, molt semblant al conjunt de mesures automàtiques. Els resultats augmenten el coneixement sobre SDEN als Pirineus, encara que cal tindre en compte l'alta variabilitat espacial trobada. Finalment, s'estudien els efectes que el canvi climàtic pot tindre en les inundacions per a un cas d'estudi d'una conca nival de la Serralada Cantàbrica. Usant diferents models climàtics, considerant un escenari d'emissions de gasos d'efecte hivernacle comparativament altes (RCP8.5), amb dades diàries de temperatura i precipitació dels anys 2007-2070, i comparant els resultats en termes relatius, la taxa de flux i la variació del ri / [EN] Climate change undoubtedly will affect snow events as temperature and precipitation are expected to change in the future. Spanish mountains are especially affected by that situation since snow storage is there focused on very specific periods of the hydrological year and plays a very important role in the management of water resources. In this study, an analysis of the behaviour of the complex snow-related phenomena in the four main mountain regions of Spain in the next 50 years is conducted. The ASTER hydrological model is applied using temperature and precipitation data as basic input, estimated under a climate change scenario. Results show different changes in the maximum and average expected flows, depending on the very different magnitude and sign of changes in precipitation. An increase of flooding episodes may occur as a result of a complex relationship between changes in precipitation and an increase in maximum snowmelt intensities that range from 2.1% in the Pyrenees to 7.4% in the Cantabrian Mountains. However, common patterns are shown in a shorter duration of the snow bulk reserves, expected to occur 45 days earlier for the Cantabrian Mountains and about 30 days for the rest of the studied mountain regions. Changes observed also lead to a concerning decrease in the regulatory effect of the snow-related phenomena in the Spanish rivers, with a decrease in the average snow accumulation that ranges from about 28% for the Pyrenees and Sierra Nevada to 42% for the Central System and the Cantabrian Mountains. A decrease in average flow is expected, fluctuating from 2.4% in the Pyrenees to 7.3% in Cantabrian Mountains, only increasing in the Central System by 4.0%, making all necessary to develop new adaptation measures to climate change. To achieve a better estimation of Snow Water Equivalent (SWE) using an economical and extensive snow depth (SD) and meteorological network that leads to improving the calibration of ASTER hydrological model, new snow density (SDEN) regression models are given in this work. Based on the most significant dataset of snow density (SDEN) in the Spanish Pyrenees for on-site manual samples and automatic measurements, as one of the most important and best-monitored areas in the world, single and multiple linear regression models are evaluated that relate SDEN with intra-annual time dependence and other drivers such as the seasonal accumulated precipitation, 7-day average temperatures, snow depth (SD) and elevation. The seasonal accumulated precipitation presented a more dominant influence than daily precipitation, usually the second most dominant SDEN driver, followed by temperature. Average temperatures showed the best fitting to SDEN. The results showed similar densification rates without showing a spatial pattern. The densification rate for the set of manual samples was 1.2 x 10-3 kg/L/day, very similar to the set of automatic measurements. The results increase knowledge on SDEN in the Pyrenees, although the high spatial variability that has been found must be regarded. Finally, climate change's effects on floods are studied in a case study of a snow basin in the Cantabrian Mountains. Using different climate models, regarding a scenario of comparatively high greenhouse gas emissions (RCP8.5), with daily temperature and precipitation data from the years 2007-2070, and comparing results in relative terms, flow rate and flood risk variation due to climate change are estimated. In the specific case of Reinosa, the MRI-CGCM3 climate model shows that climate change will cause a significant increase of potentially affected inhabitants and economic damage due to flood risk / Lastrada Marcén, JE. (2022). Study of the Climate Change Effect on the Snow Water Resources in the Spanish Mountains [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188951 / Compendio

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Geological remote sensing is a powerful tool for lithological discrimination, especially in arid regions with minimal vegetative cover to obscure rock exposures. Commercial multispectral imaging satellites provide a broad spectral range with which to target specific rock types. Landsat ETM+ (7), ASTER, and SPOT 5 multispectral images were acquired and digitally processed: band ratioing, principle components analysis, and maximum likelihood supervised classification. The sensors were evaluated on the ability to discriminate between sedimentary rocks in a structurally complex setting. The study focusses on the formations of the Naukluft Nappe Complex, Namibia. Previous work of the area had to be consulted in order to identify the main target rock types. Dolomite, limestone, quartzite, and shale were determined to make up the majority of rock types in the area. Landsat, ASTER, and SPOT 5 imagery were acquired and pre-processed. Each was subjected to transform techniques: band ratios and PCA. Band ratios were tailored to highlighted target rock types as well as a number of control ratios to ensure the integrity of important ratios. PCA components were inspected to find the most useful ones which were combined into FCCs. Transform results, expert knowledge, and a geological map were consulted to identify training and accuracy samples for the supervised classifications. All three classifications made use of the same set of training and accuracy samples to facilitate useful comparisons. Transform results were promising for Landsat and ASTER images, while SPOT 5 struggled. The limited spectral resolution of SPOT 5 limited its use for identifying target rock types, with the superior spatial resolution contributing very little. Landsat benefitted from good spectral resolution. This allowed for good performance with highlighting limestone and dolomite, while being less successful with shale. Quartzite was a real problem as the spectral resolution of Landsat could not cover this range as well. ASTER, having the highest spectral resolution, could distinguish between all four target rock types. Landsat and ASTER results suffered in areas where formations were relatively thin (smaller than sensor spatial resolution). The supervised classification results were similar to the transforms in that both Landsat and ASTER provided useful results, while SPOT 5 failed to yield definitive results. Accuracy assessment determined that ASTER performed the best at 98.72%. Landsat produced an accuracy of 93.29% while SPOT 5 was 80.17% accuracy. Landsat completely overestimated the amount of quartzite present, while all results classified significant proportions Quaternary sediments as shale. Limestone was well represented in even the poorest results, while dolomite usually struggled in areas where it was in close association with quartzite. Silica yields relatively strong responses in the TIR spectrum which could lead to misclassification of dolomite, which also has strong TIR signatures. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Geologiese afstandswaarneming is 'n kragtige tegniek vir litologiese diskriminasie, veral in droë streke met minimale plantbedekking om dagsome te verduister. Kommersiële multispektrale satelliete beelde bied 'n breë spektrale reeks waarmee spesifieke gesteentetipes geteiken kan word. Landsat ETM + (7), ASTER, en SPOT 5 multispektrale beelde was bekom en digitaal verwerk: bandverhoudings, hoofkomponente-ontleding, en maksimum waarskynlikheid klassifikasie. Die sensors is geëvalueer op hul vermoë om te onderskei tussen sedimentêre gesteentes in 'n struktureel komplekse omgewing. Die studie fokus op die formasies van die Naukluft Dekblad Kompleks, Namibië. Vorige werk van die area was geraadpleeg om die hoofgesteentetipes te identifiseer. Dit was bepaal dat dolomiet, kalksteen, kwartsiet, en skalie die oorgrote meerderheid van kliptipes in area opgemaak het. Landsat, ASTER, en SPOT 5 beelde is verkry en voorverwerk. Elke beeld was onderwerp aan transformasietegnieke: bandverhoudings en hoofkomponente-ontleding. Bandverhoudings is aangepas om teiken rotstipes uit te lig asook 'n aantal kontrole bandverhoudings om die integriteit van belangrike verhoudings te verseker. Hoofkomponente-ontleding komponente is ondersoek om die mees bruikbares te vind en dié was gekombineer in valse kleur samestellings. Transformasie resultate, deskundige kennis, en 'n geologiese kaart was geraadpleeg om opleidings- en verwysingsmonsters was verkry vanaf die beelde vir die klassifikasies. Al drie klassifikasies gebruik gemaak van dieselfde stel van die opleiding- en akkuraatheidsmonsters om sodoende betekenisvolle vergelykings te verseker. Transformasie resultate is belowend vir Landsat en ASTER beelde, terwyl SPOT 5 minder bruikbaar was. Die noue spektrale resolusie van SPOT 5 beperk die gebruik daarvan vir die identifisering van teiken gesteentetipes terwyl die hoë ruimtelike resolusie baie min bydra. Landsat het voordeel getrek uit goeie spektrale resolusie. Dit goeie resultate opgelwer met die klem op kalksteen en dolomiet, terwyl skalie aansienlik swakker resultate opgelewer het. Kwartsiet was 'n werklike probleem omdat die spektrale resolusie van Landsat nie breed genoeg was om hierdie kliptipe te onderskei nie. ASTER, met die hoogste spektrale resolusie, kon onderskei tussen al vier teiken rotstipes. Landsat en ASTER resultate was baie negatief beïnvloed in gebiede waar formasies relatief dun was (kleiner as sensor ruimtelike resolusie). Die klassifikasie resultate was soortgelyk aan die transformasies in dat beide Landsat en ASTER nuttige resultate opgelewer het, terwyl SPOT 5 misluk het. Akkuraatheids assessering het bepaal dat ASTER die beste gevaar het met 98,72%. Landsat het 'n akkuraatheid van 93,29% opgelewer, terwyl SPOT 5 80,17% akkuraat was. Landsat het die hoeveelheid kwartsiet heeltemal oorskat, terwyl al die resultate groot hoeveelhede Kwaternêre sedimente as skalie geklassifiseer het. Kalksteen is goed verteenwoordig in tot die armste resultate, terwyl resultate gewoonlik afgeneem het waar dolomiet in noue verband met kwartsiet was. Dit is moontlik asgevolg van silika se relatiewe sterk reaksies in die termiese infra-rooi spektrum wat kan lei tot die foutiewe klassifisering met dolomiet (wat ook sterk reageer in die TIR spektrum).

Le volcan actif Mont Nemrut, situé à l'ouest du lac Van, est l'un des volcans les plus importants d'Anatolie orientale. Il possède une caldeira sommitale de 8.5 x 7 km de diamètres. L'activité volcanique du Nemrut a commencé il y a ~ 1Ma et s'est poursuivie jusque dans les périodes historiques. Les éruptions les plus récentes ont été signalées en 1441, 1597 et 1692 A.D. Parmi les volcans anatoliens orientaux, le Nemrut est le volcan le plus dangereux, compte tenu de sa proximité avec des sites urbanisés environnants ; il menace directement 135 000 habitants. Les manifestations actuelles de l'activité volcanique sont représentées par une activité hydrothermale et fumerollienne au sein de la caldeira. L'évolution structurale du volcan se subdivise en deux stades principaux ( pré-caldeira et post-caldeira) séparés par l'effondrement catastrophique de la caldeira. Les produits de l'activité anté-caldeira sont majoritairement représentés par des écoulements et des dômes de lave felsiques. Les séries ignimbritiques du Nemrut et de Kantasi, manifestations majeures de l'activité de la caldeira, sont constituées d'unités pliniennes et d'écoulements ignimbritiques. L'activité post-caldeira est représentée par une activité phréatomagmatique explosive et une activité effusive basaltique-rhyolitique bimodale, concentrées au sein de la caldeira et au niveau de la zone de rift récent du Nemrut, sur le flanc nord. L'analyse des données multisources (études de polarisation spontanée, modèles numériques de terrain et bathymétrie ainsi que de leurs produits dérivés, images Landsat et ASTER) a permis de caractériser la structure de la caldeira du Nemrut et les circulations hydrothermales associées. La synthèse de ces approches pluri-thématiques et des interprétations correspondantes permet de proposer que la caldeira est constituée de 3 blocs principaux, conséquence des processus de fragmentation générés lors des phases d'effondrement. Les frontières délimitant ces blocs et la frontière structurale principale de la caldeira contrôlent les principales activités hydrothermales intra-caldeira. Le régime tectonique régional de compression-extension existant au Pliocène est structuralement enraciné et est responsable du déclenchement du volcanisme du Mont Nemrut. Le jeu de systèmes décrochants surimposés aux structures pré-existantes a provoqué l'apparition d'une zone de faiblesse localisée au sein de laquelle le système volcanique du Nemrut s'est préférentiellement mis en place. La surveillance de l'activité du volcan a été initiée par l'installation d'un ensemble de 3 sismomètres, ce qui constitue le 1er réseau de surveillance sismo-volcanique sur un volcan en Turquie. Les données temps réel sont acquises, traitées et archivées depuis octobre 2003. L'interprétation des signaux volcaniques acquis dans le cadre de cette surveillance sismologique, couplée aux résultats de l'étude du système hydrothermal, confortent clairement l'existence d'une chambre magmatique active localisée aux environs de 4-5 km de profondeur. La surveillance à long terme de ce volcan potentiellement actif est essentielle pour la prévention des risques associés et fournira de plus une base de données essentielle pour une meilleure connaissance et compréhension du mode de fonctionnement de ce volcan.

Sulfur dioxide (SO2) is a gas typical of high temperature magmatic degassing, being its<p>third most abundant constituent after water vapor and carbon dioxide. SO2 flux measurements<p>are used to characterized and monitor volcanic degassing. This thesis presents advanced<p>methods for measuring the SO2 emitted in the troposphere by passive degassing volcanoes.<p>These methods are based on the absorption of infrared (IR) and ultraviolet (UV) light by SO2<p>molecules. They make use of the data acquired by satellite borne sensors (ASTER, OMI and<p>MODIS), and collected in the field using a UV camera equipped with filters<p>ASTER is a multispectral sensor observing the Earth in the thermal IR with a 90 m<p>ground resolution. The developed retrieval algorithm works with band ratios<p>(B10+B12)/2B11 and B14/B11, to avoid spectral interference from other variables than SO2.<p>With this algorithm, the impact of interferers such as atmospheric water vapor, sulfate<p>aerosols and ground emissivity is minimal, as demonstrated by radiative transfer simulations<p>by applying of the algorithm to real ASTER images and by comparing the results with ground<p>based data. ASTER is a kind of unifying thread for this thesis because its high ground<p>resolution fills the gap existing between highly localized ground based SO2 measurements and<p>the global coverage of other satellites with coarser pixels such as OMI and MODIS.<p>OMI is an imaging spectrometer operating in the UV, with a daily global coverage, a<p>high sensitivity to SO2 and a ground resolution of 13x24km. The OMI-ASTER comparison<p>shows that the SO2 columns measured on OMI pixels are two orders of magnitude smaller<p>than those of ASTER, because of the huge difference in the pixel size of the two satellites.<p>The flux measurements however are generally in good agreement. The analysis of a large<p>number of images shows that ASTER is better for cloud free scenes while OMI has an<p>optimal signal to noise ratio when the plume is lying above a low cloud cover. A practical<p>detection limit for SO2 flux measurements in tropospheric plumes has also been established:<p>5kg/s.<p>The comparison between ASTER measurements of SO2 column amounts with those of<p>MODIS (a multispectral IR imager with 1km ground resolution) shed light on systematic<p>errors in MODIS measurements. These errors were quantified and their origins were separated<p>and identified. This work demonstrates the limitations of MODIS for SO2 measurements.<p>A UV camera equipped with filters has also been developed to achieve 2D SO2 from the<p>ground at a high spatial and temporal resolution. The potential provided by this new type of<p>instruments has been demonstrated during a field campaign on Turrialba Volcano (Costa<p>Rica). The integration of measurements obtained using the camera, ASTER and OMI revealed<p>a high and sustained SO2 flux, which can be explained only by the degassing of a recently<p>intruded magma body. The slow decrease of SO2 flux since January 2010 suggests a<p>progressive exhaustion of the volatile content of the magma.<p>Finally, we applied the band ratio algorithm to a series of ASTER images of the recent<p>eruption of Eyjafjallajökull in April-May 2010. The SO2 measurements provide interesting<p>insights into the complex eruptive dynamics and into the control of hydromagmatic<p>interactions on eruptive gas release into the atmosphere. /<p><p>Le dioxyde de soufre (SO2) est un gaz typique du dégazage magmatique de haute<p>température, dont il est le troisième composant le plus abondant derrière H2O et CO2. Le flux<p>de SO2 est un excellent paramètre pour caractériser le dégazage volcanique et surveiller son<p>évolution dans le temps. Cette thèse présente de nouvelles méthodes de mesures des flux de<p>SO2 émis par l’activité volcanique. Ces méthodes se basent sur l’absorption de la molécule de<p>SO2 dans l’infrarouge (IR) et l’ultraviolet (UV). Elles utilisent les données prises par des<p>senseurs embarqués sur des satellites (ASTER, OMI et MODIS) ou opérés depuis le sol<p>(caméra UV munie de filtres).<p>Le senseur ASTER opère dans l’IR thermique avec une résolution spatiale de 90 m par<p>pixel. L’algorithme de mesure développé pour ce satellite n’est sensible qu’à la concentration<p>en SO2 et pratiquement pas aux paramètres interférents qui posaient problèmes aux méthodes<p>existantes :la vapeur d’eau atmosphérique, les aérosols de sulfate dans le panache et<p>l’émissivité de la surface sous-jacente. ASTER est un peu le fil conducteur de cette thèse, car<p>sa haute résolution spatiale lui permet de faire le lien entre des mesures au sol et les mesures<p>faites par d’autres satellites comme OMI et MODIS.<p>Le satellite OMI est un spectromètre imageant qui opère dans l’UV, avec une<p>couverture globale journalière, une haute sensitivité au SO2 et une résolution spatiale de<p>13x24km. La comparaison OMI-ASTER montre que les colonnes mesurées sur les pixels<p>d’OMI sont de deux ordres de grandeur inférieurs à celles d’ASTER, à cause de la différence<p>de résolution spatiale entre les deux satellites. Les mesures de flux, par contre, montrent une<p>très bonne concordance. L’analyse d’un grand nombre d’images a permis d’établir qu’ASTER<p>est meilleur pour des scènes sans nuages tandis qu’OMI est meilleur quand une couverture<p>nuageuse présente sous le panache augmente son rapport signal sur bruit. Une limite de<p>détection pratique a aussi été établie pour les flux de SO2 dans les panaches volcaniques dans<p>la basse troposphère :5kg/s.<p>La comparaison des mesures d’ASTER avec celle de MODIS a permis de démontrer les<p>limites de MODIS pour la mesure du SO2. Des erreurs systématiques sur les mesures de<p>MODIS on été mises en évidence et quantifiées. Ces erreurs sont dues aux interférents<p>spectraux que sont la vapeur d’eau atmosphérique et les aérosols sulfatés. L’émissivité est<p>aussi un important facteur d’erreur pour MODIS.<p>Une caméra UV équipée d’un système de filtres a également été développée pour<p>mesurer le SO2 en 2D, à haute résolution spatiale et temporelle. Le potentiel offert par ce<p>nouveau type d’instrument a été démontré lors d’une campagne de mesures sur le volcan<p>Turrialba (Costa Rica). La combinaison de mesures de SO2 réalisée avec la caméra, ASTER<p>et OMI a permis de mettre en évidence des flux très élevés (30-50kg/s) qui ne peuvent<p>s’expliquer que par une intrusion récente de magma juvénile en cours de dégazage.<p>Enfin, les mesures de SO2 ont réalisées à partir des images ASTER pendant l’éruption<p>du volcan Eyjafjallajökull en avril-mai 2010. Ces mesures fournissent des informations<p>intéressantes sur les dynamismes éruptifs qui se sont succédé et sur le contrôle des émissions<p>de SO2 dans l’atmosphère par les interactions magma-eau. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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The objective of this thesis was to identify the mechanisms associated with the recurrence of rock-slope instability along the R518 and R523 roads in Limpopo. Advanced geotechnical methods and ASTER imagery were used for the purpose while a predictive rockfall hazard rating matrix chart and rock slope stability charts for unsaturated sensitive clay soil and rock slopes were to be developed. The influence of extreme rainfall on the slope stability of the sensitive clay soil was also evaluated. To achieve the above, field observations, geological mapping, kinematic analysis, and limit equilibrium were performed. The latter involved toppling, transitional and rotational analyses. Numerical simulation was finally resorted to. The following software packages were employed: SWEDGE, SLIDE, RocData, RocFall, DIPS, RocPlane, and Phase 2. The simulation outputs were analyzed in conjunction with ASTER images. The advanced remote sensing data paved the way for landslide susceptibility analysis. From all the above, rockfall hazard prediction charts and slope stability prediction charts were developed. Several factors were also shown by numerical simulation to influence slope instability in the area of study, i.e. sites along the R518 and R523 roads in the Thulamela Municipality. The most important factors are extreme rainfall, steep slopes, geological features and water streams in the region, and improper road construction. Owing to the complexity of the failure mechanisms in the study area, it was concluded that both slope stability prediction charts and rock hazard matrix charts are very useful. They indeed enable one to characterize slope instability in sensitive clay soils as well as rockfall hazards in the study area. It is however recommended that future work is undertaken to explore the use of sophisticated and scientific methods. This is instrumental in the development of predictive tools for rock deformation and displacement in landslide events. / Electrical and Mining Engineering / D. Phil. (Mining Engineering)