In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

Agricultural production is becoming increasingly important as the world demand increases. On the other hand, there are several factors threatening that production such as the climate change. Therefore, monitoring and management of different parameters affecting the production are important. The current study is dedicated to two key parameters, namely agricultural land cover and soil-moisture mapping using X- and L-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Land-cover mapping plays an essential role in various applications like irrigation management, yield estimation and subsidy control. A model of multi-direction/multi-distance texture analysis on SAR data and its use for agricultural land cover classification was developed. The model is built and implemented in ESRI ArcGIS software and integrated with “R Environment”. Sets of texture measures can be calculated on a plot basis and stored in an attribute table for further classification. The classification module provides various classification approaches such as support vector machine and artificial neural network, in addition to different feature-selection methods. The model has been tested for a typical Mid-European agricultural and horticultural land use pattern south to the town of Pirna (Saxony/Germany), where the high-resolution SAR data, TerraSAR-X and ALOS/PALSAR (HH/HV) imagery, were used for land-cover mapping. The results indicate that an integrated classification using textural information of SAR data has a high potential for land-cover mapping. Moreover, the multi-dimensional SAR data approach improved the overall accuracy. Soil moisture (SM) is important for various applications such as crop-water management and hydrological modelling. The above-mentioned TerraSAR-X data were utilised for soil-moisture mapping verified by synchronous field measurements. Different speckle-reduction techniques were applied and the most representative filtered image was determined. Then the soil moisture was calculated for the mapped area using the obtained linear regression equations for each corresponding land-cover type. The results proved the efficiency of SAR data in soil-moisture mapping for bare soils and at the early growing stage of fieldcrops. / Landwirtschaftliche Produktion erlangt mit weltweit steigender Nahrungsmittelnachfrage zunehmende Bedeutung. Zahlreiche Faktoren bedrohen die landwirtschaftliche Produktion wie beispielsweise die globale Klimaveränderung einschließlich ihrer indirekten Nebenwirkungen. Somit ist das Monitoring der Produktion selbst und der wesentlichen Produktionsparameter eine zweifelsfrei wichtige Aufgabe. Die vorliegende Studie widmet sich in diesem Kontext zwei Schlüsselinformationen, der Aufnahme landwirtschaftlicher Kulturen und den Bodenfeuchteverhältnissen, jeweils unter Nutzung von Satellitenbilddaten von Radarsensoren mit Synthetischer Apertur, die im X- und L-Band operieren. Landnutzungskartierung spielt eine essentielle Rolle für zahlreiche agrarische Anwendungen; genannt seien hier nur Bewässerungsmaßnahmen, Ernteschätzung und Fördermittelkontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell entwickelt, welches auf Grundlage einer Texturanalyse der genannten SAR-Daten für variable Richtungen und Distanzen eine Klassifikation landwirtschaftlicher Nutzungsformen ermöglicht. Das Modell wurde als zusätzliche Funktionalität für die ArcGIS-Software implementiert. Es bindet dabei Klassifikationsverfahren ein, die aus dem Funktionsschatz der Sprache „R“ entnommen sind. Zum Konzept: Ein Bündel von Texturparametern wird durch das vorliegende Programm auf Schlagbasis berechnet und in einer Polygonattributtabelle der landwirtschaftlichen Schläge abgelegt. Auf diese Attributtabelle greift das nachfolgend einzusetzende Klassifikationsmodul zu. Die Software erlaubt nun die Suche nach „aussagekräftigen“ Teilmengen innerhalb des umfangreichen Texturmerkmalsraumes. Im Klassifikationsprozess kann aus verschiedenen Ansätzen gewählt werden. Genannt seien „Support Vector Machine“ und künstliche neuronale Netze. Das Modell wurde für einen typischen mitteleuropäischen Untersuchungsraum mit landwirtschaftlicher und gartenbaulicher Nutzung getestet. Er liegt südlich von Pirna im Freistaat Sachsen. Zum Test lagen für den Untersuchungsraum Daten von TerraSAR-X und ALOS/PALSAR (HH/HV) aus identischen Aufnahmetagen vor. Die Untersuchungen beweisen ein hohes Potenzial der Texturinformation aus hoch aufgelösten SAR-Daten für die landwirtschaftliche Nutzungserkennung. Auch die erhöhte Dimensionalität durch die Kombination von zwei Sensoren erbrachte eine Verbesserung der Klassifikationsgüte. Kenntnisse der Bodenfeuchteverteilung sind u.a. bedeutsam für Bewässerungsanwendungen und hydrologische Modellierung. Die oben genannten SAR-Datensätze wurden auch zur Bodenfeuchteermittlung genutzt. Eine Verifikation wurde durch synchrone Feldmessungen ermöglicht. Initial musste der Radar-typische „Speckle“ in den Bildern durch Filterung verringert werden. Verschiedene Filtertechniken wurden getestet und das beste Resultat genutzt. Die Bodenfeuchtebestimmung erfolgte in Abhängigkeit vom Nutzungstyp über Regressionsanalyse. Auch die Resultate für die Bodenfeuchtebestimmung bewiesen das Nutzpotenzial der genutzten SAR-Daten für offene Ackerböden und Stadien, in denen die Kulturpflanzen noch einen geringen Bedeckungsgrad aufweisen.

Ziel der Arbeit ist es, ein genaueres Prozessverständnis zur Abflussbildung an Hängen auf der Basis der räumlichen Verbreitung periglazialer Deckschichten zu erhalten. Das Untersuchungsgebiet ist ein 6 ha großes, forstlich bewirtschaftetes Quelleinzugsgebiet im Osterzgebirge. Das anstehende Gestein ist Gneis. Der oberflächennahe Untergrund ist aus zwei- und dreigliedrigen Deckschichten zusammengesetzt. Auf der Punkt-, Hang- und Kleineinzugsgebietsskala werden hydrometrische, hydrochemische und geoelektrische Methoden sowie Färbeversuche eingesetzt, um auf die dominierenden Abflussbildungsprozesse schließen zu können. Aus der Synthese der Teilergebnisse werden drei typische Prozessabläufe in Abhängigkeit von der Gebietsvorfeuchte abgeleitet. Diese verdeutlichen, dass bei geringer Vorfeuchte Sättigungsoberflächenabfluss im Quellsumpf vorherrscht, bei mittlerer bis hoher Vorfeuchte dagegen Zwischenabfluss der dominierende Abflussprozess ist. Die Abflusswirksamkeit der Niederschläge steigt zudem mit zunehmender Vorfeuchte nichtlinear an. Es wird herausgestellt, dass die hydraulisch anisotropen Eigenschaften der Basislage entscheidend die oberflächennahen Fließwege des Wassers beeinflussen. Sie besitzt durch ihre hohe Lagerungsdichte einerseits vertikal wasserstauende Eigenschaften. Andererseits kann Wasser, begünstigt durch das dominant sandige Substrat und das hangparallel eingeregelte Bodenskelett innerhalb der Schicht bevorzugt lateral geleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen die Bedeutung der Eigenschaften der periglazialen Deckschichten für die Abflussbildung an Mittelgebirgshängen. / The aim of this study is to contribute to the understanding of runoff processes on slopes based on the spatial distribution of periglacial cover beds. The study area is a 6 ha large forested spring catchment in the Eastern Ore Mountains, Saxony. Bedrock is gneiss overlain by periglacial cover beds comprising two or three layers. On plot, hillslope and small-catchment scales hydrometrical, hydrochemical and geoelectrical methods as well as tracer experiments are used to determine the constitutive runoff processes. From the synthesis of partial results, three pre-moisture controlled process cycles are derived. With low pre-moisture, saturation overland flow dominates in the spring bog. In contrast, with medium or high pre-moisture interflow occurs. Besides, with rising pre-moisture runoff coefficients increase in a non-linear manner. It is emphasised that the hydraulic anisotropic structure of the Basal Layer is the major control factor for subsurface water-flow paths. On the one hand, this layer acts as an aquitard for seeping water because of its high bulk density. On the other hand, water within the layer is able to flow laterally because of the sandy texture and the coarse clasts oriented parallel to the slope. These findings highlight the importance of relic periglacial cover beds for runoff generation in subdued mountains.

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

In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

Ziel der Arbeit ist es, ein genaueres Prozessverständnis zur Abflussbildung an Hängen auf der Basis der räumlichen Verbreitung periglazialer Deckschichten zu erhalten. Das Untersuchungsgebiet ist ein 6 ha großes, forstlich bewirtschaftetes Quelleinzugsgebiet im Osterzgebirge. Das anstehende Gestein ist Gneis. Der oberflächennahe Untergrund ist aus zwei- und dreigliedrigen Deckschichten zusammengesetzt. Auf der Punkt-, Hang- und Kleineinzugsgebietsskala werden hydrometrische, hydrochemische und geoelektrische Methoden sowie Färbeversuche eingesetzt, um auf die dominierenden Abflussbildungsprozesse schließen zu können. Aus der Synthese der Teilergebnisse werden drei typische Prozessabläufe in Abhängigkeit von der Gebietsvorfeuchte abgeleitet. Diese verdeutlichen, dass bei geringer Vorfeuchte Sättigungsoberflächenabfluss im Quellsumpf vorherrscht, bei mittlerer bis hoher Vorfeuchte dagegen Zwischenabfluss der dominierende Abflussprozess ist. Die Abflusswirksamkeit der Niederschläge steigt zudem mit zunehmender Vorfeuchte nichtlinear an. Es wird herausgestellt, dass die hydraulisch anisotropen Eigenschaften der Basislage entscheidend die oberflächennahen Fließwege des Wassers beeinflussen. Sie besitzt durch ihre hohe Lagerungsdichte einerseits vertikal wasserstauende Eigenschaften. Andererseits kann Wasser, begünstigt durch das dominant sandige Substrat und das hangparallel eingeregelte Bodenskelett innerhalb der Schicht bevorzugt lateral geleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen die Bedeutung der Eigenschaften der periglazialen Deckschichten für die Abflussbildung an Mittelgebirgshängen. / The aim of this study is to contribute to the understanding of runoff processes on slopes based on the spatial distribution of periglacial cover beds. The study area is a 6 ha large forested spring catchment in the Eastern Ore Mountains, Saxony. Bedrock is gneiss overlain by periglacial cover beds comprising two or three layers. On plot, hillslope and small-catchment scales hydrometrical, hydrochemical and geoelectrical methods as well as tracer experiments are used to determine the constitutive runoff processes. From the synthesis of partial results, three pre-moisture controlled process cycles are derived. With low pre-moisture, saturation overland flow dominates in the spring bog. In contrast, with medium or high pre-moisture interflow occurs. Besides, with rising pre-moisture runoff coefficients increase in a non-linear manner. It is emphasised that the hydraulic anisotropic structure of the Basal Layer is the major control factor for subsurface water-flow paths. On the one hand, this layer acts as an aquitard for seeping water because of its high bulk density. On the other hand, water within the layer is able to flow laterally because of the sandy texture and the coarse clasts oriented parallel to the slope. These findings highlight the importance of relic periglacial cover beds for runoff generation in subdued mountains.

In der Landnutzung stellt die Bewertung der Versorgung mit organischer Bodensubstanz (OBS) eine besondere Herausforderung dar. Dabei wird der Einfluss der Bodenfeuchte aufgrund des globalen Klimawandels an Bedeutung gewinnen, da die Wasserverfügbarkeit Einfluss auf die Aktivität der bodenlebenden Mikroorganismen nimmt. Ziel der Arbeit waren daher Aussagen, inwieweit verschiedene Wassergehalte den biologischen Umsatz bei der Inkubation von Bodenproben mit unterschiedlicher Herkunft sowie organischer Düngung beeinflussen. In einem Modellversuch wurden Bodenproben ungedüngter Parzellen von drei deutschen Dauerfeldversuchen in einer zweifaktoriellen Blockanlage in Abhängigkeit von organischer Düngung (Weizenstroh, Stallmist) und Wassergehalt inkubiert. Die Experimente wurden in vier Feuchtigkeitsstufen mit 10, 40, 65 und 90 % der Feldkapazität über einen Zeitraum von 85 Tagen bei einer Temperatur von 25 °C realisiert. Zusätzlich sind vor und nach der Inkubation Thermogravimetrische Bodenanalysen (TGBA) durchgeführt worden. Die Ergebnisse belegen einen mit dem Wassergehalt steigenden C-Umsatz, da die Aktivität von aeroben Mikroorganismen bis zur Wassersättigung des Bodens zunimmt. Die Steigerung war bei Zugabe von Weizenstroh höher als bei Stallmist, ohne Düngerzusatz signifikant niedriger. Gleichzeitig änderte sich die Dynamik der Abbauprozesse. Durch besonders trockene Verhältnisse wurde die Umsetzung verzögert, zudem sank die Umsatzrate langsamer. Ein dauerhafter Einfluss des Standorts auf den Umsatz der Düngemittel war dagegen nicht nachweisbar. Der biologische Abbau im Inkubationsversuch veränderte darüber hinaus die thermische Zerfallsdynamik. Die größten Veränderungen wurden nach Zugabe von Stroh festgestellt. Nicht geklärt werden konnte, ob in Böden mit höherer Versorgung durch organische Substanz gleiche Ergebnisse erzielt werden können. / In land use, the assessment of the supply of organic soil matter (OBS) is a particular challenge. The influence of soil moisture on global climate change will become increasingly important, as water availability influences the activity of soil-living microorganisms. The aim of the work is therefore to determine the extent to which different water contents influence the biological turnover during the incubation of soil samples with different origins as well as organic fertilisation. In a model experiment, soil samples from unfertilized plots of three German long-time field experiments were incubated in a two-factor block facility depending on organic fertilization (wheat straw, manure) and water content. The experiments were carried out in four humidity levels with 10, 40, 65 and 90 % of the field capacity over a period of 85 days at a temperature of 25 °C. In addition, thermogravimetric soil analyses (TGBA) were performed before and after incubation. The results prove a C turnover increasing with the water content, since the activity of aerobic microorganisms increases until the water saturation of the soil. The increase was higher with the addition of wheat straw than with manure, without fertilizer significantly lower. At the same time, the dynamics of the degradation processes changed. Due to particularly dry conditions, conversion was delayed and the turnover rate fell more slowly. A lasting influence of the site on fertilizer turnover was not proved. In addition, the biological degradation in the incubation experiment changed the thermal decay dynamics. The largest changes were observed after the addition of straw. It could not be clarified whether the same results could be achieved in soils with a higher supply of organic matter.

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