In Sudan, land degradation/desertification (LDD) has devastated large areas and consequently, it includes social, economic, and environmental aspects. LDD results from various factors, including climatic variation and human activities. Probably the LU practices and their changes have contributed to an increase of LDD in that area. Remote sensing technology has become unique and developed tool for providing temporal and spatial information for the LDD research and other environmental aspects. Determination of LDD and its relationship to land use pattern change (LUC) at spatiotemporal scale is rare, critical issue, and is one of the recommended research in semi-arid regions of Sudan. The study was carried out to derive accurate and improved spatiotemporal information: to assess the status of land LDD of vegetation and soil, to assess and model influences of the LUC on LDD, and moreover to analyse the synergistic factors that have caused the land use change and/or LDD in semi- arid zone of Elgeteina Locality in While Nile State, Sudan during the last 36 years, using appropriate remote sensing (RS) and GIS technology. The study used four-cloud free images of different sensors (MSS 1973, TM 1986, ASTER 2009 and TM 2010). The imageries were Geo-referenced and radiometrically corrected by using ENVI-FLAASH software. Then subsets of the study area were taken, ranging from 1600-2000 Km2. The study applied the new approach of integration between vegetation and soil indices and in situ data to assess the LDD. Comparison between pixel based image analysis (PBIA) and latterly approach of object based image analysis (OBIA) was done by selecting the best one for mapping LUC and LDD accurately. The change detection - matrix was applied to estimate the spatiotemporal of changes in land use and land degradation. Moreover, correlation and model approach was employed for fusing the climatic, socioeconomic and remote sensing data to determine the relationships between the different factors and to analyse the reasons for the LUC and LDD as well as for modelling LU effects on LDD. The study revealed that: The changes in land use patterns (RA, FWL and FML) took place in 1973 – 86 – 2009, and affecting thoroughly different patterns of the vegetation cover. Likewise the LUC affected soil degradation which led to the movement of sand dunes in 1973 – 2009. The agricultural activity is the dominant and has more effect on LDD particularly on the vegetation cover degradation. The population growth and the socioeconomic status of local people are the main indirect human inducing factors responsible for LUC and/or LDD. SARVI is slightly more efficient than NDVI, SAVI, ND4-25 and ND42-57, for detecting the vegetation status in semi-arid area, therefore the study selected it for the assessment. GSI proved highly efficient in determining the different types of soil degradation, and in producing the map of top soil grain size, which assisted in the assessment of land degradation and desertification. OBIA-fuzzy logic classification performed better than the PBIA- hybrid classification for assessing LU patterns impact on LDD. The study recommends to: replication of this study by using different imagery with high resolutions and sophisticated software, such as eCognition and Feature Analyst (FA) for increasing the validity and accuracy of the assessment and modelling of LU patterns and LDD status in dry land is important in the Sudan. / Im Sudan hat Land Degradation/ Desertifikation (LDD) weite Gegenden verwüstet, wobei hierbei soziale, wirtschaftliche und Umweltaspekte eine Rolle spielen. LDD wird von verschiedenen Faktoren ausgelöst, darunter Klimavariationen und menschliche Aktivitäten. Wahrscheinlich haben Landnutzungspraktiken und ihre Änderungen zu erhöhter LDD in der untersuchten Gegend beigetragen. Fernerkundungstechnologien sind sehr gute und weit entwickelte Werkzeuge um zeitliche und räumliche Informationen zur Erforschung von LDD und anderen Umweltaspekten zu ermitteln. Die Bestimmung von LDD und ihre Beziehung zur Änderung von Landnutzungsmustern (LUC) im raum-zeitlichen Maßstab ist bislang noch selten erforscht und ist ein Forschungsbereich, der für die semi-ariden Regionen des Sudan empfohlen wird. Die Studie wurde durchgeführt, um genaue und verbesserte raum-zeitliche Informationen zu gewinnen: um den Status der LDD von Vegetation und Boden zu bewerten, um den Einfluss des Landnutzungswandels auf LDD zu beurteilen und zu analysieren, und außerdem um die synergetischen Faktoren die den Landnutzungswandel und/oder LDD verursacht haben zu analysieren. Dabei wurde die semi-ariden Zone des Elgeteina Gebietes im Staat Weisser Nil (Sudan) während der vergangenen 36 Jahren unter Verwendung von geeigneter Fernerkundungs- und GIS-Technologie untersucht. Für die Studie wurden vier wolkenfreie Bilder von verschiedenen Sensoren (MSS 1973, TM 1986, ASTER 2009 and TM 2010) verwendet. Die Bilder wurden georeferenziert und radiometrische korrigiert, wobei die ENVI-FLAASH Software verwendet wurde. Anschließend wurden Teilgebiete des Untersuchungsgebietes mit einer Größe zwischen 1.600 und 2.000 Km2 ausgewählt. In der Studie fand der neue Ansatz der Integration von Vegetation und Boden Indizes und in-situ Daten Verwendung, um LDD zu bewerten. Ein Vergleich von pixel-basierter Bildanalyse (PBIA) und einem Ansatz von objekt-basierter Bildanalyse (OBIA) wurde durchgeführt, um die beste Methode der Kartierung von LUC und LDD ermitteln. Veränderungsmatrizen wurden eingesetzt, um räumlich-zeitlichen Änderungen der Landnutzung und Land Degradation abzuschätzen. Außerdem wurde ein Korrelation- und Modellierungs-Ansatz eingesetzt, um die klimatischen, sozioökonomischen und Fernerkundungsdaten zu verschmelzen und das Verhältnis zwischen den unterschiedlichen Faktoren zu bestimmen und um die Gründe für LUC und LDD zu analysieren aber auch um die Auswirkungen der Landnutzung auf LDD zu modellieren. Die Studie hat folgendes gezeigt: Die Änderungen der Landnutzungsmuster (RA, FWL and FML) fand in 1973 – 86 – 2009 statt und betraf sehr unterschiedliche Vegetationsmuster. Ebenso hatte die LUC Auswirkungen auf die Bodendegradation, was zu einer Verschiebung von Sanddünen im Zeitraum 1973-2009 führte. Landwirtschaft dominiert und hat starke Auswirkungen auf LDD, insbesondere auf die Degradation der Vegetationsbedeckung. Die Bevölkerungszunahme und der sozioökonomische Status der lokalen Bevölkerung sind die wesentlichen indirekten menschlichen Faktoren die verantwortlich für LUC und/oder LDD sind. SARVI ist etwas effizienter als NDVI, SAVI, ND4-25 und ND42-57, um den Zustand der Vegetation in semi-ariden Gebieten zu bestimmen, deshalb wurde dieser für die Studie ausgewählt. Es stellte sich heraus, dass der GSI hoch-effizient war, sowohl bei der Bestimmung der unterschiedlichen Typen von Bodendegradation als auch bei der Erstellung von Karten der obersten Bodenkorngröße, die bei der Bewertung der Landdegradation und Desertifikation half. OBIA-Fuzzy Logic Classification arbeitete dabei etwas genauer und effizienter als die PBIA-Hybrid Classification, um die Auswirkungen der Landnutzungsmuster auf LDD zu beurteilen. Als Fortsetzung der durchgeführten Arbeiten empfiehlt sich eine nochmalige Durchführung der Studie wobei anderes, hochaufgelöstes Bildmaterial und anspruchsvolle Software, wie eCognition und Feature Analyst (FA) verwendet werden sollten, um die Gültigkeit und Genauigkeit der Bewertungen und Modellierung des LU und LDD Status von Trockenland im Sudan zu beurteilen.

Ziel dieser Arbeit ist die Vereinheitlichung der in Südamerika existierenden Höhensysteme, die sich auf verschiedene Meerespegel beziehen, in einem globalen vertikalen Referenzsystem, das die Erfordernisse moderner geodätischer Verfahren erfüllt. Dabei werden folgende Themen bearbeitet: a) Alternativen für die Definition und Realisierung eines konventionellen Welthöhensystems; b) Diagnostik und Standardisierung der südamerikanischen Höhensysteme; c) Strategien für die genaue Transformation der lokalen Höhensysteme in das Welthöhensystem. Unter der Voraussetzung, dass ein modernes Höhensystem die genaue Kombination von physikalischen und geometrischen Höhen unterstützen muss, werden zwei Komponenten betrachtet: a) eine geometrische Komponente bestehend aus ellipsoidischen Höhen als Koordinaten und ein Niveauellipsoid als Referenzfläche und b) eine physikalische Komponente bestehend aus geopotentiellen Koten als Koordinaten und eine durch einen bestimmten W0-Wert definierte Äquipotentialfläche als Referenzniveau. Die physikalische Komponente wird durch Potentialparameter definiert, damit sie als Bezug für jeden Typ von physikalischen Höhen (d.h. orthometrische Höhen, Normalhöhen, usw.) dienen kann. Die Umwandlung von geopotentiellen Koten in metrische Höhen und die Modellierung der Bezugsfläche (Geoid- bzw. Quasigeoid-Bestimmung) werden als ein Teil der Realisierung betrachtet. Da das ganze Konzept sich auf die Kombination von geometrischen und physikalischen Parametern bezieht, war es nötig, eine Inventur der zurzeit angewendeten Konventionen zu machen und diese zu analysieren, um systematische Fehler zu reduzieren und die zeitlichen Veränderungen der verschiedenen Daten zu berücksichtigen. Hauptprodukte dieser Arbeit sind: a) Detaillierte Beschreibung der Charakteristiken des Festpunktfeldes, das das globale vertikale Bezugsystem realisieren soll. Diese Beschreibung enthält genaue Formulierungen für die Berücksichtigung der notwendigen Konventionen und die Bereitstellung von Normalgleichungssystemen der nationalen Höhennetze, um ihre Kombination durch überregionale Ausgleichungen zu ermöglichen. b) Bestimmung eines W0-Referenzwertes unter Anwendung verschiedener Ansätze und der Kombination neuester Modelle der Erdoberfläche und des Erdschwerefeldes. Dabei wurde besonders auf die rigorose Fehlerfortpflanzung der Rechnungen geachtet, um die Zuverlässigkeit dieses Wertes zu schätzen. c) Formulierung der Bobachtungsgleichungen für die Bestimmung der Niveaudifferenzen zwischen den lokalen Höhensystemen und dem Welthöhenbezugssystem. Dies wurde in drei Ansätzen betrachtet: ein Ozean-Ansatz (im Meeresgebiet um die Referenzpegel), ein Küsten-Ansatz (auf dem Festland an den Referenzpegeln) und ein Kontinent-Ansatz (mit kontinentalen Festpunktfeldern des geometrischen Referenzsystems). d) Vereinheitlichung der existierenden Höhensysteme Südamerikas in dem globalen vertikalen Referenzsystem. Die Genauigkeit der Ergebnisse liegt derzeit um ±5 cm für die Gebiete mit der größten Anzahl von Beobachtungen (Argentinien, Brasilien-Imbituba, Kolumbien, Ecuador, Uruguay und Venezuela) und um ±2 … 3 dm für Gebiete mit geringer Verfügbarkeit und großer Unsicherheit der Daten (Brasilien-Santana, Bolivien, Peru und Chile). Die geschätzten Höhenniveaus sind größtenteils positiv, d.h. die lokalen vertikalen Datums liegen über dem globalen Referenzwert W0. Dieses sowie auch der Nord-Süd-Anstieg am Atlantik und der Süd-Nord-Anstieg am Pazifik spiegelt die Meeresoberflächentopographie in der Region wieder. e) Vorschläge zur Fortführung der Arbeiten mit zusätzlichen Daten in den einzelnen Ländern.:Verzeichnis der Tabellen 5 Verzeichnis der Abbildungen 5 1. Einleitung, Problemstellung, Ziel und Aufbau der Arbeit 9 2. Definition eines globalen vertikalen Referenzsystems 19 2.1. Stand bei der Einrichtung eines globalen vertikalen Referenzsystems 21 2.2. Vorschlag zur Definition eines globalen vertikalen Referenzsystems 23 2.2.1. Geometrische Komponente des globalen vertikalen Referenzsystems 25 2.2.2. Physikalische Komponente des globalen vertikalen Referenzsystems 28 2.3. Referenzniveau für die physikalische Komponente 29 2.3.1. Bestimmung von W0 im Rahmen des Randwertproblems 33 2.3.2. Aktuelle Werte von W0 36 2.4. Schlussfolgerungen 39 3. Konventionen für die Realisierung eines globalen vertikalen Referenzsystems 41 3.1. Vertikale Lage und zeitliche Änderungen des Erdschwerefeldes und der Erdoberfläche 41 3.1.1. Ellipsoidische Höhen in Gebieten der festen Erde 42 3.1.2. Ellipsoidische Höhen in ozeanischen Gebieten 45 3.1.3. Erdschwerefeld 48 3.1.4. Geopotentielle Koten 52 3.2. Stationäre und zeitabhängige Komponenten bei der Höhenbestimmung 53 3.3. Aktueller Stand bei der Reduktion zeitabhängiger Komponenten 55 3.4. Vertikale Lage und permanente Gezeit 60 3.5. Folgerungen bezüglich der stationären und zeitabhängigen Komponenten bei der Höhenbestimmung 66 4. Realisierung eines konventionellen globalen vertikalen Referenzsystems 69 4.1. Referenzrahmen 69 4.1.1. Verbindung mit dem ITRS/ITRF 69 4.1.2. Verbindung zum lokalen vertikalen Datum 70 4.1.3. Kinematische Ausgleichung geopotentieller Koten 73 4.1.4. Vertikale Koordinaten bezüglich eines globalen Referenzniveaus 77 4.2. Referenzniveau W0 77 4.2.1. Formulierung des festen Randwertproblems 78 4.2.2. Vom Störpotential T zum Wert W0 81 4.3. Empirische Bestimmung von W0 82 4.3.1. Abhängigkeit von W0 als Funktion des gewählten Schwerefeldmodells 83 4.3.2. Abhängigkeit von W0 als Funktion des gewählten Meeresoberflächenmodells 90 4.3.3. Auswirkungen der Vernachlässigung der Meeresflächentopographie bei der Schätzung des W0 97 4.3.4. Zuverlässigkeit der Schätzung von W0 99 4.4. Annahme eines Referenzwertes W0 101 5. Vereinheitlichung lokaler Höhensysteme im Rahmen eines globalen vertikalen Referenzsystems 105 5.1. Formulierung des skalar freien Randwertproblems 105 5.2. Beobachtungsgleichungen zur Vereinheitlichung lokaler vertikaler Datums 108 5.3. In Südamerika verfügbare physikalische und geometrische Observable zur Vereinheitlichung der bestehenden Höhensysteme 109 5.3.1. Geometrische Koordinaten 110 5.3.2. Höhenanomalien 116 5.3.3. Physikalische Höhen 121 5.3.4. Geometrische und physikalische Höhen in marinen Gebieten 124 5.4. Bestimmung der Datumsparameter der lokalen vertikalen Referenzsysteme in Südamerika 127 6. Diskussion und Ausblick 137 Literaturverzeichnis 141 Anhang A Gezeitenreduktion der Nivellements 159 B Ellipsoidische Korrektion zur Lösung des fixen Randwertproblems 161 / The objective of this study is the unification of the South American height systems into a global vertical reference system satisfying the requirements of modern Geodesy. The following topics are discussed: a) Definition and realisation of a conventional global vertical reference system; b) Review and standardisation of the geodetic data referring to the South American height systems; c) Strategies for the precise transformation of the local height datums into the global vertical reference system. It is expected that a modern vertical reference system supports the combination of physical and geometric heights with high accuracy globally. Therefore, two components are considered: a) A geometric component consisting of ellipsoidal heights as coordinates and a level ellipsoid as the reference surface, and b) A physical component comprising geopotential numbers as coordinates and an equipotential surface defined by a conventional W0 value as the reference surface. The definition of the physical component is based on potential parameters in order to provide reference to any type of physical heights (normal, orthometric, etc.). The conversion of geopotential numbers into metric heights and the modelling of the reference surface (geoid or quasigeoid determination) are considered as steps of the realisation. Since the approach developed in this study is based on the combination of geometric and physical parameters, it was necessary to include an inventory of the standards used in the determination of the vertical coordinates. This inventory is the basis for the identification and consequent removal of systematic errors caused by the application of different models and methods in the generation of the data available for this study. The main results of this study are: a) A detailed description of the characteristics to be satisfied by the reference stations realising the global vertical reference system. This description includes the needed conventions for the standardisation of the vertical coordinates and the computation of normal equations for the national levelling networks. These equations are required to integrate the local height systems into the global one. b) Estimation of the reference value W0 following different approaches and applying the latest geodetic models of the Earth\'s surface and gravity field. This procedure also includes a rigorous error propagation analysis to assess the reliability of the W0 estimate. c) Observation equations for the determination of the level discrepancies between the local height datums and the global W0. This is performed in three approaches: in the ocean areas around the reference tide gauges (ocean approach), at the reference tide gauges (coastal approach), and at the reference stations of the geocentric reference system (continental approach). d) Vertical datum parameters for the unification of the South American height systems into a global vertical reference system. The accuracy is assessed to be about ±5 cm for those countries with a good coverage of measurements (Argentina, Brazil-Imbituba, Colombia, Ecuador, Uruguay, and Venezuela). For those regions with poor data coverage or high uncertainties in the data quality (Brazil-Santana, Bolivia, Peru, and Chile), the accuracy is estimated to be about ±2 … 3 dm. The obtained level differences are in general positive, i.e., local vertical datums are above the global reference level W0. This and the north-south increase along the Atlantic coast and the south-north increase along the Pacific coast reflect well the behaviour of the sea surface topography in these regions. e) A description of the further activities to be developed by each country to improve the results of this study.:Verzeichnis der Tabellen 5 Verzeichnis der Abbildungen 5 1. Einleitung, Problemstellung, Ziel und Aufbau der Arbeit 9 2. Definition eines globalen vertikalen Referenzsystems 19 2.1. Stand bei der Einrichtung eines globalen vertikalen Referenzsystems 21 2.2. Vorschlag zur Definition eines globalen vertikalen Referenzsystems 23 2.2.1. Geometrische Komponente des globalen vertikalen Referenzsystems 25 2.2.2. Physikalische Komponente des globalen vertikalen Referenzsystems 28 2.3. Referenzniveau für die physikalische Komponente 29 2.3.1. Bestimmung von W0 im Rahmen des Randwertproblems 33 2.3.2. Aktuelle Werte von W0 36 2.4. Schlussfolgerungen 39 3. Konventionen für die Realisierung eines globalen vertikalen Referenzsystems 41 3.1. Vertikale Lage und zeitliche Änderungen des Erdschwerefeldes und der Erdoberfläche 41 3.1.1. Ellipsoidische Höhen in Gebieten der festen Erde 42 3.1.2. Ellipsoidische Höhen in ozeanischen Gebieten 45 3.1.3. Erdschwerefeld 48 3.1.4. Geopotentielle Koten 52 3.2. Stationäre und zeitabhängige Komponenten bei der Höhenbestimmung 53 3.3. Aktueller Stand bei der Reduktion zeitabhängiger Komponenten 55 3.4. Vertikale Lage und permanente Gezeit 60 3.5. Folgerungen bezüglich der stationären und zeitabhängigen Komponenten bei der Höhenbestimmung 66 4. Realisierung eines konventionellen globalen vertikalen Referenzsystems 69 4.1. Referenzrahmen 69 4.1.1. Verbindung mit dem ITRS/ITRF 69 4.1.2. Verbindung zum lokalen vertikalen Datum 70 4.1.3. Kinematische Ausgleichung geopotentieller Koten 73 4.1.4. Vertikale Koordinaten bezüglich eines globalen Referenzniveaus 77 4.2. Referenzniveau W0 77 4.2.1. Formulierung des festen Randwertproblems 78 4.2.2. Vom Störpotential T zum Wert W0 81 4.3. Empirische Bestimmung von W0 82 4.3.1. Abhängigkeit von W0 als Funktion des gewählten Schwerefeldmodells 83 4.3.2. Abhängigkeit von W0 als Funktion des gewählten Meeresoberflächenmodells 90 4.3.3. Auswirkungen der Vernachlässigung der Meeresflächentopographie bei der Schätzung des W0 97 4.3.4. Zuverlässigkeit der Schätzung von W0 99 4.4. Annahme eines Referenzwertes W0 101 5. Vereinheitlichung lokaler Höhensysteme im Rahmen eines globalen vertikalen Referenzsystems 105 5.1. Formulierung des skalar freien Randwertproblems 105 5.2. Beobachtungsgleichungen zur Vereinheitlichung lokaler vertikaler Datums 108 5.3. In Südamerika verfügbare physikalische und geometrische Observable zur Vereinheitlichung der bestehenden Höhensysteme 109 5.3.1. Geometrische Koordinaten 110 5.3.2. Höhenanomalien 116 5.3.3. Physikalische Höhen 121 5.3.4. Geometrische und physikalische Höhen in marinen Gebieten 124 5.4. Bestimmung der Datumsparameter der lokalen vertikalen Referenzsysteme in Südamerika 127 6. Diskussion und Ausblick 137 Literaturverzeichnis 141 Anhang A Gezeitenreduktion der Nivellements 159 B Ellipsoidische Korrektion zur Lösung des fixen Randwertproblems 161

Die vorliegende Arbeit widmet sich den Möglichkeiten, Nutzer bei der touristischen Navigation besser zu unterstützen. Dabei werden zum einen Methoden einer nutzerorientierten thematischen Routenplanung aufgezeigt und zum anderen kartographische Anamorphoten als visuelle Navigationshilfe diskutiert. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Methoden zur nutzerorientierten semantischen Filterung themenrelevanter Gebiete im Allgemeinen und zur individuellen thematischen Rou-tenplanung im Besonderen. Derzeit existieren verschiedene technische Ansätze für Routenplanungen, die touristisch relevante Orte zu einem spezifischen Thema auf Basis nutzergenerierter Webinhalte bestimmen und zu Themenrouten kombinieren. Es existiert jedoch, nach Auffassung des Autors, kein Ansatz für eine wirklich individuelle Routenplanung, bei der Nutzer frei das Thema und den Start- und Endpunkt einer Route definieren können. Die erste Methode, Kontinuummethode, basiert auf der Generierung eines thematischen Pseudokontinuums. Hier werden Daten der Plattformen Wikipedia, Flickr und Panoramio kombiniert und mittels der Kerndichteschätzung zu Pseudodichtekontinua transformiert. Mithilfe der Explicit Semantic Analysis (ESA) als Methode der semantischen Ähnlichkeitsbestimmung werden dann den Pseudodichtekontinua Themenrelevanzwerte zugeordnet und so relevante geographische Gebiete zu einem nutzerdefinierten Thema gefiltert. Für eine thematische Routenplanung werden diese Themenrelevanzwerte auf ein Wegenetz übertragen. Die zweite Methode, Sequenzmethode, baut auf der semantischen Ähnlichkeitsbestimmung auf und ordnet georeferenzierte Wikipedia-Artikel entsprechend ihrer Themenrelevanz. Diese werden dann sequenziell in die Routenberechnung integriert. Eine durchgeführte Nutzerbefragung bestätigt, dass beide Methoden geeignet sind, um themenrelevante Routen zu bestimmen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Eignung anamorphotischer Darstellungen als Navigationshilfe. Navigation als Problemlösungsprozess lässt sich hierarchisch-sequenziell in Teilprozesse unterteilen, die je nach Aufgabe bzw. Problemstellung unterschiedliche Visualisierungsformen fordern. Anamorphoten können das Kartenbild hinsichtlich eines bestimmten Sachbezuges verzerren und so die Karteninterpretation bei diesen unterschiedlichen Navigationsprozessen erleichtern. In der Arbeit wird zum einen eine umfassende deutschsprachige Taxonomie zu Anamorphoten eingeführt und zum anderen eine empirische Untersuchung zur Nutzung epizentrisch-gerichteter Distanzwertanamorphoten für die Navigation vorgestellt. Dabei liegt der Fokus der Studie auf dem Einfluss der Egozentrizität und Verzerrung bei der Karteninterpretation in einzelnen Navigationsprozessen und inwieweit zeitbe-schreibende Darstellungen bei der Navigation und Wegfindung hilfreich sind.:Erklärung I Kurzfassung III Abstract V Danksagung VI Inhaltsverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XIII Formelverzeichnis XIV Abkürzungs- und Symbolverzeichnis XV 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Forschungsfragen 2 1.3 Gliederung der Arbeit 2 2 Navigation und Wegfindung 4 2.1 Definition von Navigation und Wegfindung 4 2.1.1 Navigationskontext 6 2.1.1.1 Navigationsaufgaben und -strategien 8 2.1.1.2 Mentale Karte und räumliche Vorstellung 11 2.1.1.2.1 Räumliches Wissen und Elemente der mentalen Vorstellung 12 2.1.1.2.2 Modelle räumlichen Wissens 13 2.1.1.3 Navigations- und Wegfindungshilfen 15 2.1.1.3.1 Karten und kartenähnliche Darstellungen als Navigationshilfe 17 2.1.1.3.2 Mobile Karten 18 2.1.1.3.3 Adaption in der mobilen Kartographie 19 2.1.1.3.4 Empirische Untersuchungen zu Karten als Navigationshilfe 22 2.1.1.3.5 Empirische Untersuchungen zu kartenähnlichen Darstellungen als Navigationshilfe 22 2.1.1.4 Entfernungs- und Zeitschätzung in der Navigation 24 2.1.2 Navigation als Problemlösungsprozess 24 2.2 Navigationsmodell des Autors 25 3 Semantische Ähnlichkeitsbestimmung nutzergenerierter Daten für touristische Routenplanungen 29 3.1 Stand der Wissenschaft 29 3.1.1 Individuelle Routengenerierung und themenbezogene Ortsidentifikation 29 3.1.2 Semantische Ähnlichkeitsbestimmung im Kontext von Wikipedia 30 3.1.3 Generierung von thematischen Oberflächen und Dichtebestimmung von verteilten Daten 33 3.2 Räumliche Präsenz von Geoobjekten 34 3.3 Methodik 35 3.3.1 Datenaufbereitung 35 3.3.1.1 Datenextraktion und Ähnlichkeitsbestimmung 35 3.3.1.2 Navigationsgraph aus OpenStreetMap 36 3.3.2 Routenbestimmung und Kostenwertermittlung 39 3.3.2.1 Routenberechnung auf Basis eines semantischen Pseudokontinuums 39 3.3.2.2 Routenberechnung auf Basis eines Rankings der semantischen Ähnlichkeiten 44 3.3.2.3 Routenberechnung auf Basis eines Hybridalgorithmus 46 3.4 Methodenvergleich 46 3.5 Nutzerbefragung zu themenbezogenen Routen 50 3.5.1 Aufbau der Nutzerbefragung 50 3.5.2 Nutzerbewertung 51 3.5.2.1 Klassifizierung der Teilnehmer 51 3.5.2.2 Vergleich der Benutzerbewertungen und semantischen Ähnlichkeiten 51 3.5.2.3 Vergleich berechneter Themenrouten mit Nutzervorstellungen 53 4 Anamorphoten als Navigationshilfe 56 4.1 Begriffsbestimmung zu Anamorphoten 56 4.1.1 Abgrenzung Kartogramm und Anamorphote 59 4.1.2 Taxonomie für anamorphotische Darstellungen 60 4.1.2.1 Einteilung nach dem Fokus der Verzerrung 60 4.1.2.2 Einteilung nach dem Sachwertbezug 62 4.1.2.3 Einteilung nach dem Grad der Abstraktion 66 4.1.2.4 Einteilung nach dem visuellen Zusammenhang/Kontinuität 67 4.1.2.5 Einteilung nach der Art der Zentrizität und Ausrichtung 68 4.2 Empirische Untersuchung zu Distanzwertanamorphoten als Navigationshilfe 69 4.2.1 Ziel, Aufbau und Forschungshypothesen 69 4.2.2 Kartendarstellungen 72 4.2.2.1 Darstellungen ohne Weginformationen 73 4.2.2.2 Darstellungen mit Wegdistanzinformationen 73 4.2.2.3 Darstellungen mit Wegzeitinformationen 75 4.2.3 Analyse und Auswertung der Testergebnisse 77 4.2.3.1 Planungsprozess auf globaler Ebene 79 4.2.3.2 Evaluierungsprozess auf globaler Ebene 83 4.2.3.3 Planungsprozess auf lokaler Ebene 85 4.2.3.4 Evaluierungsprozess auf lokaler Ebene 88 4.2.4 Diskussion 91 5 Zusammenfassung und Ausblick 95 5.1 Beantwortung der Forschungsfragen 95 5.2 Fazit 103 6 Literaturverzeichnis 107 7 Anhang 117 / This thesis deals with means of a better support to touristic navigation processes. Methods for a user-orientated thematic route planning are presented on the one hand and, on the other hand, the usabilty of distorted cartograms as visual navigation aids are discussed. In the first part of the thesis, two methods are presented for a user-orientated semantic selection of theme-relevant areas in general and for an individual thematic routing in particular. Several technical approaches to a touristic tour planning, which connects popular locations to specific theme routes based on user-generated web content have been published in the recent years. However, no approach exists to the author’s knowledge, which allows truly individual theme route planning in a way that a user can define a theme as well as a starting and end point of the route. The first method, continuum method, is based on the generation of a thematic pseudo continuum. Here, data of the web platforms of Wikipedia, Flickr and Panoramio are combined and transformed to a pseudo continuum by using the kernel density estimation. A semantic similarity analysis based on the Explicit Semantic Analysis (ESA) is carried out to predict thematic-relevance values, which are matched to the pseudo continuum and, thus, to select relevant geographic areas concerning a specific theme. These thematic-relevance values are transferred to a road network for the purpose of a thematic routing. The second method, sequence method, is based on a semantic similarity analysis as well and ranks Wikipedia articles according to their thematic relevance. These ranked articles are sequentially integrated into the routing. A completed user survey confirms the suitability of both methods to generate theme-relevant routes for touristic purposes. The second part of the thesis deals with the usability of distorted visualisations as navigation aids. Navigation as a problem-solving process can be hierarchically-sequentially divided into subtasks, whereas visualisation can be optimised for a certain task or problem. Cartograms in forms of distorted visualisations can adapt to a certain semantic focus and effectively support users in the navigation process. Within the scope of this thesis, an extensive German-language taxonomy of distorted cartograms has been compiled. Moreover, an empirical study on the usability of epicentrically directed distance cartograms in navigation processes is covered. The focus of this study is set on the influence of distortion and egocentricity of visualisations in the map interpretation and how time-describing representations can help the user in navigation and wayfinding processes.:Erklärung I Kurzfassung III Abstract V Danksagung VI Inhaltsverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XIII Formelverzeichnis XIV Abkürzungs- und Symbolverzeichnis XV 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Forschungsfragen 2 1.3 Gliederung der Arbeit 2 2 Navigation und Wegfindung 4 2.1 Definition von Navigation und Wegfindung 4 2.1.1 Navigationskontext 6 2.1.1.1 Navigationsaufgaben und -strategien 8 2.1.1.2 Mentale Karte und räumliche Vorstellung 11 2.1.1.2.1 Räumliches Wissen und Elemente der mentalen Vorstellung 12 2.1.1.2.2 Modelle räumlichen Wissens 13 2.1.1.3 Navigations- und Wegfindungshilfen 15 2.1.1.3.1 Karten und kartenähnliche Darstellungen als Navigationshilfe 17 2.1.1.3.2 Mobile Karten 18 2.1.1.3.3 Adaption in der mobilen Kartographie 19 2.1.1.3.4 Empirische Untersuchungen zu Karten als Navigationshilfe 22 2.1.1.3.5 Empirische Untersuchungen zu kartenähnlichen Darstellungen als Navigationshilfe 22 2.1.1.4 Entfernungs- und Zeitschätzung in der Navigation 24 2.1.2 Navigation als Problemlösungsprozess 24 2.2 Navigationsmodell des Autors 25 3 Semantische Ähnlichkeitsbestimmung nutzergenerierter Daten für touristische Routenplanungen 29 3.1 Stand der Wissenschaft 29 3.1.1 Individuelle Routengenerierung und themenbezogene Ortsidentifikation 29 3.1.2 Semantische Ähnlichkeitsbestimmung im Kontext von Wikipedia 30 3.1.3 Generierung von thematischen Oberflächen und Dichtebestimmung von verteilten Daten 33 3.2 Räumliche Präsenz von Geoobjekten 34 3.3 Methodik 35 3.3.1 Datenaufbereitung 35 3.3.1.1 Datenextraktion und Ähnlichkeitsbestimmung 35 3.3.1.2 Navigationsgraph aus OpenStreetMap 36 3.3.2 Routenbestimmung und Kostenwertermittlung 39 3.3.2.1 Routenberechnung auf Basis eines semantischen Pseudokontinuums 39 3.3.2.2 Routenberechnung auf Basis eines Rankings der semantischen Ähnlichkeiten 44 3.3.2.3 Routenberechnung auf Basis eines Hybridalgorithmus 46 3.4 Methodenvergleich 46 3.5 Nutzerbefragung zu themenbezogenen Routen 50 3.5.1 Aufbau der Nutzerbefragung 50 3.5.2 Nutzerbewertung 51 3.5.2.1 Klassifizierung der Teilnehmer 51 3.5.2.2 Vergleich der Benutzerbewertungen und semantischen Ähnlichkeiten 51 3.5.2.3 Vergleich berechneter Themenrouten mit Nutzervorstellungen 53 4 Anamorphoten als Navigationshilfe 56 4.1 Begriffsbestimmung zu Anamorphoten 56 4.1.1 Abgrenzung Kartogramm und Anamorphote 59 4.1.2 Taxonomie für anamorphotische Darstellungen 60 4.1.2.1 Einteilung nach dem Fokus der Verzerrung 60 4.1.2.2 Einteilung nach dem Sachwertbezug 62 4.1.2.3 Einteilung nach dem Grad der Abstraktion 66 4.1.2.4 Einteilung nach dem visuellen Zusammenhang/Kontinuität 67 4.1.2.5 Einteilung nach der Art der Zentrizität und Ausrichtung 68 4.2 Empirische Untersuchung zu Distanzwertanamorphoten als Navigationshilfe 69 4.2.1 Ziel, Aufbau und Forschungshypothesen 69 4.2.2 Kartendarstellungen 72 4.2.2.1 Darstellungen ohne Weginformationen 73 4.2.2.2 Darstellungen mit Wegdistanzinformationen 73 4.2.2.3 Darstellungen mit Wegzeitinformationen 75 4.2.3 Analyse und Auswertung der Testergebnisse 77 4.2.3.1 Planungsprozess auf globaler Ebene 79 4.2.3.2 Evaluierungsprozess auf globaler Ebene 83 4.2.3.3 Planungsprozess auf lokaler Ebene 85 4.2.3.4 Evaluierungsprozess auf lokaler Ebene 88 4.2.4 Diskussion 91 5 Zusammenfassung und Ausblick 95 5.1 Beantwortung der Forschungsfragen 95 5.2 Fazit 103 6 Literaturverzeichnis 107 7 Anhang 117

Decentralised Wastewater Treatment Systems (DEWATS) such as disseminated by the Bremen Overseas Research and Development Association (BORDA) are increasingly being recognized by decision makers across the world as an option for service delivery in densely populated low-income areas. However, little practical experience has been gathered methodologically on basic engineering and performance aspects surrounding these systems. This thesis investigates full-scale anaerobic reactors of communal DEWATS implemented in tropical regions in order to consolidate the basis of future design and support monitoring, operation and maintenance procedures. Special focus is laid on the operation of the Anaerobic Baffled Reactor (ABR) as the core technology of DEWATS. Field research has been conducted for over four years at numerous communal systems in Indonesia, India and South Africa in order to (i) verify the generally used parameter values for DEWATS design and operation, (ii) identify factors limiting the treatment efficiency of existing systems in the field and (iii) investigate the performance of DEWATS and DEWATS treatment steps (especially ABRs) under tropical field conditions in terms of effluent concentration, Chemical Oxygen Demand (COD) removal, sludge stabilisation and sludge activity. Field data on average per capita wastewater production in DEWATS implementation areas, long term fluctuations and peak-flow values are presented. General per capita organic load and per capita nutrient load, per capita biogas production in digesters and per capita sludge accumulation in ABRs are estimated. Based on available data and field observations, treatment limiting factors are hypothesised to be rain-water intrusion, general under-loading, organic under-loading and elevated raw-water salinity in coastal areas. Effluent measurements performed at one hundred nine systems in Indonesia indicated guaranteed maximum concentrations of 200 mg CODt l-1 for anaerobic DEWATS treatment effluent if the treated wastewater is non-saline. ABR COD reduction of four case studies was poor in three cases and fair in one case. Sludge accumulation rates indicated good sludge stabilisation and sludge activity in all four systems. Anaerobic Filters (AF) contributed in all three case studies, in which they were part of the plant design, significantly to COD reduction. Nutrient effluent concentrations were comparably high. Large fractions of effluent organics were found to be biodegradable. It is hypothesised that system treatment would improve significantly if maximum hydraulic load was lower, general organic load was higher and therefore both close to design estimation. It is thus proposed to control the amount of storm water intruding the systems, increase feed concentration through partial grey-water exclusion and reduce the nutrient load in system effluent through partial urine diversion. It is further proposed to reduce the HRT of the settler below 10 h in order to increase the organic load to the ABR. It is further hypothesised that systems could be operated at higher hydraulic dry weather load than currently assumed since active anaerobic digestion appears to be capable of establishing itself under extreme hydraulic pressure. This may lead to a considerable reduction of building costs. Anaerobic digestion modelling with the existing ADM-3P model confirmed that observed sludge accumulation rates indicate active hydrolytic systems. The model could however not be used to produce soluble COD effluent concentration benchmarks due to its sensitivity to methanogenic rate constants. The general view held for anaerobic reactors treating wastewater with high solid content is that hydrolysis is the rate-limiting degradation step. It is hypothesised that this does not apply for solid accumulating systems such as the ABR. / Die durch die Bremen Overseas Research and Development Association (BORDA) verbreiteten Decentralised Wastewater Treatment Systems (DEWATS) werden international von Entscheidungsträgern zunehmend als Möglichkeit angesehen, kommunale Abwasserreinigung in dichtbesiedelten, einkommensschwachen Gegenden zu ermöglichen. Allerdings wurden bislang wenig praktische Erfahrungen methodisch über grundlegende Aspekte der Anlagendimensionierung und Anlagenleistungsfähigkeit aufgenommen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden anaerobe Reaktoren kommunaler DEWATS unter tropischen Feldbedingungen untersucht, um eine Datengrundlage für zukünftige Dimensionierung, Wartung und Betrieb, als auch Monitoring der Anlagen zu schaffen. Schwerpunkt wurde dabei auf den Anaerobic Baffled Reactor (ABR) als Kerntechnologie von DEWATS gelegt. Felduntersuchungen wurden in der Zeit von mehr als vier Jahren an zahlreichen kommunalen DEWATS in Indonesien, Indien und Südafrika durchgeführt, um (i) die gängig gewählten Parameterwerte für Anlagen-Dimensionierung und -Betrieb zu überprüfen, (ii) leistungslimitierende Faktoren im Feldbetrieb zu identifizieren und um (iii) die Leistungsfähigkeit von DEWATS und DEWATS-Reinigungsstufen (insbesondere des ABRs) unter tropischen Feldbedingungen bezüglich Abflusskonzentrationen, Reduzierung des Chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB), Schlammstabilisierung und Schlammaktivität zu untersuchen. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen, wurden durchschnittliche Einwohnergleichwerte, Langzeitvariationen und Faktoren für Zuflussspitzen für kommunale Abwasserproduktion in DEWATS-Zielbevölkerungsgruppen präsentiert. Ferner werden allgemeine Pro-Kopf-CSB-Frachten, -Ammoniumfrachten und -Phosphorfrachten, die Pro-Kopf-Biogasproduktion in kommunalen Biogasanlagen sowie die Pro-Kopf-Schlammakkumulation in ABRs abgeschätzt. Auf Felduntersuchungen basierend, wurden Fremdwassereinfluss, generelle Unterbelastung, organische Unterbelastung und erhöhte Frischwassersalinität in Küstengebieten als leistungslimitierende Faktoren im Feldbetrieb identifiziert. An 109 indonesischen Anlagen durchgeführte Abflusskonzentrationsmessungen ließen auf eine garantierte Abflusskonzentration der anaeroben Reaktoren von 200 mg CSB l-1 schließen, wenn der negative Einfluss von erhöhter Frischwassersalinität ausgeschlossen werden kann. Der CSB-Abbau durch ABRs in vier detailliert untersuchten DEWATS war gering in drei Fällen und befriedigend in einem Fall. Anaerobe Filter (AF) trugen in den drei Fällen, in denen sie Teil der Anlagenkonfigurationen waren, signifikant zur CSB-Reduzierung bei. Ammonium- und Phoshorkonzentrationen in allen Reaktorabläufen waren vergleichsweise hoch. Ein großer Anteil des CSBs in Reaktorabläufen war biologisch abbaubar. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass sich die Leistungsfähigkeiten der Anlagen signifikant verbessern würden, wären die Anlagenbelastungen den Auslegungswerten ähnlicher, d.h., wären die maximalen hydraulischen Belastungen geringer und die organischen Belastungen höher. Es wird deshalb geraten, den Fremdwasserzufluss zu minimieren, die Anlagenzulaufkonzentration durch partielle Grauwasserversickerung zu erhöhen und die Ammonium- und Phoshorkonzentration im Zulauf durch partiellen Urinabschlag zu verringern. Es wird außerdem vorgeschlagen, die hydraulische Aufenthaltszeit in Absetzbecken (settlers) auf zehn Stunden zu begrenzen, um so die organische Belastung der ABRs zu erhöhen. Ferner wird die Hypothese aufgestellt, dass Anlagen unter höherer Trockenwetterbelastung als bislang angenommen betrieben werden können, da aktiver anaerober Abbau auch unter extremen hydraulischen Belastungen möglich erscheint. Dies könnte zu einer signifikanten Senkung der Baukosten führen. Die Modellierung anaerober Abbauprozesse mit dem existierenden ADM-3P-Modell bestätigten, dass im Feld beobachtete Schlammakkumulationsraten auf eine aktive Hydrolyse schließen lassen. Das Modell konnte jedoch nicht genutzt werden, um Bezugswerte für den gelösten CSB im Ablauf der Anlagen zu erhalten, da es eine vergleichsweise hohe Sensitivität in Bezug auf die Raten für Methanogenese aufwies. Die allgemein anerkannte Sichtweise ist, dass die Hydrolyse den geschwindigkeitsbestimmenden Abbauschritt bei der anaeroben Behandlung feststoffreicher Abwässer darstellt. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass dieses nicht für feststoffakkumulierende Systeme, wie den ABR, zutrifft.

The planning and implementation of effective water resources management strategies need an assessment of multiple (physical, environmental, and socio-economic) issues, and often requires new research in which knowledge of diverse disciplines are combined in a unified methodological and operational framework. Such integrative research to link different knowledge domains faces several practical challenges. The complexities are further compounded by multiple actors frequently with conflicting interests and multiple uncertainties about the consequences of potential management decisions. This thesis aims to overcome some of these challenges, and to demonstrate how new modeling approaches can provide successful integrative water resources research. It focuses on the development of new integrated modeling approaches which allow integration of not only physical processes but also socio-economic and environmental issues and uncertainties inherent in water resources systems. To achieve this goal, two new approaches are developed in this thesis. At first, a Bayesian network (BN)-based decision support tool is developed to conceptualize hydrological and socio-economic interaction for supporting management decisions of coupled groundwater-agricultural systems. The method demonstrates the value of combining different commonly used integrated modeling approaches. Coupled component models are applied to simulate the nonlinearity and feedbacks of strongly interacting groundwater-agricultural hydrosystems. Afterwards, a BN is used to integrate the coupled component model results with empirical knowledge and stakeholder inputs. In the second part of this thesis, a fuzzy-stochastic multiple criteria decision analysis tool is developed to systematically quantify both probabilistic and fuzzy uncertainties associated with complex hydrosystems management. It integrates physical process-based models, fuzzy logic, expert involvement and stochastic simulation within a general framework. Subsequently, the proposed new approaches are applied to a water-scarce coastal arid region water management problem in northern Oman, where saltwater intrusion into a coastal aquifer due to excessive groundwater extraction for irrigated agriculture has affected the aquifer sustainability, endangering associated socio-economic conditions as well as traditional social structures. The results show the effectiveness of the proposed methods. The first method can aid in the impact assessment of alternative management interventions on sustainability of aquifer systems while accounting for economic (agriculture) and societal interests (employment in agricultural sector) in the study area. Results from the second method have provided key decision alternatives which can serve as a platform for negotiation and further exploration. In addition, this approach suits to systematically quantify both probabilistic and fuzzy uncertainties associated with the decision problem. The new approaches can be applied to address the complexities and uncertainties inherent in water resource systems to support management decisions, while serving as a platform for stakeholder participation.

Parasites with exclusive vertical transmission from host parent to offspring are an evolutionary puzzle. Any fitness costs for infected hosts risk the selective elimination of these parasites because their fitness is linked to host reproduction. One of the main evolutionary transitions from parasitism towards beneficial or mutualistic associations may therefore encompass a change from horizontal transmission to vertical transmission. In this thesis, the experimental evolution study on Paramecium and Holospora supports this hypothesis. The parasite nearly entirely lost horizontal transmission capacity in a treatment favouring vertical transmission and low virulence. However, many vertically transmitted parasites e.g. Caedibacter taeniospiralis impose detectable costs to their hosts. This endosymbiont imposes context-dependent costs to its host Paramecium tetraurelia. Fitness of infected paramecia was reduced in resource-limited conditions at all experimentally tested temperatures (16-32°C). These universal fitness costs along the temperature gradient necessitate universal cost compensation that can be the ‘killer trait’ that eliminates uninfected competitors. At acute heat stress the loss of infection indicates that cost compensation is impossible, thereby restricting conditions for parasite persistence. Surprisingly, the parasite persists in permanent stress and optimal temperature conditions. Caedibacter was able to adapt to high temperature conditions by increasing its number in the populations but without reducing virulence in high temperature conditions. Acute and intense stress harms the parasite and causes its extinction but the parasite was able to evolve and adapt to stress conditions. Moreover, the parasite reacts exactly in the opposite direction as it was expected. They do not suffer from stressful conditions, they benefit.

Soil erosion is a complex geomorphological process with varying influences of different impacts at different spatio-temporal scales. To date, measurement of soil erosion is predominantly realisable at specific scales, thereby detecting separate processes, e.g. interrill erosion contrary to rill erosion. It is difficult to survey soil surface changes at larger areal coverage such as field scale with high spatial resolution. Either net changes at the system outlet or remaining traces after the erosional event are usually measured. Thus, either quasi-point measurements are extrapolated to the corresponding area without knowing the actual sediment source as well as sediment storage behaviour on the plot or erosion rates are estimated disrupting the area of investigation during the data acquisition impeding multi-temporal assessment. Furthermore, established methods of soil erosion detection and quantification are typically only reliable for large event magnitudes, very labour and time intense, or inflexible. To better observe soil erosion processes at field scale and under natural conditions, the development of a method is necessary, which identifies and quantifies sediment sources and sinks at the hillslope with high spatial resolution and captures single precipitation events as well as allows for longer observation periods. Therefore, an approach is introduced, which measures soil surface changes for multi-spatio-temporal scales without disturbing the area of interest. Recent advances regarding techniques to capture high resolution topography (HiRT) data led to several promising tools for soil erosion measurement with corresponding advantages but also disadvantages. The necessity exists to evaluate those methods because they have been rarely utilised in soil surface studies. On the one hand, there is terrestrial laser scanning (TLS), which comprises high error reliability and retrieves 3D information directly. And on the other hand, there is unmanned aerial vehicle (UAV) technology in combination with structure from motion (SfM) algorithms resulting in UAV photogrammetry, which is very flexible in the field and depicts a beneficial perspective. Evaluation of the TLS feasibility reveals that this method implies a systematic error that is distance-related and temporal constant for the investigated device and can be corrected transferring calibration values retrieved from an estimated lookup table. However, TLS still reaches its application limits quickly due to an unfavourable (almost horizontal) scanning view at the soil surface resulting in a fast decrease of point density and increase of noise with increasing distance from the device. UAV photogrammetry allows for a better perspective (birds-eye view) onto the area of interest, but possesses more complex error behaviour, especially in regard to the systematic error of a DEM dome, which depends on the method for 3D reconstruction from 2D images (i.e. options for additional implementation of observations) and on the image network configuration (i.e. parallel-axes and control point configuration). Therefore, a procedure is developed that enables flexible usage of different cameras and software tools without the need of additional information or specific camera orientations and yet avoiding this dome error. Furthermore, the accuracy potential of UAV photogrammetry describing rough soil surfaces is assessed because so far corresponding data is missing. Both HiRT methods are used for multi-temporal measurement of soil erosion processes resulting in surface changes of low magnitudes, i.e. rill and especially interrill erosion. Thus, a reference with high accuracy and stability is a requirement. A local reference system with sub-cm and at its best 1 mm accuracy is setup and confirmed by control surveys. TLS and UAV photogrammetry data registration with these targets ensures that errors due to referencing are of minimal impact. Analysis of the multi-temporal performance of both HiRT methods affirms TLS to be suitable for the detection of erosion forms of larger magnitudes because of a level of detection (LoD) of 1.5 cm. UAV photogrammetry enables the quantification of even lower magnitude changes (LoD of 1 cm) and a reliable observation of the change of surface roughness, which is important for runoff processes, at field plots due to high spatial resolution (1 cm²). Synergetic data fusion as a subsequent post-processing step is necessary to exploit the advantages of both HiRT methods and potentially further increase the LoD. The unprecedented high level of information entails the need for automatic geomorphic feature extraction due to the large amount of novel content. Therefore, a method is developed, which allows for accurate rill extraction and rill parameter calculation with high resolution enabling new perspectives onto rill erosion that has not been possible before due to labour and area access limits. Erosion volume and cross sections are calculated for each rill revealing a dominant rill deepening. Furthermore, rill shifting in dependence of the rill orientation towards the dominant wind direction is revealed. Two field plots are installed at erosion prone positions in the Mediterranean (1,000 m²) and in the European loess belt (600 m²) to ensure the detection of surface changes, permitting the evaluation of the feasibility, potential and limits of TLS and UAV photogrammetry in soil erosion studies. Observations are made regarding sediment connectivity at the hillslope scale. Both HiRT methods enable the identification of local sediment sources and sinks, but still exhibiting some degree of uncertainty due to the comparable high LoD in regard to laminar accumulation and interrill erosion processes. At both field sites wheel tracks and erosion rills increase hydrological and sedimentological connectivity. However, at the Mediterranean field plot especially dis-connectivity is obvious. At the European loess belt case study a triggering event could be captured, which led to high erosion rates due to high soil moisture contents and yet further erosion increase due to rill amplification after rill incision. Estimated soil erosion rates range between 2.6 tha-1 and 121.5 tha-1 for single precipitation events and illustrate a large variability due to very different site specifications, although both case studies are located in fragile landscapes. However, the susceptibility to soil erosion has different primary causes, i.e. torrential precipitation at the Mediterranean site and high soil erodibility at the European loess belt site. The future capability of the HiRT methods is their potential to be applicable at yet larger scales. Hence, investigations of the importance of gullys for sediment connectivity between hillslopes and channels are possible as well as the possible explanation of different erosion rates observed at hillslope and at catchment scales because local sediment sink and sources can be quantified. In addition, HiRT data can be a great tool for calibrating, validating and enhancing soil erosion models due to the unprecedented level of detail and the flexible multi-spatio-temporal application.

Reactive transport modeling is an important approach to understand water dynamics, mass transport and biogeochemical processes from the hillslope to the catchment scale. It has a wide range of applications in the fields of e.g. water resource management, contaminanted site remediation and geotechnical engineering. To simulate reactive transport processes at a hillslope or larger scales is a challenging task, which involves interactions of complex physical and biogeochemical processes, huge computational expenses as well as difficulties in numerical precision and stability. The primary goal of the work is to develop a practical, accurate and efficient tool to facilitate the simulation techniques for reactive transport problems towards hillslope or larger scales. The first part of the work deals with the simulation of water flow in saturated and unsaturated porous media. The capability and accuracy of different numerical approaches were analyzed and compared by using benchmark tests. The second part of the work introduces the coupling of the scientific software packages OpenGeoSys and IPhreeqc by using a character-string-based interface. The accuracy and computational efficiency of the coupled tool were discussed based on three benchmarks. It shows that OGS#IPhreeqc provides sufficient numerical accuracy to simulate reactive transport problems for both equilibrium and kinetic reactions in variably saturated porous media. The third part of the work describes the algorithm of a parallelization scheme using MPI (Message Passing Interface) grouping concept, which enables a flexible allocation of computational resources for calculating geochemical reaction and the physical processes such as groundwater flow and transport. The parallel performance of the approach was tested by three examples. It shows that the new approach has more advantages than the conventional ones for the calculation of geochemically-dominated problems, especially when only limited benefit can be obtained through parallelization for solving flow or solute transport. The comparison between the character-string-based and the file-based coupling shows, that the former approach produces less computational overhead in a distributed-memory system such as a computing cluster. The last part of the work shows the application of OGS#IPhreeqc for the simulation of the water dynamic and denitrification process in the groundwater aquifer of a study site in Northern Germany. It demonstrates that OGS#IPhreeqc is able to simulate heterogeneous reactive transport problems at a hillslope scale within an acceptable time span. The model results shows the importance of functional zones for natural attenuation process. / Modellierung des reaktiven Stofftranports ist ein wichtiger Ansatz um die Wasserströmung, den Stofftransport und die biogeochemischen Prozesse von der Hang- bis zur Einzugsgebietsskala zu verstehen. Es gibt umfangreiche Anwendungsgebiete, z.B. in der Wasserwirtschaft, Umweltsanierung und Geotechnik. Die Simulation der reaktiven Stofftransportprozesse auf der Hangskala oder auf größeren Maßstäbe ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da es sich um die Wechselwirkungen komplexer physikalischer und biogeochemischen Prozesse handelt, die riesigen Berechnungsaufwand sowie numerischen Schwierigkeiten bezogen auf die Genauigkeit und die Stabilität nach sich ziehen. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein praktisches, genaues und effizientes Werkzeug zu entwickeln, um die Simulationstechnik für reaktiven Stofftransport auf der Hangskala und auf größeren Skalen zu verbessern. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Simulation der Wasserströmung in gesättigten und ungesättigten porösen Medien. Das Anwendungspotential und die Genauigkeit verschiedener numerischer Ansätze wurden mittels einiger Benchmarks analysiert und miteinander verglichen. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Kopplung der wissenschaftlichen Softwarepakete OpenGeoSys und IPhreeqc mit einer stringbasierten Schnittstelle dar. Die Genauigkeit und die Recheneffizienz des gekoppelten Tools OGS#IPhreeqc wurden basierend auf drei Benchmark-Tests diskutiert. Das Ergebnis zeigt, dass OGS#IPhreeqc die ausreichende numerische Genauigkeit für die Simulation reaktiven Stofftransports liefert, welcher sich sowohl auf die Gleichgewichtsreaktion als auch auf die kinetische Reaktion in variabel gesättigten porösen Medien beziehen. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt zuerst den Algorithmus der Parallelisierung des OGS#IPhreeqc basierend auf dem MPI (Message Passing Interface) Gruppierungskonzept, welcher eine flexible Verteilung der Rechenressourcen für die Berechnung der geochemischen Reaktion und der physikalischen Prozesse wie z.B. Wasserströmung oder Stofftransport ermöglicht. Danach wurde die Leistungsfähigkeit des Algorithmus anhand von drei Beispielen getestet. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz Vorteile gegenüber die konventionellen Ansätzen für die Berechnung von geochemisch dominierten Problemen bringt. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn nur eingeschränkter Nutzen aus der Parallelisierung für die Berechnung der Wasserströmung oder des Stofftransportes gezogen werden kann. Der Vergleich zwischen der string- und der dateibasierten Kopplung zeigt, dass die erstere weniger Rechenoverhead in einem verteilten Rechnersystem, wie z.B. Cluster erzeugt. Der letzte Teil der Arbeit zeigt die Anwendung von OGS#IPhreeqc für die Simulation der Wasserdynamik und der Denitrifikation im Grundwasserleiter eines Untersuchungsgebietes in NordDeutschland. Es beweist, dass OGS#IPhreeqc in der Lage ist, reaktiven Stofftransport auf der Hangskala innerhalb akzeptabler Zeitspanne zu simulieren. Die Simulationsergebnisse zeigen die Bedeutung der funktionalen Zonen für die natürlichen Selbstreinigungsprozesse.

Over the past decade, the public awareness and availability as well as methods for the creation and use of spatial data on the Web have steadily increased. Besides the establishment of governmental Spatial Data Infrastructures (SDIs), numerous volunteered and commercial initiatives had a major impact on that development. Nevertheless, data isolation still poses a major challenge. Whereas the majority of approaches focuses on data provision, means to dynamically link and combine spatial data from distributed, often heterogeneous data sources in an ad hoc manner are still very limited. However, such capabilities are essential to support and enhance information retrieval for comprehensive spatial decision making. To facilitate spatial data fusion in current SDIs, this thesis has two main objectives. First, it focuses on the conceptualization of a service-based fusion process to functionally extend current SDI and to allow for the combination of spatial data from different spatial data services. It mainly addresses the decomposition of the fusion process into well-defined and reusable functional building blocks and their implementation as services, which can be used to dynamically compose meaningful application-specific processing workflows. Moreover, geoprocessing patterns, i.e. service chains that are commonly used to solve certain fusion subtasks, are designed to simplify and automate workflow composition. Second, the thesis deals with the determination, description and exploitation of spatial data relations, which play a decisive role for spatial data fusion. The approach adopted is based on the Linked Data paradigm and therefore bridges SDI and Semantic Web developments. Whereas the original spatial data remains within SDI structures, relations between those sources can be used to infer spatial information by means of Semantic Web standards and software tools. A number of use cases were developed, implemented and evaluated to underpin the proposed concepts. Particular emphasis was put on the use of established open standards to realize an interoperable, transparent and extensible spatial data fusion process and to support the formalized description of spatial data relations. The developed software, which is based on a modular architecture, is available online as open source. It allows for the development and seamless integration of new functionality as well as the use of external data and processing services during workflow composition on the Web. / Die Entwicklung des Internet im Laufe des letzten Jahrzehnts hat die Verfügbarkeit und öffentliche Wahrnehmung von Geodaten, sowie Möglichkeiten zu deren Erfassung und Nutzung, wesentlich verbessert. Dies liegt sowohl an der Etablierung amtlicher Geodateninfrastrukturen (GDI), als auch an der steigenden Anzahl Communitybasierter und kommerzieller Angebote. Da der Fokus zumeist auf der Bereitstellung von Geodaten liegt, gibt es jedoch kaum Möglichkeiten die Menge an, über das Internet verteilten, Datensätzen ad hoc zu verlinken und zusammenzuführen, was mitunter zur Isolation von Geodatenbeständen führt. Möglichkeiten zu deren Fusion sind allerdings essentiell, um Informationen zur Entscheidungsunterstützung in Bezug auf raum-zeitliche Fragestellungen zu extrahieren. Um eine ad hoc Fusion von Geodaten im Internet zu ermöglichen, behandelt diese Arbeit zwei Themenschwerpunkte. Zunächst wird eine dienstebasierten Umsetzung des Fusionsprozesses konzipiert, um bestehende GDI funktional zu erweitern. Dafür werden wohldefinierte, wiederverwendbare Funktionsblöcke beschrieben und über standardisierte Diensteschnittstellen bereitgestellt. Dies ermöglicht eine dynamische Komposition anwendungsbezogener Fusionsprozesse über das Internet. Des weiteren werden Geoprozessierungspatterns definiert, um populäre und häufig eingesetzte Diensteketten zur Bewältigung bestimmter Teilaufgaben der Geodatenfusion zu beschreiben und die Komposition und Automatisierung von Fusionsprozessen zu vereinfachen. Als zweiten Schwerpunkt beschäftigt sich die Arbeit mit der Frage, wie Relationen zwischen Geodatenbeständen im Internet erstellt, beschrieben und genutzt werden können. Der gewählte Ansatz basiert auf Linked Data Prinzipien und schlägt eine Brücke zwischen diensteorientierten GDI und dem Semantic Web. Während somit Geodaten in bestehenden GDI verbleiben, können Werkzeuge und Standards des Semantic Web genutzt werden, um Informationen aus den ermittelten Geodatenrelationen abzuleiten. Zur Überprüfung der entwickelten Konzepte wurde eine Reihe von Anwendungsfällen konzipiert und mit Hilfe einer prototypischen Implementierung umgesetzt und anschließend evaluiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf einer interoperablen, transparenten und erweiterbaren Umsetzung dienstebasierter Fusionsprozesse, sowie einer formalisierten Beschreibung von Datenrelationen, unter Nutzung offener und etablierter Standards. Die Software folgt einer modularen Struktur und ist als Open Source frei verfügbar. Sie erlaubt sowohl die Entwicklung neuer Funktionalität durch Entwickler als auch die Einbindung existierender Daten- und Prozessierungsdienste während der Komposition eines Fusionsprozesses.

The hyporheic interstitial was recognized as an integral zone within the aquatic ecosystem bearing important functions for both adjacent compartments, surface and ground water, about 50 years ago. Since then, rather disciplinary works gained knowledge on the organismic community of this ecotone, its spatial extent, the role of distinct parameters such as hydrology and morphology, temporal characteristics, process dynamics, the role for stream or groundwater quality and restoration measures. However, a systematic study on the risks to the hyporheic functions was missing to date. This thesis combined existing methods in order to gather an integrated set of information allowing for the assessment of the ecotonal status. This approach was applied to investigate the functional behavior towards stressors like increasing nutrient and fine sediment input into a rather pristine environment. An interdisciplinary risk assessment and the establishment of adapted measures was called for as land-use scenarios for the studied catchment area indicated progressive onland erosion. Therefore firstly, an integrated monitoring scheme was drawn up and conducted at three sites along a river that underlay a stressor gradient such as mentioned before. Secondly, the data sets were analysed in order to evaluate the status of the hyporheic funtions at the riffles. Thirdly, a coupled surface-subsurface modelling approach was set up to further study the impact of the stressors on the ecotonal integrity. And fourthly, an interdisciplinary consideration combined with studies on the catchments sediment budget and the rivers ecological status was applied to identify measures for the restoration and protection of the aquatic ecosystem. The analysis of the data gathered with the help of the established monitoring scheme revealed that elevated nutrient or fine sediment input lead to biological or physical clogging, respectively, with consequences for the hyporheic zone functions. The surface - ground water connectivity was either lowered in summer months, when biofilm growth was highest, or permanently, as fine sediment particles infiltrated into the interstices of the riverbed sediment. Scouring did not seem to take place as high amounts of fine particles were found in the matrix after discharge events of snowmelt and summer precipitation. With respect to the biogeochemical regulation function, biofilm material appeared to provide an autochthonous carbon source boosting microbial substance turnover. The sediment underneath the physical clogged layer was cut off from carbon and oxygen rich surface water and thus was not reactive. However, the enhanced surface area provided by the fine sediment within the topmost sediment layer seemed to support microbial processing. The inclusion of the results of a study concerning the ecological status at the investigated reaches lead to the deduction that biological clogging at the present degree was not affecting habitat quality. Whereas the physical clogging had tremendeous and lasting effects on the macroinvertebrate community which carries to the conclusion that sediment management within the studied catchment is of uttermost importance. A scenario analysis reflecting distinct clogging degrees and types with a calibrated model of a studied riffle within a pristine reach proved the observed loss of hydrologic connectivity due to physical and biological clogging. Further, a treshold of oxygen consumption rates above which the reproduction of salmonid fish would be unsuccessful was identified for the settings of the middle reaches. In summer month with low discharge it seemed to be likely that this treshold might be reached. Following, a dynamic discharge may be decisive to protect the ecotonal integrity. The integration with the outcome of an investigation regarding the sediment sources within the catchment allowed for two suggestions. On the one hand, river bank restoration and protection within the middle reaches need to be prioritised, and on the other hand, the conservation of the natural vegetation at the steep slopes within the mountaineous areas need to be undertaken in order to secure the pristine aquatic environment of this area. Hyporheic zone research of the last decade was driven by testing hypotheses on the functional significance of distinct spatial and temporal configurations in the field and by new modelling approaches. However, data on the quantification of the ecological impact of clogging processes were lacking. The thesis contributed to the systemic understanding of the hyporheic zone being affected by physical and biological clogging and new field data within a degrading pristine environment were generated, accessible for further hyporheic research. The interdisciplinarity enabled comprehensive statements for the usage of an Integrated Water Resources Management plan.