Im Rahmen der Arbeit wurden Lidar- und Wolkenradarmessungen von troposphärischen Schichtwolken durchgeführt und ausgewertet, um den Zusammenhang zwischen Vertikalwinden und Eisbildung in diesen Wolken zu untersuchen. Der Eis- und Flüssigwassergehalt von Schichtwolken wurde mit einer Kombination aus Raman-Lidar und Wolkenradar untersucht. Die vertikalen Windbewegungen an der Wolkenunterkante wurden mit einem Doppler-Lidar aufgezeichnet. Durch die Auswertung vorangegangener Messkampagnen konnte die Vertikalwindstatistik in mittelhohen Schichtwolken zwischen den Standorten Leipzig und Praia (Kap Verde) verglichen werden. Messverfahren für die Vertikalwindmessung mit Doppler-Lidar wurden im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst wurde außerdem die Kombination von Doppler-Lidar, Wolkenradar und Wind-Profiler getestet. Die Eisbildungseffizienz in der Troposphäre wurde im Temperaturbereich zwischen 0 und -40°C für den Standort Leipzig untersucht und sowohl mit vorangegangenen Lidarmessungen, als auch mit aktuellen Satellitenmessungen verglichen. Zum ersten Mal wurde außerdem die statistische Verteilung von Vertikalwinden an der Basis von Mischphasenwolken dargestellt. Es wurde festgestellt, dass sich bei einer Temperatur von (-9 +/- 3)°C bereits in 50% der Schichtwolken über Leipzig Eis bildet. Zwischen -15 und 0°C wurden Verhältnisse zwischen Eis- und Flüssigwasserpfad zwischen 0,1 und 0,0001 abgeschätzt. Im Rahmen der Messgenauigkeit wurden zwischen den Standorten Leipzig und Praia keine Unterschiede in der Vertikalwindstatistik festgestellt.

Arid regions, that have a terrestrial share of 30 %, heavily rely on groundwater for do-mestic, industrial and irrigation purposes. The reliance on groundwater has partly turned into a dependency in areas where the increasing population number and the expansion of irrigated agricultural areas demand more groundwater than is naturally replenished. Yet, spatial and temporal information on groundwater are often scarce induced by the facts that groundwater is given a low priority in many national budgets and numerous (semi-) arid regions in the world encompass large and inaccessible areas. Hence, there is an urgent need to provide low-cost alternatives that in parallel cover large spatial and temporal scales to gain information on the groundwater system. Remote sensing holds a tremendous potential to represent this alternative. The main objective of this thesis is the improvement of existing and the development of novel remote sensing applications to infer information on the scarce but indispensable resource groundwater at the example of the Dead Sea. The background of these de-velopments relies mainly on freely available satellite data sets. I investigate 1) the pos-sibility to infer potential groundwater flow-paths from digital elevation models, 2) the applicability of multi-temporal thermal satellite data to identify groundwater discharge locations, 3) the suitability of multi-temporal thermal satellite data to derive information on the long-term groundwater discharge behaviour, and 4) the differences of thermal data in terms of groundwater discharge between coarse-scaled satellite data and fine-scaled airborne data including a discharge quantification approach. 1) I develop a transparent, reproducible and objective semi-automatic approach us-ing a combined linear filtering and object based classification approach that bases on a medium resolution (30 m ground sampling distance) digital elevation model to extract lineaments. I demonstrate that the obtained lineaments have both, a hydrogeological and groundwater significance, that allow the derivation of potential groundwater flow-paths. These flow-paths match results of existing groundwater flow models remarkably well that validate the findings and shows the possibility to infer potential groundwater flow-paths from remote sensing data. 2) Thermal satellite data enable to identify groundwater discharge into open water bodies given a temperature contrast between groundwater and water body. Integrating a series of thermal data from different periods into a multi-temporal analysis accounts for the groundwater discharge intermittency and hence allows obtaining a representa-tive discharge picture. I analyse the constraints that arise with the multi-temporal anal-ysis (2000-2002) and show that ephemeral surface-runoff causes similar thermal anomalies as groundwater. To exclude surface-runoff influenced data I develop an au-tonomously operating method that facilitates the identification. I calculate on the re-maining surface-runoff uninfluenced data series different statistical measures on a per pixel basis to amplify groundwater discharge induced thermal anomalies. The results reveal that the range and standard deviation of the data series perform best in terms of anomaly amplification and spatial correspondence to in-situ determined spring dis-charge locations. I conclude on the reason that both mirror temperature variability that is stabilized and therefore smaller at areas where spatio-temporal constant groundwater discharge occurs. 3) The application of the before developed method on a thermal satellite data set spanning the years 2000 to 2011 enables to localise specific groundwater discharge sites and to semi-quantitatively analyse the temporal variability of the thermal anomalies (termed groundwater affected area - GAA). I identify 37 groundwater discharge sites along the entire Dead Sea coastline that refine the so far coarsely given spring areas to specific locations. All spatially match independent in-situ groundwater discharge observations and additionally indicate 15 so far unreported discharge sites. Comparing the variability of the GAA extents over time to recharge behaviour reveals analogous curve progressions with a time-shift of two years. This observation suggests that the thermally identified GAAs directly display the before only assumed groundwater discharge volume. This finding provides a serious alternative to monitor groundwater discharge over large temporal and spatial scales that is relevant for different scientific communities. From the results I furthermore conclude to observe the before only assumed and modelled groundwater discharge share from flushing of old brines during periods with an above average Dead Sea level drop. This observation implies the need to not only consider discharge from known terrestrial and submarine springs, but also from flushing of old-brines in order to calculate the total Dead Sea water budget. 4) I present a complementary airborne thermal data set recorded in 01/2011 over the north-western part of the Dead Sea coast. The higher spatial resolution allows to refine the satellite-based GAA to 72 specific groundwater discharge sites and even to specify the so far unknown abundance of submarine springs to six sites with a share of <10 % to the total groundwater discharge. A larger contribution stems from newly iden-tified seeping spring type (24 sites) where groundwater emerges diffusively either ter-restrial or submarine close to the land/water interface with a higher share to the total discharge than submarine springs provide. The major groundwater contribution origi-nates from the 42 identified terrestrial springs. For this spring type, I demonstrate that 93 % of the discharge volume can be modelled with a linear ordinary least square re-gression (R2=0.88) based on the thermal plume extents and in-situ measured discharge volumes from the Israel Hydrological Service. This result implies the possibility to determine discharge volumes at unmonitored sites along the Dead Sea coast as well that can provide a complete physically-based picture of groundwater discharge magni-tude to the Dead Sea for the first time.:1 Introduction 1.1 Remote sensing applications on groundwater 1.1.1 Classical aspects 1.1.2 Modern aspects 1.2 Motivation and main objectives 1.3 Why the western catchment of the Dead Sea? 1.4 Overview 2 The western catchment of the Dead Sea 2.1 Geological and Structural Overview 2.2 Groundwater system 2.3 Groundwater inputs 2.4 Dead Sea 3 Groundwater flow-paths 3.1 Prologue 4 Method development for groundwater discharge identification 4.1 Prologue 5 Localisation and temporal variability of groundwater discharge 5.1 Prologue 6 Qualitative and quantitative refinement of groundwater discharge 6.1 Prologue 7 Conclusion and Outlook 7.1 Main results and implications 7.2 Outlook References Appendix

Sudan as a Sahelian country faced numerous drought periods resulting in famine and mass immigration. Spatial data on dynamics of land use and land cover is scarce and/or almost nonexistent. The study area in the North Kordofan State is located in the centre of Sudan and falls in the Sahelian eco-climatic zone. The region generally yields reasonable harvests of rainfed crops and the grasslands supports plenty of livestock. But any attempts to develop medium- to longterm strategies of sustainable land management have been hampered by the impacts of drought and desertification over a long period of time. This study aims to determine and analyse the dynamics of change of land use/land cover classes. The study attempts also to improve classification accuracy by using different data transformation methods like PCA, TCA and CA. In addition it tries to investigate the most reliable methods of pre-classification and/or post-classification change detection. The research also attempts to assess the desertification process using vegetation cover as an indicator. Preliminary mapping of major soil types is also an objective of this study. Landsat data of MSS 187/51 acquired on 01.01.1973 and ETM+ 174/51 acquired on 16.01.2001 were used. Visual interpretation in addition to digital image processing was applied to process the imagery for determining land use/land cover classes for the recent and reference image. Pre- and post-classification change detection methods were used to detect changes in land use/land cover classes in the study area. Pre-classification methods include image differencing, PC and Change Vector Analysis. Georeferenced soil samples were analysed to measure physical and chemical parameters. The measured values of these soil properties were integrated with the results of land use/ land cover classification. The major LULC classes present in the study area are forest, farm on sand, farm on clay, fallow on sand, fallow on clay, woodyland, mixed woodland, grassland, burnt/wetland and natural water bodies. Farming on sandy and clay soils constitute the major land use in the area, while mixed woodland constitutes the major land cover. Classification accuracy is improved by adopting data transformation by PCA, TCA and CA. Pre-classification change detection methods show indistinct and sketchy patterns of change but post-classification method shows obvious and detailed results. Vegetation cover changes were illustrated by use of NDVI. In addition preliminary soil mapping by using mineral indices was done based on ETM+ imagery. Distinct patterns of clay, gardud and sand areas could be classified. Remote sensing methods used in this study prove a high potential to classify land use/land cover as well as soil classes. Moreover the remote sensing methods used confirm efficiency for detecting changes in LULC classes and vegetation cover during the addressed period.

Bezüglich des Waldes hat sich in den letzten Jahren seitens der Politik und Wirtschaft ein steigender Informationsbedarf entwickelt. Zur Bereitstellung dieses Bedarfes stellt die Fernerkundung ein wichtiges Hilfsmittel dar, mit dem sich flächendeckende Datengrundlagen erstellen lassen. Die k-nächsten-Nachbarn-Methode (kNN-Methode), die terrestrische Aufnahmen mit Fernerkundungsdaten kombiniert, stellt eine Möglichkeit dar, diese Datengrundlage mit Hilfe der Fernerkundung zu verwirklichen. Deshalb beschäftigt sich die vorliegende Dissertation eingehend mit der kNN-Methode. An Hand der zwei Merkmale Grundfläche (metrische Daten) und Totholz (kategoriale Daten) wurden umfangreiche Berechnungen durchgeführt, wobei verschiedenste Variationen der kNN-Methode berücksichtigt wurden. Diese Variationen umfassen verschiedenste Einstellungen der Distanzfunktion, der Wichtungsfunktion und der Anzahl k-nächsten Nachbarn. Als Fernerkundungsdatenquellen kamen Landsat- und Hyperspektraldaten zum Einsatz, die sich sowohl von ihrer spektralen wie auch ihrer räumlichen Auflösung unterscheiden. Mit Hilfe von Landsat-Szenen eines Gebietes von verschiedenen Zeitpunkten wurde außerdem der multitemporale Ansatz berücksichtigt. Die terrestrische Datengrundlage setzt sich aus Feldaufnahmen mit verschiedenen Aufnahmedesigns zusammen, wobei ein wichtiges Kriterium die gleichmäßige Verteilung von Merkmalswerten (z.B. Grundflächenwerten) über den Merkmalsraum darstellt. Für die Durchführung der Berechnungen wurde ein Programm mit Visual Basic programmiert, welches mit der Integrierung aller Funktionen auf der Programmoberfläche eine benutzerfreundliche Bedienung ermöglicht. Die pixelweise Ausgabe der Ergebnisse mündete in detaillierte Karten und die Verifizierung der Ergebnisse wurde mit Hilfe des prozentualen Root Mean Square Error und der Bootstrap-Methode durchgeführt. Die erzielten Genauigkeiten für das Merkmal Grundfläche liegen zwischen 35 % und 67 % (Landsat) bzw. zwischen 65 % und 67 % (HyMapTM). Für das Merkmal Totholz liegen die Übereinstimmungen zwischen den kNN-Schätzern und den Referenzwerten zwischen 60,0 % und 73,3 % (Landsat) und zwischen 60,0 % und 63,3 % (HyMapTM). Mit den erreichten Genauigkeiten bietet sich die kNN-Methode für die Klassifizierung von Beständen bzw. für die Integrierung in Klassifizierungsverfahren an. / Mapping forest variables and associated characteristics is fundamental for forest planning and management. The following work describes the k-nearest neighbors (kNN) method for improving estimations and to produce maps for the attributes basal area (metric data) and deadwood (categorical data). Several variations within the kNN-method were tested, including: distance metric, weighting function and number of neighbors. As sources of remote sensing Landsat TM satellite images and hyper spectral data were used, which differ both from their spectral as well as their spatial resolutions. Two Landsat scenes from the same area acquired September 1999 and 2000 regard multiple approaches. The field data for the kNN- method comprise tree field measurements which were collected from the test site Tharandter Wald (Germany). The three field data collections are characterized by three different designs. For the kNN calculation a program with integration all kNN functions were developed. The relative root mean square errors (RMSE) and the Bootstrap method were evaluated in order to find optimal parameters. The estimation accuracy for the attribute basal area is between 35 % and 67 % (Landsat) and 65 % and 67 % (HyMapTM). For the attribute deadwood is the accuracy between 60 % and 73 % (Landsat) and 60 % and 63 % (HyMapTM). Recommendations for applying the kNN method for mapping and regional estimation are provided.

Glacier outlines during the ‘Little Ice Age’ maximum in Jotunheimen were mapped by using remote sensing techniques (vertical aerial photos and satellite imagery), glacier outlines from the 1980s and 2003, a digital terrain model (DTM), geomorphological maps of individual glaciers, and field-GPS measurements. The related inventory data (surface area, minimum and maximum altitude) and several other variables (e.g. slope, range) were calculated automatically by using a geographical information system. The length of the glacier flowline was mapped manually based on the glacier outlines at the maximum of the ‘Little Ice Age’ and the DTM. The glacier data during the maximum of the ‘Little Ice Age’ were compared with the Norwegian glacier inventory of 2003. Based on the glacier inventories during the maximum of the ‘Little Ice Age’, the 1980s and 2003, a simple parameterization after HAEBERLI & HOELZLE (1995) was performed to estimate unmeasured glacier variables, as e.g. surface velocity or mean net mass balance. Input data were composed of surface glacier area, minimum and maximum elevation, and glacier length. The results of the parameterization were compared with the results of previous parameterizations in the European Alps and the Southern Alps of New Zealand (HAEBERLI & HOELZLE 1995; HOELZLE et al. 2007). A relationship between these results of the inventories and of the parameterization and climate and climate changes was made. / Die Gletscherumrisse während des Maximalstandes der „Kleinen Eiszeit“ in Jotunheimen wurden unter der Verwendung von Fernerkundungstechniken (vertikale Luftbilder und Satellitenbilder), von Gletscherumrissen aus den 1980er Jahren und von 2003, von einem digitalen Geländemodel (DTM), von geomorphologischen Karten einzelner Gletscher und von GPS-Messungen im Gelände kartiert. Die daraus erzielten Inventardaten (Gletscherfläche, minimale und maximale Höhe) und einige andere Variablen (z.B. Hangneigung, Höhendifferenz) wurden automatisch mit einem geographischen Informationssystem berechnet. Die Länge der Gletscherfließlinie wurde basierend auf den Gletscherumrissen zum Maximum der „Kleinen Eiszeit“ und dem DTM manuell kartiert. Die Gletscherdaten zum Maximalstand der „Kleinen Eiszeit“ wurden mit dem Gletscherinventar von 2003 verglichen. Basierend auf den letscherinventaren zum Maximum der „Kleinen Eiszeit“, von den 1980er Jahren und von 2003 wurde eine einfache Parametrisierung nach HAEBERLI & HOELZLE (1995) durchgeführt, um ungemessene Gletschervariablen, wie z.B. Oberflächengeschwindigkeit oder mittlere Netto-Massenbilanz, abzuschätzen. Eingabedaten bestanden aus Gletscherfläche, minimaler und maximale Höhe und der Gletscherlänge. Die Resultate der Parametrisierung wurden mit den Ergebnissen früherer Parametrisierungen aus den Europäischen Alpen und den Southern Alps auf Neuseeland verglichen (HAEBERLI & HOELZLE 1995; HOELZLE et al. 2007). Eine Verbindung zwischen diesen Ergebnissen aus den Inventaren und der Parametrisierung und dem Klima und der Klimaänderung wurde hergestellt.

Slums bilden einen wesentlichen Bestandteil vieler Stadtregionen des globalen Südens, wobei Indien die höchste Zahl an Slumbewohnern beherbergt. Die internationalen Unterschiede in der Definition des Begriffs "Slum" sowie Mängel bei der Datenerfassung haben eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Aufnahme von Slumbevölkerungszahlen und -standorten in globalem, nationalem und städtischem Massstab zur Folge. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, eine Vorgehensweise zur automatischen Erkennung von Slums mit Hilfe von hochauflösenden Satellitenbildern zu entwickeln, und diese Methode in der indischen Metropole Hyderabad anzuwenden. Diese Arbeit entwickelt ein mehrstufiges Satellitenbildbearbeitungsverfahren, welches in der Lage ist, eine schnelle Slumerkennung in Hyderabad durchzuführen. Das Verfahren beruht auf dem Verhältnis zwischen einem bestimmten Bereich räumlicher Heterogenität, ausgedrückt durch Lakunarität, und der Wahrscheinlichkeit, dass die Struktur eines Gebietes der Oberflächenstruktur eines Slums entspricht. Die Anwendung der hier vorgeschlagenen Methode produzierte zum ersten Mal einen plausiblen, räumlich kohärenten und politisch unverzerrten Datensatz über Slumstandorte und Slumbevölkerung für das gesamte Stadtgebiet von Hyderabad. Die Ergebnisse verdeutlichen die Unstimmigkeiten bei der bisherigen Erfassung der Slumbevölkerungszahlen sowie bei der offiziellen Anerkennung von Slums. Die multitemporale Satellitenbildauswertung zeigt ein Wachstum der Slumbevölkerungszahlen im Grossraum Hyderabad an und bietet Einblick in den zeitlich-räumlichen Slumwachstumprozess zwischen den Jahren 2003 und 2010. Diese Dissertation stellt einen wissenschaftlichen Beitrag zu den Themen Fernerkundung der Siedlungen und fortgeschrittene Bildbearbeitungsmethoden dar und bietet den unterschiedlichsten Parteien, für welche Slumdaten von Bedeutung sind, ein wichtiges Instrument. / Slums are a pervasive feature of many urban regions in the global South, with India hosting the largest number of the global slum dwellers. Differences in slum definitions across countries and deficiencies of data collection are the cause of a large error margin in establishing slum population numbers and slum locations at a global, national and city scale. The main goal of this thesis is to develop an approach to automated identification of slums using sub-metre resolution satellite imagery, and to apply the new method to the slum-plagued South Indian megacity of Hyderabad. This dissertation establishes a multi-step satellite imagery analysis framework, which is capable of performing rapid identification of slums in Hyderabad without extensive ground surveys or manual image analysis. It is based on the relation of a specific range of spatial heterogeneity expressed through lacunarity to the probability of an area to be morphologically similar to the surface texture of a slum. The application of the proposed method has for the first time produced plausible, spatially coherent and politically unbiased slum coverage and slum population datasets for the whole of Hyderabad. The results expose inconsistencies in slum population data reporting and the slum recognition process currently in place in the city. The analysis of multitemporal remote sensing data indicates a considerable slum population increase in the metropolitan area of Hyderabad and provides an insight into spatiotemporal slum development patterns between the years 2003 and 2010. This dissertation contributes to the body of knowledge on remote sensing of human settlements and advanced image processing techniques and presents an essential instrument to be used by a the United Nations bodies, national and city governments as well as non-governmental organisations engaged in slum-related work.

Städtische Gebiete unterscheiden sich von Flächen mit ruraler Prägung, im Ergebnis sind sie stark modifiziert bezüglich ihrer Strahlungs- und Energiebilanz. In der vorliegenden Arbeit werden die Oberflächentemperaturen der Metropole Berlin im Mesomaßstab, unter Verwendung von Satellitenaufnahmen der ASTER- und Landsat-5- und 7-Sensoren untersucht sowie durch zusätzliche Messungen mit einer Thermalbildkamera über einen Zeitraum von 17 Monaten im Mikromaßstab erweitert. Diese Daten kombiniert mit GIS-basierten Informationen über die Landnutzungs- und Strukturtypen werden für die Analyse der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Oberflächentemperaturen genutzt ebenso wie zur Ermittlung funktioneller Beziehungen zwischen dem thermischen Verhalten der Oberflächen und der zugehörigen Stadtstruktur. Bei der Auswertung geht es vorrangig um physikalische Prozesse und Eigenschaften, die einen Einfluss auf energetische Flüsse und ihre Interaktion mit städtischen Oberflächen haben. Eine thermische Charakteristik einzelner Bezirke über verschiedene Nutzungsklassen bis hin zu einzelnen Materialien wird erstellt. Dabei sind Temperaturdifferenzen von mehreren zehntel Kelvin zwischen den typischen städtischen Oberflächen Dächern und Rasenflächen zu beobachten. Die Resultate zeigen, dass die Verteilung der LST sehr verschieden ist und stark korreliert mit den Landbedeckungen. Es wird dargestellt, welche Stadtstrukturen besonders thermisch belastet sind, welche individuelle thermische Bedeutung einzelne Materialien haben. Besonderes Augenmerk wird auf Möglichkeiten der Beeinflussung durch Abschattung gelegt. Durch Verschattung können Differenzen der Oberflächentemperaturen von mehr als 10 Kelvin erreicht werden. Abschließend werden Modellierungen zur Verifizierung der Kameramessungen sowie zum Aufzeigen des Einflusses minimaler Änderungen in kleinräumigen Klimaten genutzt. / Urban areas differ from surfaces of rural character. They are very modified in their radiation- and energy balance. In this study land-surface temperatures of the city of Berlin are analyzed with the help of satellite pictures of the ASTER- and Landsat-5 and -7 sensors in mesoscale and then extended by extra measurements of an infrared camera in microscale over the course of 17 months. This data combined with GIS based information on different land use and -structures are used for the analysis of spatial and time distribution, as well as for the determination of functional relations between thermal behaviour of surfaces and the related urban structures. The evaluation mainly deals with physical processes and properties that have an influence on energetic flows and their interactions with urban surfaces. A thermal characteristic of individual districts, from different land use classes to specific materials is being created. In this there are differences in temperature of several tenths Kelvin between the typical urban surfaces of roofs and grass areas visible. The results show that the distribution of the LST varies immensely and correlates with the land coverage. It is shown, what urban structures are most thermic burdened, what individual significance specific materials have. Special attention is paid to the different possibilities of the influence through shadow. It is possible to reach a difference of surface temperatures of more than 10 Kelvin by shadow. At the end models with the 3-dimensional ENVImet are used to verify the camera measurements as well as to show the influence of minimal changes in microscale climate.

In den letzten Jahren wurden relativ komplexe Erosionsmodelle entwickelt, deren Teilprozesse immer mehr auf physikalisch begründeten Ansätzen beruhen. Damit verbunden ist eine höhere Anzahl aktueller Eingangsparameter, deren Bestimmung im Feld arbeits- und kostenaufwendig ist. Zudem werden die Parameter punktuell, also an bestimmten Stellen und nicht flächenhaft wie bei der Fernerkundung, erfasst. <br /> <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, wie Satellitendaten als relativ kostengünstige Ergänzung oder Alternative zur konventionellen Parametererhebung genutzt werden können. Dazu werden beispielhaft der Blattflächenindex (LAI) und der Bedeckungsgrad für das physikalisch begründete Erosionsmodell EROSION 3D abgeleitet. Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei das Aufzeigen von existierenden Methoden, die die Basis für eine operationelle Bereitstellung solcher Größen nicht nur für Erosions- sondern allgemein für Prozessmodelle darstellen. Als Untersuchungsgebiet dient das primär landwirtschaftlich genutzte Einzugsgebiet des Mehltheuer Baches, das sich im Sächsischen Lößgefilde befindet und für das Simulationsrechnungen mit konventionell erhobenen Eingangsparametern für 29 Niederschlagsereignisse im Jahr 1999 vorliegen [MICHAEL et al. 2000].<br /> <br /> Die Fernerkundungsdatengrundlage bilden Landsat-5-TM-Daten vom 13.03.1999, 30.04.1999 und 19.07.1999. Da die Vegetationsparameter für alle Niederschlagsereignisse vorliegen sollen, werden sie basierend auf der Entwicklung des LAI zeitlich interpoliert. Dazu erfolgt zunächst die Ableitung des LAI für alle vorhandenen Fruchtarten nach den semi-empirischen Modellen von CLEVERS [1986] und BARET & GUYOT [1991] mit aus der Literatur entnommenen Koeffizienten. Des Weiteren wird eine Methode untersucht, nach der die Koeffizienten für das Clevers-Modell aus den TM-Daten und einem vereinfachten Wachstumsmodell bestimmt werden. Der Bedeckungsgrad wird nach ROSS [1981] aus dem LAI ermittelt. Die zeitliche Interpolation des LAI wird durch die schlagbezogene Anpassung eines vereinfachten Wachstumsmodells umgesetzt, das dem hydrologischen Modell SWIM [KRYSANOVA et al. 1999] entstammt und in das durchschnittliche Tagestemperaturen eingehen. Mit den genannten Methoden bleiben abgestorbene Pflanzenteile unberücksichtigt. Im Vergleich zur konventionellen terrestrischen Parametererhebung ermöglichen sie eine differenziertere Abbildung räumlicher Variabilitäten und des zeitlichen Verlaufes der Vegetationsparameter.<br /> <br /> Die Simulationsrechnungen werden sowohl mit den direkten Bedeckungsgraden aus den TM-Daten (pixelbezogen) als auch mit den zeitlich interpolierten Bedeckungsgraden für alle Ereignisse (schlagbezogen) durchgeführt. Bei beiden Vorgehensweisen wird im Vergleich zur bisherigen Abschätzung eine Verbesserung der räumlichen Verteilung der Parameter und somit eine räumliche Umverteilung von Erosions- und Depositionsflächen erreicht. Für die im Untersuchungsgebiet vorliegende räumliche Heterogenität (z. B. Schlaggröße) bieten Landsat-TM-Daten eine ausreichend genaue räumliche Auflösung. Damit wird nachgewiesen, dass die satellitengestützte Fernerkundung im Rahmen dieser Untersuchungen sinnvoll einsetzbar ist. Für eine operationelle Bereitstellung der Parameter mit einem vertretbaren Aufwand ist es erforderlich, die Methoden weiter zu validieren und möglichst weitestgehend zu automatisieren. / Soil erosion models become increasingly more complex and contain physically based components, resulting in changing requirements for their input parameters. The spatial and temporal dynamics of erosions forcing parameters thus produce high requirements on data availability (costs and manpower). Due to this fact, the use of complex erosion models for extensive regions is strongly limited by the high in-situ expense. Moreover, conventional measurement procedures provide parameters at certain points, while remote sensing is a two-dimensional retrieval method.<br /> <br /> This thesis demonstrates, how satellite data can be used as a cost-effective supplementation or alternative to conventional measurement procedures. Leaf area index (LAI) and soil cover percentage are examplarily derived for the EROSION 3D physically based soil erosion model. The main objective of this study is to summarise existing retrieval methods in order to operationally provide such paramaters for soil erosion models or for process models in general. The methods are applied to a catchment in the loess region in Saxony (Germany), that predominantly is agriculturally used. For comparison, simulations based on conventionally estimated parameters for 29 rainstorm events are available [MICHAEL et al. 2000]. <br /> <br /> The remote sensing parameters are derived from Landsat 5 TM data on the following dates: 13.03.1999, 30.04.1999, 19.07.1999. To get temporally continuous data for all events, they are interpolated between the acquisition dates based on the LAI development. Therefore, LAI is firstly calculated for all occurring crops by means of the semi-empirical models of CLEVERS [1986] and BARET & GUYOT [1991]. The coefficients appropriated to these models are taken from literature. Furthermore, a method is investigated that enables coefficient estimation for the Clevers model from Landsat data combined with a simplified growth model. Next, soil cover percentage is derived from LAI after ROSS [1981]. The LAI interpolation is performed by the simplified crop growth model from the SWIM hydrological model [Krysanova et al. 1999]. It has to be mentioned, that plant residue remains unconsidered by the used methods. In comparison to conventional measurement procedures, these methods supply a differentiated mapping of the spatial variability and temporal behaviour regarding the vegetation parameters.<br /> <br /> The simulations with EROSION 3D are carried out for the remotely sensed soil cover percentages, that are retrieved in two ways. Soil cover is directly derived from the remote sensing data for each pixel at the acquisition dates as well as estimated by means of the interpolation for each field on all rainstorm events. In comparison to conventionally determined soil cover, both methods provide an improved spatial allocation of this parameter and thus, a spatial reallocation of erosion and deposition areas. The used Landsat Data provide an adequate spatial resolution suitable for the spatial heterogeneity given in the test area (e. g. field size). These results show that satellite based remote sensing can be reasonably used within the scope of these investigations. In the future, operational retrieval of such remotely sensed parameters necessitates the validation of the proposed methods and in general the automation of involved sub-processes to the greatest possible extent

Gegenstand dieser Arbeit ist die Konzeption, Entwicklung und exemplarische Implementierung eines generischen Verfahrens zur Erfassung, Verarbeitung, Auswertung und kartographischen Visualisierung urbaner Strukturen im altweltlichen Trockengürtel mittels hochauflösender operationeller Fernerkundungsdaten. Das Verfahren wird am Beispiel der jemenitischen Hauptstadt Sanaa einer Vertreterin des Typus der Orientalischen Stadt angewandt und evaluiert. Das zu entwickelnde Verfahren soll auf Standardverfahren und Systemen der raumbezogenen Informationsverarbeitung basieren und in seinen wesentlichen Prozessschritten automatisiert werden können. Daten von hochauflösenden operationellen Fernerkundungssystemen (wie z.B. QuickBird, Ikonos u. a.) erlauben die Erkennung und Kartierung urbaner Objekte, wie Gebäude, Straßen und sogar Autos. Die mit ihnen erstellten Karten und den daraus gewonnenen Informationen können zur Erfassung von Urbanisierungsprozessen (Stadt- und Bevölkerungswachstum) herangezogen werden. Sie werden auch zur Generierung von 3D-Stadtmodellen genutzt. Diese dienen z.B. der Visualisierung für touristische Anwendungen, für die Stadtplanung, für Lärmanalysen oder für die Standortplanung von Mobilfunkantennen. Bei dem in dieser Arbeit erzeugten 3D-Visualisierung wurden jedoch keine Gebäudedetails erfasst. Entscheidend war vielmehr die Wiedergabe der Siedlungsstruktur, die im Vorhandensein und in der Anordnung der Gebäude liegt. In dieser Arbeit wurden Daten des Satellitensensors Quickbird von 2005 verwendet. Sie zeigen einen Ausschnitt der Stadt Sanaa in Jemen. Die Fernerkundungsdaten wurden durch andere Daten, u.a. auch Geländedaten, ergänzt und verifiziert. Das ausgearbeitete Verfahren besteht aus der Klassifikation der Satellitenbild-aufnahme, die u.a. pixelbezogen und für jede Klasse einzeln (pixelbezogene Klassifikation auf Klassenebene) durchgeführt wurde. Zusätzlich fand eine visuelle Interpretation der Satellitenbildaufnahme statt, bei der einzelne Flächen und die Straßen digitalisiert und die Objekte mit Symbolen gekennzeichnet wurden. Die aus beiden Verfahren erstellten Stadtkarten wurden zu einer fusioniert. Durch die Kombination der Ergebnisse werden die Vorteile beider Karten in einer vereint und ihre jeweiligen Schwächen beseitigt bzw. minimiert. Die digitale Erfassung der Konturlinien auf der Orthophotomap von Sanaa erlaubte die Erstellung eines Digitalen Geländemodells, das der dreidimensionalen Darstellung des Altstadtbereichs von Sanaa diente. Die 3D-Visualisierung wurde sowohl von den pixelbezogenen Klassifikationsergebnissen auf Klassenebene als auch von der digitalen Erfassung der Objekte erstellt. Die Ergebnisse beider Visualisierungen wurden im Anschluss in einer Stadtkarte vereint. Bei allen Klassifikationsverfahren wurden die asphaltierten Straßen, die Vegetation und einzeln stehende Gebäude sehr gut erfasst. Die Klassifikation der Altstadt gestaltete sich aufgrund der dort für die Klassifikation herrschenden ungünstigen Bedingungen am problematischsten. Die insgesamt besten Ergebnisse mit den höchsten Genauigkeitswerten wurden bei der pixelbezogenen Klassifikation auf Klassenebene erzielt. Dadurch, dass jede Klasse einzeln klassifiziert wurde, konnte die zu einer Klasse gehörende Fläche besser erfasst und nachbearbeitet werden. Die Datenmenge wurde reduziert, die Bearbeitungszeit somit kürzer und die Speicherkapazität geringer. Die Auswertung bzw. visuelle Validierung der pixel-bezogenen Klassifikationsergebnisse auf Klassenebene mit dem Originalsatelliten-bild gestaltete sich einfacher und erfolgte genauer als bei den anderen durch-geführten Klassifikationsverfahren. Außerdem war es durch die alleinige Erfassung der Klasse Gebäude möglich, eine 3D-Visualisierung zu erzeugen. Bei einem Vergleich der erstellten Stadtkarten ergibt sich, dass die durch die visuelle Interpretation erstellte Karte mehr Informationen enthält. Die von den pixelbezogenen Klassifikationsergebnissen auf Klassenebene erstellte Karte ist aber weniger arbeits- und zeitaufwendig zu erzeugen. Zudem arbeitet sie die Struktur einer orientalischen Stadt mit den wesentlichen Merkmalen besser heraus. Durch die auf Basis der 2D-Stadtkarten erstellte 3D-Visualisierung wird ein anderer räumlicher Eindruck vermittelt und bestimmte Elemente einer orientalischen Stadt deutlich gemacht. Dazu zählen die sich in der Altstadt befindenden Sackgassen und die ehemalige Stadtmauer. Auch die für Sanaa typischen Hochhäuser werden in der 3D-Visualisierung erkannt. Insgesamt wurde in der Arbeit ein generisches Verfahren entwickelt, dass mit geringen Modifikationen auch auf andere städtische Räume des Typus orientalische Stadt angewendet werden kann. / This study aims at the development and implementation of a generic procedure for the acquisition, processing, analysis and cartographic visualisation of urban space in arid zone cities based on operational remote sensing imagery. As a proof of concept the Yemeni capital Sanaa has been selected as a use case. The workflow developed is based on standard procedures and systems of spatial information processing and allows for subsequent automation oft its essential processes. Today, high-resolution remote sensing data from operational satellite systems (such as QuickBird, Ikonos etc) facilitate the recognition and mapping of urban objects such as buildings, streets and even cars which, in the past could only be acquired by non-operational aerial photography. The satellite imagery can be used to generate maps and even 3D-representation of the urban space. Both maps and 3D-visualisations can be used for up-to-date land use mapping, zoning and urban planning purposes etc. The 3D-visualisation provides a deeper understanding of urban structures by integrating building height into the analysis. For this study remote sensing data of the Quickbird satellite data of 2005 were used. They show a section of the city of Sanaa in Yemen. The remote sensing data were supplemented and verified by other data, including terrain data. The image data are then subjected to thorough digital image. This procedure consists of a pixel-oriented classification of the satellite image acquisition at class level. In addition, a visual interpretation of the satellite image has been undertaken to identify and label individual objects (areas, surfaces, streets) etc. which were subsequently digitised. The town maps created in both procedures were merged to one. Through this combination of the results, the advantages of both maps are brought together and their respective weaknesses are eliminated or minimized. The digital collection of the contour lines on the orthophoto map of Sanaa allowed for the creation of a digital terrain model, which was used for the three-dimensional representation of Sanaa's historic district. The 3D-visualisation was created from the classification results as well as from the digital collection of the objects and the results of both visualisations were combined in a city map. In all classification procedures, paved roads, vegetation and single buildings were detected very well. The best overall results with the highest accuracy values achieved in the pixel-oriented classification at class level. Because each class has been classified separately, size belonging to that class can be better understood and optimised. The amount of data could be reduced, thus requiring less memory and resulting in a shorter processing time. The evaluation and validation of the pixel-oriented visual classification results at class level with the original satellite imagery was designed more simply and more accurately than other classification methods implemented. It was also possible by the separate recording of the class building to create a 3D-visualisation. A comparison of the maps created found that the map created from visual interpretation contains more information. The map based on pixel-oriented classification results at class level proved to be less labor- and time-consuming, and the structure of an oriental city with the main features will be worked out better. The 2D-maps and the 3D-visualisation provide a different spatial impression, and certain elements of an oriental city clearly detectable. These include the characteristic dead ends in the old town and the former city wall. The typical high-rise houses of Sanaa are detected in the 3D-visualisation. This work developed a generic procedure to detect, analyse and visualise urban structures in arid zone environments. The city of Sanaa served as a proof of concept. The results show that the workflow developed is instrumental in detecting typical structures of oriental cities. The results achieved in the case study Sanaa prove that the process can be adapted to the investigation of other arid zone cities in the Middle East with minor modifications.

Current climate warming is affecting arctic regions at a faster rate than the rest of the world. This has profound effects on permafrost that underlies most of the arctic land area. Permafrost thawing can lead to the liberation of considerable amounts of greenhouse gases as well as to significant changes in the geomorphology, hydrology, and ecology of the corresponding landscapes, which may in turn act as a positive feedback to the climate system. Vast areas of the east Siberian lowlands, which are underlain by permafrost of the Yedoma-type Ice Complex, are particularly sensitive to climate warming because of the high ice content of these permafrost deposits. Thermokarst and thermal erosion are two major types of permafrost degradation in periglacial landscapes. The associated landforms are prominent indicators of climate-induced environmental variations on the regional scale. Thermokarst lakes and basins (alasses) as well as thermo-erosional valleys are widely distributed in the coastal lowlands adjacent to the Laptev Sea. This thesis investigates the spatial distribution and morphometric properties of these degradational features to reconstruct their evolutionary conditions during the Holocene and to deduce information on the potential impact of future permafrost degradation under the projected climate warming. The methodological approach is a combination of remote sensing, geoinformation, and field investigations, which integrates analyses on local to regional spatial scales. Thermokarst and thermal erosion have affected the study region to a great extent. In the Ice Complex area of the Lena River Delta, thermokarst basins cover a much larger area than do present thermokarst lakes on Yedoma uplands (20.0 and 2.2 %, respectively), which indicates that the conditions for large-area thermokarst development were more suitable in the past. This is supported by the reconstruction of the development of an individual alas in the Lena River Delta, which reveals a prolonged phase of high thermokarst activity since the Pleistocene/Holocene transition that created a large and deep basin. After the drainage of the primary thermokarst lake during the mid-Holocene, permafrost aggradation and degradation have occurred in parallel and in shorter alternating stages within the alas, resulting in a complex thermokarst landscape. Though more dynamic than during the first phase, late Holocene thermokarst activity in the alas was not capable of degrading large portions of Pleistocene Ice Complex deposits and substantially altering the Yedoma relief. Further thermokarst development in existing alasses is restricted to thin layers of Holocene ice-rich alas sediments, because the Ice Complex deposits underneath the large primary thermokarst lakes have thawed completely and the underlying deposits are ice-poor fluvial sands. Thermokarst processes on undisturbed Yedoma uplands have the highest impact on the alteration of Ice Complex deposits, but will be limited to smaller areal extents in the future because of the reduced availability of large undisturbed upland surfaces with poor drainage. On Kurungnakh Island in the central Lena River Delta, the area of Yedoma uplands available for future thermokarst development amounts to only 33.7 %. The increasing proximity of newly developing thermokarst lakes on Yedoma uplands to existing degradational features and other topographic lows decreases the possibility for thermokarst lakes to reach large sizes before drainage occurs. Drainage of thermokarst lakes due to thermal erosion is common in the study region, but thermo-erosional valleys also provide water to thermokarst lakes and alasses. Besides these direct hydrological interactions between thermokarst and thermal erosion on the local scale, an interdependence between both processes exists on the regional scale. A regional analysis of extensive networks of thermo-erosional valleys in three lowland regions of the Laptev Sea with a total study area of 5,800 km² found that these features are more common in areas with higher slopes and relief gradients, whereas thermokarst development is more pronounced in flat lowlands with lower relief gradients. The combined results of this thesis highlight the need for comprehensive analyses of both, thermokarst and thermal erosion, in order to assess past and future impacts and feedbacks of the degradation of ice-rich permafrost on hydrology and climate of a certain region. / Die gegenwärtige Klimaerwärmung wirkt sich auf arktische Regionen stärker aus als auf andere Gebiete der Erde. Das hat weitreichende Konsequenzen für Permafrost, der weite Teile der terrestrischen Arktis unterlagert. Das Tauen von Permafrost kann zur Freisetzung erheblicher Mengen an Treibhausgasen sowie zu gravierenden Änderungen in der Geomorphologie, Hydrologie und Ökologie betroffener Landschaften führen, was wiederum als positive Rückkopplung auf das Klimasystem wirken kann. Ausgedehnte Gebiete der ostsibirischen Tiefländer, die mit Permafrost des Yedoma Eiskomplex unterlagert sind, gelten aufgrund des hohen Eisgehalts dieser Permafrostablagerungen als besonders empfindlich gegenüber Klimaerwärmungen. Thermokarst und Thermoerosion sind zwei Hauptformen der Permafrostdegradation in periglazialen Landschaften. Die zugehörigen Landschaftsformen sind auf der regionalen Skala bedeutende Indikatoren klimainduzierter Umweltvariationen. Thermokarstseen und senken (Alasse) sowie Thermoerosionstäler sind in den Küstentiefländern der Laptewsee weit verbreitet. Die vorliegende Dissertation untersucht die räumliche Verbreitung und die morphometrischen Eigenschaften dieser Degradationsformen mit dem Ziel, ihre Entwicklungsbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und Hinweise auf potenzielle Auswirkungen zukünftiger Permafrostdegradation im Zuge der erwarteten Klimaerwärmung abzuleiten. Der methodische Ansatz ist eine Kombination aus Fernerkundungs-, Geoinformations- und Geländeuntersuchungen, die Analysen auf lokalen bis regionalen räumlichen Skalen integriert. Thermokarst und Thermoerosion haben die Untersuchungsregion tiefgreifend geprägt. Im Eiskomplexgebiet des Lena-Deltas nehmen Thermokarstsenken eine weitaus größere Fläche ein als Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen (20,0 bzw. 2,2 %), was darauf hin deutet, dass die Bedingungen für die Entwicklung von großflächigem Thermokarst in der Vergangenheit wesentlich günstiger waren als heute. Die Rekonstruktion der Entwicklung eines einzelnen Alas im Lena-Delta belegt eine andauernde Phase hoher Thermokarstaktivität seit dem Übergang vom Pleistozän zum Holozän, die zur Entstehung einer großen und tiefen Senke führte. Nach der Drainage des primären Thermokarstsees im mittleren Holozän erfolgten Permafrostaggradation und degradation parallel und in kürzeren abwechselnden Etappen innerhalb des Alas und führten zu einer komplexen Thermokarstlandschaft. Trotzdem die spätholozäne Thermokarstentwicklung im Alas dynamischer ablief als die erste Entwicklungsphase, resultierte sie nicht in der Degradation großer Teile pleistozäner Eiskomplexablagerungen und einer wesentlichen Veränderung des Yedoma-Reliefs. Weitere Thermokarstentwicklung in bestehenden Alassen ist begrenzt auf geringmächtige Lagen holozäner eisreicher Alas-Sedimente, da die Eiskomplexablagerungen unter den großen primären Thermokarstseen vollständig getaut waren und die unterlagernden Sedimente aus eisarmen, fluvialen Sanden bestehen. Thermokarstprozesse auf ungestörten Yedoma-Hochflächen wirken am stärksten verändernd auf Eiskomplexablagerungen, werden aber in Zukunft auf geringere Ausmaße begrenzt sein, da die Verfügbarkeit großer ungestörter, schwach drainierter Yedoma-Hochflächen abnimmt. Auf der Insel Kurungnakh im zentralen Lena-Delta beträgt der für zukünftige Thermokarstentwicklung verfügbare Anteil an Yedoma-Hochflächen nur 33,7 %. Die zunehmende Nähe von sich entwickelnden Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen zu bestehenden Degradationsstrukturen und anderen negativen Reliefformen verringert die Möglichkeit der Thermokarstseen, große Ausmaße zu erreichen bevor sie drainieren. Die Drainage von Thermokarstseen durch Thermoerosion ist in der Untersuchungsregion weit verbreitet, aber Thermoerosionstäler versorgen Thermokarstseen und –senken auch mit Wasser. Neben diesen direkten hydrologischen Wechselwirkungen zwischen Thermokarst und Thermoerosion auf der lokalen Ebene existiert auch eine Interdependenz zwischen beiden Prozessen auf der regionalen Ebene. Eine regionale Analyse weitreichender Netze von Thermoerosionstälern in drei Tieflandgebieten der Laptewsee mit einer Fläche von insgesamt 5800 km² zeigte, dass diese Formen häufiger in Gebieten mit höheren Geländeneigungen und Reliefgradienten auftreten, während Thermokarstentwicklung stärker in flachen Tiefländern mit geringeren Reliefgradienten ausgeprägt ist. Die kombinierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit von umfassenden Analysen beider Prozesse und Landschaftsformen, Thermokarst und Thermoerosion, im Hinblick auf die Abschätzung vergangener und zukünftiger Auswirkungen der Degradation eisreichen Permafrosts auf Hydrologie und Klima der betrachteten Region und deren Rückkopplungen.