Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Geographie
Hauptseminar: Angewandte Fernerkundung
Wintersemester 2004/2005

Bestimmung der Bodenfeuchte mit Fernerkundungsmethoden

von

Jan Heinichen

Inhalt

1 Einleitung 4

2 Theoretische Vorbetrachtung zur Bodenfeuchte 4

3 Fernerkundungsmethoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte 6

3.1 Bodenfeuchtebestimmung mit Gammastrahlung 7
3.2 Bestimmung der Bodenfeuchte im sichtbaren (VIS), nahen (NIR) und mittleren Infrarotbereich (MIR) 8
3.3 Bestimmung der Bodenfeuchte im thermalen Infrarot (TIR) 11
3.4 Methoden der Bodenfeuchtebestimmung im Mikrowellenbereich 12

3.4.1 Passive Methoden 13
3.4.2 Aktive Methode 14
3.4.3 Oberflächenparameter 15

4 Erfassung der Oberbodenfeuchte (< 5 cm) mittels Active Microwave ERS Wind Scatterometer und SAR-Daten 17

5 Ableitung der Bodenfeuchte von unbedeckten Böden aus RADARSAT-1 Daten mit Hilfe einfacher empirischer Modelle 23

6 Zusammenfassung und Ausblick 26

7 Literatur 27

1 Einleitung

Die Bodenfeuchte ist Teil des Wasserkreislaufes. Auch wenn sie nur ca. 0,001 % der gesamten Wassermenge des Planeten ausmacht, kommt der Bodenfeuchte eine herausragende Bedeutung für das Leben auf Erden zu. Ein Teil des im Boden gebundenen Wassers, die so genannte nutzbare Feldkapazität, steht der Vegetation für ihre Stoffwechselprozesse zur Verfügung (KUNTZE ET AL. 1994:234). Die zeitliche und räumliche Dynamik der Bodenfeuchte mit den Prozessen der Evaporation, Transpiration, Infiltration und Grundwasserneubildung ist für das Verständnis der lokalen Wasserkreisläufe von größter Bedeutung. Mit den konventionellen Messmethoden ist die Bodenfeuchte nur punktuell zu erfassen. Großflächige Untersuchungen sind durch den hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand kaum zu realisieren. Die Fernerkundung bietet daher eine kostengünstige und zeitsparende Alternative.
In dieser Hausarbeit werden die verschieden Ansätze zur Erfassung der Bodenfeuchte mit den Methoden der Fernerkundung erläutert. Dem gehen zunächst eine Definition des Begriffs Bodenfeuchte, sowie einige Anmerkungen zu den konventionellen Messmethoden dieses Umweltparameters voraus. Der Mikrowellenfernerkundung kommt bei der Ermittlung der Bodenfeuchte eine besondere Bedeutung zu, so dass sich die Beispiele zur Anwendung der Fernerkundungsmethoden im (letzten Teil der Arbeit) auf diesen Wellenlängenbereich beziehen.

2 Theoretische Vorbetrachtung zur Bodenfeuchte

Das in den Poren des Bodens vorhandene Wasser ist nur teilweise frei beweglich. Ein Teil unterliegt Bindungen durch Eigenschaften der Bodenmatrix. Das Bodenwasser wird häufig nach der Art seiner Bindung unterteilt, da die Bindungsart das Verhalten bestimmter Wasseranteile beeinflusst. Als freies Wasser werden das Grund- und Stauwasser sowie das Sickerwasser bezeichnet. Grund- und Stauwasser bildet sich über wasserundurchlässigen Schichten (z. B. Tonen). Während das Grundwasser ganzjährig vorhanden ist, wird von Stauwasser gesprochen, wenn das Wasservorkommen nur zu einem Teil des Jahres auftritt (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989: 171).
Das Sickerwasser ist der Wasseranteil, der nach einem Niederschlagsereignis unter Einwirkung der Schwerkraft in den gröberen Hohlräumen im Boden abwärts verlagert wird. Erfolgt dies langsam, spricht man von Infiltration. Das rasche Eindringen in das Gestein, in Röhren- und Kluftsysteme bezeichnet man als Versinkung (WILHELM 1993:79 f.).
Das in der vadosen (ungesättigten) Zone des Bodens verbleibende Wasser nennt man Haftwasser oder auch Bodenfeuchte (CECH 2002:94, MÜCKENHAUSEN 1985:318, SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989:171). ENGMAN (1991:127) charakterisiert die Bodenfeuchte als „temporary storage of pecipitation within a shallow layer of the Earth that is generally limited to the zone of aeration, which approximately coincides with the root zone“.
Die Bindung des Haftwassers (Bodenfeuchte) wird durch die Wirkung verschiedener Kräfte zwischen den festen Bodenpartikeln und den Wassermolekülen sowie den Kräften zwischen den Wassermolekülen selbst verursacht. Nach der Art dieser Kräfte wird das Haftwasser in Adsorptions- und Kapillarwasser unterteilt (siehe Abbildung 1).
Der Begriff Adsorptionswasser umfasst das unter Wirkung von Adsorptionskräften und osmotischen Kräften stehende Wasser, das die festen Bodenteilchen umhüllt, ohne dass Menisken ausgebildet werden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989:172). Die Adsorptionskräfte zwischen den festen Bodenpartikel und den Wassermolekülen umfassen zum einen die nur über kurze Entfernung wirkenden London - van der Waals’schen Kräfte sowie die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Sauerstoffatomen der festen Oberflächen und den Wassermolekülen und zum anderen die über größere Entfernung wirkenden Kräfte unter Einwirken des elektrostatischen Feldes der Kationen und Anionen. Die Wasserdipole werden in diesem Feld ausgerichtet und angezogen (MÜCKENHAUSEN 1985:307.
 
Abb. 1: Schematische Darstellung des Adsorptions- und Kapillarwassers (Bodenfeuchte) (MÜCKENHAUSEN 1985: 21). [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Die Menge des Adsorptionswassers steht mit dem Wasserdampfdruck der Bodenluft im Gleichgewicht. Wird dieses Gleichgewicht z. B. durch einen Anstieg des Grundwasserspiegels gestört, wird der Wasserdampfdruck also größer als es dem Äquivalent im Boden entspricht, so wird aus der Luft Wasser an die Bodenpartikel angelagert. Dieser Vorgang wird als Hygroskopizität bezeichnet (WILHELM 1993:80). Neben dem Wasserdampfdruck ist die Menge an Adsorptionswasser auch von der Korngröße der Bodenpartikel sowie vom Tonmineralbestand des Bodens abhängig. Der Wassergehalt steigt mit abnehmender Korngröße, d. h. mit steigender spezifischer Oberfläche der festen Teilchen. Die Abhängigkeit ist bei Korndurchmessern kleiner als 5 μm, im besonderen bei der Tonfraktion sehr signifikant. Bei gleichem Wasserdampfdruck lagert Kaolinit auf Grund seiner kleineren spezifischen Oberfläche wesentlich weniger Adsorptionswasser an als Montmorillonit (WILHELM 1993:80).
Bei der Anlagerung von Adsorptionswasser bilden sich bereits während der Adsorption einiger Wasserschichten an der Berührungsstelle der Bodenpartikel stark gekrümmte Menisken aus. Sie umschließen die Berührungsstelle ringförmig und vergrößern sich mit steigender Wasseranlagerung. Hervorgerufen wird diese Bildung von Kapillarwasser durch die Tendenz der Grenzfläche von Wasser und Luft sich zu verkleinern, da somit ein energieärmerer Zustand erreicht wird (MÜCKENHAUSEN 1985:308).
Der Großteil des Bodenwassers unterliegt sowohl Adsorptions- als auch Kapillarkräften. Die kapillare Bindung überwiegt mit steigendem Wassergehalt (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989:173).
Die wichtigste Methode zur Bestimmung der Bodenfeuchte ist die gravimetrische Methode durch Trocknung einer Bodenprobe bei 105 °C. Hierbei entspricht der Gewichtsverlust zwischen getrockneter und feuchter Probe dem Wassergehalt. Die gravimetrische Bestimmung der Bodenfeuchte eignet sich nicht für fortlaufende Messungen von Veränderungen des Wassergehalts im Gelände, da diese Arbeitsweise Probenahmen voraussetzt und im Labor durchgeführt werden muss. Für kontinuierliche Registrierungen im Freiland werden indirekte Methoden angewendet, die den Einbau eines Messfühlers im Boden erfordern. Dies sind z. B. Messung der Diffusion von Neutronen, Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels in Gips- oder Nylonblöcke eingebetteten Elektroden, Messung der Wärmeleitfähigkeit sowie der Abschwächung von Gammastrahlung (HÜBNER 1999:5 ff). Fernerkundungsmethoden können Feldmessungen bei der Bereitstellung von hoch qualitativen Profildaten an einzelnen Messpunkten nicht ersetzen. Ihr Vorteil liegt in der Kartierung der Parameter auf regionalen, kontinentalen und globalen Maßstäben (SCHMUGGE ET AL. 2002:1369).

3 Fernerkundungsmethoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte

Die Bodenfeuchte kann bis zu einem gewissem Maße mit einer Vielzahl von Techniken gemessen werden, die alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums nutzen. Eine erfolgreiche Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der Fernerkundung hängt von der Art der reflektierten oder emittierten elektromagnetischen Strahlung ab (ENGMAN & CHAUHAN 1995:189). Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Es hat sich gezeigt, dass nur der Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums dazu geeignet ist, die Bodenfeuchte unter einer Vielzahl unterschiedlicher Bedingungen (Topographie, Vegetationsbedeckung) zu erfassen (BELZ 2000:11, ENGMAN 2000:198, LAKSHMI 2003:1, WAGNER 1998:2) und wird deshalb in der Fernerkundung bevorzugt zur Messung der Bodenfeuchte verwendet (OLDAK ET AL. 2003:4580, WEIDONG ET AL. 2002:238).

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