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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Vorbetrachtung zur Bodenfeuchte
3 Fernerkundungsmethoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte
3.1 Bodenfeuchtebestimmung mit Gammastrahlung
3.2 Bestimmung der Bodenfeuchte im sichtbaren (VIS), nahen (NIR) und mittleren Infrarotbereich (MIR)
3.3 Bestimmung der Bodenfeuchte im thermalen Infrarot (TIR)
3.4 Methoden der Bodenfeuchtebestimmung im Mikrowellenbereich
3.4.1 Passive Methoden
3.4.2 Aktive Methode
3.4.3 Oberflächenparameter
4 Erfassung der Oberbodenfeuchte (< 5 cm) mittels Active Microwave ERS Wind Scatterometer und SAR-Daten
5 Ableitung der Bodenfeuchte von unbedeckten Böden aus RADARSAT-1 Daten mit Hilfe einfacher empirischer Modelle
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literatur
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht verschiedene Ansätze der Fernerkundung zur Bestimmung der Bodenfeuchte, um die Herausforderungen konventioneller punktueller Messmethoden durch großflächige, kostengünstige und zeitsparende Verfahren zu überwinden, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Mikrowellenfernerkundung liegt.
- Grundlegende Definitionen und Theorien der Bodenfeuchte.
- Vergleich verschiedener fernerkundlicher Methoden über das gesamte elektromagnetische Spektrum.
- Detaillierte Analyse aktiver und passiver Mikrowellenverfahren.
- Praktische Methoden zur Erfassung mittels ERS- und SAR-Daten sowie RADARSAT-1.
- Diskussion von Herausforderungen durch Vegetation, Oberflächenrauhigkeit und Einfallswinkel.
Auszug aus dem Buch
3.4 Methoden zur Bodenfeuchtebestimmung im Mikrowellenbereich
Zur Bodenfeuchtebestimmung im Mikrowellenbereich werden sowohl aktive (Radar), als auch passive (Radiometer) Erfassungsmethoden angewendet, die jeweils verschiedene Vorteile aufweisen. Mikrowellen können auf Grund ihrer großen Wellenlänge Vegetation und Wolken durchdringen und sind im Gegensatz zu optischen Methoden unabhängig von der Sonne als Beleuchtungsquelle. Darüber hinaus sind sie in der Lage tiefer in den Boden einzudringen als dies bei Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts und des Infrarots der Fall ist (WAGNER 1998:2).
Die theoretische Grundlage, auf der die Bodenfeuchteerfassung durch Methoden der Mikrowellenfernerkundung basiert, ist die Tatsache, dass ein großer Unterschied zwischen den dielektischen Eigenschaften flüssigen Wassers und denen trockener Böden besteht. Die hohe Dielektrizitätskonstante (ε’) des Wassers ist das Ergebnis der Ausrichtung des elektrischen Dipols der Wassermoleküle beim Anlegen eines elektromagnetischen Feldes (ENGMAN & CHAUHAN 1995:190). So beträgt die Dielektrizitätskonstante für Wasser etwa 80, während der Wert für trockene Böden kleiner als 5 ist (SCHMUGGE ET AL. 2002:1369). Bei einem Anstieg der Bodenfeuchte kann die Dielektrizitätskonstante einen Wert von 20 oder mehr erreichen (ENGMAN 2000:200). Die Veränderung des Real- (ε’soil) und Imaginärteils (ε’’soil) (Abschwächung der elektromagnetischen Welle) der Dielektrizitätskonstante eines lehmigen Bodens ist in Abbildung 5 in Abhängigkeit von der volumetrischen Bodenfeuchte für vier verschiedene Mikrowellenfrequenzen dargestellt. Hierbei wird deutlich, dass sich der Realteil mit abnehmender Frequenz und steigender volumetrischer Bodenfeuchte erhöht, während sich der Imaginärteil mit zunehmender Frequenz und Bodenfeuchte erhöht.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Bedeutung der Bodenfeuchte im Wasserkreislauf ein und erläutert, warum die Fernerkundung eine vorteilhafte Alternative zu konventionellen, punktuellen Messmethoden darstellt.
2 Theoretische Vorbetrachtung zur Bodenfeuchte: Dieses Kapitel erläutert die verschiedenen Bindungsarten von Wasser im Boden sowie die physikalischen Definitionen von Adsorptions- und Kapillarwasser.
3 Fernerkundungsmethoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte: Hier werden diverse Techniken zur Messung der Bodenfeuchte über das elektromagnetische Spektrum hinweg verglichen, wobei die Eignung der Mikrowellenfernerkundung besonders hervorgehoben wird.
4 Erfassung der Oberbodenfeuchte (< 5 cm) mittels Active Microwave ERS Wind Scatterometer und SAR-Daten: Dieses Kapitel stellt eine Methode vor, welche die Synergie zwischen Wind Scatterometer und SAR nutzt, um Oberbodenfeuchte durch Zerlegung von Rückstreusignalen zu erfassen.
5 Ableitung der Bodenfeuchte von unbedeckten Böden aus RADARSAT-1 Daten mit Hilfe einfacher empirischer Modelle: Hier wird die Entwicklung und Evaluierung empirischer Modelle zur präziseren Ableitung der Bodenfeuchte aus RADARSAT-1 SAR-Daten beschrieben.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die Potentiale und Limitationen der vorgestellten Mikrowellenmethoden zusammen und gibt einen Ausblick auf notwendige zukünftige Verbesserungen der Rückstreumodelle.
7 Literatur: Verzeichnis der in der Arbeit verwendeten Quellen und Referenzen.
Schlüsselwörter
Bodenfeuchte, Fernerkundung, Mikrowellen, Radar, SAR, Radiometer, Rückstreukoeffizient, Dielektrizitätskonstante, Oberflächenrauhigkeit, Vegetationsdämpfung, Wasserkreislauf, ERS, RADARSAT-1, Bodenmatrix, empirische Modelle.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Seminararbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung verschiedener fernerkundlicher Methoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte, wobei der Fokus insbesondere auf den Vorteilen und Funktionsweisen der Mikrowellenfernerkundung liegt.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen der Bodenfeuchte, den Vergleich verschiedener Strahlungsbereiche des elektromagnetischen Spektrums und die Nutzung von Radar- sowie Radiometerdaten zur Bodenfeuchtemessung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, die Möglichkeiten aufzuzeigen, wie mittels fernerkundlicher Instrumente Bodenfeuchte großflächig und effizient bestimmt werden kann, um die Limitationen klassischer Feldmessungen zu umgehen.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturanalyse und der Diskussion wissenschaftlicher Studien, die physikalische Rückstreumodelle und empirische Ansätze zur Auswertung von Satellitendaten (ERS, SAR, RADARSAT) untersuchen.
Was wird schwerpunktmäßig im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die theoretischen Grundlagen der Bodenfeuchte, den Vergleich verschiedener Fernerkundungsbereiche sowie spezifische Modellierungsansätze zur Trennung von Einflussparametern wie Oberflächenrauhigkeit, Vegetation und Feuchtegehalt.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind Bodenfeuchte, Mikrowellenfernerkundung, Radar, SAR, Rückstreukoeffizient, Bodenfeuchtedynamik und empirische Modellierung.
Wie unterscheidet sich die aktive von der passiven Mikrowellenfernerkundung laut Text?
Aktive Methoden nutzen ein eigenes Radarsignal zur Messung der Rückstreuung und bieten eine höhere räumliche Auflösung, sind jedoch anfälliger für Oberflächenrauhigkeit, während passive Methoden die Eigenemission messen, aber eine geringere räumliche Auflösung aufweisen.
Welche Rolle spielt die Vegetation bei der Messung?
Die Vegetation beeinflusst die Messung erheblich, da sie die Mikrowellenemission des Bodens dämpft und selbst ein Signal beisteuert, was die Bestimmung des reinen Bodenfeuchteanteils erschwert und oft eine komplexe Trennung der Signalkomponenten erforderlich macht.
- Quote paper
- Jan Heinichen (Author), 2004, Bestimmung der Bodenfeuchte mit Fernerkundungsmethoden, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/72174
