3.1 Arbeitsziele
Die vorliegende Arbeit verfolgt, entsprechend dem formulierten Forschungsbedarf, sowohl inhalt-lich/anwendungsbezogene, als auch methodisch orientierte Zielsetzungen. Im Mittelpunkt steht der Aufbau einer GIS-Datenbank f¨ur das Einzugsgebiet der Sieg (vgl. Kap.4.1). Als Vorbereitung f¨ur distributive, hy-drologische Modellierungsverfahren ist eine Parameterisierungs- und Validierungsbasis zu erstellen.Fl¨ugel (1996[98]) unterstreicht die Bedeutung der Landnutzung f¨ur die hydrologische Systemantwort im Einzugs-gebiet der Br¨ol, eines Teileinzugsgebiets der Sieg. Dementsprechend bildet die Bestimmung der Fl¨ achennut-zung im Siegeinzugsgebiet den inhaltlichen Kern der vorliegenden Arbeit. Beim Regionalisierungsschritt vom Br¨ol- auf das Siegeinzugsgebiet findet ein Skalensprung statt, der die Nutzung von Fernerkundungsdaten zur Landnutzungserfassung nahelegt. Zu diesem Zweck werden optische Satellitendaten des Landsat TM ausgewertet. Im Einklang mit der Resolution II.5 des 18. IGPF-Kongresses in Wien (vgl. Kap.2.3), st¨utzt sich die Analyse auf g¨angige Softwarekomponenten und operationelle Algorithmen und paßt diese in be-stimmten Bereichen an die spezifische Fragestellung an. Die TM-Datenauswertung bildet den ersten von zwei Schwerpunkten der vorliegenden Arbeit.
Neben der Landnutzung werden aus externen Datenquellen zus¨atzlich folgende Informationsschichten in das Siegeinzugsgebiets-GIS integriert (vgl. Kap. 4):
• Digitale Gel¨andemodelle des gesamten Siegeinzugsgebiets und verschiedener Teileinzugsgebiete in unterschiedlichen Rasteraufl¨osungen und H¨ohengenauigkeiten,
• Vektorinformation zu Landnutzung und B¨oden in verschiedenen Teileinzugsgebieten,
• Klimadaten von DWD-Stationen und aus eigenen Meßreihen,
• Daten zu Bodentemperatur und -feuchtigkeit von eigenen Meßstationen.
Ein Teil dieser Zusatzdaten stammt aus verschiedenen, im Rahmen des Teilprojekts B1 des SFB 350, an der Universit¨at Bonn durchgef¨uhrten Studien (vgl. Kap. 4.2).
Den zweiten, st¨arker methodisch ausgerichteten Schwerpunkt der Arbeit stellt die nutzungsspezifische Aus-wertung von SAR-Daten der ERS-Satelliten dar. Wegen der F¨ahigkeit, bei nahezu allen Witterungsbedin-gungen auswertbare Aufnahmen zu liefern, bieten sie f¨ur Monitoring und aktuelle Informationsextraktion bessere Voraussetzungen als die optischen Satellitendaten. Damit ergeben sich f¨ur die regionale hydro-logische Modellierung innovative Anwendungsperspektiven. Die in Kapitel 2.2.1 beschriebenen Probleme bei der Auswertung, sollen durch synergetische Nutzung von R¨uckstreuintensit¨ats- und interferometrischer Koh¨arenzinformation bew¨altigt werden. Im einzelnen sind folgende Fragen zu kl¨aren:
• Eignen sich Radardaten f¨ur eine Landnutzungsbestimmung in h¨ugeligem Relief, deren Genauigkeit und Klassenaufl¨osung den Anspr¨uchen einer anschließenden HRU-Ableitung gen¨ugt ?
• Wo liegen die landnutzungsspezifischen Probleme und St¨arken von Intensit¨ats- und Koh¨ arenzanaly-sen ?
• Lassen sich die unterschiedlichen Informationsebenen in eine weitgehend standardisierte Klassifika-tionsmethodik einbinden und ist diese gegebenenfalls mit g¨angiger Software zu realisieren ?
Insgesamt umfaßt die Arbeit somit geowissenschaftlich-hydrologisch und fernerkundlich-methodisch ausge-richtete Fragestellungen, wobei auch letztere von einem anwendungsbezogenen Standpunkt aus bearbeitet werden.
Abbildung 3.1: Organigramm der Fernerkundungsdatenauswertung.
Abbildung 3.1faßt in einem Flußdiagramm Datenquellen, Methoden und Analyseinstrumente zusammen.
3.2 Methodisches Vorgehen
In den vorangegangenen Abschnitten wurden Stand der Forschung (2), Forschungsbedarf (2.3) und eini-ge theoretische Grundlaeini-gen (2.4) sowie die wesentlichen Zielsetzuneini-gen der Arbeit (3.1) voreini-gestellt. Das folgende Kapitel4 leitet zu den Ergebnissen ¨uber, die in Kapitel5zusammengefaßt werden.
Zun¨achst werden die Physiographie des Untersuchungsgebiets (4.1), bisher dort durchgef¨uhrte hydrologi-sche Arbeiten (4.2), sowie die genutzten Datenprodukte (4.3) vorgestellt. Abschließend werden einige Vor-arbeiten zum Aufbau der GIS-Datenbank beschrieben (4.5). Die Arbeits- und Ergebnisdarstellung gliedert
3.2. METHODISCHES VORGEHEN 39 sich in drei Teile: Den Aufbau der H¨ohenmodelle (5.1), die Verarbeitung der optischen Fernerkundungsda-ten (5.2) und die Analyse der MikrowellendaFernerkundungsda-ten (5.3).
In Abschnitt5.1wird die Datenaufbereitung zur Erstellung der Digitalen Gel¨andemodelle zusammengefaßt.
Ausgangsdaten waren ASCII-Dateien des Landesvermessungsamts Nordrhein-Westfalen, die in ein verar-beitbares Rasterformat ¨uberf¨uhrt, mosaickiert und in ein anderes geod¨atisches Bezugssystem transformiert wurden. Es standen H¨ohendaten in zwei Qualit¨aten zur Verf¨ugung: F¨ur das gesamte Sieg-Einzugsgebiet ein auf 50 m gerastertes DGM mit einer H¨ohengenauigkeit von 2 m bis 5 m, sowie f¨ur verschiedene Teileinzugs-gebiete ein auf 10 m gerastertes DGM mit einer H¨ohengenauigkeit im Dezimeterbereich. Im GIS Arc/Info wurden auf Grundlage des 50 m DGMs Teileinzugsgebiete und das Flußnetz abgeleitet.
Methodisch richtet sich die Reliefanalyse anwendungsorientiert an der folgenden Auswertung der Satelliten-daten aus. Ein zusammenh¨angendes H¨ohenmodell ist Grundlage der Topographischen Normalisierung der optischen Satellitenszenen. Die Radardatenauswertung ist in verschiedenen Verarbeitungen auf DGMs ho-her Qualit¨at angewiesen. Die aus den H¨ohenmodellen abzuleitenden Hangneigungs- und Expositionskarten sind wesentlicher Bestandteil der HRU-Ableitung.
Abschnitt 5.2 beschreibt die Arbeiten zur Klassifikation der Landnutzung im Einzugsgebiet der Sieg aus Daten des Landsat Thematic Mapper. Im einzelnen werden zun¨achst die Vorverarbeitungschritte der
• Atmosph¨arenkorrektur,
• Georeferenzierung und
• Topographischen Normalisierung,
beschrieben. Anschließend wird der Klassifikationsablauf dargestellt, der, einem hybriden Ansatz folgend, un¨uberwachte und ¨uberwachte Verfahren beinhaltet. Die wesentlichen Arbeitschritte sind
• ISODATA-Klassifikationen,
• Die Zur¨uckweisung der mit hoher Wahrscheinlichkeit falsch klassifizierten Bildelemente,
• Die umgebungsbezogene Reklassifikation der zur¨uckgewiesenen Pixel,
• Die Eliminierung bestimmter Mischpixelerscheinungen und
• Eine auf Testgebieten basierende Qualit¨atsabsch¨atzung auf allen Stufen des Nachbearbeitungspro-zesses.
Abschließend werden die Ergebnisse der optischen Fernerkundungsdaten-Analysen zusammenfassend dar-gestellt.
Bei der Auswertung der optischen Satellitendaten findet eine Methodik Anwendung, die sich auf die Nut-zung operationeller Bildverarbeitungssysteme st¨utzt und deren Funktionalit¨at in bestimmten Bereichen erweitert. Inhaltlich stehen die Schritte der Vorverarbeitung, Klassifikation und Nachbearbeitung auf ei-ner Stufe und werden gleichberechtigt diskutiert. Insgesamt bildet der Verfahrensablauf eine geschlossene Verarbeitungskette, die sich am zu erstellenden Ergebnis orientiert.
Im letzten Teil von Kapitel 5 werden die Auswertungen der ERS-1/2 Mikrowellendaten zusammengefaßt.
Regional beschr¨anken sich die Analysen auf einen Teil des Einzugsgebiets der Br¨ol, da die ERS Daten nicht das ganze Siegeinzugsgebiet abdecken und f¨ur das Br¨oleinzugsgebiet sowohl die beste Referenzdatenlage, als auch die gr¨oßte Erfahrung hinsichtlich der hydrologischen Dynamik vorhanden ist. Auf dem Fundament der in Kapitel 2.4.2beschriebenen theoretischen Grundlagen, werden die Vorverarbeitungsschritte, sowie die verschiedenen Klassifikationsans¨atze beschrieben. Die Vorverarbeitung der PRI-Daten umfaßt folgende Schritte:
• Specklereduktion,
• Berechnung des Radarr¨uckstreukoeffizienten σ0,
• Geometrische Referenzierung unter Ber¨ucksichtigung des DGMs.
Die interferometrische Vorverarbeitung der SLC-Daten beinhaltet:
• Bild zu Bild Registrierung der Tandempartner,
• Koh¨arenzberechnung,
• Slant RangezuGround RangeKonvertierung und
• Geometrische Referenzierung.
Die sich anschließenden Klassifikationsverfahren ber¨ucksichtigen R¨uckstreuintensit¨ats- und Koh¨ a-renzinformation. Die Ergebnisse werden abschließend zusammenfassend beschrieben und bewertet.
Die Auswertung der Radardaten ist somit vor allem methodisch ausgerichtet. Im Gegensatz zu den DGM-Analysen und optischen Auswertungen, geht es weniger um ein Ergebnis im Sinne einer fl¨achenhaften Landnutzungskarte, als vielmehr um die Einsch¨atzung der Leistungsf¨ahigkeit der genutzten Sensoren und Methoden, sowie um den Aufbau einer Verarbeitungskette, die das Informationspotential der Daten im Sinne der formulierten Fragestellung optimal aussch¨opft. Insbesondere die f¨ur interferometrische Untersuchungen geeignete Konstellation der ERS-1/2 Tandem-Konfiguration (Duchossois 1995[76]) ist, mit Ausnahme der Arbeiten zum Aufbau von Digitalen Gel¨andemodellen, bislang kaum in den Bereich geowissenschaftlicher und hydrologischer Fragestellungen vorgedrungen. Gerade solche Pilotstudien sind jedoch von Bedeutung, um im Umgang mit den Daten eine Sicherheit zu erlangen, die sp¨ater auch eine Anwendung unter weniger optimalen Bedingungen erlaubt.
Kapitel 6 diskutiert die Ergebnisse der optischen und Mikrowellenverfahren vergleichend und stellt sie in den Gesamtzusammenhang der Arbeit.
In Anhang A finden sich die farbigen Abbildungen. Den detaillierten Arbeitsgang einer relativen Referen-zierung zweier ERS-Tandempartner beschreibt in tabellarischer Form Anhang B. Anhang C faßt die im Text enthaltenen Abk¨urzungen zusammen. Den Abschluß der Arbeit bildet das Verzeichnis der genutzten Literatur.