Quantification of soil properties for analyzing surface processes using spectroscopy and laser scanning

Abstract

Oberflächennahe Prozesse werden durch die dynamischen Eigenschaften der Bodenoberfläche besonders beeinflusst. Zwar sind die kausalen Zusammenhänge dieser Prozesse weitestgehend bekannt, doch gibt es einen Mangel an verfügbaren Datenquellen und Erhebungsmethoden, die es erlauben, die Prozesse auf unterschiedlichen Skalen zu quantifizieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, das Potential ausgewählter moderner Fernerkundungstechnologien zu bewerten, relevante Bodeneigenschaften zu quantifizieren und damit das Verständnis von oberflächennahen Prozessen in degradierten Landschaften zu verbessern. Das Studiengebiet befand sich in einer Rekultivierunglandschaft des Niederlausitzer Braunkohletagebaus Welzow-Süd. Die Größe von 4 ha ermöglichte eine umfassende, interdisziplinäre und multi-temporale Analyse der Bodeneigenschaften auf Grundlage von Fernerkundungsmethoden sowie hydrologischen und bodenkundlichen Feld- und Labormessungen. Die Quantifizierung der Bodenfeuchte als eine entscheidende Variable für Infiltrations- und Abflussprozesse war das Ziel von labor- und feldspektroskopischen Messungen sowie von hyperspektralen Flugzeugscanner-Messungen. Der hierbei entwickelte Normalized Soil Moisture Index (NSMI) wurde als optimales Quantifizierungsmodell für Oberflächen-Bodenfeuchte im Feld ermittelt. Bodenrauhigkeit wurde in hoher Präzision durch Anwendung eines stationären Laserscanners gemessen und in Form neuartiger multi-skalarer Indizes quantifiziert. Die Analyse der raum-zeitlichen Verteilungen ermöglichte die Identifizierung von Rauhigkeitsmustern, die unter dem Einfluss der Erosion im Feld entstanden. Diese Arbeit entwickelte neuartige Methoden und Indizes zur Quantifizierung von Oberflächen-Bodenfeuchte und Rauhigkeit im Feld. Für die Zukunft verspricht deren Anwendung die Entwicklung eines tieferen Verständnisses von Bodenerosionsprozessen sowie die Sammlung wertvoller Daten durch Monitoring- und Modellierungskampagnen.

Soil processes taking place in the context of erosion and land degradation are highly dependent on the properties of the surface. While the causes and effects of such processes are commonly well understood on a conceptual level, there is a lack of adequate data sources allowing for their quantification at various spatial scales. The main goal of this thesis was to assess the role of state-of-the-art remote sensing methods for the quantification of soil properties with the aim to improve the understanding of surface processes taking place in a degraded landscape. The chosen study area of 4 ha size located in a lignite mine in eastern Germany allowed for a comprehensive, interdisciplinary and multi-temporal analysis of surface properties based on remote sensing, pedological and hydrological measurements. The quantification of surface soil moisture as an important variable for infiltration and runoff processes has been the objective in laboratory and field spectroscopic experiments as well as in airborne hyperspectral measurements. The newly developed Normalized Soil Moisture Index (NSMI) was identified as the most robust quantifier for surface soil moisture in the field. Surface roughness was successfully quantified at high precision in form of novel multiscale indices derived from datasets collected with a stationary laser scanning device. The analysis of spatiotemporal roughness distributions allowed for the detection of distinct patterns that developed under the influence of soil erosion in the field. The thesis developed a set of methods and indices that successfully implement the quantification of surface soil moisture and roughness in the field. For the future, the application of these methods promises further insights into the details of soil erosion processes taking place as well as the collection of invaluable datasets to be used for soil erosion monitoring and modeling campaigns.