Validierung und Kalibrierung
Bodengestützte Messungen sind ein essentieller Bestandteil bei der Erhebung von Fernerkundungsdaten. Sie dienen der Kalibrierung und Validierung der gewonnenen Informationen und ermöglichen zudem ein besseres Prozessverständnis des untersuchten Systems. Hierbei werden optimale Erkundungsstrategien entwickelt, um zunächst a priori die Anzahl und Lage der Messpunkte im Untersuchungsgebiet zu definieren und anschließend ein Monitoring-System zu installieren, welches Boden, Atmosphäre und ihre Interaktionen für adäquate Ground Truth Datensätze überwacht. Dabei sind Kombinationen von mobilen geophysikalische oberflächennahen Methoden, speziell entwickelten Sensorsystemen und Sensornetzwerken sowie Infrarot-Spektroskopie geeignete technischen Lösungen. Darüber hinaus entwickeln wir in Zusammenarbeit mit anderen Instituten und Unternehmen neue Überwachungsstrategien und Beobachtungssysteme und evaluieren diese auf verschiedenen Untersuchungsstandorten und Observatorien.
Im Bereich unserer landschaftshydrologischen Studien wenden wir einen hydropedologischen Ansatz an, um die repräsentativen Messstellen des Einzugsgebietes zu identifizieren. Dies umfasst die synergistische Verarbeitung von verschiedenen Informationen, wie Geländeattribute basierend auf einem digitalen Höhenmodell (DEM), Fernerkundungsprodukten und geophysikalische Daten (z. B. von elektromagnetischen Induktion Instrumenten oder Gammaspektroskopie), um die räumlich relevanten topographischen Merkmale und Bodenstrukturen zu berücksichtigen.
Des Weiteren werden langfristige und Kampagnen-basierte Bodenfeuchtemessung vom der Hang- bis zur Einzugsgebietsebene durchgeführt, um hydrologische Prozesse abzuleiten und zu verifizieren. Hierbei kommen zur Datenerhebung herkömmliche TDR-Messungen, drahtlose Sensornetzwerke, CRN-Sonden (cosmic-ray neutron) und flächendeckende geophysikalische Methoden wie elektromagnetische Induktion (EMI) zum Einsatz. Zusammen mit Satelliten- (z. B. TerraSAR-X) und Luftaufnahmen (z. B. FSAR), mit welchen die Oberflächenbodenfeuchte großflächig ermittelt werden kann, werden zusätzliche TDR-Messungen durchgeführt, um eine Validierung der Datensätze zu ermöglichen.
Diese Forschungsplattform MOSAIC (Model Driven Site Assessment, Information and Control) dient sowohl der interdisziplinären Forschung als auch der Technologieentwicklung und dem Technologietransfer. Die in MOSAIC vereinigten Technologien machen eine hochauflösende Erkundung komplexer Untergrundstrukturen möglich. Dieses wird vor allen Dingen bei der Untersuchung von sogenannten Mega sites, d. h. Standorte, an denen Industrierückstände in großen Mengen in das Erdreich gelangt sind und so das Grundwasser bedrohen.
Ökosysteme zeichnen sich charakteristisch oft durch eine hohe Heterogenität, Komplexität und Dynamik aus. Daher sind Einzelmessungen an spezifischen oft nicht geeignet, um ein solches System adäquat abzubilden. Der Einsatz von drahtlosen Sensornetzwerken in terrestrischen und aquatischen Umweltsysteme bietet daher signifikante Vorteile für eine bessere Anpassung der lokalen Testbedingungen, durch die einfache Implementierung der Sensorverteilung, der Sensortypen und der Abtastrate.
Die bodengestützte Open-Path-Fourier-Transform-Infrarot (OP-FTIR) Spektroskopie ist eine optische Fernerkundungstechnik, die in der Lage ist Daten über die Zusammensetzung der unteren atmosphärischen Grenzschicht zu erheben. Der Nachweis und die Quantifizierung der atmosphärischen Gase beruht dabei auf dem physikalischen Verhalten (Emission oder Absorption) bestimmter Moleküle innerhalb des infraroten Spektralbereichs (2,5 - 14,5 µm). Die gemessenen IR-Spektren enthalten dabei Informationen über die Gaskonzentration entlang der optischen Strecke. Die Nachweisgrenze für eine zuverlässige Quantifizierung kann je nach angewandtem Messmodus (aktiv, passiv), der Länge des optischen Wegs (mehrere 100 m) und der verwendeten IR-Quelle (künstliche IR-Quelle, natürlicher schwarzer Strahler) bis in den den ppb-Bereich reichen.
Detektoren für Neutronen aus kosmischer Strahlung sind eine neuartige Technologie, um die Dynamik oberflächennahen Bodenwassers zu erfassen. Der größte Vorteil dieser Methode ist die nicht-invasive Messung der mittleren Bodenfeuchte über ein großes Gebiet von 10-20 ha und bis zu 70 cm Tiefe. Damit können wir eine kritische Lücke schließen zwischen bisherigen Messmethoden und gleichzeitig repräsentative Daten für hydrologische Modelle liefern. Darüber hinaus führt das UFZ räumliche Messungen mit dem TERENO-Rover durch, dem einzigen mobilen Neutronendetektor für die Umweltforschung in Europa.
Satellitenbilder sowie geophysikalische und luftgestützte Fernerkundungs-Plattformen bieten komplimentäre aber physikalisch grundsätzlich verschiedene Datensätze zur Abbildung der räumlichen Variabilität der Erdoberfläche an. Integrierte Analysen der abgebildeten räumlichen Variabilität (z. B. mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze oder Fuzzy-Sets) ermöglichen die Identifizierung von Zonen in den zugrunde liegenden Ausgangskarten, die durch ähnliche Beziehungen zwischen den Parametern gekennzeichnet sind. Solche musterbasierten Informationen können verwendet werden, um die Auswahl von ground truthing Standorten (für die Probenextraktion oder bodengestützte geophysikalischen Untersuchungen) zu bestimmen. Musterbasierte optimale Abtastungs- und Positionierungskonzepte sorgen daher bei Messkampagnen mit räumlich spärlicher Datenerfassung für eine effiziente Abdeckung der im Untersuchungsgebiet vorhanden Heterogenität des Untergrunds.