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The reduction of information contained in model time series through the use of aggregating statistical performance measures is very high compared to the amount of information that one would like to draw from it for model identification and calibration purposes. It is readily known that this loss imposes important limitations on model identification and -diagnostics and thus constitutes an element of the overall model uncertainty as essentially different model realizations with almost identical performance measures (e.g. r-² or RMSE) can be generated. In three consecutive studies the present work proposes an alternative approach towards hydrological model evaluation based on the application of Self-Organizing Maps (SOM; Kohonen, 2001). The Self-Organizing Map is a type of artificial neural network and unsupervised learning algorithm that is used for clustering, visualization and abstraction of multidimensional data. It maps vectorial input data items with similar patterns onto contiguous locations of a discrete low-dimensional grid of neurons. The iterative training of the SOM causes the neurons to form a discrete, data-compressed representation of the high-dimensional input data. Using appropriate visualization techniques, information on distributions, patterns and relationships in complex data sets can be extracted. Irrespective of their potential, SOM applications have earned very little attention in hydrological modelling compared to other artificial neural network techniques. Therefore, the aim of the present work is to demonstrate that the application of Self-Organizing Maps has very high potential to address fundamental issues of model evaluation: It is shown that the clustering and classification of model time series by means of SOM can provide useful insights into model behaviour. In combination with the diagnostic properties of Signature Indices (Gupta et al., 2008; Yilmaz et al., 2008) SOM provides a novel tool for interpreting the model parameters in the hydrological context and identifying parameter sets that simultaneously meet multiple objectives, even if the corresponding model realizations belong to different models. Moreover, the presented studies and reviews also encourage further studies on the application of SOM in hydrological modelling.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des INTERREG III B-Projektes WaReLa (Water Retention by Landuse), das sich mit dem Rückhalt von Wasser in der Fläche als Beitrag zum vorbeugenden Hochwasserschutz beschäftigt. Im Vordergrund stehen dabei die so genannten dezentralen Rückhaltemaßnahmen als Alternative bzw. Ergänzung zum technischen Hochwasserschutz. Gegenstand dieser Arbeit ist die Frage nach der Effizienz von Retentionsmaßnahmen in urbanen Räumen und deren Beitrag zum Hochwasserschutz. Es handelt sich um ein relativ junges Forschungsthema, welches die Fachwelt bis heute kontrovers diskutiert. Wie bisherige Untersuchungen zeigen, sind allgemeine Aussagen über die Retentionswirkung nicht möglich, da das Potential der Regenwasserbewirtschaftung und deren Rückhaltewirkung von mehreren gebietsspezifischen Faktoren gesteuert werden. Untersuchungen an einem Retentionssystem im Neubaugebiet Trier-Petrisberg sollten weitere Erkenntnisse bringen. Hierzu wurde zum einen die hydraulische Belastung einzelner Retentionsanlagen untersucht und zum anderen wurden N A-Simulationen mit dem Programm erwin 4.0 durchgeführt. Laut N-A-Simulationen hält das Retentionssystem, welches für ein 100-jährliches Ereignis mit 56 mm Niederschlag und der Dauerstufe 3 Stunden konzipiert wurde, im Vergleich zur Entwässerung des Gebietes über ein Trennsystem zwischen 58 % und 68 % des Jahresniederschlags zurück. Ähnlich hohe Werte (60 80 %) nennen GÖBEL, STUBBE, WEINERT, ZIMMERMANN, FACH, DIERKES, KORIES, MESSER, MERTSCH, GEIGER & COLDEWEY (2004: 270f) und WEGNER (1992: 7f) für die von ihnen untersuchten Anlagen. Sehr hoch erscheint die Scheitel abmindernde Wirkung des Retentionssystems im Vergleich zu einer konventionellen Ableitung. Im Mittel beträgt diese 82 %, so dass der Scheitel der Einleitung in den Vorfluter Brettenbach im Vergleich zur Regenwasserableitung auf 1/5 reduziert wird. Aufschluss über die Scheitelabminderung im Vorfluter selbst kann nur eine Quantifizierung der einzelnen Abflusskomponenten geben. Das Retentionssystem arbeitet im Sommerhalbjahr effektiver als im Winterhalbjahr, da trockene Vorperioden, höhere Lufttemperaturen und die Vegetation im Sommer einen besseren Rückhalt konvektiver Niederschläge begünstigen. Korrespondierende Aussagen machen ASSMANN & KEMPF (2005), GANTNER (2003a) und NIEHOFF (2002). Beobachtungen und Simulationen zeigen, dass das Retentionssystem bisher effektiv arbeitet. Sämtliche Retentionsanlagen entleeren sich innerhalb von 48 Stunden. Die Arbeit wird ergänzt durch Handlungsempfehlungen zu Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Regenwasserbewirtschaftung auf Privatgrundstücken. Sie sollen helfen, die Akzeptanz naturnaher Maßnahmen zur Bewirtschaftung von Regenwasser zu steigern, Fehler zu vermeiden und Projekte erfolgreich umzusetzen.
Die Arbeit befasst sich mit der quantifizierenden Wirkungsabschätzung folgender Hochwasserschutzmaßnahmen: Auwaldaufforstung, Kleinrückhalte, Tieflockerung und Wegebaumaßnahmen. Neben der Betrachtung der hochwassermindernden Wirkung der einzelnen Maßnahmen werden auch die Grenzen der eingesetzten Simulationsmodelle aufgezeigt, diskutiert und Impulse für die Weiterentwicklung der Modellsysteme geben. Für die Auwaldaufforstung wurde ein zweidimensional instationäres Strömungsmodell auf der Basis des Rauhigkeitsansatzes nach Manning-Strickler auf einen rund 7,0 km langen Abschnitt eines Auetalgewässers angewendet. Bezüglich der hochwassermindernden Wirkung der Maßnahme Auwaldaufforstung konnte festgestellt werden, dass sich die Wirkung nahe der modelltechnischen Nachweisbarkeitsgrenze bewegt. Als Referenzereignisse dienten ein ca. 5-10 jährliches sowie ein ca. 50-80 jährliches Hochwasserereignis. In allen untersuchten Fällen blieb die relative Scheitelabminderung deutlich unter 1 %. Der Maßnahmentyp Kleinrückhalte wurde zunächst anhand von zwei Einzugsgebieten der Mesoskale (Obere Blies, AE ca. 8,5 km-² und Thalfanger Bach, AE ca.17 km-²) sowie anhand von mehreren hieraus abgeleiteten Fiktivsystemen mit Hilfe eines konzeptionellen Flussgebietsmodells untersucht. Die Untersuchung von Fiktivsystemen diente der Identifikation derjenigen Modellparameter, die den Effekt " also die hochwassermindernde Wirkung der Maßnahme " im Wesentlichen bewirken. Anschließend erfolgte eine Betrachtung des Maßnahmentyps Kleinrückhalte in den Flussgebieten von Prims (AE ca. 730 km-²) und Blies (AE ca. 1.890 km-²). Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Retentionswirkung von Kleinrückhalten entscheidend vom Volumen der jeweiligen Standorte und vom Volumen des betrachteten Hochwassers abhängt. In Abhängigkeit des Volumens wurden Scheitelabminderungen " je nach Ereignis " von < 1 % bis über 60 % simuliert. Entscheidend ist die Summe des Volumens der Einzelstandorte. Liegt das Gesamtvolumen unter einem Wert von 2,0 mm Gebietsrückhalt, so kann davon ausgegangen werden, dass die Maßnahmen nicht signifikant zur Hochwasserminderung beitragen können. Das Retentionspotenzial der Kleinrückhalte kann entscheidend gesteigert werden, wenn die Drosselöffnungen der Kleinrückhalte entsprechend optimiert werden. Die Arbeit stellt ein einfach handhabbares Regionalisierungsverfahren zur Abschätzung des Retentionspotenzials in mesoskaligen Einzugsgebieten (bis 20 km-²) vor. In den Einzugsgebieten von Blies und Prims würden jeweils 104 bzw. 79 Standorte mit einem Gesamtvolumen von 1,9 bzw. 2,5 mm zu Scheitelabminderungen am Gebietsauslass von 2-4 % bzw. 3-5 % bei interessanten, schadbringenden Hochwasserereignissen führen. Die Maßnahmentypen Tieflockerung und Wegebaumaßnahmen wurden mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodells im Einzugsgebiet der Oberen Blies untersucht. Für dieses Gebiet liegen die simulierten Scheitelabminderungen bezogen auf das zugrunde liegende Hochwasserereignis vom Dezember 1993 (ca. HQ10) bei jeweils < 5 % für die beiden untersuchten Maßnahmentypen Tieflockerung und Wegebaumaßnahmen. Generell sind die Möglichkeiten der Tieflockerung und der wegebaulichen Maßnahmen als Hochwasserschutzmaßnahmen begrenzt auf kleinere, 1-5 jährliche Ereignisse. Große, schadbringende Ereignisse können nicht signifikant abgemindert werden.
Auf der Grundlage von bodenphysikalischen Standortdaten wurden mit dem physikalisch basierten Modell CATFLOW Bodenwassergehalte und Abflussprozesse von verschiedenen Standorten im Mesozoikum der Trierer Bucht auf der Plotskale simuliert. Die Standorte unterscheiden sich durch das Ausgangssubstrat der Bodenbildung (lehmig-tonig, schluffig-sandig) und die Landnutzung (Acker, Grünland, Wald). Für die Modellvalidierung standen wöchentliche Bodenwassergehaltsmessungen, monatliche Sickerwassersummen aus Lysimetermessungen und Oberflächen- und Zwischenabflusskurven von Beregnungsversuchen zur Verfügung. Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, inwieweit Retentionseigenschaften, Abflussprozesse und Abflussmengen aus Standortdaten ohne eine weitere Kalibrierung des Modells abgeleitet werden können. Besonderer Wert wird dabei auf die Parametrisierung des Bodens gelegt. Das Modell simuliert den Wassertransport in der Bodenmatrix über die zweidimensionale Richardsgleichung und den schnellen Wassertransport in Makroporen über ein einfaches Bulk-Modell. Daneben werden Oberflächenrauhigkeit, Durchwurzelungstiefe und Vegetationsbedeckung im Jahresgang berücksichtigt. Um den Einfluss von unterschiedlichen Parametrisierungen des Bodens aufzuzeigen, werden verschiedene Parametrisierungsvarianten untersucht. Die van Genuchten/Mualem-Parameter, welche die Retentions- und Leitfähigkeitseigenschaften der einzelnen Bodenhorizonte beschreiben, wurden zum einen über die Bodenart und Trockenrohdichte bestimmt und zum anderen über die Anpassung von Retentionskurven an im Labor bestimmte Punkte der Wasserspannungskurve ermittelt. Die Ergebnisse der Simulationen für die Standorte mit Bodenfeuchtemessung zeigen, dass mit dem Modell der Jahresgang der Bodenfeuchte prinzipiell nachvollzogen werden kann. Jedoch führt keine der drei Parametrisierungsvarianten zu einer eindeutigen Überlegenheit bei der Simulationsgüte. Um neben den üblichen Gütemaßen ein weiteres Kriterium für den Erfolg oder Misserfolg einer Standortsimulation zu gewinnen, wurden die Simulationsergebnisse mit den Messwerten der anderen Standorte verglichen. An vier von zehn Standorten führt der Vergleich der Messwerte mit den Simulationen von anderen Standorten zu einer deutlich besseren Übereinstimmung als die Simulation für diesen Standort. Die Ergebnisse der Simulationen der Lysimeterstandorte zeigen, dass mit dem Makroporenansatz ein schneller Wasserfluss im Sommer nicht simuliert werden kann, da das "Anspringen" der Makroporen im Modellkonzept an den Bodenwassergehalt geknüpft ist. Auch hier wurden die Simulationsergebnisse mit den Messwerten der anderen Standorte verglichen. Für fünf von acht Standorten konnte mit den simulierten Sickerwassermengen von anderen Standorten eine bessere Übereinstimmung erzielt werden. Die Simulation der Sickerwassermenge aus Lysimetern scheint daher auf Grundlage der vorliegenden Datenbasis den jeweiligen Standort nicht in seiner Einzigartigkeit charakterisieren zu können. Die mit den Beregnungsversuchen bestimmten Abflussprozesse konnten für die Mehrheit der 18 Standorte mit dem Modell abgebildet werden. Der Oberflächenabfluss konnte für Standorte, die nicht zur Verschlämmung neigen, unter Berücksichtigung von Infiltrationsdaten sehr gut nachgezeichnet werden. Zwischenabfluss wird zwar simuliert, bleibt aber auf der Plotskale in Dynamik und Abflussmenge hinter dem Realsystem zurück. Mit der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass sich sowohl die zeitliche Entwicklung des Bodenwassergehaltes, als auch die gemessenen Abflussprozesse allein über die Standortdaten, ohne eine weitere Kalibrierung des Modells, abbilden lassen. Die Trennschärfe der Modellierung ist bei Standorten mit relativ ähnlicher bodenphysikalischer Ausstattung begrenzt. Andererseits müssen aber auch Messungenauigkeiten, besonders bei der thermogravimetrischen Bestimmung des Bodenwassergehaltes, berücksichtigt werden. Eine standortbezogene Aussage über Retentions- und Abflussverhalten ist über eine Simulation möglich, jedoch bleibt die quantitative Aussagekraft begrenzt.
Tropospheric ozone (O3) is known to have various detrimental effects on plants, such as visible leaf injury, reduced growth and premature senescence. Flux models offer the determination of the harmful ozone dose entering the plant through the stomata. This dose can then be related to phytotoxic effects mentioned above to obtain dose-response relationships, which are a helpful tool for the formulation of abatement strategies of ozone precursors. rnOzone flux models are dependant on the correct estimation of stomatal conductance (gs). Based on measurements of gs, an ozone flux model for two white clover clones (Trifolium repens L. cv Regal; NC-S (ozone-sensitive) and NC-R (ozone-resistant)) differing in their sensitivity to ozone was developed with the help of artificial neural networks (ANNs). White clover is an important species of various European grassland communities. The clover plants were exposed to ambient air at three sites in the Trier region (West Germany) during five consecutive growing seasons (1997 to 2001). The response parameters visible leaf injury and biomass ratio of NC-S/NC-R clone were regularly assessed. gs-measurements of both clones functioned as output of the ANN-based gs model, while corresponding climate parameters (i.e. temperature, vapour pressure deficit (VPD) and photosynthetic active radiation (PAR)) and various ozone concentration indices were inputs. The development of the model was documented in detail and various model evaluation techniques (e.g. sensitivity analysis) were applied. The resulting gs model was used as a basis for ozone flux calculations, which were related to above mentioned response parameters. rnThe results showed that the ANNs were capable of revealing and learning the complex relationship between gs and key meteorological parameters and ozone concentration indices. The dose-response relationships between ozone fluxes and visible leaf injury were reasonably strong, while those between ozone fluxes and NC-S/NC-R biomass ratio were fairly weak. The results were discussed in detail with respect to the suitability of the chosen experimental methods and model type.
It has been the overall aim of this research work to assess the potential of hyperspectral remote sensing data for the determination of forest attributes relevant to forest ecosystem simulation modeling and forest inventory purposes. A number of approaches for the determination of structural and chemical attributes from hyperspectral remote sensing have been applied to the collected data sets. Many of the methods to be found in the literature were up to now just applied to broadband multispectral data, applied to vegetation canopies other than forests, reported to work on the leaf level or with modelled data, not validated with ground truth data, or not systematically compared to other methods. Attributes that describe the properties of the forest canopy and that are potentially open to remote sensing were identified, appropriate methods for their retrieval were implemented and field, laboratory and image data (HyMap sensor) were acquired over a number of forest plots. The study on structural attributes compared statistical and physical approaches. In the statistical section, linear predictive models between vegetation indices derived from HyMap data and field measurements of structural forest stand attributes were systematically evaluated. The study demonstrates that for hyperspectral image data, linear regression models can be applied to quantify leaf area index and crown volume with good accuracy. For broadband multispectral data, the accuracy was generally lower. The physically-based approach used the invertible forest reflectance model (INFORM), a combination of well established sub-models FLIM, SAIL and LIBERTY. The model was inverted with HyMap data using a neural network approach. In comparison to the statistical approach, it could be shown that the reflectance model inversion works equally well. In opposition to empirically derived prediction functions that are generally limited to the local conditions at a certain point in time and to a specified sensor type, the calibrated reflectance model can be applied more easily to different optical remote sensing data acquired over central European forests. The study on chemical forest attributes evaluated the information content of HyMap data for the estimation of nitrogen, chlorophyll and water concentration. A number of needle samples of Norway spruce were analysed for their total chlorophyll, nitrogen and water concentrations. The chemical data was linked to needle spectra measured in the laboratory and canopy spectra measured by the HyMap sensor. Wavebands selected in statistical models were often located in spectral regions that are known to be important for chlorophyll detection (red edge, green peak). Predictive models were applied on the HyMap image to compute maps of chlorophyll concentration and nitrogen concentration. Results of map overlay operations revealed coherence between total chlorophyll and zones of stand development stage and between total chlorophyll and zones of soil type. Finally, it can be stated that the hyperspectral remote sensing data generally contains more information relevant to the estimation of the forest attributes compared to multispectral data. Structural forest attributes, except biomass, can be determined with good accuracy from a hyperspectral sensor type like HyMap. Among the chemical attributes, chlorophyll concentration can be determined with good accuracy and nitrogen concentration with moderate accuracy. For future research, additional dimensions have to be taken into account, for instance through exploitation of multi-view angle data. Additionally, existing forest canopy reflectance models should be further improved.
Two areas were selected to represent major process regimes of Mediterranean rangelands. In the County of Lagads (Greece), situated east of the city of Thessaloniki, livestock grazing with sheep and goats is a major factor of the rural economy. In suitable areas, it is complemented by agricultural use. The region of Ayora (Spain) is located west of the city of Valencia. It is one of regions most affected by fires in Spain. First of all, long time series of satellite data were compiled for both regions on the basis of Landsat sensors, which cover the time until 1976 (Ayora) and 1984 (Lagadas) with one image per year. Using a rigorous processing scheme, the data were geometrically and radiometrically corrected Specific attention was given to an exact sensor calibration, the radiometric intercalibration of Landsat-TM and "MSS. Proportional cover of photosynthetically active vegetation was identified as a suitable quantitative indicator for assessing the state of rangelands. Using Spectral Mixture Analysis (SMA) it was inferred for all data sets. The extensive data base procured this way enabled to map fire events in the Ayora area based on sequential diachronic sets and provide fire dates, perimeter as well as fire recurrence for each pixel. The increasing fire frequency in the past decades is in large parts attributed to the accelerated abandonment of the area that leads to an encroachment of shrublands and the accumulation of combustible biomass. On the basis of the fire mapping results, a spatial and temporal stratification of the data set allowed to asses plant recovery dynamics on the landscape level through linear trend analysis. The long history of fire events in the Mediterranean frequently leads to processes of auto-succession. Following an initial dominance of herbaceous vegetation this commonly leads to similar plant communities as the ones present before the fire. On a temporal axis, this results in typical exponential post-fire trajectories which could also be shown in this study. The analysis of driving factors for post-fire dynamics confirmed the importance of aspect and slope. Locations with lower amounts of solar irradiation and favourable water supply yielded faster recovery rates and higher post-fire vegetation cover levels. In most cases, the vegetation cover levels observed before the fire were not reached within the post-fire observation period. In the area of Lagadas, linear trend analysis and additional statistical parameters were used to infer a degradation index. This could be used to illustrate a complex pattern of stability, regeneration and degradation of vegetation cover. These different processes and states are found in close proximity and are clearly determined by topography and elevation. Following a sequence of analyses, it was found that in particular steep, narrow valleys show positive trends, while negative trends are more abundant on plain or gently undulating areas. Considering the local grazing regime, this spatial differentiation was related to the accessibility of specific locations. Subsequently, animal numbers on community level were used to calculate efficient stocking rates and assess the temporal development of their relation with vegetation cover. This calculation of temporal trajectories illustrated that only some communities show the expected negative relation. To the contrary, a positive relation or even changing relation patterns are observed. This signifies recent concentration and intensification processes in the grazing scheme, as a result of which animals are kept in sheds, where additional feedstuffs are provided. In these cases, free roaming of livestock animals is often confined to some hours every day, which explains the spatial preference of easily accessible areas by the shepherds. Beyond these temporal trends, it was analysed whether the grazing pattern is equally reflected in a spatial trend. Making use of available geospatial information layers, the efforts required to reach each location was expressed as a cost. Then, cost zones could be defined and woody vegetation cover as a grazing indicator could be inferred for the different zones. Animal sheds were employed as starting features for this piospheric analysis, which could be mapped from very high spatial resolution Quickbird image data. The result was a clearly structured gradient showing increasing woody vegetation cover with increasing cost distance. On the basis of these two pilot studies, the elements of a monitoring and interpretation framework identified at the beginning of the work were evaluated and a formal interpretation scheme was presented.
Considering actual climatic and land use changes the problem of available water resources or the estimation of potential flood risks gain eco-political and economical relevance. Adequate assessments, thus, require precise process-based hydrological knowledge. Spatially distributed hydrological modelling enables a both abstractive and realistic description of hydrological processes, and therefore contributes to the understanding of the hydrological system- responses. Referring to the example of the mesoscale Ruwer basin (a tributary to the Mosel river), a modified version of the distributive modelling system PRMS/MMS (Precipitation Runoff Modeling System/Modular Modeling System) is applied to calculate spatially and temporally explicit water budgets. To achieve modelling results as precise as possible, integration of detailed land use information (spatial distribution of the existing land use classes, crop- and site-specific growth patterns) is necessary. This information is derived here by analysis of multitemporal, geometrically and radiometrically pre-processed Landsat TM-data. This enables separation of different land use classes and differentiated quantification of the leaf area index (LAI). The LAI is estimated by a spectral unmixing approach using statistically optimized endmember sets, referring to the example of winter grain and grassland plots. As a result, numerical inputs (coefficients for calculating evapotranspiration, interception storages) and extracted non-numerical (classified) information can be provided for hydrological modelling. The version of PRMS applied in this study allows important land use terms to be parameterized in high temporal resolution. Using model input derived from the available satellite data, simulation results are obtained that prove to be realistic compared to gauge data and with respect to their spatial differentiation. Results differ significantly from those obtained by using parameters from literature or by experience without distinguishing specific and site-dependent growth patterns. It can be concluded that the quality of modelling results notably improves by integration and quantitative analysis of remote sensing data; thus, these methods are a significant contribution to physically-based hydrological modelling.