Quantification of soil properties based on external information by means of fuzzy-set theory

Field: Environmental Science (Physical Sciences)

The increasing demand for improved large-scale thematic maps of soil properties for use in such areas as hydrological modeling and landscape planning requires the inclusion of external information in the computerized construction of soil maps. As this data is often purely qualitative, regionalization methods are called for, that permit consideration of uncertain empirical information. A method based on fuzzy-set theory is presented, which enables a GIS-based quantification of soil properties with no loss of content input when transforming ”︁soft” data. This approach, which is also applicable to other tasks, is demonstrated by the construction of maps of soil properties based on uncertain qualitative information from the Hessian Forestry Survey and the small-scale soil map of Hesse (1:50.000). Quality and uncertainty can be judged from a separate map of uncertainty indices. The thematic output map of the available water capacity of the rooting zone in the Dietzhölztal (Hesse) research site prepared using the fuzzy approach provided an increase of 101 % in spatial resolution compared with the 1:50.000 soil map. Quantitative Ableitung von Bodenkenn-werten aus Fremdinformationen mit Hilfe der Fuzzy-Set-Theorie Die gestiegene Nachfrage nach großmaßstäbigen, thematischen Bodeneigenschafts- und -funktionskarten z.B. für die hydrologische Modellierung oder die Landschaftsrahmenplanung kann aufgrund des zeitlichen und finanziellen Aufwandes durch konventionelle Bodenkartierungen nicht befriedigt werden. Die Informationsdichte konventioneller, kleinmaßstäbiger Bodenübersichtskarten ist i.A. für eine mesoskalige hydrologische Modellierung unzureichend. Im Rahmen der rechnergestützten Konstruktion entsprechend großmaßstäbiger Bodenkarten ist zur Verbesserung des Informationsgehaltes daher die Einbindung von Fremdinformationen erforderlich. Die oftmals rein qualitativen Erhebungen erfordern Regionalisierungsmethoden, die eine Berücksichtigung der Unschärfen empirischer Informationen, die rein begrifflichen Charakterisierungen innewohnen, erlauben. Beim Transformationsschritt zur Quantifizierung ”︁weicher” Daten sollte Informationsverlust unterbunden werden. Es wird eine auf der Fuzzy-Set-Theorie basierende Methode vorgestellt, die eine inhaltserhaltende, GIS-basierte Quantifizierung bodenkundlicher Kennwerte ermöglicht. Der Ansatz wird am Beispiel von Bodeneigenschaftskarten auf der Basis unscharfer, qualitativer Informationen der Forstlichen Standortskartierung und Forsteinrichtung sowie der Bodenkarte von Hessen 1:50.000 demonstriert und ist prinzipiell auch auf andere Problemstellungen übertragbar. Die Qualität bzw. Unsicherheit der aus unscharfen Eingangsdaten berechneten Bodeneigenschaftskarten wird über einen Unsicherheitsindex in Form einer weiteren thematischen Karte flächenhaft beurteilbar. Der Fuzzy-Ansatz liefert im Vergleich zur Bodenkarte 1:50.000 im Untersuchungsgebiet Dietzhölztal/Hessen eine Steigerung der räumlichen Auflösung der thematischen Ergebniskarte zur nutzbaren Feldkapazität des durchwurzelbaren Bodenraums um 101 %.