GIS-gestützte Landnutzungsklassifikationen auf Grundlage von Daten passiver und aktiver Fernerkundungssensoren zur distributiven Flusseinzugsgebietsmodellierung
By: Martin Klenke.
Series: Jenaer Geographische Schriften, Band 8
Publisher: Friedrich-Schiller-Universität, Institut für Geographie, Selbstverlag
Published: 1999
Place of publication: Jena
Language: ger
Format: Printed/PDF/HTML
Number of pages: 160
Subjects: Hydrologic models.; Land use -- Germany -- Rheinisches Schiefergebirge -- Classification -- Remote sensing.; Land use -- Germany -- Rheinisches Schiefergebirge -- Data processing.
First sentence: Die Verwendung von Daten flugzeug- und satellitengetragener Fernerkundungssysteme bietet ein breites
Forschungs- und Anwendungsspektrum innerhalb der hydrologischen Prozeßforschung. Insbesondere
distributive, physikalisch basierte Modellierungsverfahren sind auf räumlich verteilte Information verschiedenster
Eingabeparameter angewiesen. Je nach Grösse der Untersuchungsgebiete kommt bei der Gewinnung
dieser Information fernerkundungsgestützten Verfahren unterschiedliche Bedeutung zu (Mauser et
al. 1998[203]).
Description: <b>Summary</b>

The study focuses on land use detection using LANDSAT TM and ERS SAR data in the River Sieg catchment. The study area is located in the Renish Slate Mountains (Central Uplands, Germany) and covers 2853 sqkm.

The parameterization of physically-based, distributed hydrological watershed models requires areal analysis of the water cycle components. Besides topographical, pedological and geological factors the actual land use is an important input parameter for the physical and chemical modelling of the watershed hydrology and plays a signicant role in the GIS-based delineation of the modelling entities that are used to preserve the spatial heterogeneity of catchments within physically-based, distributed hydrological models.

Hence, the visible/infrared remote sensing data is used for an areal determination of land use in the Sieg catchment. The data preprocessing includes atmospheric correction, rectification and topographic normalization of a monotemporal TM dataset. The classication utilizes a supervised maximum likelihood classicator. To enhance the accuracy of the classication result neighborhood-based GIS-postprocessing techniques are applied.

Furthermore additional reference information from different sources (including meteorological, pedological, digital terrain and detailed land use data) is edited, unifieed and archived in GI- and DB-systems to complete the parameterization and validation database.

The all weather capability is an important advantage of active microwave sensors. However, the analysis of this kind of data is more complicated due to the different factors influencing the backscatter intensity, the scene geometry, the radiometric terrain effect in mountainous regions and the speckle. Another advantage of SAR-systems is the possibility to analyze the phase content of the data making an interferometric processing possible.

In this study ERS-1/2 tandem mission data is used to clarify the feasibility of SAR-based land use detection in hilly terrain. Multitemporal PRI and SLC data is evaluated for this purpose. Adaptive filter techniques are used for speckle supression in the PRI data. The geometric correction includes a Digital Elevation Model. The radiometric terrain effect is isolated and rejected with the help of Principal Components Analysis. The SLC data is used for an estimation of the interferometric coherence between different tandem partners. The land use classication utilizes supervised and unsupervised techniques under consideration of backscatter intensity and coherence information. Several GIS-techniques are used to enhance the classication accuracy.

Finally, the results of the different approaches and methodologies are compared and discussed within the cope of the formulated questions.


<b>Kurzfassung</b>

In der vorliegenden Arbeit werden LANDSAT TM- und ERS SAR-Daten zur Erfassung der Landnutzung im Einzugsgebiet der Sieg genutzt. Das 2853 qkm grosse Untersuchungsgebiet liegt im zentralen, ostrheinischen Teil des Rheinischen Schiefergebirges.

Die Auswertung der optischen Daten dient der Erstellung einer Parameterisierungs- und Validierungsbasis für distributive, hydrologische Modellierungsverfahren. Die Landnutzung stellt in diesem Zusammenhang einen Kernparameter dar, der für das Einzugsgebiet flächendeckend aus TM-Daten bestimmt wird. Methodisch wird nach Atmosphärenkorrektur, Georeferenzierung und Topographischer Normalisierung eines monotemporalen TM-Datensatzes die Landnutzung mit einer überwachten Maximum Likelihood-Klassikation bestimmt. Im Rahmen der Nachbearbeitung kommen zur Ergebnisverbesserung u.a. GIS-Verfahren der
Nachbarschaftsanalyse zum Einsatz.

Als weitere Bestandteile der Parameterisierungs- und Validierungsbasis werden aus unterschiedlichen Quellen Daten zu Klima, Böden und Landnutzung homogenisiert, aufbereitet und innerhalb eines Geographischen Informations- und Datenbank-Systems strukturiert archiviert, sowie Höhendaten verschiedener Landesvermessungsämter zum Aufbau von Digitalen Geländemodellen genutzt.

Die Analyse der Radardaten stützt sich auf Aufnahmen aus der ERS-1/2 Tandem Mission (1995/1996). Methodische Fragen stehen bei der Auswertung im Vordergrund, daher werden die Untersuchungen nicht auf Gesamteinzugsgebietsebene durchgeführt, sondern in einem, mit Zusatzdaten besonders gut dokumentierten, Teilgebiet. Die weitgehende Bewölkungs- und Beleuchtungsunabhängigkeit stellt einen wesentlichen Vorteil der Mikrowellenverfahren dar, allerdings gestaltet sich die Auswertung, vor allem in reliefiertem Gelände, methodisch aufwendiger als die Analyse optischer Fernerkundungsdaten. Zur Isolierung des Reliefeinflusses in den PRI-Daten werden Hauptkomponententransformationen eingesetzt, der Speckle-Effekt wird mit Hilfe adaptiver Filterverfahren reduziert. Die Georeferenzierung erfolgt unter Berücksichtigung eines Digitalen Geländemodells. Aus SLC-Daten verschiedener Tandempaare werden interferometrische Kohärenzbilder berechnet. Die Erfassung der Landnutzung erfolgt unter Berücksichtigung von Intensitäts und Kohärenzinformation mit überwachten und unüberwachten Klassikationsverfahren sowie verschiedenen GIS-Verarbeitungen.

Die Ergebnisse der unterschiedlichen Ansätze und Methoden werden abschließend vergleichend diskutiert und in den Gesamtzusammenhang der Arbeit gestellt.
Notes: Summary in English.
Includes bibliographical references (p. 143-159).
Table of contents: title: Einführung und Problemstellung
pagenum: 1; title: Stand der Forschung
pagenum: 3; title: Regionale hydrologische Modellierung
pagenum: 3; title: Räumliche Diskretisierung und Geographische Informationssysteme
pagenum: 4; title: Das Konzept der Response Units
pagenum: 5; title: Fernerkundung in der Flußeinzugsgebietsmodellierung
pagenum: 6; title: Landnutzung
pagenum: 7; title: Bodenphysik
pagenum: 10; title: Relief
pagenum: 13; title: Schnee
pagenum: 13; title: Gewässer
pagenum: 15; title: Niederschläge
pagenum: 15; title: Automatisierte Informationsextraktion aus Fernerkundungsdaten
pagenum: 17; title: Forschungsbedarf
pagenum: 19; title: Theoretische Grundlagen
pagenum: 21; title: Satellitensysteme
pagenum: 21; title: Das LANDSAT-System
pagenum: 22; title: ERS-1 und ERS-2
pagenum: 23; title: Eigenschaften abbildender Radarsysteme
pagenum: 25; title: SAR-Aufnahmeprinzip und systemeigene Parameter
pagenum: 25; title: Oberflächenparameter und Rückstreuverhalten
pagenum: 28; title: Interferometrische Verarbeitung und Kohärenz
pagenum: 32; title: Multispektralklassikationen
pagenum: 34; title: Zielsetzung der Arbeit und methodisches Vorgehen
pagenum: 37; title: Arbeitsziele
pagenum: 37; title: Methodisches Vorgehen
pagenum: 38; title: Untersuchungsgebiet, Datenquellen und Vorarbeiten
pagenum: 41; title: Physische Ausstattung des Untersuchungsgebiets
pagenum: 41; title: Hydrologische Arbeiten in Teileinzugsgebieten der Sieg
pagenum: 44; title: Ausgewertete Fernerkundungsdaten
pagenum: 45; title: Höhendaten
pagenum: 45; title: Aufbau eines Datenpools für das Siegeinzugsgebiet
pagenum: 46; title: Landnutzung und Böden
pagenum: 47; title: Klima- und Bodendaten
pagenum: 47; title: Arbeiten und Ergebnisse
pagenum: 49; title: Aufbau und Analyse der Digitalen Geländemodelle
pagenum: 49; title: Erstellung eines Höhenmodells für das Siegeinzugsgebiet
pagenum: 50; title: Aufbau von Höhenmodellen für verschiedene Teileinzugsgebiete
pagenum: 50; title: Hydrologische GIS-Operationen
pagenum: 50; title: Ableitung von Einzugsgebietsgrenze und Teileinzugsgebieten
pagenum: 51; title: Berechnung des Flußnetzes
pagenum: 52; title: Reliefklassikationen
pagenum: 53; title: Landnutzungserfassung mit Landsat TM-Daten
pagenum: 55; title: Vorverarbeitung der optischen Satellitenszenen
pagenum: 55; title: Atmosphärenkorrektur
pagenum: 57; title: Georeferenzierung
pagenum: 60; title: Topographische Normalisierung
pagenum: 61; title: Visuelle Interpretation der vorhandenen Szenen
pagenum: 62; title: Klassikation der Landnutzung
pagenum: 63; title: Statistische Bildanalyse
pagenum: 63; title: Unüberwachte Klassikationen
pagenum: 64; title: Signaturanalysen und Trainingsgebietsausweisung
pagenum: 65; title: Überwachte Maximum Likelihood-Klassikation
pagenum: 73; title: Nachbearbeitung des Klassikationsergebnisses
pagenum: 74; title: Fehlerbeurteilung
pagenum: 74; title: Zurückweisung unsicher klassizierter Bildelemente
pagenum: 77; title: Umgebungsbezogene Reklassikation
pagenum: 79; title: Mischpixelbereinigung
pagenum: 82; title: Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse
pagenum: 84; title: Auswertung der ERS SAR-Daten
pagenum: 86; title: Vorverarbeitung der PRI-Daten aus der ERS-1/2 Tandem Mission
pagenum: 87; title: Reduzierung des Speckle-Eekts
pagenum: 88; title: Berechnung des Radarrückstreukoeffzienten Sigma Nought
pagenum: 90; title: Geometrische Korrektur
pagenum: 93; title: Vorverarbeitung der SLC-Daten
pagenum: 95; title: Erstellung von interferometrischen Kohärenzbildern
pagenum: 96; title: Geometrische Referenzierung
pagenum: 97; title: Erfassung der Landnutzung mit dem ERS SAR
pagenum: 97; title: Interpretation multitemporaler Intensitätskomposite
pagenum: 98; title: Hauptkomponententransformation zur Isolierung des radiometrischen Reliefeekts
pagenum: 103; title: Kohärenzanalysen
pagenum: 106; title: Synergetische Klassikation der Landnutzung
pagenum: 109; title: Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse
pagenum: 116; title: Zusammenfassung und Ausblick
pagenum: 119; title: Vergleichende Diskussion der Datenanalysen
pagenum: 119; title: Zusammenfassung
pagenum: 121; title: Ausblick
pagenum: 122; title: Anhang
pagenum: 125; title: Farbtafeln
pagenum: 125; title: Referenzierung eines ERS-1/2 Tandem-Datensatzes
pagenum: 135; title: Abkürzungen
pagenum: 141; title: Literaturverzeichnis
pagenum: 143