Summary

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 different 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 different factors influencing the backscatter intensity, the scene geometry, the radiometric terrain effect 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 effect is isolated and rejected with the help of Principal Components Analysis. The SLC data is used for an estimation of the interferometric coherence between different 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 different approaches and methodologies are compared and discussed within the cope of the formulated questions.

Kurzfassung

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-Effekt 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.