Von der Aufnahme des Einzelhangs bis zur regionalen Modellierung: Der Ansatz von Questar3D

2 Von der Aufnahme des Einzelhangs bis zur regionalen Modellierung: Der Ansatz von Questar3D

Aus den genannten Verbesserungsmöglichkeiten entstand der Antrag zum seit August 2013 laufenden DFG-Projekt „Quantifizierung, Analyse und Modellierung von Hangabtrag auf steilen Erosionshängen in unterschiedlichen klimatischen Räumen durch Ground-based Laserdaten“, kurz Questar3D. Das Forschungsvorhaben ist auf drei Jahre angelegt und gründet auf einer Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Physische Geographie der Katholischen Universität Eichstätt-Ingolstadt und dem Fachbereich Boden- und Gewässerschutz der TU Bergakademie Freiberg.
Zur Aufnahme der Geländeparameter wurde das Terrestrische Laserscanning (TLS) gewählt. Mit dieser noch vergleichsweise jungen Methode in der geomorphologischen Reliefanalyse lassen sich Oberflächenstrukturen und -veränderungen berührungslos auf großen Flächen erfassen. Dabei wird die ursprünglich mit dem Laser aufgenommene Punktwolke schrittweise in ein pixelbasiertes Digitales Geländemodell (DGM) überführt, welches für jede Zelle den zugehörigen Höhenwert zum Zeitpunkt der Aufnahme wiedergibt. Ältere Methoden (z.B. erosion pins oder Sedimentwannen) waren hauptsächlich für punktuelle Messungen und anschließende Extrapolation konzipiert. Gerade durch die hohe Genauigkeit in Kombination mit der sehr hohen räumlichen Auflösung ist mit dem TLS eine sehr gute raumzeitliche Dokumentation von Veränderung an Steilhängen möglich. Variabilitäten in den Abtragsraten werden sowohl ereignis- als auch jahreszeitenbezogen, d.h. in einem vordefinierten Zeitintervall (Frühjahr, Sommer, Herbst und Winter), erfasst. Testflächen in verschiedenen Klimaten mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich der Vegetationsbedeckung, des Ausgangssubstrats oder der Morphometrie (v.a. Exposition, Hangneigung) werden als Grundlage zur Verbesserung des Prozessverständnisses herangezogen.
Ein grundlegendes Ziel von Questar3D ist es, das Zusammenspiel der beteiligten Prozesse bzw. deren gegenseitige Abhängigkeit und ihre Anteile im Gesamtsystem Erosionshang zu erfassen und zu erklären. Hierfür ist neben der reinen Quantifizierung des Abtrags durch TLS-Messungen eine Weiterentwicklung bzw. Kalibrierung zweier Modelle angestrebt. Im regelbasierten statistischen Modell SCA (Sediment Contributing Area) (Haas 2008; Haas et al. 2011) kann für jeden Punkt in einem Gerinne das dazugehörige sedimentliefernde Einzugsgebiet ermittelt werden. Als Ergebnis wird für jedes Pixel eines DGMs der mittlere jährliche Ein- bzw. Austrag angegeben. Das für das Modell benötigte DGM kann aus TLS-Daten generiert werden. Grundsätzlich gilt: je mehr DGMs über die Zeit hinweg vom Untersuchungshang erstellt werden, desto genauer können die Eingabeparameter an das Modell angepasst werden. Besonderes Interesse besteht darin, für jede einzelne Testfläche die geeigneten Parameter für das Modell zu finden. Die anschließende Validierung durch beobachtete Abtragsraten soll den Sedimentaustrag so präzise wie möglich modellieren.
Auch das physikalisch basierte Modell Erosion 3D (Schmidt 1991, 1996; v. Werner 1995), welches ursprünglich für die Modellierung des Bodenabtrags auf landwirtschaftlichen Nutzflächen entwickelt wurde, soll auf seine Anwendbarkeit auf steilen Erosionshängen überprüft und erweitert werden. Im Gegensatz zum SCA-Ansatz ist hier vor allem die exakte Bestimmung der fluvialen Erosions- und Akkumulationsprozesse entscheidend. Bislang unberücksichtigt im Ansatz von Erosion 3D sind die unterschiedlichen Einflüsse, die im Winter, v. a. durch die Schneeschmelze, und im Sommer, v. a. durch den Niederschlag, auf die Untersuchungsflächen einwirken. Dabei ist das Terrestrische Laserscanning nur eine von vielen Methoden zur Modellkalibrierung. Zwingend erforderlich ist die Analyse des Bodensubstrats im Labor auf verschiedene Materialkenngrößen wie Korngrößenverteilung oder Lagerungsdichte. Zudem kann eine bereits vorhandene, mobil einsetzbare Kleinberegnungsanlage in den Untersuchungsgebieten zur Simulation von Starkregenereignissen installiert werden. Ebenso benötigt Erosion 3D hoch aufgelöste Zeitreihen über mehrerer Klimaparameter direkt an den Untersuchungsflächen, was mittels neu installierter Klimastationen erreicht wird.
In einem finalen Schritt soll dann eine Regionalisierung, d. h. eine Sedimentbilanz für große Gebiete mit gleichen Klima- und Reliefeigenschaften, erstellt werden. Da die Eingabe-DGMs sowohl für SCA, als auch für Erosion 3D eine dementsprechend große räumliche Ausdehnung benötigen, wird auf DGMs aus Luftbildern gesetzt. Hierfür steht der Katholischen Universität Eichstätt-Ingolstadt seit dem Jahr 2012 ein mit einer Digitalkamera ausgerüsteter Oktokopter (Asctec Falcon 8) zur Verfügung. In der aktuellen Erosionsforschung finden UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), zu Deutsch kurz Drohnen, besonders häufig Anwendung (Anders et al. 2014; McShane et al. 2014; Frankl et al. 2014). Große Flächen können mit geringem zeitlichen, personellen und finanziellen Aufwand beflogen werden. Im Projekt können neben dem Upscaling auf ganze Regionen auch methodische Fragen, vor allem in Bezug auf die Vergleichbarkeit von TLS- und Drohnen-Daten, vertieft werden.
Gegen Ende des Projekts wird der Vergleich beider Modellansätze in den Fokus rücken. Es werden sich Vor- und Nachteile der einzelnen Modelle herausstellen, deren Relevanz im Sedimenthaushalt es abzuwägen gilt. Weiter wird sich zeigen, inwieweit Erkenntnisse aus einem Modellansatz im anderen implementierbar sind.

• Inhaltsverzeichnis
• Seite 1: Einleitung: Bodenerosion als eine schleichende Bedrohung
• Seite 2: Von der Aufnahme des Einzelhangs bis zur regionalen Modellierung: Der Ansatz von Questar3D
• Seite 3: Untersuchungsgebiete: Von der fränkischen Alb bis in die Toskana
• Seite 4: Methodik: Messungen mit neuester Technik
• Seite 5: Erste Ergebnisse und Diskussion
• Seite 6: Literaturverzeichnis