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GNSS-Bodenfeuchte
- Vordergrund: GNSS-Station in Sutherland, Hintergrund (rechts): In-situ Bodenfeuchtesensoren
[1]
- © GFZ
Im
Rahmen der Helmholz Allianz „Remote Sensing and Earth System
Dynamics [2]“ startete im Mai 2013 ein dreijähriges
Forschungsprojekt zur Bestimmung der Bodenfeuchte mit den Daten von
GNSS-Bodenstationen (Global Navigation Satellite Systems). Dabei
sollen GPS-Signale analysiert werden, welche in direkter Umgebung der
Station reflektiert werden. Das Projekt ist eingebunden in das
Netzwerk von TERENO [3] (TERrestrial ENvironmental Observatories). Die
wissenschaftlichen Projektarbeiten erfolgen in sehr enger
Zusammenarbeit mit der Sektion 5.4. Hydrologie [4]des GFZ. Die
Bestimmung der Bodenfeuchte dient dabei einer verbesserten
Quantifizierung des Wasserkreislaufes. Messungen der Bodenfeuchte sind
zudem essentiell für die Flutvorhersage, eine effiziente
Bewässerung, Schadstoff und Nährstofftransport, Wettervorhersage und
Klimastudien. Die Bestimmung von Bodenfeuchte stellt jedoch eine
Herausforderung dar. Direkte Messungen sind Punktmessungen von wenigen
Zentimetern im Durchmesser. Im Gegensatz dazu decken Beobachtungen von
Fernerkundungssatelliten wie z.B. SMOS Bereiche von mehreren
Kilometern ab. Sie haben jedoch den Nachteil einer geringen zeitlichen
Auflösung. Die Nutzung der Daten von GNSS-Bodenstationen erscheint
als eine vielversprechende Methode um tägliche Bodenfeuchtewerte im
Feldmaßstab zu bestimmen [1].
In einer Fallstudie für
Sutherland, Südafrika analysierten wir Daten der permanenten
GNSS-Station von Januar bis Juli 2013. Die Analyse der GNSS-Daten
basiert auf dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der GNSS-Signale. Aus
den Interferenzmustern des SNR, welches aus der Überlagerung von
direkten und reflektierten Signal entsteht, leiten wir die
Eindringtiefe der GNSS-Signale in den Boden ab [2]. Die Eindringtiefe
ist abhängig von der Feuchte an der Erdoberfläche und lässt sich
somit in Bodenfeuchtevariationen umrechnen [3]. Die mittels GNSS
bestimmten Bodenfeuchtevariationen geben sehr gut die
Niederschlagsereignisse und die nachfolgenden Verdunstungen wieder. Im
Vergleich zu in-situ Messungen weisen die GNSS-Ergebnisse leicht
unterschiedliche absolute Werte auf. Die Variationen der Bodenfeuchte
zeigen jedoch eine sehr gute Übereinstimmung zwischen beiden
Verfahren. GNSS-Beobachtungen haben das Potential, an vielen Stationen
weltweit das Netz an Bodenfeuchtebeobachtungen zu
verdichten.
Im Rahmen des virtuellen Helmholtz Institutes
DEad SEa Research VEnue (DESERVE [5]) wurden 3 GNSS-Stationen in der
Gegend des Toten Meeres installiert, die u.a. zur Bestimmung von
Bodenfeuchte genutzt werden
sollen.
Referenzen:
[1] K. Larson,
J. Braun, E. Small, V. Zavorotny, E. Gutmann, and A. Bilich, GPS
multipath and its relation to near-surface soil moisture content, IEEE
J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sens., vol. 3, No. 1, pp.
91–99, Mar. 2010.
[2] S. Vey, A. Güntner, J. Wickert, T.
Blume and M. Ramatschi, Long-term soil moisture dynamics derived from
GNSS reflectometry: A case study for Sutherland, South Africa,
submitted to GPS solution, 2015.
[3] C. Chew, E. Small, K.
Larson and V. Zavorotny, Effects of Near-Surface Soil Moisture on GPS
SNR Data: Development of a Retrieval Algorithm for Soil, IEEE
Transactions on Geosciences and Remote Sens., doi:
10.1109/TGRS.2013.2242332, Dec. 2012.
[4] S. Vey, A.
Güntner, J. Wickert, T. Blume, H. Thoss and M. Ramatschi, Monitoring
snow depth with GNSS reflectometry, oral presentation at GNSS+R 2015
Workshop, 11-13 May 2015, Potsdam, Germany, 2015.
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