2006-04-25 19-44-DA-Katrin Zabel - tu-dresden.de · Selbstständigkeitserklärung Ich erkläre, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Verwendung der angegebenen

Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Geographisches Institut

D i p l o m a r b e i t

Thema: "Überwachung der Auswirkung von Niederschlagsereignissen auf

Erosionsprozesse mit Hilfe von Laserscanning –

untersucht am Beispiel eines

vegetationsfreien und von Degradation betroffenen

Tagebaurekultivierungsgebietes." eingereicht von: Katrin Zabel geboren am 11. 12. 1979 in Rüdersdorf b. Berlin Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr. Zölitz-Möller Betreuer am GeoForschungsZentrum: Prof. Dr. Kaufmann Greifswald, den 28. 04. 2006

Selbstständigkeitserklärung

Ich erkläre, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Verwendung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe.

_______________________ _________________________

Ort, Abgabedatum Unterschrift

Danksagung

Ich danke Herrn Prof. R. Zölitz-Möller (Universität Greifswald, Institut für Geowissenschaften) und Herrn Prof. H. Kaufmann (GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 1.4 Fernerkundung) für die Prüfung und Begutachtung dieser Diplomarbeit.

Bei Frau Dr. Sabine Chabrillat (GeoForschungszentrum Potsdam, Sektion 1.4 Fernerkundung) möchte ich mich ganz besonders für die kompetente Betreuung der Arbeit bedanken. Merci Sabine!

Ich bedanke mich herzlich bei Ramona Baran, die sich als meine Vorgängerin mit dem Projekt beschäftigt hat, und mich dann mit dem Laserscanner vertraut gemacht hat. Vielen Dank auch für Deine Hilfe beim Erlernen der Datenprozessierung mit RapidForm.

Auch meinen Helfern bei der Geländearbeit sei an dieser Stelle mein Dank ausgesprochen. Ohne Sören Haubrock (GeoForschungszentrum Potsdam, Sektion 1.4 Fernerkundung), Matthias Kuhnert (GeoForschungszentrum Potsdam, Sektion 5.4 Ingenieurhydrologie) und Daniel Spengler hätte die Arbeit im Gelände nur halb so viel Spaß gemacht. Ihr ward unerlässlich beim Kampf um den schönsten Schatten.

Matthias Kuhnert gilt außerdem ein besonderer Dank. Die Arbeit mit Dir hat mich vieles gelehrt und mich ein gutes Stück weiter gebracht auf dem Weg in die Wissenschaft. Ich danke Dir für die Unterstützung bei der Auswertung und Interpretation der Messdaten, für Dein Lob, Deine stets kritische Meinung und Dein immer offenes Ohr.

Die größte Hilfe aber war und ist mein Freund Stefan Ebner. Du hast mich auf meinem Weg begleitet, auf Deine Unterstützung konnte ich immer bauen. Deine kreativen Ideen, die zahllosen Gespräche mit Dir und dass Du stets für mich da warst, waren die größte Motivation. Ich danke Dir von ganzem Herzen.

Mein besonders lieber Dank gilt meiner Familie für die moralische Unterstützung während der gesamten Zeit!

Aufgabenstellung

An Hand von Klimabeobachtungen der letzten 200 Jahre wurde festgestellt, dass das globale Klima eine bedeutende Veränderung erfahren hat. Zudem ist davon auszugehen, dass sich diese Entwicklung in der Zukunft fortsetzen wird. Zu den Folgen der Klimaveränderungen gehören unter anderem auch eine zunehmende Trockenheit, die zu verstärkter Bodenerosion, Desertifikation und Wassermangel führt. Diese Entwicklung bringt dramatische Folgen für die Lebensgrundlagen des Menschen mit sich. Der Vorgang der Bodendegradation und das Auftreten eines Wassermangels sind nicht mehr nur auf aride und semi-aride Regionen der Erde beschränkt, sondern sie sind nun auch in Gebieten zu beobachten, die davon bislang nicht betroffen waren, wie zum Beispiel die mittel- und osteuropäischen Länder. Daher wird für die Zukunft ein hohes und weiter ansteigendes Schadenspotenzial prognostiziert. Aus diesem Anlass wurde das Projekt „Quantifizierung oberflächennaher Prozesse zur Charakterisierung von trockenheitsinduzierten Veränderungen von Bodeneigenschaften, Erosion und Wasserhaushalt“ des GeoForschungsZentrums Potsdam in Zusammenarbeit mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus ins Leben gerufen, in dessen Rahmen die vorliegende Arbeit entstand.

Durch eine regelmäßige, mehrmonatige Überwachung der Erosionsvorgänge in gewachsenen, natürlichen Böden, die von Degradation betroffen sind, wird in Verbindung mit Niederschlags-messungen eine Analyse der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Oberflächenstrukturen auf definierten Testflächen von 1-2 m2 durchgeführt. Die multitemporale Überwachung der Bodenoberfläche erfolgt mittels der Verwendung eines Laserscanners, einer neuen Fernerkundungsmethode, um die flächige Erosion zu bestimmen, ohne dabei in die Versuchsfläche einzugreifen. Als Resultat der Feldmessungen mit dem Laserscanner werden genaue, im Mikrometerbereich auflösende, digitale Höhenmodelle der Bodenoberfläche oder Abbildungen der Rauhigkeit des Bodens erwartet. Die Ergebnisse werden anschaulich in Form von Höhendifferenzmodellen in Korrelierung mit Niederschlagsergebnissen und Erosionsprozessen dargestellt. Ebenso wird zur besseren Quantifizierung eine Fehlerdiskussion der Laserscannermethode durchgeführt. Das Potenzial der neuen Methode wird in dieser Arbeit diskutiert.

0 Abkürzungsverzeichnis 5

Inhalt

Abkürzungsverzeichnis............................................................................................................ 7

Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................. 8

Tabellenverzeichnis................................................................................................................ 10

1 Einleitung .................................................................................................................... 11 1.1 Desertifikation und Landdegradation........................................................................... 11 1.2 Arbeitsziel .................................................................................................................... 13

2 Erosionsprozesse......................................................................................................... 14 2.1 Wassererosion .............................................................................................................. 14 2.2 Winderosion ................................................................................................................. 19

3 Das Untersuchungsgebiet........................................................................................... 23 3.1 Lage und Geologie ....................................................................................................... 23 3.2 Klimatische Bedingungen ............................................................................................ 26 3.3 Untersuchungsfelder..................................................................................................... 27 3.3.1 Lage .............................................................................................................................. 28 3.3.2 Korngrößenanalyse....................................................................................................... 28

4 Erosionsmessung ........................................................................................................ 31 4.1 Direkte Messmethoden................................................................................................. 31 4.1.1 Flächenhafte Gebietsmessungen .................................................................................. 31 4.1.2 Quasiflächenhafte Feldmessungen ............................................................................... 31 4.1.3 Punktuelle Messungen.................................................................................................. 32 4.1.4 Tracermethode.............................................................................................................. 32 4.2 Indirekte Messmethoden .............................................................................................. 32 4.2.1 Nadelprofilmeter .......................................................................................................... 32 4.2.2 Laserscanning............................................................................................................... 34 4.3 Forschungsstand zur Erosionsmessung mit Laserscanning.......................................... 34

5 Methodik des Laserscanning..................................................................................... 36 5.1 Entfernungsmessung..................................................................................................... 36 5.2 Grundlagen zum Laser und Laserscanning .................................................................. 36 5.3 Datenakquisition im Gelände ....................................................................................... 39 5.3.1 Beschreibung der Messung .......................................................................................... 39 5.3.2 Geländebedingungen .................................................................................................... 40 5.4 Datenprozessierung und Erfassung der Oberflächenveränderungen............................ 41

6 Ergebnisse ................................................................................................................... 44 6.1 Fehlerbetrachtung......................................................................................................... 44 6.1.1 Messfehler .................................................................................................................... 44 6.1.2 Modellierungsfehler ..................................................................................................... 45

Inhalt


6.2 Reproduzierbarkeit ....................................................................................................... 46 6.3 Überwachung der Oberflächenveränderung................................................................. 47 6.3.1 Zeitliche Variabilität..................................................................................................... 48 6.3.2 Räumliche Variabilität ................................................................................................. 60 6.4 Abtrags- und Akkumulationsberechnung..................................................................... 64 6.5 Erosionsprozesse im Untersuchungsgebiet .................................................................. 66

7 Diskussion.................................................................................................................... 68

8 Schlussfolgerung und Ausblick ................................................................................. 71

9 Literaturverzeichnis ................................................................................................... 72

10 Anhang......................................................................................................................... 77

Inhalt


Abkürzungsverzeichnis

UNCCD - United Nations Convention to Combat Desertification

GFZ - GeoForschungsZentrum

DAISEX - Digital Airborne Spectrometer Experiment

ESA - European Space Agency

lx - Lux (Einheit für die Beleuchtungsstärke)

U - Schluff

T - Ton

S - Sand

fS - Feinsand

mS - Mittelsand

gS - Grobsand

mSfs - feinsandiger Mittelsand

mSgs - grobsandiger Mittelsand

gSms - mittelsandiger Grobsand

G - Kies

N - Nord

NE - Nordost

E - Ost

Abkürzungsverzeichnis

0 Abbildungsverzeichnis 8

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Splash-Effekt ( AUERSWALD, 1998) .............................................................................. 16

Abb. 2 Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit des Wassers (cm⋅sec-1) und Frachtvermögen

in Abhängigkeit von der Korngröße (mm ø) (KUNTZE, 1994) .............................................. 17

Abb. 3 Sedimenttransportformen durch Wind. Die angegebenen Bereiche für Partikelgrößen

entsprechen denen bei gemäßigten Windgeschwindigkeiten (KUNTZE, 1994)........................ 20

Abb. 4 - a) Lausitzer Braunkohlerevier (BUNGART, 1998); b) Luftbildaufnahme vom Tagebau

Welzow – Süd; c) Untersuchungsgebiet (HAUBROCK, 2005)............................................... 24

Abb. 5 Untersuchungsgebiet im Tagebau Welzow – Süd (nach HAUBROCK, 2005) ...................... 25

Abb. 6 Jahresmittellufttemperatur & Jahresniederschlagssumme im Land Brandenburg (1950-2000)

(nach GERSTENGARBE, 2003).......................................................................................... 26

Abb. 7 Plot 1 mit Holzumrandung (1m²), Plot 3 mit Metallumrandung (0,25m²) ............................. 27

Abb. 8 Untersuchungsfelder: Rinne oben, Rinne unten – Begrenzung durch Heringe....................... 27

Abb. 9 Untersuchungsfeld: Große Rinne – Begrenzung durch Heringe ........................................... 28

Abb. 10 Korngrößenverteilung im Untersuchungsgebiet (nach KUHNERT, 2005) .......................... 30

Abb. 11 Erfassung der Oberflächenrauhigkeit mit einem Nadel-Profilmeter (BERGER, 1999)......... 33

Abb. 12 Höhenprofil nach geometrischer Korrektur (BERGER, 1999) ........................................... 33

Abb. 13 Prinzip der Laser – Triangulation (DONGES, 1993)......................................................... 37

Abb. 14 Streueigenschaften verschiedener Messobjekte (DONGES, 1993) ..................................... 37

Abb. 15 3D-Laserscanner VIVID 900 von Minolta (www.konicaminolta.de, 2005)......................... 38

Abb. 16 Messaufbau im Gelände.................................................................................................. 40

Abb. 17 Beschatten der Untersuchungsfelder mit einer dunklen Decke ........................................... 41

Abb. 18 Oberflächenmodell aus 4 Einzelaufnahmen generiert (Fläche 3) ........................................ 42

Abb. 19 Oberflächenmodell maßgeschneidert (Fläche 3) ............................................................... 42

Abb. 20 Generierung eines Differenzmodells aus zwei Oberflächenmodellen (Fläche 3).................. 43

Abb. 21 Messwinkel in Abhängigkeit vom Standort des Laserscanner................................... 45

Abb. 22 Modellierungsfehler in Form von Kanten, Kennzeichnung durch Pfeile ............................. 46

Abb. 23 Reproduzierbarkeit im Versuch (Fläche 3) ....................................................................... 47

Abb. 24 Rinne unten a) 26.05.05 b) 13.07.05 c) 02.11.05............................................................ 48

Abb. 25 Differenzmodell der Messungen 13.04.05 und 10.05.05 (Rinne unten) .............................. 49

Abb. 26 Niederschlag und Windrichtung vom 13.04.05 – 10.05.05 ................................................ 49



0 Abbildungsverzeichnis 9

Abb. 28 Niederschlag und Windrichtung vom 10.05.05 – 26.05.05 ................................................ 51


Abb. 30 Niederschlag und Windrichtung vom 26.05.05 - 13.07.05................................................. 52






Abb. 36 Niederschlag vom 31.08.05 - 12.10.05) ........................................................................... 58


Abb. 38 Niederschlag vom 12.10.05 - 02.11.05............................................................................. 59



Abb. 41 Differenzmodell der Messungen 13.07.05 und 08.08.05 (Fläche 2).................................... 61

Abb. 42 Differenzmodell der Messungen 13.07.05 und 08.08.05 (Fläche 4).................................... 61

Abb. 43 Photo der Fläche 2 (08.08.05) ......................................................................................... 62

Abb. 44 Bewegung von Material zwischen dem 12.10.05 und dem 02.11.05 (Rinne unten) ............. 64

Abb. 45 Bewegung von Material zwischen dem 31.08.05 und dem 12.10.05 (Fläche 2)................... 65


0 Tabellenverzeichnis 10

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Umfang der Boden-Degradierung je Kontinent (nach RICHTER et al., 1998)....................... 12

Tab. 2 Intensität, Medianer Durchmesser, Fallgeschwindigkeit und Kinetische Energie bei

unterschiedlichen Arten des Niederschlags (nach GRAY & LEISER, 1982) ........................... 15

Tab. 3 Einfluss v. Hanglänge u. Hangneigung auf den relativen Bodenabtrag (nach KUNTZE, 1994)

.......................................................................................................................................... 19

Tab. 4 Windstärke und bewegte Teilchengröße (nach KUNTZE, 1994) .......................................... 22

Tab. 5 Lage, Größe und Neigung der Testflächen (nach KUHNERT, 2005).................................... 28

Tab. 6 Korngrößenverteilung (nach KUHNERT, 2005) und (AG BODEN, 1996) ........................... 29

Tab. 7 Aufnahmebereiche für X-, Y- und Z-Richtung der 3 verschiedenen Linsen des Laserscanners

VIVID 900 ......................................................................................................................... 38

Tab. 8 Aufnahmedaten im Messzeitraum März bis November 2005................................................ 39

Tab. 9 Windgeschwindigkeitsbereiche (13.04.05 – 10.05.05)......................................................... 49

Tab. 10 Windgeschwindigkeitsbereiche (10.05.05 – 26.05.05) ....................................................... 51

Tab. 11 Windgeschwindigkeitsbereiche (26.05.05 - 13.07.05)........................................................ 52




Tab. 15 Volumenberechnung – Versuch (Fläche 3) ....................................................................... 65

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung 11

1 Einleitung

1.1 Desertifikation und Landdegradation

Die Begriffe Desertifikation und Landdegradation sind eng miteinander verbunden.

Auf das Phänomen der Desertifikation ist man in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts

aufmerksam geworden, als es zwischen 1968 und 1973 zum Höhepunkt der Dürrekatastrophe

in der afrikanischen Sahelzone kam (BABAEV, 1999). Doch bereits 1949 hat sich A.

Aubreville mit dem Begriff „Desertifikation“ beschäftigt (SCHLESINGER, 1997). Seit dem

gibt es immer wieder Debatten und Unstimmigkeiten über die Definition dieses Begriffes,

besonders wenn es um Ursachen, Auswirkungen, Umkehrbarkeit, Umwelthintergründe, Rate

des Fortschreitens und um die Heilung geht. Unter Desertifikation versteht man die

Wüstmachung bzw. Verwüstung des Landes. Dieser Vorgang ist durch anthropogene

Einflüsse, also durch den Eingriff und das Missmanagement des wirtschaftenden Menschen in

das natürliche Ökosystem, geprägt. Dabei dürfen aber auch natürliche Einflüsse, wie die

Auswirkungen des Klimas, besonders Klimaschwankungen und hohe Niederschlags-

variabilitäten nicht unberücksichtigt gelassen werden. Gewöhnlich wird die Desertifikation

mit Dürre assoziiert, wobei Dürreperioden nicht selbstverständlich zu Desertifikation führen.

Durch die Verminderung (Degradierung) bzw. die Zerstörung des Landes werden

wüstenähnliche Bedingungen geschaffen. Betroffen davon sind Gebiete, die sonst produktiv

für die Agrarwirtschaft wären. Dabei können Weideland und Regenfeldbaugebiete genauso

wie Bewässerungsland durch Desertifikation gekennzeichnet sein. Auch nach Abholzungen

und Zerstörung der Vegetationsschicht, wie z.B. in Tagebaugebieten, ist das betroffene Gebiet

anfällig für Degradation. Desertifikation ist oft verbunden mit dem irreparablen Verlust von

Nutzpflanzen. Damit einher geht die Landnahme von Unkräutern. Auch der Verlust der

Bodenproduktivität kann ein Folge der Desertifikation sein (SCHLESINGER, 1997).

Desertifikation ist, auf menschlicher Zeitskala betrachtet, irreversibel. Sie ist als eine

schwerere Stufe der Landdegradation anzusehen, wobei die ökologische Belastbarkeit des

Landes zerstört wird (MENSCHING, 1990).

Landdegradation bezeichnet den Prozess der Herabsetzung und Verschlechterung bestimmter

Bodeneigenschaften. Die United Nations Convention to Combat Desertification (UNCCD)

hat 1994 Landdegradation als einen Prozess definiert, der sich überwiegend in ariden,

semiariden und trockenen subhumiden Gebieten wiederfindet, verursacht durch menschliche

Einflüsse und ungünstige Landnutzungsbedingungen.

1 Einleitung 12

Etwa 30% der gesamten Erdoberfläche sind arid bzw. semiarid. Davon befinden sich etwa

70% in einem Stadium der Degradation (SCHLESINGER, 1997). Landdegradation entsteht

bei einzelnen oder mehreren miteinander verknüpften Prozesse, die sich aus menschlichen

Tätigkeiten und Siedlungsmustern ergeben. Solche Prozesse können sein:

- die durch Wind und/oder Wasser verursachte Bodenerosion,

- die Verschlechterung der physikalischen, chemischen und biologischen oder

wirtschaftlichen Eigenschaften des Bodens

- das Verschwinden des natürlichen Pflanzenbestandes auf lange Sicht (DIEZ, 2005).

RICHTER (1998) geht davon aus, dass es keine Hauptursache für Degradation gibt, macht

aber Überweidung, Entwaldung und falsche Bewirtschaftung gleichermaßen für

Degradationsprobleme verantwortlich. Besonders die seit langem dichtbesiedelten Räume

Europas und Mittelamerikas weisen den höchsten Prozentsatz an degradierten Flächen auf

(RICHTER, 1998). In der Tab. 1 wird ein Überblick über den Umfang der Bodendegradation

der einzelnen Kontinente gegeben.

Tab. 1 Umfang der Boden-Degradierung je Kontinent (nach RICHTER et al., 1998)

Kontinent nicht nutzbar nicht degradiert degradiert

Gesamtfläche

Mill. km² Mill. km² % Mill. km² % Mill. km² %

Europa 9,50 0,01 - 7,30 77 2,19 23

Asien 42,56 4,85 11 30,23 71 7,48 18

Afrika 29,66 7,32 25 17,40 59 4,94 16

Australien 8,82 0,95 11 6,84 77 1,03 11

Nordamerika 18,85 0,75 4 17,15 91 0,95 5

Mittelamerika 3,06 0,53 17 1,90 62 0,63 20

Südamerika 17,86 0,28 2 14,97 85 2,43 13

Landdegradation und Desertifikation sind weltweite Probleme, die seit langer Zeit bekannt

sind. Als wichtigsten Prozess zur Desertifikation ist daher besonders die Erosion zu

untersuchen. Dennoch fehlen gerade in der Erosionsforschung Methoden, die

Erosionsquantifizierung zu verbessern, ohne auf das Gelände einzuwirken. Meist wird der

natürliche Zustand des Boden verändert und somit sind natürliche Bedingungen nicht mehr

gegeben. Dadurch werden Aussagen verfälscht, bzw. lassen sich dann nur schwer für die

Vorbeugung vor Erosion einsetzen. Kann man Erosion besser quantifizieren, dann lassen sich

1 Einleitung 13

auch in der Prävention vor Erosion, degradierten Flächen und somit vor Desertifikation

weitere Erfolge erzielen.

1.2 Arbeitsziel

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Messmethodik zur Quantifizierung der Erosion. Die Arbeit verfolgt daher folgende drei Hauptziele.

1. Quantifizierung der Oberflächenveränderungen und der Erosion mit einem

terrestrischen Laserscanner.

In einem von Degradation betroffenem Gebiet wurden über mehrere Monate

Messungen an ausgewählten Untersuchungspunkten vorgenommen. Anhand der

erhobenen Daten werden im Verlauf dieser Arbeit die Veränderungen der Oberfläche

quantifiziert. Ziel ist eine Analyse der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der

Oberflächenstruktur.

2. Ein Vergleich der Daten der Oberflächenveränderung mit den klimatischen Daten, wie

z.B. Niederschlag und Windrichtung.

Da das Untersuchungsgebiet von verschiedenen Forschungsgruppen untersucht wird,

stehen für diese Arbeit klimatische und hydrologische Daten zur Verfügung. Diese

werden zum Vergleich mit den eigenen Daten genutzt, um Zusammenhänge zu

untersuchen. Zu Beginn der Arbeit sollte nur die Wassererosion als beeinflussender

Faktor behandelt werden. Da aber im Verlauf der Feldarbeit und der Auswertung der

Geländedaten auch immer mehr die Winderosion in den Vordergrund gerückt ist, soll

sie nicht vernachlässigt werden und wird deshalb in dieser Arbeit mitbehandelt.

3. Validierung der Methode des Laserscanning und der Benutzung des Laserscanners im

Gelände.

Die Methode des Laserscanners wird in dieser Arbeit nur in Bezug auf die

Untersuchung der Erosionsprozesse untersucht.

Als Endergebnis sollen Aussagen darüber getroffen werden, in welchem Maße sich das Laserscanning als unterstützende Maßnahme zu Erosionsmessung eignet.

2 Erosionsprozesse 14

2 Erosionsprozesse

Unter Bodenerosion versteht man die Ablösung und den Transport von Bodenteilchen von der Bodenoberfläche, sowie die Ablagerung an anderer Stelle. Diese Bodenteilchen können Primärteilchen oder Aggregate sein.

Es gibt zwei wichtige Formen von Erosion: Wasser- und Winderosion. Da sie für die folgenden Untersuchungen von Bedeutung sind, werden sie an dieser Stelle kurz erklärt.

2.1 Wassererosion

Bei der Wassererosion unterscheidet man zwei Teilprozesse, die Ablösung und den Transport. Verschiedene Mechanismen, die bei Regen und/oder Abfluss wirken, können sein

o rasches Befeuchten

o Regentropfen

o Oberflächenabfluss

Ist der Boden im Sommer stark ausgetrocknet und es kommt zu einem Starkregenereignis, wird die Bodenoberfläche schnell befeuchtet. Dabei schließt das eindringende Wasser Luft mit ein. Im Aggregatinneren können so Drücke bis zu 106 Pa entstehen, je nach Grad der Austrocknung. Wird der Druck zu groß, bersten die Aggregate und es kommt zur Luftsprengung. Ebenso sind Scherrisse und einseitiges Quellen der Aggregate möglich, wobei diese ihre destabilisierende Wirkung verlieren je schneller das Wasser eindringt (AUERSWALD, 1998).

Mit zunehmender Dauer des erosiven Regenereignisses verliert die Ablösung durch rasches Befeuchten an Bedeutung und wird abgelöst durch die Kräfte der Regentropfen. Diese bearbeiten die bereits geschwächten Aggregate und zerteilen sie weiter. Dabei spielt die Größe der Regentropfen eine entscheidende Rolle. Je größer ein Regentropfen ist, desto mehr Masse hat er, fällt dadurch schneller und es erhöht sich seine kinetische Energie mit dem der Regentropfen auf die Bodenoberfläche auftritt. GRAY & LEISER (1982) haben die Beziehungen zwischen Regentropfengröße, Fallgeschwindigkeit und kinetischer Energie zusammengefasst (Tab. 2).

Das Wasser kann nicht mit Fallgeschwindigkeit in den Boden infiltrieren, da die Infiltrationsgeschwindigkeit häufig nur ein Hunderttausendstel der Fallgeschwindigkeit beträgt (AUERSWALD, 1998). Daher weicht es radial entlang der Bodenoberfläche aus und erreicht fast doppelte Fallgeschwindigkeit. Dabei entstehen hohe Scherspannungen, die wiederum dazu führen, dass kleine Teilchen aus der Bodenoberfläche herausgerissen werden.


Tab. 2 Intensität, Medianer Durchmesser, Fallgeschwindigkeit und Kinetische Energie bei unterschiedlichen Arten des Niederschlags (nach GRAY & LEISER, 1982)

Intensität

Medianer Durchmesser

Fall-geschwindigkeit

Kinetische Energie

mm/h mm m/s kJ/(m²⋅h)

Nebel 0,1 0,01 0,003 10-6

Sprühregen 0,2 0,10 0,200 10-3

Nieselregen 0,5 1,00 4,200 100

Leichter Regen 1,0 1,20 4,900 101

Mittlerer Regen 4,0 1,60 5,800 102

Starker Regen 15,0 2,10 6,900 103

Gewitterregen 100,0 3,00 8,400 104

Durch den auftreffenden Regentropfen wird die Bodenoberfläche deformiert, das Material aufbereitet und der Zusammenhalt zerstört. Durch den kurzzeitigen Druck der beim Aufprall entsteht (bis zu 106 Pa), wird der Boden an dieser Stelle verdichtet. Auch Feinteile können die Poren verstopfen, so dass sich eine maximal 1 mm dicke Verschlämmungsschicht bildet. Durch sie wird die Infiltrationsfähigkeit des Bodens stark vermindert und somit der Oberflächenabfluss begünstigt (AUERSWALD, 1998).

Zum Oberflächenabfluss kommt es, wenn die Schichtdicke des Wassers mehr als 3 Tropfendurchmesser beträgt, weil dann die gesamte Energie der Tropfen vom Wasser aufgenommen wird und sich kaum Material lösen kann. Erst wenn der Abfluss auf geneigten Flächen schnell genug ist, hat er die Kraft, weitere Bodenteilchen abzulösen. und zu transportieren (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Unter Erosion versteht man aber nicht nur die Ablösung von Material, sondern auch dessen Transport. Die Transportprozesse der Wassererosion untergliedern sich wie folgt. Transport der Teilchen durch:

o Spritztropfen

o tropfeninduzierter Abflusstransport

o Oberflächenabfluss

Trifft der Regentropfen auf den Boden, so spritzt das ausweichende Wasser in einem Winkel von ca. 45° zur Oberfläche nach außen. Je nach Härtegrad des Bodens, wird der Winkel flacher oder steiler. Diese Spritztröpfchen und darin befindlichen Teilchen, maximal


sandkorngroß, können bis zu 1,5 m hoch und weit geschleudert werden. Da die Spritztröpfchen und die Bodenteilchen hangab weiter fliegen als hangauf, wird ein Nettotransport hangabwärts erzeugt. AUERSWALD (1998) beschreibt diesen Prozess als Plansch- bzw. Splash-Effekt. Seine Wirkung wird in Abb. 1 gezeigt. Deutlich dargestellt ist das Entstehen von Spritztröpfchen und deren radiales Ausweichen.

Abb. 1 Splash-Effekt ( AUERSWALD, 1998)

Spritztröpfchen tragen nicht immer zum Transport bei. Beeinflusst wird dieser Prozess vom Wasserfilm, der sich auf der Bodenoberfläche befindet. Die höchsten Ablöseraten werden bei dünnen Filmen erreicht, wenn der Wasserfilm zwischen 1/10 und 3/10 des Tropfendurchmessers beträgt. Wird der Wasserfilm mehr als 2-3 Tropfendurchmesser dick, wird der Tropfen im Wasserfilm dissipiert und die Abtragsrate ist daher vernachlässigbar (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Am Übergang zwischen Tropfen- und Abflusstransport ist der Wasserfilm bereits zu dick für den Spritztropfentransport aber noch nicht dick genug, um effektiv als Abflusstransport zu wirken. Diese Übergangsform wird daher tropfeninduzierter Abflusstransport genannt oder auch Dünnschichtabfluss. Durch die Turbulenzen der herabfallenden Tropfen werden die kleinsten Feststoffe in Suspension gehalten und können so auch bei geringem Wasserfluss transportiert werden. Dies geschieht zum Beispiel auf kurzen Hängen oder in den Bereichen zwischen den Rinnen. Als dominierender Abtragsprozess, besonders in Rillen und Rinnen, entstehen beim tropfeninduzierten Abtrag hohe Transportkapazitäten von bis zu 50 g/L Feststoffe (AUERSWALD, 1998; SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Eine weitere Transportform ist der Oberflächenabfluss. Je mehr die Fließgeschwindigkeiten ansteigen, desto höher wird auch die Transportkapazität des Abflusses. Beim Oberflächenabfluss können Geschwindigkeiten zwischen 10-1 und 100 m s-1 erreicht und dabei sogar Steine bewegt werden. Wird der Abfluss in Bahnen konzentriert dann findet dort auch der Haupttransport statt.


Diese drei Transportprozesse finden bei einem Regenereignis parallel statt. Sie können auf einander wirken und sich beeinflussen und je nach Regenintensität dominiert eine oder mehrere Formen des Transportes.

Reicht die Regenintensität nicht mehr für die Ablösung und den Abfluss aus und nimmt die Hangneigung ab, so kommt es zu Ablagerung des transportierten Materials. Dies geschieht bevorzugt am Hangfuß. Zuerst werden dabei größere Körner abgelagert und je mehr die Fließgeschwindigkeit abnimmt, desto mehr kommt es zur Sedimentation kleinerer Partikel. Die Abb. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Fließgeschwindigkeit des Wassers und dem Frachtvermögen (KUNTZE, 1994). Dabei fällt auf, dass auch Feinteile mit ca. 0,01 mm Durchmesser eine höhere Fließgeschwindigkeit zur Abtragung benötigen, als z.B. Material mit einer Korngröße von 0,2 mm Durchmesser. Dies hängt mit den kohäsiven Kräften kleinerer Partikel zusammen. Ebenso größeres Material kann nur durch höhere Fließgeschwindigkeiten transportiert werden.

Abb. 2 Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit des Wassers (cm⋅sec-1) und Frachtvermögen in Abhängigkeit von der Korngröße (mm ø) (KUNTZE, 1994)

Formen der Wassererosion

Je nach Ausbreitung und Verteilung lässt sich die Wassererosion in Flächen- oder Schichterosion, Lineare Erosion, Rillenerosion, Rinnenerosion, Gully- bzw. Grabenerosion und Tunnelerosion unterteilen. AUERSWALD (1993) hat festgestellt, dass Flächen- und Schichterosion vorwiegend im Zwischenrillenbereich stattfindet, also im Hangbereich, hingegen Lineare Erosion, wie Rinnen-, Gully-, Graben- und Tunnelerosion eher im Rillenbereich zu finden sind.

Besonders bei einer raschen Befeuchtung der Bodenoberfläche, bei Regentropfeneinschlag bzw. Dispergierung der Aggregate kommt es zur Ausbildung von Flächenerosion. Diese Prozesse wirken alle gleichsam auf eine ungeschützte Oberfläche, wobei der Transport flächenhaft stattfinden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).


Wirken die Abtragungskräfte des Oberflächenabflusses nur kleinräumig, schneidet sich das Wasser in den Boden und verursacht lineare Erosion. Von Rillenerosion spricht man, wenn lineare Erosion an vielen Stellen gleichzeitig stattfindet und dabei flache Rinnen von ca. 10 cm Tiefe entwickelt werden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Wenn die Rillen breiter und tiefer werden und eine Tiefe von 30 cm nicht überschreiten, dann handelt es sich um Rinnenerosion. Ist die Rille aber tiefer als 30 cm, handelt es sich um Gully- bzw. Grabenerosion. Bei dieser Erosionsform bewirken Regentropfeneinschläge eine Verschlämmung der Bodenoberfläche und führen so zu einem vermehrten Oberflächenabfluss. Dieser konzentriert sich dann wiederum im Graben und räumt ihn weiter aus (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Zur Tunnelerosion kann es bei einer Zweischichtung des Bodens kommen. Dabei ist der Oberboden stabil und bedeckt einen instabilen Unterboden. Durch infiltrierendes Regenwasser wird der Unterboden ausgeräumt und es bilden sich Tunnel. Wird die Tragfähigkeit des Oberbodens überschritten, kann dieser einstürzen (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Einflussgrößen

Zu den Einflussgrößen gehört die Bodenbedeckung. Sie schützt den Boden vor Tropfen und ist deshalb wirksamer, je dichter sie an der Bodenoberfläche ist. Je weiter vom Boden die Vegetationsbedeckung entfernt ist, desto mehr nimmt auch ihre Schutzwirkung ab. Von den Blättern fallende Tropfen können so wieder an Fallgeschwindigkeit zunehmen und damit erneut kinetische Energie aufbauen. Hinzu kommt, dass sich auf den Blättern die Tropfen sammeln und dann im Mittel als größere Tropfen zum Boden fallen.

Ebenso Einfluss auf die Bodenerosion hat die Bodenerodierbarkeit. So sind z.B. für die Flächenerosion besonders Schluff- und Feinsande anfällig, da ihre Einzelteilchen besonders leicht transportiert werden können. Sandböden weisen mehr linienhaften Abfluss auf, da mit höheren Transportkräften größere Teilchen aufgenommen werden können. Bei Böden mit weniger Kohäsivität kann sich der Abfluss dort schneller einschneiden und Material ablösen. Weniger erosionsanfällig sind dagegen tonige und steinige Böden. Bei steigendem Humusgehalt und steigender Wasserdurchlässigkeit nimmt die Bodenerodierbarkeit ab.

Die erosionsauslösende Wirkung von Niederschlägen wird als Erosivität beschrieben. Je höher die Intensität des Regens, desto mehr steigt das Potential zur Abflussbildung und durch die damit verbundene Zunahme der Tropfengröße auch die Fähigkeit Material abzulösen.

Die Abflussbildung wird aber nicht nur von der Erosivität bestimmt, sondern auch von der Hangneigung und der Hanglänge. KUNTZE (1994) hat den Einfluss von Hangneigung und


Hanglänge auf den Bodenabtrag deutlich gemacht (Tab. 3). Es wird deutlich, dass die Hanglänge ein wichtiger Faktor bei der Bodenerosion ist. Mehr aber noch spielt die Hangneigung eine wichtige Rolle. Sie wirkt im Gegensatz zur Hanglänge überproportional. Wenn die Hangneigung sich verdoppelt, steigt der Abtrag um das 2,9-fache (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Tab. 3 Einfluss v. Hanglänge u. Hangneigung auf den relativen Bodenabtrag (nach KUNTZE, 1994)

5 10 15 20 Hangneigung (%), 50 m Hanglänge, relative Erosion 100 293 500 806

50 100 150 200 Hanglänge (m), 5 % Hangneigung, relative Erosion 100 139 170 194

2.2 Winderosion

Die zweite wichtige Bodenerosionsform nach der Wassererosion ist die Winderosion. Darunter versteht man die beschleunigte Umlagerung von Bodenbestandteilen durch die Kraft des Windes. Die Umlagerung setzt sich aus den Prozessen der Deflation, des Transportes und der Akkumulation zusammen. Durch die Bodenoberfläche wird die Windströmung gebremst und turbulent verwirbelt. Die kinetische Energie des Windes wird dabei auf die Partikel der Bodenoberfläche übertragen und es kommt zur Bewegung der Partikel. Der daraus resultierende Transport von Bodenpartikeln lässt sich wiederum in drei Formen unterteilen – dem Kriechen, der Saltation und der Suspension. Die drei Formen beeinflussen sich alle drei gegenseitig, treten in der Natur zusammen auf und gehen auch fließend ineinander über (KUNTZE, 1994). Wie ein Bodenteilchen bewegt wird, ist abhängig von seiner Korngröße und somit auch von seinem Gewicht. Nach HASSENPFLUG (1998) sind Körner mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 0,3 mm am leichtesten in Bewegung zu versetzen. Größere Körner sind zu schwer und kleinere Partikel werden durch den Windschutz und die kohäsive Bindung am Boden gehalten. Dadurch sind sie verwehungsresistenter. Nach KUNTZE (1994) sind Sandmischkulturen stark erosionsgefährdet. Durch die geringe Dichte der Partikel ist der kritische Schubspannungsschwellenwert bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 2 – 4 m/s erreicht. Die drei Transportformen bewegen das Material über unterschiedliche Distanzen, sodass eine starke Sortierung des transportierten Materials erfolgt (KUNTZE, 1994). In der folgenden Abb. 3 sind alle drei Formen graphisch dargestellt und von KUNTZE (1994) mit Distanzen der einzelnen Transportform versehen.


Abb. 3 Sedimenttransportformen durch Wind. Die angegebenen Bereiche für Partikelgrößen entsprechen denen bei gemäßigten Windgeschwindigkeiten (KUNTZE, 1994)

Das Kriechen ist die Transportform für gröbere Bestandteile von 0,5 mm – 2,0 mm. Sie sind zu schwer, um in die Höhe geschleudert zu werden und werden nur wenige Meter weit transportiert. Meist werden sie von Sandkörnern bewegt, die durch Saltation wieder auf den Boden gelangen. Dabei werden sie angestoßen und ein Stück weiter geschoben (HASSENPFLUG, 1998).

Unter Saltation versteht man den Korntransport in einer Reihe von Sprüngen. Bereits 1943 wurde von BAGNOLD die Saltation als wichtigste Transportform beschrieben. Laut SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL (2002) werden durch diese Form 50 – 75 % des erodierenden Materials umgelagert. MORGAN (1995) hat den Prozess des Springens als Bernoulli-Effekt beschrieben. Dabei werden Bodenteilchen mit einer Größe von 0,1 mm – 0,5 mm (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002) erst ein Stück den Boden entlang gerollt und dann, wenn die Auftriebskraft das Korngewicht überwunden hat, in die Höhe gerissen. Zu diesem Hebungsmechanismus kann es kommen, da sich die Luft an jedem Punkt oberhalb des Korns aus zwei Komponenten zusammensetzt, aus der Geschwindigkeit des Windes und der Wirbelgeschwindigkeit des Korns. Oberhalb des Korns weisen beide Komponenten die gleiche Richtung auf. An der Unterseite jedoch wirken sie entgegengesetzt. An der Oberfläche des Korns herrscht nun ein Unterdruck, der Druck an der Unterseite aber nimmt zu. Diese Unterschiede im statischen Druck führen zur Auftriebskraft und bewirken beim Überwinden des Korngewichtes, dass das Korn vertikal in die Luft gehoben wird (MORGAN,


1995). Ist das Korn in der Luft, gelangt es dort in Schichten größerer Windgeschwindigkeit, wird vom Wind mitgetragen und fällt dann in einem Winkel von ca. 6° – 12° wieder zurück auf den Boden. Dabei können die Körner Distanzen zurücklegen, die das 10- bis 15-fache der Transporthöhe betragen (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002). Fallen sie dann auf erodierbare Teilchen, übertragen sie ihre kinetische Energie auf diese Teilchen (HASSENPFLUG, 1998). Die kinetische Energie wird beim Auftreffen auf den Boden aufgespaltet. Ein Teil der Energie führt zum Zerfall des Bodens und der andere Teil der Energie gibt kleine Bewegungsimpulse an andere Bodenpartikel weiter und schleudert sie in die Luft (MORGAN, 1995). Somit werden die ruhenden Bodenteilchen in Bewegung gesetzt, obwohl sie dem direkten Windangriff gar nicht ausgesetzt gewesen wären (HASSENPFLUG, 1998).

Als am weitesten reichende Transportform ist die Suspension beschrieben. Bei diesem Prozess werden Bodenpartikel deren Durchmesser kleiner als 0,1 mm beträgt, durch Saltation anderer Partikel in die Luft gehoben. Aufgrund ihres geringen Eigengewichtes werden sie dann weiter turbulent in die Höhe gerissen und können so mit höheren Windgeschwindigkeiten über weite Entfernungen, z.T. über Tausende von Kilometern, transportiert werden. Der Boden verliert dadurch Feinteile, die gerade bei Sandböden einen Verlust der Bodenfruchtbarkeit bedeuten können (HASSENPFLUG, 1998; SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Ebenso gibt es Faktoren, welche die Winderosion beeinflussen. Es werden 4 Faktoren beschrieben.

Erodierbarkeit des Bodens

Entscheidend für die Erodierbarkeit des Bodens ist die Körnung und der Humusgehalt. Unter den Mineralböden sind Sandböden am leichtesten zu verwehen. Mit einem hohen Anteil von Fein- und Mittelsanden (0,1 – 0,5 mm) ist das Material relativ leicht und weist vorwiegend Einzelkorngefüge auf. Hat dann die Erosion einmal begonnen, gibt es immer wieder Einzelkörner, die durch Saltation aufgewirbelt werden. Sie wirken dann wie ein Sandstrahlgebläse auf die Oberfläche und es können damit selbst Krusten aufgerissen werden (HASSENPFLUG, 1998).

Klimavariabilität

An erster Stelle steht hier die Windgeschwindigkeit. Danach folgt ein Komplex aus Niederschlag, relativer Luftfeuchte und der Verdunstung. Die Tab. 4 gibt einen Überblick bei welcher Windgeschwindigkeit Bodenpartikel welcher Größe transportiert werden. Die Tabelle ist KUNTZE (1994) entnommen.

Bei Mineralböden setzt die Winderosion ein, wenn 30 cm über dem Boden die Windgeschwindigkeit zwischen 4 – 6 m/s beträgt. Ab einem Korndurchmesser von 1 mm


jedoch, steigt der Widerstand gegenüber der Winderosion sehr stark an. Sind 60% der Bodenoberfläche durch Teilchen mit einer Größe > 1 mm belegt, so reicht das für eine völlige Stabilisierung der Oberfläche (MORGAN, 1995; SCHEFFER & SCHACHTSCHEABEL, 2002).

Tab. 4 Windstärke und bewegte Teilchengröße (nach KUNTZE, 1994)

Windstärke nach Beaufort Bewegtes Material

Grad Windart m/s Durchmesser in mm Bezeichnung

1 leiser Zug bis 0,5 0,002 bis 0,063 Schluff (Staub, Löß)

1 leiser Zug bis 1,5 bis 0,1 Feinstsand

2-3 leichte bis schwache Brise bis 4 bis 0,25 Feinsand

3-4 schwache bis mäßige Brise bis 7 bis 0,63 Mittelsand

6-7 starker bis steifer Wind bis 15 bis 1,0 Grobsand

8-9 Sturm (> 10: Orkan) bis 25 bis 10,0 Mittelkies

Vegetationsdecke

Eine Vegetationsdecke schützt den Boden dauerhaft und wirkungsvoll. Durch die erhöhte Reibung am Pflanzenmaterial wird die bodennahe Windgeschwindigkeit verringert. Ebenso fängt das Blattwerk der Vegetation in Bewegung geratende Bodenpartikel wieder auf (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

Rauhigkeit von Gelände und Bodenoberfläche

Die Rauhigkeit der Geländeoberfläche steuert das Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit und damit das tatsächliche Ausmaß der Winderosion. Bei rauen Oberflächen beträgt die Nullhöhe (Höhe, bei der die Windgeschwindigkeit gleich Null ist) nur wenige Millimeter, bei Vegetationsbedeckung kann die Nullhöhe auf mehrere Dezimeter ansteigen. Je schneller die Geschwindigkeit über dieser Nullhöhe ansteigt, desto größer sind die Scherkräfte, die auf die Nullhöhe treffen (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

3 Das Untersuchungsgebiet 23

3 Das Untersuchungsgebiet

Bodendegradation ist ein weltweites Problem, von dem häufig die ariden und semiariden Gebiete betroffen sind. In Deutschland gibt es Gebiete, die auch durch solche Prozesse gekennzeichnet sind, wie z.B. Teile Brandenburgs. Laut der Definition von Degradation nach der UNCCD von 1994 (DIEZ, 2005) weist das Untersuchungsgebiet Degradation auf. Aufgrund des aktiven Tagebaus sind die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens stark verschlechtert. Durch die Abholzung ist der natürliche Pflanzenbestand auf lange Zeit verschwunden. Da die Kippsubstrate vegetationsfrei sind und noch nicht wieder ausreichend verfestigt, kann Bodenerosion durch Wasser und Wind wirken.

Auch klimatische Veränderungen in Form zunehmender Trockenheit verstärken diese Prozesse. In den letzten Jahren kam es in Brandenburg immer häufiger zu einer Verschiebung der saisonalen Niederschlagsverteilung. Dies führte zu immer trockeneren Sommermonaten (LEMMNITZ, 2004). Mit einer Jahresniederschlagssumme unter 600 mm gehört das Land zu den trockensten Regionen Deutschlands und Europas. Das Lausitzer Braunkohlegebiet weist lokal sehr trockene Bedingungen auf.

Aufgrund der oben genannten klimatischen und geologischen Bedingungen (Trockenheit, Umlagerung der Substrate, Bodeneigenschaften) bietet sich das Untersuchungsgebiet für Untersuchungen zur Bodendegradation besonders an. Aus diesem Anlass wurde das Projekt „Quantifizierung oberflächennaher Prozesse zur Charakterisierung von trockenheitsinduzierten Veränderungen von Bodeneigenschaften, Erosion und Wasserhaushalt“ des GeoForschungsZentrums Potsdam in Zusammenarbeit mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus ins Leben gerufen, in dessen Rahmen die vorliegende Diplomarbeit entstand. Im Juli 2002 wurde ein Bio-Monitoring-Programm in dem Rekultivierungsgebiet Welzow-Süd eingeführt und umfasst eine eingezäunte Fläche von 37 ha. Dort finden seit dem Untersuchungen zur Bodendegradation statt (CHABRILLAT, 2003). Im Folgenden wird das Untersuchungsgebiet näher beschrieben, ebenso wie die einzelnen Untersuchungsfelder, die zur Erosionsmessung herangezogen wurden.

3.1 Lage und Geologie

Das Untersuchungsgebiet gehört zu einer Rekultivierungszone im Braunkohletagebau Welzow-Süd und befindet sich etwa 30 km südlich von Cottbus (HAUBROCK, 2005). Die zeigt eine Übersichtskarte des Lausitzer Braunkohlereviers, in dem auch das Untersuchungsgebiet im Tagebau Welzow-Süd liegt. Dieses weist ein Nord-Süd-Gefälle auf (HAUBROCK, 2005) und zählt geologisch betrachtet zur Welzower Tertiärhochfläche (NOWEL, 1994). Die Aufschlussmassen bestehen teilweise aus reinem Flaschenton und das Deckgebirge besteht im Wesentlichen aus den Schichten der Raunoer Folge.


Abb. 4 - a) Lausitzer Braunkohlerevier (BUNGART, 1998); b) Luftbildaufnahme vom Tagebau Welzow – Süd; c) Untersuchungsgebiet (HAUBROCK, 2005)

Abb. 4 a)

Abb. 4 b)

Abb. 4 c)


Diese sind charakterisiert durch helle Quarzsande und Quarzkiese, sowie tonigem Material und beschränken sich vor allem auf solche Gebiete, die von quartärer Erosion verschont geblieben sind. Dazu gehört auch die bekannte Tertiärhochfläche Welzow (BUNGART, 1998; NOWEL, 1994).

Kippsubstrate von Braunkohletagebauen weisen sehr charakteristische Merkmale auf. Das Material ist von einem natürlich gewachsenen Boden zu einer Kippfläche umgelagert worden. Dabei ist die Stratigraphie zerstört worden, Bestandteile sind mit Sauerstoff in Kontakt gekommen und haben so ihre chemischen Eigenschaften verändert. Kennzeichnend für Kippsubstrate ist ein extrem niedriger pH-Wert, die Textur der Substrate und der hohe Pyrit- und/oder Salzgehalt (BUNGART, 1998).

Die Substrate des Gebietes sind vorwiegend gelbbraune bis hellgelbbraune, kiesige anlehmige Mittelsande mit Grob- und Feinsand mit mehr oder weniger beigemengten Schluff- und Tonbrocken (BUNGART, 1998). Es lassen sich petrographisch drei große Gruppen herausstellen. Im nördlichen Bereich besteht das Material aus Sanden tertiärer Herkunft. Sie charakterisieren sich durch ihre graue Farbe und die große Korngröße mit einem geringen Wasseraufnahmevermögen. Bei einem geringen pH-Wert von 4 ist Vegetation nur spärlich vorhanden. Der Boden ist karbonatfrei und kaolinreich (HAUBROCK, 2005).

Abb. 5 Untersuchungsgebiet im Tagebau Welzow – Süd (nach HAUBROCK, 2005)

Der nördliche Bereich ist am höchsten gelegen, weshalb sich an dieser Stelle auch der höchste Abfluss wiederfindet. Dieser erfolgt in südlicher Richtung. Südlich angrenzend sind Sande

6

1

4

23 Düne

Quartär Quartär, Fe-Kruste Quartär, Salzkruste Quartär, Schilf Tertiär Ton

Testflächen Rinnen

Untersuchungsfelder

Legende

Substrat


quartärer Herkunft mit geringer Bodenvegetation zu finden. Und noch weiter südlich grenzen zwei Tonhügel an die Quartärsande und bilden die Ost- und Westgrenze (Abb. 5). Sie weisen eine sehr geringe Korngröße auf und zwingen das Wasser in südlicher Richtung abzulaufen. Sie sind durch verschiedene Vegetationstypen gekennzeichnet (HAUBROCK, 2005).

Da das Gebiet sich in einer Rekultivierungszone befindet, eingezäunt ist und seit Juli 2002 nicht bearbeitet wurde, sind dort ungestörte Bedingungen zu finden.(HAUBROCK, 2005) Die Böden sind ehemalige Kippflächen und somit nicht natürlich gewachsen. Das größte Unterscheidungsmerkmal zu natürlich gewachsenen Böden besteht daher im Fehlen ökologischer Bodenfunktionen. (BUNGART, 1998)

3.2 Klimatische Bedingungen

Im Land Brandenburg findet sich eine starke räumliche Strukturierung der Lufttemperatur und der Niederschläge. Die Jahresmittelwerte der Lufttemperatur und der Niederschläge von 1951 – 2000 sind der Abb. 6 zu entnehmen. Das Land Brandenburg ist deutlich trockener als andere Teile Deutschlands. Daraus ergibt sich für das Untersuchungsgebiet eine Jahresmitteltemperatur zwischen 8,5° bis 9,5°C. Die Jahresniederschlagswerte liegen deutlich unter 600 mm. Das Lausitzer Braunkohlerevier befindet sich somit in einem der trockeneren Gebiete im Land Brandenburg.

Abb. 6 Jahresmittellufttemperatur & Jahresniederschlagssumme im Land Brandenburg (1950-2000) (nach GERSTENGARBE, 2003)

Berlin Berlin

Cottbus Cottbus


3.3 Untersuchungsfelder

Im Untersuchungsgebiet sind 6 Testflächen (auch Plots genannt) angelegt worden, welche über die Quartär- und Tertiärsande verteilt liegen (siehe Abb. 5). Plot Nr. 5 ist aufgrund seiner Größe von 2 m x 2 m aus dem Messprogramm ausgeschlossen worden. Alle gemessenen Plots sind, mit Ausnahme von Plot Nr. 3, 1 m x 1 m groß. Plot Nr. 3 ist 0,5 m x 0,5 m groß.

Die Plots 1, 2 und 3 befinden sich im oberen (tertiären) Bereich. Plot 4 und 6 wurden im quartären Bereich angelegt. Die Plots wurden von 4 Seiten mit Holz- bzw. Metallplanken umgeben (Abb. 7), sodass über die Seiten kein horizontaler Eintrag und Austrag möglich ist. Am unteren Ende des Plots in vorherrschender Erosionsrichtung wurde ein Auslass angebracht, damit Regenwasser abfließen kann und Material aus dem Plot ausgetragen werden kann. Eine Auffangrinne unterhalb der Öffnung lässt eine Gewichtsmessung des ausgetragenen Materials zu. Auch die Möglichkeit zur Abflussbestimmung ist somit gegeben.

Abb. 7 Plot 1 mit Holzumrandung (1m²), Plot 3 mit Metallumrandung (0,25m²)

Zusätzlich zu den Plots werden auch drei Rinnenabschnitte als Untersuchungsfelder genutzt. Sie sind auf den oberen (Rinne oben), mittleren (Rinne unten) und der unteren Bereich (große Rinne) des Hanges verteilt (Abb. 5). Alle drei Rinnen sind optisch durch 4 Heringe begrenzt (Abb. 8, Abb.9). Es kann also Material sowohl ein- wie auch ausgetragen werden. Ebenso kann Oberflächenwasser hangabwärts durch die Rinnen fließen.

Abb. 8 Untersuchungsfelder: Rinne oben, Rinne unten – Begrenzung durch Heringe


Abb. 9 Untersuchungsfeld: Große Rinne – Begrenzung durch Heringe

3.3.1 Lage

Die Untersuchungsfelder sind über den gesamten nördlichen Bereich verteilt (Abb.5). Da auf den Tertiär- und teilweise auf den Quartärflächen nur sehr wenig Vegetation vorhanden ist, wurde eine erhöhte Erosion erwartet.

In der Tab. 5 sind die Testflächen mit ihren Hangneigungen aufgelistet. Alle 1m²-Plots haben etwa die gleiche Hangneigung zwischen 4° - 6°. Der kleinste Plot Nr. 3 hat hingegen die stärkste Hangneigung mit 14°. Die Neigungen der Rinnen sind nicht bekannt.

Tab. 5 Lage, Größe und Neigung der Testflächen (nach KUHNERT, 2005)

Fläche Lage Größe [m²] Neigung [°]

1 Tertiärsand 1 4,9

2 Tertiärsand 1 5,3

3 Tertiärsand 0,25 14,1

4 Quartärsand 1 5,3

6 Quartärsand 1 6,8

3.3.2 Korngrößenanalyse

Der Hauptanteil der Substrate im Gebiet besteht vorwiegend aus quartären, gelbbraunen bis hellgelbbraunen, kiesigen anlehmigen Mittelsanden mit Grob- und Feinsand, mit mehr oder weniger beigemengten Schluff- und Tonbrocken (BUNGART, 1998).


Zur Bestimmung der Korngrößen wurden vom GFZ eigene Analysen durchgeführt. In der Tab. 6 sind die Messergebnisse für das gesamte Bodensubstrat, sowie aufgeschlüsselt für reinen Sand, dargestellt. Die Einteilung des Kiesanteils sowie die Einteilung der Bodenartenuntergruppe „reiner Sand“ richtet sich nach AG BODEN (1996). Demnach besteht das Substrat vorwiegend aus feinsandigem (fs)- und grobsandigem (gs) Mittelsand (mS), mit schwach bis mittlerem Kiesanteil. Die Abb. 10 gibt einen Überblick über die Verteilung im Untersuchungsgebiet.

Tab. 6 Korngrößenverteilung (nach KUHNERT, 2005) und (AG BODEN, 1996)

Korngröße [mm] < 0,063 Schluff & Ton [%]

0,063 - 2 Sand [%]

2 - 63 Kies [%]

Mischprobe Kiesanteil [Vol.-%]

Nr. 1 1,8 72,8 25,4 stark kiesig

Nr. 2 1,7 71,2 27,2 stark kiesig

Nr. 3 2,7 85,2 12,1 mittel kiesig

Nr. 4 1,5 92,6 5,9 schwach kiesig



Korngröße [mm] 0,063 – 0,2 fS [%]

0,2 – 0,63 mS [%]

0,63 – 2,0 gS [%]

Klassifizierung der Mischproben

Mischprobe

Nr. 1 12,8 47,1 40,1 mSgs

Nr. 2 11,3 36,8 51,9 gSms

Nr. 3 16,6 65,0 18,4 mSgs

Nr. 4 8,6 66,0 25,4 mS

Nr. 5 14,7 59,6 25,8 mSgs

Nr. 6 26,0 56,0 18,1 mSfs


Abb. 10 Korngrößenverteilung im Untersuchungsgebiet (nach KUHNERT, 2005)

6

1

4

23

Düne Quartär Quartär, Fe-Kruste Quartär, Salzkruste Quartär, Schilf Tertiär Ton

Testflächen Rinnen

Untersuchungsfelder Substrat Legende

4 Erosionsmessung 31

4 Erosionsmessung

In diesem Kapitel werden Methoden der Erosionsmessung betrachtet, die im Gelände angewendet werden können, da sie ein Focus für diese Arbeit sind. Bei der Erosionsmessung ist es wichtig, dass quantitative Aussagen über das Erosionsverhalten bestimmter Böden gemacht werden können. Es gibt unterschiedliche Methoden, die sich in ihrer Messgenauigkeit und in den bevorzugten Einsatzmöglichkeiten unterscheiden. Die kurze Übersicht findet eine starke Anlehnung an den Ausführungen von WEISSMANN (2001) und SCHMIDT (1998). Demzufolge kann Erosion auf unterschiedlichen Skalen gemessen werden. Zum Einen lassen sich die Methoden nach der Größe des Untersuchungsgebietes gliedern, aber auch nach der Lage, wie z.B. am Hang. MAIROTA (1998) unterscheidet zwischen Einzugsgebieten im Makro-, Meso- und Mikro-Skalenbereich.

4.1 Direkte Messmethoden

4.1.1 Flächenhafte Gebietsmessungen

Für besonders große Einzugsgebiete hat sich die Kartierung auf Basis von Feldmessungen bewährt. Bei dieser Methode können Abtragsumlagerungen und Abtragsverluste für größere Gebiete bestimmt werden. Dazu werden überwiegend komplexe Schadenskartierungen verwendet, kombiniert mit Messungen des Gebietsabflusses. Es sind flächendeckende Aussagen bezüglich der Erosion und Akkumulation möglich. Die Methode wird angewendet mit dem Ziel der Bilanzierung, der Erlangung eines flächenhaften regionalen Überblicks und der Bestimmung von Schwerpunktgebieten. Differenzierungen der einzelnen Abtragsprozesse innerhalb des Gebietes sind allerdings nicht möglich (WEISSMANN, 2001).

4.1.2 Quasiflächenhafte Feldmessungen

Eine weitere Größenordnung in der Erosionsmessung betrieben werden kann, sind die quasiflächenhaften Messungen. Dazu zählt die Erosionsmessung an Hängen. Dazu greift man auf die Verwendung von Feldkästen, Feldstationen und Erosionsmessstäben zurück. In den Bezugsflächen zwischen 50 m² und 150 m² soll bei den ersten beiden Geräten erodiertes Material aufgefangen werden. Die Erosionsmessstäbe dienen dazu, die Distanz zwischen dem Stabende und der Bodenoberfläche zu messen (WEISSMANN, 2001).


4.1.3 Punktuelle Messungen

Als dritte Größenordnung gibt es noch die Untersuchung an Plots. Sie dienen der Erfassung von Grundlagendaten und sind punktuell an kleinen Testflächen durchzuführen. Diese können im Mikroskalen-Bereich von 1 x 1 m sein, oder auch größer mit 10 x 3 m. Sie sollten aber nicht größer als 50 m² sein (WEISSMANN, 2001).

Die Testflächen können eingegrenzt sein, z.B. mit Holz- oder Metallplanken und einen Auslass haben, oder offen sein. Beide Möglichkeiten sind in dieser Arbeit vertreten. Bei den Testflächen im Mikroskalen-Bereich kann die Belastung durch überströmendes Wasser, der Bodenabtrag durch Auffangen in Sammelbehältern und eventuell anschließendes Abfiltrieren gemessen werden. Ebenso können verschiedene Parameter wie der Bodenfeuchte, Bodentemperatur und die Saugspannung in unterschiedlichen Tiefen untersucht werden. Ideal sind solche Messungen natürlich unter Laborbedingungen zu machen. Dann jedoch sind natürliche Parameter, wie möglicherweise Sonneneinstrahlung nicht mehr gegeben. Sind sie Auffangbehälter für die Abflussmengen zu klein gewählt, kann diese Methode schnell versagen, da die Auffangbehälter bei starken Regenfällen nach kurzer Zeit überfüllt sind und dann überlaufen (WEISSMANN, 2001).

4.1.4 Tracermethode

SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL (2002) stellen eine weitere Methode zur Messung der Erosion im Gelände vor, die aber keine Rückschlüsse auf eine bestimmte Größe des Untersuchungsgebietes zulässt. Dabei handelt es sich um die Tracermethode. Es werden bestimmte Tracer, also Markierstoffe, eingesetzt, um Prozesse im Umweltbereich, wie z.B. bei der Erosionsforschung zu untersuchen und zu quantifizieren. Der Tracer, z.B. das aus oberirdischen Kernwaffenversuchen stammende 137Cs, wird auf den Boden aufgebracht und an den Boden sorbiert. Dies geschieht bevorzugt an Tonmineralen. Der Tracer ist dann so fest am Boden sorbiert, dass er nur noch zusammen mit dem Boden verlagert werden kann. Der Nachteil dieser Methode liegt darin, dass unmittelbare Rückschlüsse auf die Art des schädigenden Prozesses, wie z.B. Wind-, Wasser- oder Bearbeitungserosion, nicht möglich sind (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2002).

4.2 Indirekte Messmethoden

4.2.1 Nadelprofilmeter

Im Versuch Bodenrauhigkeit zu messen, die verbunden ist mit Erosion, wurde von der ESA (European Space Agency) während der DAISEX - Kampagne (Digital Airborne Spectrometer Experiment) 1999/2000 Messungen zur Bodenrauhigkeit gemacht. Die Idee, quantitativ


Oberflächenrauhigkeit zu messen, ist nicht neu, es hat bis dahin nur kein geeignetes Gerät zur Verfügung gestanden.

1999 verwendete man bei diesem Experiment einen Nadel-Profilmeter, welcher mit einer Aneinanderreihung von Nadeln ein Profil der Bodenoberfläche erstellt. Die Abb. 11 zeigt den Aufbau im Gelände. Das Gerät besteht aus einem Brett mit vielen nebeneinander liegenden Nadeln und wird horizontal über die zu messende Oberfläche gestellt. Dabei reicht es über eine Länge von 97 cm, wobei die Nadeln alle 0,5 cm angebracht sind. Diese Nadeln können langsam vertikal auf die Bodenoberfläche fallen gelassen werden. Eine feste Wand mit Millimeterpapier dahinter erlaubt eine genaue Messung der Nadeln. Die Einstellung der Nadelentfernung und Nadelgröße orientiert sich an makroskopischen Rauhigkeitseffekten.

Abb. 11 Erfassung der Oberflächenrauhigkeit mit einem Nadel-Profilmeter (BERGER, 1999)

Die gezeichnete Oberflächenstruktur auf dem Millimeterpapier wird dann im Labor digitalisiert und geometrisch korrigiert. Dabei wird die Verzerrung auf dem Bild, entstanden durch die Rekonstruktion auf dem Millimeterpapier, bearbeitet. Nach der Korrektur wird ein Höhenprofil mit einer Auflösung von 1 mm erstellt. Dabei müssen die Höhen manuell gemessen werden. Die Abb. 12 zeigt so ein Höhenprofil, wobei die roten Punkte, die Höhenmarken auf dem Millimeterpapier wiedergeben. (BERGER, 1999)

Im Jahr 2000 wurde diese Methode erweitert. Es konnte dann über eine Länge von 200 cm gemessen werden, mit 400 Nadeln, und die Erfassung der Höhenmarken erfolgte automatisch mit einem Algorithmus (WURSTEISEN, 2000).

Abb. 12 Höhenprofil nach geometrischer Korrektur (BERGER, 1999)


4.2.2 Laserscanning

Die Methode des Laserscanning wird in dieser Arbeit als eine neue Methode zur Erosionsmessung eingesetzt. Mit dem Laserscanning lässt sich berührungslos die Oberflächenrauhigkeit messen und es können daher Erosionsprozesse bestimmt werden. Es muss nicht auf die Bodenoberfläche und damit in den Erosionsprozess eingegriffen werden. Durch den Vergleich der Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten sind auch Aussagen über die Veränderung der Oberfläche möglich.

4.3 Forschungsstand zur Erosionsmessung mit Laserscanning

Messung der Oberflächentopographie mit einem Laserscanner

Die ersten Messungen der Oberflächentopographie wurden in den 1980er Jahren gemacht. Dazu benutzte man ein berührungsloses, optisches System. Dieses System besteht aus einer Kamera und einem Laserscanner. Es handelt sich dabei um einen Helium-Neon-Laser und eine Spiegelreflexkamera mit einer 35-mm-Linse. Der ausgesendete Laserstrahl trifft auf die Erhebung der Oberfläche, reflektiert zurück und wird dabei von der Kamera detektiert. Dabei wird eine Auflösung zwischen 1 mm und 1 m erreicht, je nach Laser – Kamera – Entfernung und Winkel. Der Laserscanner misst mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s, wobei im 1-mm-Abstand gemessen wurde. Diese Methode nennt man Transektmessung, da punktuell mit einem bestimmten Abstand auf einer Linie gemessen wird (HUANG, 1988).

Später wurde dieses System überarbeitet. Der Laserscanner wurde tragbar. Es kann in einer Gittergröße zwischen 5 und 50 mm gemessen werden. Der Scanner besteht aus einem optischen Umwandler für die Messung der Oberflächenhöhe, hat eine motorgesteuerte Fahrschiene in X- und Y-Richtung und kann maximal ein Gebiet von 1m x 1m messen. Das System hat keine Störgeräusche und eine Höhenauflösung von 0,1 mm bis 0,3 mm (HUANG, 1990).

Erste Einsätze von Laserscannern

Die ersten Geländeuntersuchungen mit einem Laserscanner wurden in den USA beim U.S. Department of Agriculture in Kansas und Indiana gemacht. KURTZ (2000) beschreibt, dass der Laserscanner die Rückstände von Erntematerial misst. Dabei soll die Mitwirkung von Pflanzenrückständen auf die Erosionsverminderung untersucht werden. Durch die Messung der verbliebenen Pflanzenrückstände auf einem Feld soll die Effektivität für die Erosionskontrolle betrachtet werden. Dabei gibt der Laser ein Bild eines Landschaftsstreifen mit der Länge von 4 m wieder, wie bei einem Photokopierer. Der Kamera ist dabei mit einer 35-mm-Linse und einem Laserstrahl ausgestattet. Der Scanner scannt die Fläche mit einer


roten Linie ab, ähnlich wie beim kopieren. Dabei werden die Bildhöhen auf etwa 0,025 mm gemessen und in über 3.000 Bildpunkten pro Sekunde wiedergegeben. Es wird somit ein Profil erstellt, welches über 4 m lang ist und bis 50 cm breit (KURTZ, 2000).

Durch die Oberflächenrauhigkeit und den Pflanzenrückständen können die Forscher eine Idee des Felderosionspotentials bekommen. Bodensenken, z.B., erodieren während Regenereignissen langsamer, da das Wasser in den Senken stehen bleibt. Danach füllen sich diese Senken wieder auf und der Oberflächenabfluss sowie die Erosionswahrscheinlichkeit steigen.

Vorteile dieser Messmethode sind das schnelle Scannen auf einer großen Skala. Da Pflanzenrückstände mit Kohlenstoff im Boden korrelieren, hat dies einen Nutzen für die Umwelt (KURTZ, 2000).

5 Methodik des Laserscanning 36

5 Methodik des Laserscanning

5.1 Entfernungsmessung

Es ist heutzutage wichtig, Oberflächenrauhigkeit und Struktur von Stoffen und Formen erfassen zu können und bestimmte Entfernungen so genau wie möglich zu bestimmen. Für die Laserentfernungsmessung gibt es verschiedene Methoden: das Laufzeitverfahren, Laserinterferometer und die Lasertriangulation (SURMANN, 2001; DONGES, 1993).

Das Laufzeitverfahren, wie es beim Laserradar eingesetzt wird, verwendet man vorwiegend für Messungen im mittleren und größeren Entfernungsbereich (KOCH, 1998). Dabei wird ein extrem kurzer Lichtimpuls (Laserstrahl) vom Scanner zum Objekt gesendet und dort diffus reflektiert. Eine Empfangsdiode im Scanner misst das reflektierte Licht und bestimmt so über die Lichtlaufzeit die Entfernung zum Objekt, da die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist (SURMANN, 2001; WEISSMANN, 2001). Die Messgenauigkeit dieser Methode ist abhängig von der Länge des Laserpulses, dem Detektor und dem Laufzeitmesssystem (BOLLMANN, 2002).

Beim Laserinterferometer wird direkt keine absolute Weglänge berechnet. Vielmehr werden sich überlagernde Lichtwellen, die verschiedene Wegstrecken zurückgelegt haben, analysiert. Die Intensität der resultierenden Welle wird gemessen und dadurch indirekt die Wegdifferenz bestimmt. Mit Interferometrie werden Weggenauigkeiten von weniger als ½ Wellenlänge erreicht. Daher werden Laserinterferometer besonders für kurze Entfernungen im Bereich weniger Mikrometer bis etwa 60m verwendet (DONGES, 1993).

Das dritte Verfahren ist die Lasertriangulation. Dabei wird die Reflektion eines Laserstrahls gemessen und mittels Dreiecksberechnung der Abstand zum Objekt bestimmt (FÜREDER, 2005). Auch die Lasertriangulation eignet sich besonders für kurze Entfernungen. Da diese Methode im untersuchten Gebiet angewendet wird, wird sie im folgenden Kapitel näher erläutert.

5.2 Grundlagen zum Laser und Laserscanning

In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Lasertriangulation und des Laserscanning erklärt. Dabei wurde vorwiegend auf Literatur von DONGES (1993) und FÜREDER (2005) zurückgegriffen.

Um einen Punkt trigonometrisch berechnen zu können, müssen zwei Punkte und der Abstand zwischen diesen beiden Punkten bekannt sein. Durch Winkelmessungen kann dann die Lage eines beliebigen Punktes im Raum eindeutig berechnet werden. Beim klassischen Verfahren wird für die Umsetzung ein Theodolit verwendet. Aktive Verfahren nutzen eine Lichtquelle,


meist einen Laser. Der Laser wirft unter einem bekannten Winkel einen Lichtstrahl auf das zu bemessene Objekt. Ein Detektor, meist in Form einer Kamera, registriert das Streulicht. Da die Strahlrichtung und der Abstand zwischen Laser und Kamera bekannt, kann durch Triangulation die Entfernung zum Objekt gemessen werden (FÜREDER, 2005). Die Abb. 13 zeigt das Prinzip der Laser – Triangulation.

Abb. 13 Prinzip der Laser – Triangulation (DONGES, 1993)

Das Triangulationsverfahren ist ein punktorientiertes Verfahren zur Bestimmung der Lage von Punkten im Raum. Beim Laserscanning wird dieses Berechnungsverfahren verwendet, da die Verbindung Kamera-Lichtquelle und die beiden Strahlen von und zum Objekt ein Dreieck bilden. Dieses Messverfahren eignet sich besonders gut für kurze Entfernungen von wenigen Millimetern bis zu 50m (DONGES, 1993; FÜREDER, 2005).

Die unterschiedlichen Oberflächen der Messobjekte weisen verschiedene Streueigenschaften auf. In der Abb. 14 sind 4 verschiedene Fälle aufgezeigt. Dabei handelt es sich im ersten Fall um eine spiegelnde Oberfläche mit gerichteter Reflexion (a). Die zweite Teilabbildung zeigt den Idealfall, wenn die Oberfläche in alle Raumrichtungen gleichförmig streut (b). Der für die Praxis relevante Fall (c) zeigt eine Streukeule, deren Maximum auf eine gedachte Reflexionsrichtung ausgerichtet ist. Trifft ein Laserstrahl auf Kunststoff oder Flüssigkeiten, dann dringt der Laserstrahl teilweise in die Oberfläche ein (d) (DONGES, 1993).

Abb. 14 Streueigenschaften verschiedener Messobjekte (DONGES, 1993)

a b c d


3D Laserscanner werden in folgenden Bereichen eingesetzt: Cultural Heritage, Reverse Engineering, Rapid Prototyping, Inspektion und Verifikation, Medizin und Computer Imaging (FÜREDER, 2005). Für die Messungen im Gelände wurde der 3D-Laserscanner VIVID 900 von Minolta verwendet (Abb. 15). Der Scanner dient der Erfassung von Oberflächen in dreidimensionaler Darstellung. Der Laserscanner wurde als Laborgerät konzipiert. Die Messung erfolgt über ein Transekt mehrerer paralleler Laserstrahlen, die zeitgleich die Zielfläche abscannen.

Abb. 15 3D-Laserscanner VIVID 900 von Minolta (www.konicaminolta.de, 2005)

Der Laser arbeitet mit einem berührungslosen optischen Messverfahren, ist portabel und kompakt. Der Laser ist kalibrierungsfrei und durch einen Rot-Gelb-Blau-Filter wird die Textur (Farbe) des Objektes erfasst. Er arbeitet im Wellenlängenbereich von 690 nm und ist einsatzfähig bei einer Beleuchtungsstärke der Umgebung von weniger als 500 lx. Es können Objekte mit einer Entfernung zwischen 0,6 m – 2,5 m erfasst und gescannt werden. Um Objekte in unterschiedlicher Entfernung zu messen, ist das Gerät mit drei austauschbaren Linsen ausgestattet. Die TELE – Linse ist mit einer Brennweite von 25 mm für Nahaufnahmen geeignet. Im mittleren Bereich wird die MIDDLE – Linse verwendet, mit einer Brennweite von 14 mm. Für Messungen an weiter entfernten Objekten eignet sich die WIDE – Linse. Sie hat eine Brennweite von 8 mm. Für die vorliegende Arbeit wurde die WIDE – Linse im Gelände verwendet. Die Tab. 7 gibt einen Überblick über die Aufnahmebereiche der 3 verschiedenen Linsen.

Tab. 7 Aufnahmebereiche für X-, Y- und Z-Richtung der 3 verschiedenen Linsen des Laserscanners VIVID 900

Linse X-Richtung Y-Richtung Z-Richtung

TELE 111-463 mm 83-347 mm 40-500 mm

MIDDLE 198-823 mm 148-618 mm 70-800 mm

WIDE 359-1196 mm 269-897 mm 110-750 mm


Die Scandauer beträgt 2,5 s und bei jedem Scan wird die Fläche in ca. 300.000 Pixel aufgelöst (640 x 480 Bildpunkte). Die Abweichungen mit der TELE – Linse liegen zwischen 0,1 mm und 0,22 mm für die Richtungen X, Y und Z. Mit der WIDE – Linse sind die Abweichungen größer. Die zulässige Scanfläche liegt zwischen ca. 10 cm² (TELE – Linse) und 1 m² (WIDE – Linse).

5.3 Datenakquisition im Gelände

5.3.1 Beschreibung der Messung

Für das Projekt „Quantifizierung oberflächennaher Prozesse zur Charakterisierung von trockenheitsinduzierten Veränderungen von Bodeneigenschaften, Erosion und Wasserhaushalt“ sind im Jahr 2005 im Zeitraum März bis November 9 Messungen im Gelände durchgeführt worden. Die Daten und welche Flächen dabei bemessen wurden, sind der Tab. 8 zu entnehmen.

Tab. 8 Aufnahmedaten im Messzeitraum März bis November 2005

31. Mrz 13. Apr 10. Mai 26. Mai 13. Jul 08. Aug 31. Aug 12. Okt 02. NovFläche 1 x x x x x x x x Fläche 2 x x x x x x x Fläche 3 x x x x x x x x x Fläche 4 x x x x x x x x Fläche 6 x x x x x x x x Große Rinne x x x x x x x x Rinne oben x x x x x x x x Rinne unten x x x x x x x x

Während der Messungen im Gelände wurde immer nach der gleichen Vorgehensweise gemessen. Dabei wird der Laserscanner zuerst auf einem Stativ befestigt und an einen Laptop angeschlossen. Die Aufnahmen erfolgen mit dem Programm Polygon Editing. Nach Ausrichtung des Laserscanner auf das Objekt durch den Bearbeiter wird ein Autofocus durchgeführt, um die Entfernung zum Objekt zu bestimmen. Dazu wird durch dreimaliges Messen der Mittelwert der Entfernung berechnet. Ist das Objekt zu weit oder zu dicht am Laserscanner, wird dies durch ein akustisches Signal mitgeteilt. Wenn die Ausrichtung des Scanners beendet ist, dann beginnt der Messvorgang. Dabei wird die Oberfläche mit einem Laserstrahl dreimal nacheinander gescannt, um dann wieder aus den drei Messungen einen Mittelwert zu berechnen. Danach wird das Rohdatenbild im cdm-Format gespeichert. Um bei der Datenprozessierung ein 3D-Bild zu erhalten, ist es notwendig die Untersuchungsflächen von 4 Seiten abzuscannen. Dieser Vorgang wird also für alle 4 Seiten der Untersuchungsfelder vollzogen, wobei darauf zu achten ist, dass zwischen den


Messpositionen möglichst ein Winkel von 90° einzuhalten ist. Das Objekt ist erfasst, wenn die 4 Messungen von jeweils einer anderen Seite durchgeführt wurden. Bereits mit 4 Rohdatenbildern kann dann am Rechner ein Oberflächenmodell erstellt werden. Die Abb. 16 zeigen den Messaufbau im Gelände.

Abb. 16 Messaufbau im Gelände

5.3.2 Geländebedingungen

Der 3D Laserscanner VIVID 910 von Minolta ist ursprünglich ein Laborgerät und nicht für die Arbeit im Gelände konzipiert. Daher treten bei der Arbeit im Gelände verschiedene Schwierigkeiten auf, die hier kurz erläutert werden.

Da das Gelände nicht eben ist, sondern verschiedene Neigungen aufweist, ist es schwierig, den Scanner immer mit der gleichen Ausrichtung (Höhe, Neigung des Scanners) aufzubauen. Dieses Problem behebt man durch mehrmaliges Umstellen und Einstellen des Stativs, sowie durch die Ausrichtung des Scanners und der Kamera. Dafür sind am Stativ und am Scanner mehrere Drehbewegungen möglich, sodass die horizontale und vertikale Ausrichtung besser einzustellen sind.

Der Laserscanner kann nur bei einer Umgebungsbeleuchtung von unter 500 lx erfolgreich messen (www.konicaminolta.com, 2005). Dies entspricht etwa der Beleuchtung in einem Büroraum. Daher sind Messungen nur unter starker Bewölkung und in der Dämmerungszeit möglich, da normales Tageslicht mit einer Beleuchtungsstärke zwischen 10.000lx und 100.000lx zu hell für den Laserscanner ist. Da die Lichtverhältnisse auch bei starker Bewölkung schwanken können, ist das Abdunkeln durch eine dunkle Decke von Vorteil, wie es in der Abb. 17 dargestellt ist.


Abb. 17 Beschatten der Untersuchungsfelder mit einer dunklen Decke

Diese Decke wird, wenn notwendig, so gehalten, dass sie das Untersuchungsfeld ausreichend beschattet. Die Kamera und der Scanner müssen allerdings freie „Sicht“ auf die Fläche haben. Wie in der oberen Abbildung ersichtlich wird, ist diese Methode sehr umständlich und erleichtert die Arbeit nur dann, wenn wirklich am Tage gemessen werden muss.

Der Laserscanner ist nicht dafür ausgelegt in feuchter Umgebung zu messen. Bei Niederschlag können daher keine Messungen vorgenommen werden. Ebenso müssen Verunreinigungen, besonders durch Sand und Staub vermieden werden.

5.4 Datenprozessierung und Erfassung der Oberflächenveränderungen

Nach den Messungen im Gelände besteht ein Datensatz aus 4 Rohdatenbildern, die im weiteren Verlauf am Rechner mit dem Programm RapidForm bearbeitet werden. Aus den 4 Einzelaufnahmen, aus verschiedenen Richtungen, wird am Rechner ein Oberflächenmodell generiert. Dazu setzt man auf zwei von den 4 Bildern gleiche Passpunkte. Das heißt, man sucht Punkte, die auf beiden Abbildungen gleichermaßen zu erkennen sind. Hat man etwa 7-10 Passpunkte gesetzt, werden die Abbildungen von dem Programm zu einem Bild zusammengefügt. Die Genauigkeit der Generierung eines 3 D-Bildes wird vom Programm bewertet. Beim Verschneiden der zwei Rohbilder ergibt sich ein Graustufenbild. Das Graustufenbild wird dann im weiteren Verlauf mit den restlichen zwei Einzelbildern verschnitten. Dies erfolgt nach dem gleichen Prinzip. Es werden gleiche Passpunkte gesetzt, sodass beim Zusammenfügen Ungenauigkeiten möglichst ausgeschlossen werden. Wenn alle 4 Einzelbilder zu einem Oberflächenmodell zusammengefügt sind, wird die Oberfläche geglättet. Dies geschieht automatisch, sodass der Bearbeiter nicht subjektiv auf die


Oberfläche einwirken kann. Mit der Glättung wird gewährleistet, dass keine unnatürlichen „peaks“ das Messergebnis beeinflussen. Der Prozess wird bei allen Oberflächenmodellen angewendet.

Ist das Oberflächenmodell fertig gestellt (Abb. 18), werden die Ränder der Fläche beschnitten, damit keine störenden Randeffekte in die Berechnung einfließen (Abb. 19). Dazu wird auf das erste Oberflächenmodell einer Fläche ein Gitter gelegt. Das so bearbeitete Oberflächenmodell wird nun als Referenz verwendet und mit dem anderen Oberflächenmodell verschnitten. Dabei kann es zu Überlappungen kommen, da das zweite, hinzugefügte Oberflächenmodell größer ist. Dieses wird der Referenz angepasst, so dass die unterschiedlichen Flächengrößen nicht die Quantifizierung beeinflussen.

Abb. 18 Oberflächenmodell aus 4 Einzelaufnahmen generiert (Fläche 3)

Abb. 19 Oberflächenmodell maßgeschneidert (Fläche 3)


Hat man die Oberflächenmodelle der einzelnen Messungen fertig bearbeitet und beschnitten, lassen sich daraus Differenzmodelle ableiten, welche die Erosionsquantifizierung ermöglichen. Dazu wählt man zwei unterschiedliche Zeitpunkte einer Testfläche und generiert diese beiden Oberflächenmodelle zu einem Differenzmodell zusammen. Dies geschieht wie bei den 4 Einzelbildern über das Setzen von Passpunkten über die gesamte Fläche. Hat man eine Vielzahl von Passpunkten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche gesetzt, werden die beiden Datensätze miteinander verknüpft. Das Setzen der Passpunkte war erfolgreich, wenn die beiden Oberflächenmodelle gut übereinander liegen und nicht verschoben oder verkippt sind. Die Differenzen werden basierend auf der Referenz gebildet. Das Ergebnis ist dann ein Differenzmodell, in welchen die Differenzen zwischen den einzelnen Messungen zu erkennen sind. Jedem Punkt ist ein Farbwert zugeordnet, sodass Akkumulation und Erosion unterschieden werden können (Abb. 20).

Abb. 20 Generierung eines Differenzmodells aus zwei Oberflächenmodellen (Fläche 3)

Die Legende die jedem Differenzbild beigefügt ist, zeigt die Werte der Differenzen in einer Farbskala. Dabei sind alle gelben und roten Bereiche Akkumulation und alle grünen und blauen weisen auf Abtrag hin. Das Histogramm spiegelt die Mengenverteilung wieder. Die rote Linie im Histogramm markiert den Mittelwert der Differenz.

6 Ergebnisse 44

6 Ergebnisse

Im diesem Kapitel werden die Unsicherheiten der Untersuchungen und Messungen dargestellt und ausgewertet. Dabei handelt es sich um eine Fehlerbetrachtung, um die Überwachung der Oberflächenmodelle und um die Abtrags- und Akkumulationsberechnung. Anschließend werden die Erosionsprozesse im Untersuchungsgebiet behandelt.

6.1 Fehlerbetrachtung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, bei denen Fehler auftreten können. Die Arbeit im Gelände ist fehlerbehaftet, aber auch die Arbeit am Computer mit speziellen Programmen führt zu Fehlern und letztendlich macht der Bearbeiter auch Fehler. Als Fehler gelten Messfehler im Gelände oder Labor und Modellierungsfehler am Rechner. Diese Fehler sollte man kennen und quantifizieren können, um die Methode und die Arbeit besser einzuschätzen.

6.1.1 Messfehler

Systematische Fehler

Systematische Fehler sind Gerätefehler und falsche Anwendung. Dabei ist deren maximaler Betrag bekannt und teilweise können Angaben über die Vorzeichen der Fehler gemacht werden. Diese Art von Messfehlern entsteht durch die Diskretisierung und die endliche Genauigkeit des eingesetzten Gerätes. Die Diskretisierung des Gerätes bestimmt, in wieviele Messpunkte die Untersuchungsfläche aufgelöst und durch den Laserscanner einzeln vermessen wird. Für den Laserscanner VIVID 900 von Minolta hat FÜREDER (2005) dazu Untersuchungen gemacht.

zufällige Fehler

Unter zufälligen Fehlern versteht man solche, die nicht vom Gerät vorgegeben sind. Im Fall des Laserscanning werden diese unter anderem durch den Winkel, in dem die Untersuchungsfläche gescannt wird, beeinflusst. Der Winkel, in dem der Scanner auf dem Stativ angebracht ist, kann verstellt werden, um einen möglichst optimalen Blick auf die geneigte Untersuchungsfläche zu ermöglichen. Wird hangabwärts gemessen, trifft der Laserstrahl deutlich flacher auf, als bei einer Hangaufmessung. Die Prinzipskizze in der Abb. 21 gibt einen Überblick über die unterschiedlichen Messwinkel in Abhängigkeit vom Standort des Laserscanner.

Ein weiterer Einflussfaktor auf die Fehlergröße ist der unterschiedliche Abstand zwischen Messgerät und Testfläche. Diese Unterschiede sind aufgrund der Geländebedingungen nicht vermeidbar. Der Laserscanner VIVID 900 von Minolta hat eine maximale Reichweite von 2,50 m. Ist der Laserscanner zu dicht an der Fläche, kann es passieren, dass Randbereiche der

6 Ergebnisse 45

Testfläche vom Laserscanner nicht erfasst werden. Dies hat später Auswirkungen bei der Modellierung der Oberflächenmodelle.

Abb. 21 Messwinkel in Abhängigkeit vom Standort des Laserscanner

Ein dritter Punkt, der bei den zufälligen Fehlern in Betracht gezogen werden muss, ist die Ausrichtung des Scanners auf die Fläche. Es wurden alle Testflächen 4 mal mit einem Differenzwinkel von ca. 90° zwischen den einzelnen Messungen gescannt, so dass von jeder Seite einmal gescannt wurde. Das ist nicht immer möglich, da auch hier die Bodenbeschaffenheiten und der Aufbau der Testflächen eine Rolle spielen. Die Abweichungen von 90° zwischen den einzelnen Winkeln können zu Schwierigkeiten bei der Modellierung der Oberflächenmodelle führen. Unter Laborbedingungen ist es mit einfachen Mitteln möglich, mehr Messungen unter verschiedenen Winkeln zu machen, was die Berechnung der Oberflächenmodelle erleichtern würde. Je mehr Messungen gemacht werden, desto kleiner ist später der Fehler bei den Oberflächenmodellen. Die 4 Messungen im Gelände sind ein Kompromiss, der es ermöglicht, in kurzer Zeit ausreichend Messungen zu machen, damit später ein zufriedenstellendes Oberflächenmodell generiert werden kann.

6.1.2 Modellierungsfehler

Modellierungsfehler sind Fehler, die bei der Datenprozessierung am Rechner entstehen. Sie zeigen sich in verschiedenster Weise, z.B. als Kanten, wie sie durch die Pfeile in der Abb. 22 markiert sind. Diese Art von Modellierungsfehlern können mehrere Millimeter bis zu 2 cm hoch sein. Sie entstehen bei der Generierung der Einzelaufnahmen zu einem Oberflächenmodell. Das heißt, der Fehler tritt bei einem der beiden Oberflächenmodelle auf. Auf dem zweiten Oberflächenmodell ist der Fehler nicht vorhanden. Werden dann diese beiden Oberflächenmodelle zu einem Differenzmodell zusammengefügt, wird dieser Fehler in Form von stark wechselnden Farbübergängen sichtbar. Der Modellierungsfehler „Kanten“ kann vermindert bzw. vermieden werden. Dazu müssen beim Generieren der 4 Einzelaufnahmen zu einem Oberflächenmodell mehr Passpunkte gesetzt werden. Werden

6 Ergebnisse 46

diese Punkte genauer und gleichmäßiger über die Fläche gesetzt, können deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden.

Abb. 22 Modellierungsfehler in Form von Kanten, Kennzeichnung durch Pfeile

6.2 Reproduzierbarkeit

Wenn man eine Methode untersucht, ist es wichtig den Fehler der Messung zu kennen. Daher wurde die Testfläche 3 zweimal hintereinander gemessen. Die gewonnen Oberflächenmodelle sind dann zu einem Differenzmodell generiert worden. Ziel dieser Aufgabe ist es, herauszufinden, wie groß die Abweichung zwischen den einzelnen Messungen ist. Dabei ist zu beachten, dass die Anzahl der Wiederholungen nicht ausreicht um den Fehler statistisch signifikant quantifizieren zu können. Dies könnte in einer eigenständigen Arbeit geschehen. Hier soll nur exemplarisch gezeigt werden, wie die Reproduzierbarkeit festzustellen ist und in welchem Ausmaß der Fehler liegen könnte.

Bei dem Differenzmodell konnte ein mittlerer Höhenunterschied von ± 0,19 mm festgestellt werden, bei einer Standardabweichung von 1,055 mm. Die Abb. 23 zeigt, dass die Höhenabweichung für die gesamte Fläche gering ist und gleichmäßig verteilt vorliegt. Um genauere Aussagen zu treffen, müsste dieser Versuch mehrfach wiederholt werden, möglichst unter Laborbedingungen.

Im oberen Bereich sind auf der Abbildung sehr gut Bereiche zu erkennen, wo ein scharfer Übergang zwischen wenig und viel Veränderung stattgefunden hat. Diese Bereiche sind als Modellierungsfehler (Kanten) bezeichnet und bereits im vorherigen Abschnitt ausführlicher erläutert und beschrieben worden.

6 Ergebnisse 47

Abb. 23 Reproduzierbarkeit im Versuch (Fläche 3)

6.3 Überwachung der Oberflächenveränderung

Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse aus den gewonnenen Oberflächendaten in Form von Differenzmodellen ausgewertet. Dies geschieht exemplarisch an einigen Beispiel. Die verbleibenden Flächen, die an dieser Stelle aus Platzmangel nicht aufgezeigt sind, finden sich im Anhang wieder. Ein Vergleich mit Niederschlags- und Winddaten wird vorgenommen um einen Zusammenhang festzustellen. Die Niederschlagsdaten und Winddaten wurden von Matthias Kuhnert (Sektion 5.4 Ingenieurhydrologie, GFZ Potsdam) zur Verfügung gestellt. Da sich im Untersuchungsgebiet Klimastationen befinden, können hier regelmäßig Daten zur Untersuchung genutzt werden.

Bei der folgenden Darstellung der Ergebnisse werden zwei Möglichkeiten der Interpretation angewendet. Zum Einen werden die Ergebnisse in ihrer zeitlichen Variabilität auf einem ausgesuchten Untersuchungsfeld dargestellt. Es zeigt die multitemporale Entwicklung einer fast ebenen Oberfläche zu Beginn der Messung im April 2005 bis zur Ausbildung einer Rinne im November 2005. Im Vergleich dazu sind Niederschlagsdiagramme und Winddiagramme beigefügt.

Die zweite Darstellungsform gibt die räumliche Variabilität wieder. Dafür werden zu einem bestimmten Zeitpunkt verschiedene Typen von Untersuchungsfeldern untersucht. Sie

6 Ergebnisse 48

unterscheiden sich in der Form des Substrates und der Neigung. Auch hier werden Niederschlagsdiagramme und Winddiagramme beigefügt.

Für ein besseres Verständnis und zur besseren Orientierung befindet sich neben jeder Abbildung eine Skala, die anzeigt, für welchen Farbwert wieviel Akkumulation bzw. Erosion anzunehmen ist. Die Werte sind in mm angegeben. Bei der Betrachtung der räumlichen Variabilität wurde eine einheitliche Skala verwendet.

6.3.1 Zeitliche Variabilität

Durch die Generierung zweier Oberflächenbilder zu einem Differenzmodell kann die Akkumulation bzw. Erosion der Fläche über einen bestimmten Zeitraum beobachtet werden. Um dies anschaulich darzustellen wurde exemplarisch die Rinne unten verwendet. Diese Rinne wurde das erste Mal am 13.04.2005 gemessen. Die letzte Messung erfolgt am 02.11.2005. Um die Entwicklung dieses Untersuchungsfeldes besser nachvollziehen zu können, soll die Bildfolge in der Abb. 24 die Veränderung über den gemessenen Zeitraum verdeutlichen. Zum Zeitpunkt der ersten Messung war der Boden fast eben. Wie in Abb. 24 c) sehr schön zu erkennen ist, hat sich bis zum Zeitpunkt der letzten Messung eine Rinne ausgebildet, welche deutlich in den Boden eingeschnitten ist.

a) b) c)

Abb. 24 Rinne unten a) 26.05.05 b) 13.07.05 c) 02.11.05

Die Rinnenausbildung lässt sich auch in den Differenzmodellen erkennen. Im Folgenden wird zuerst das Differenzmodell gezeigt, wobei der rote Pfeil die Erosionsrichtung angibt. Darunter findet sich das Niederschlagsdiagramm und zwei Windrosen. Die schwarze Windrose zeigt die Hauptwindrichtung an, die farbigen Pfeile der zweiten Windrose kennzeichnen die unterschiedlichen Windgeschwindigkeitsbereiche. Dabei symbolisiert der grüne Pfeil den Bereich geringster Windgeschwindigkeit (< 1,5 m/s), gefolgt vom blauen und dann vom roten Pfeil. Der gelbe Pfeil steht für den Bereich größter Windgeschwindigkeit (> 7 m/s). Die Windrosen werden durch eine entsprechende Tabelle ergänzt, in der sich die aufgeschlüsselten Windgeschwindigkeitsbereiche für den Zeitraum wieder finden. Diese Aufteilung erfolgte auf Grundlage der Tab. 4 von KUNTZE (1994). Die Tabellenwerte der Windgeschwindigkeit sind das Ergebnis einer Vektoraddition aller Windgeschwindigkeiten.

6 Ergebnisse 49

Diese setzt sich zusammen aus Betrag und Richtung, wobei alle Windgeschwindigkeiten der entsprechenden Bereiche addiert wurden. Als erklärendes Beispiel ist der Tab. 9 der Gesamtwert von 0,59 m/s (für 667 h Winddauer) zu entnehmen. Davon hat der Wind 213 h mit einer Geschwindigkeit zwischen 1,5 m/s bis 4 m/s geweht. Nach Addition aller Vektoren für diesen Bereich ergibt sich daraus ein Transport für feinen Sand (fS) von 0,46 m/s in Richtung 3°, also Nord.

13.04.05 – 10.05.05

Abb. 25 Differenzmodell der Messungen 13.04.05 und 10.05.05 (Rinne unten)

Abb. 26 Niederschlag und Windrichtung vom 13.04.05 – 10.05.05

Windstärke <1,5 m/s 1,5 ... <4 m/s 4 ... <7 m/s >7 m/s Gesamt

bewegte Teilchengröße U + T fS mS gS + G

Windgeschwindigkeit 0,31 m/s 0,46 m/s 1,19 m/s 4,31 m/s 0,59 m/s

Windrichtung 337° 3° 329° 4° 347°

Tab. 9 Windgeschwindigkeitsbereiche (13.04.05 – 10.05.05)

N

E

S

W

N

E

S

W

Niederschlag

02468

10

13.4 20.4 27.4 4.5

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 25,5 mm

6 Ergebnisse 50

Die Abb. 25 zeigt das Differenzmodell der Oberflächenmodelle vom 13.04.05 und vom 10.05.05. Auf der Abbildung ist deutlich ein Fußabdruck zu erkennen. Dieser Abdruck war beim Messen der Fläche am 13.04.05 vorhanden. Als die Fläche am 10.05.05 erneut bemessen wurde, war der Boden nivelliert und der Fußabdruck verschwunden. Das zeigt sich auf dem Differenzmodell. Im vorderen Bereich des Abdrucks (Zehenbereich) ist beim Auftreten das Material nach hinten geschoben worden in Richtung Ballen. Der restliche Bereich wurde um circa 4-6 mm eingedrückt. Um den Abdruck herum war das Material erhöht worden.

Die Farbverteilung des Differenzmodells zeigt deutlich, dass es zu einem Ausgleich des Materials kam. Im Zehenbereich wurde Material akkumuliert (rot bis dunkelrot), ebenso wie der Sohlenbereich (gelb bis orange). Der Ballenbereich und das umliegende Material wurden hingegen erodiert und ausgeglichen. Dies wird durch die blaue bis grünliche Farbe deutlich.

Verantwortlich für diesen Ausgleich können die Niederschläge über diesen Zeitraum sein. Wie die Abb. 26 zeigt waren in der ersten Hälfte des Zeitraums keine Niederschläge zu verzeichnen. In der zweiten Hälfte gab es 5 Tage in denen zwischen 5 und 9 mm Niederschlag gefallen sind. Die Werte sind Tageswerte und geben keinen Aufschluss über Dauer und Häufigkeit des Niederschlagsereignisses. In diesem Zeitraum betrug die durchschnittliche Wind-geschwindigkeit 3,18 m/s, wobei der Minimalwert 0,02 m/s und der Maximalwert 9,02 m/s war. Daraus resultiert eine Hauptwindgeschwindigkeit von 0,59 m/s in einer Richtung von NNW. Der schwarze Pfeil in der linken Windrose stellt das dar. Die Aufschlüsslung der Windgeschwindigkeiten nach Klassen in denen unterschiedlich großes Material transportiert werden kann, ist ebenfalls der Tab. 9 zu entnehmen.

Bei genauerem Hinsehen auf das Farbdiagramm ergibt sich ein Mittelwert von 0 mm und es wird deutlich, dass zwischen dem 13.04.05 und dem 10.05.05 weder Akkumulationseintrag noch Erosionsabtrag stattgefunden hat. Sollte Material aus der Testfläche erodiert und abtransportiert worden sein, so ist in gleichem Maße Material in das Gebiet eingetragen und abgelagert worden. Die Niederschlagsereignisse bzw. Windprozesse in diesem Zeitabschnitt waren also nicht stark genug, um Material großflächig umzulagern, aber es hat gereicht, um kleine Unebenheiten und Strukturen in der Testfläche auszugleichen.

6 Ergebnisse 51

10.05.05 – 26.05.05


Abb. 28 Niederschlag und Windrichtung vom 10.05.05 – 26.05.05



Windgeschwindigkeit 0,02 m/s 0,68 m/s 2,08 m/s - 0,71 m/s

Windrichtung 280° 288° 276° - 283°

Tab. 10 Windgeschwindigkeitsbereiche (10.05.05 – 26.05.05)

Das zweite Differenzmodell (Abb. 27) dieser Zeitreihe gibt wenig Aufschluss über Erosionsvorgänge. Im rechten Bereich ist Akkumulation bis zu 4 mm festzustellen. Hingegen der linke Bereich Erosionsgrößen bis 2 mm aufweist und es nur vereinzelt zu Abträgen von 4 mm kam. Dies bestätigt auch der Mittelwert von 0,6 mm. Die Summe aller Niederschläge in diesem Zeitraum liegt über dem des ersten Zeitraumes (Abb. 28). Die Hauptwindrichtung ist Westen, wobei die durchschnittliche Windgeschwindigkeit 2,53 m/s beträgt. Der Minimalwert liegt bei 0,19 m/s und der Maximalwert bei 6,44 m/s. Aus der Tab. 10 sind die Windbereiche ersichtlich.

N

E

S

W

N

E

S

W

Niederschlag

0369

1215

10.5 17.5 24.5

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 36,8 mm

6 Ergebnisse 52

26.05.05 – 13.07.05


Abb. 30 Niederschlag und Windrichtung vom 26.05.05 - 13.07.05




Windrichtung 67° 37° 45° - 43°

Tab. 11 Windgeschwindigkeitsbereiche (26.05.05 - 13.07.05)

Die Abb. 29 zeigt das Differenzmodell der Messungen vom 26.05.05 und 13.07.05. Zu erkennen ist eine starke Strukturierung zwischen Abtrag und Akkumulation. Im linken Bereich sind Abtragsraten von maximal -14 mm festzustellen, der rechte Bereich ist mit Akkumulationsraten bis 20 mm charakterisiert. Insgesamt sind 2, 2 mm akkumuliert worden. Es stellt sich die Frage, wie es zu dieser Umverteilung gekommen ist und ob Wind und Niederschläge dafür verantwortlich gemacht werden können. Zum Einen wurden für den Zeitraum hohe Niederschläge von 76 mm gemessen. Die Niederschlagsereignisse sind über den Zeitraum verteilt (Abb. 30). Die Hauptwindrichtung ist NE, die stetig beibehalten wurde. Der Durchschnitt der Windgeschwindigkeiten betrug 2,64 m/s. Der Grenzwerte liegen bei

N

E

S

W

N

E

S

W

Niederschlag

048

121620

26.5 2.6 9.6 16.6 23.6 30.6 7.7

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 76,6 mm

6 Ergebnisse 53

0,01 m/s und 6,88 m/s. Wie schon im vorigen Zeitraum gab es keine Winde mit Geschwindigkeiten über 7 m/s (Tab. 11). Aufgrund der Datenlage lässt sich vermuten, dass durch die stetigen gleichbleibenden Winde es zur Akkumulation im rechten Rinnenbereich gekommen ist. Der Einfluss der Niederschläge lässt sich nicht eindeutig nachweisen, da das erodierte Material nicht dorthin transportiert werden kann wo die Messung Akkumulationsgebiete aufzeigt.

6 Ergebnisse 54

13.07.05 – 08.08.05




bewegte Teilchengröße U +T fS mS gS + G


Windrichtung 63° 76° 77° 274° 77°


Ein sehr schönes Beispiel für die Auswirkungen von Starkniederschlagsereignissen bietet das Differenzmodell der Aufnahmen vom 13.07.05 und vom 08.08.05 (Abb. 31). Im oberen rechten Bereich sind durch dunkelblaue Färbung sehr starke Einschnitte zu erkennen. Hier hat es Abtragsraten von mehr als 10 mm gegeben. Deutlich zu erkennen ist die Ausprägung einer Rinne. Die Rinnenbildung hat begonnen. Ebenfalls sehr schön sichtbar ist der Hangabwärtstransport von kleinen Steinchen und Stöckchen im linken mittleren Bereich des Modells. Die kleinen blauen Striche und Punkte weisen darauf hin, dass Material abgetragen wurde. Da sich die gleichen Striche und Punkte ein kleines Stück darunter wieder finden, ist

N

E

S

W

N

E

S

W

Niederschlag

048

121620

13.7 20.7 27.7 3.8

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 87,8 mm

6 Ergebnisse 55

hier von Erosion im oberen Hangbereich und Akkumulation im unteren Hangbereich auszugehen. Das Material wurde umgelagert. Die Aufnahme zeigt das sehr deutlich. Betrachtet man in der Abb. 32 die Niederschlagsereignisse in diesem Zeitraum, dann wird sichtbar, dass die Summe aller Niederschlagsereignisse 87 mm beträgt. Dabei spielt es auch eine Rolle, dass die hohe Rate durch wenige Niederschlagsereignisse zu Stande gekommen ist. Über den gesamten Zeitraum zwischen den beiden Messungen haben Regenfälle starker Intensität stattgefunden, die zur Rinnenbildung auf dieser Testfläche beigetragen haben. Für diesen Zeitraum ist ein Mittelwert von -1,6 mm festzustellen. Das bedeutet aber nicht, dass auf der gesamten Fläche soviel Material abgetragen wurde. Vielmehr hat eine Abtragskonzentration im Rinnenbereich stattgefunden, wodurch sich auch die hohen Abtragsraten von mehr als –10 mm erklären lassen. Auch wenn sich die Windverteilung ähnlich wie in den letzten Zeiträumen verhält (Tab. 12), so ist doch die erodierende Kraft für diesen Zeitraum der Wassererosion zu zuschreiben. Die Wirkung der Windgeschwindigkeit tritt in den Hintergrund.

6 Ergebnisse 56

08.08.05 – 31.08.05






Windrichtung 288° 31° 80° - 58°


Das obere Bild zeigt die Differenzen der Oberflächenmodelle der Messungen vom 08.08.05 und vom 31.08.05. Sehr schön ausgeprägt ist der Verlauf der Rinne. Diese hat sich in der Zwischenzeit weiter ausgebildet, was durch die Blaufärbung im mittleren Bereich der Abb. 33 sichtbar wird. Zusätzlich zu der Abtragsrate vom 08.08.05 sind auch bis zum 31.08.05 nochmals 8 – 10 mm im Rinnenbereich abgetragen worden. Im unteren Verlauf ist die Rinne weiter ausgebildet worden, da auch hier Abtragsraten von 10 mm und mehr erreicht wurden. Im rechten Hangbereich der Rinne ist es ebenfalls zur Erosion von Material gekommen. Die blau-grünen Färbungen geben dies wieder. Der linke Bereich ist durch gelb-orange Färbung

N

E

S

W

N

E

S

W

Niederschlag

05

10152025

8.8 15.8 22.8 29.8

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 49,1 mm

6 Ergebnisse 57

gekennzeichnet. Da dies für Akkumulation steht, ist anzunehmen, dass hier Material aus dem oberen Hangbereich bzw. dem linken Bereich eingebracht wurde und dann hier abgelagert wurde. Dies ist möglich, wenn in diesem Bereich die Hangneigung nicht mehr ausreicht, um Material bei entsprechendem Niederschlag hangabwärts zu transportieren. Bei Betrachtung des Niederschlagsdiagramms fallen auch in diesem Zeitabschnitt erhöhte Niederschläge auf (Abb. 34). Auch wenn die Regenfrequenz nicht mehr so häufig ist, wie im Juli, so sind doch drei Regenereignisse mit mehr als 15 mm Niederschlag auffällig. Im gesamten Mittel ergibt sich für diesen Zeitraum eine Abtragsrate von –1,4 mm. Sie ist nur leicht geringer als im vorigen Betrachtungszeitraum. Die Erosion hat sich wieder auf die Rinnenbildung konzentriert. Es sind im oberen Bereich nicht so extreme Werte erreicht worden, wie im vorigen Zeitraum, dafür ist die Fortsetzung der Rinnenbildung hangabwärts zu beobachten. Im Hangbereich der Rinne ist zum Einen Erosion festzustellen gewesen, im anderen Bereich hingegen Akkumulation. Ursache kann die Lage der Rinne zum Hang sein. Dies wurde nicht genauer untersucht.

Schaut man sich die Windrosen in der Abb. 34 an, dann erkennt man wechselnde Winde über den Beobachtungszeitraum. Die Tab. 13 gibt an, dass unterschiedliche Windstärken jedes Mal in andere Richtungen geweht haben. Und es wurden keine Werte über 7 m/s erreicht. Es ist möglich, dass es durch die nach NE und E gerichteten Winde der mittleren Geschwindigkeitsbereiche zu der Akkumulation im linken Rinnenbereich kam. Da dieser Bereich höher ist als der Zwischenrillenbereich, konnte Material hier abgelagert und nicht weiter transportiert werden.

6 Ergebnisse 58

31.08.05 – 12.10.05


Abb. 36 Niederschlag vom 31.08.05 - 12.10.05)

Das Differenzmodell (Abb. 35) für den Untersuchungszeitraum 31.08.05 – 12.10.05 ist weniger auffällig strukturiert. Es hat ein maximaler Abtrag von – 0,8 mm stattgefunden. Besonders der linke untere Rinnenbereich ist erodiert worden, was Abfluss vom linken Hangbereich vermuten lässt. Die zeitliche Niederschlagsverteilung könnte dies bestätigen (Abb. 36). Da für diesen und den nächsten Zeitraum keine Winddaten mehr zur Verfügung stehen (wegen Defekt des Messgerätes) kann hier der Einfluss des Windes nur vermutet werden. Es haben Umlagerungsprozesse entgegengesetzt der Erosionsrichtung stattgefunden, was ein Indiz für Winderosion bzw. den Splash-Effekt ist.

Niederschlag

0369

1215

31.8 7.9 14.9 21.9 28.9 5.10 12.10

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 43,6 mm

6 Ergebnisse 59

12.10.05 – 02.11.05


Abb. 38 Niederschlag vom 12.10.05 - 02.11.05

Für den letzten Untersuchungszeitraum (12.10.05 – 02.11.05) lassen sich ähnliche Aussagen treffen wie für den vorhergehenden. Da auch hier Winddaten nicht mit in die Betrachtung einbezogen werden können, lässt sich der Einfluss der Winderosion nur vermuten. In Abb. 37 sind deutliche Materialumlagerungen hangaufwärts zu beobachten und bei den geringen Niederschlagsmengen (Abb. 38) ist der Einfluss der Wassererosion fast Null.

Für die zeitliche Variabilität lässt sich feststellen, dass die Einflüsse von Wind- und Wassererosion deutlich zu erkennen sind. Es dominiert meist eine Erosionsform, wobei nicht auszuschließen ist, dass die jeweils andere auch Auswirkungen hat. Für die Rinne konnte beobachtet werden, dass die Wassererosion den größten erodierenden Einfluss hat und zur Rinnenausbildung geführt hat. Da die Windrichtungen überwiegend hangaufwärts gerichtet waren, war dessen Einfluss eher gering.

Niederschlag

012345

12.10 19.10 26.10 2.11

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 5,9 mm

6 Ergebnisse 60

6.3.2 Räumliche Variabilität

Die zweite Möglichkeit zur Auswertung der Differenzmodelle besteht in der räumlichen Variabilität. Dabei werden Prozesse für einen Zeitraum auf verschiedenen Untersuchungsfeldern betrachtet. Ziel ist, herauszufinden, ob sich die Niederschlagsdaten und Winddaten auch auf mehrere Flächen anwenden lassen. Für diese Untersuchung wurden drei verschiedene Untersuchungsfelder ausgewählt. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Lage und Hangneigung, sondern auch das Substrat weist Unterschiede auf.

Wie schon bei der zeitlichen Variabilität wird die Rinne unten betrachtet. Sie liegt im Hangbereich des tertiären Sandes und wird durch vier Heringe optisch begrenzt. Das zweite Beispiel ist die Testfläche 2. Sie wurde ebenfalls im tertiären Sand angelegt, stellt aber durch die Holzbegrenzung ein eingegrenztes System dar. Das dritte Beispiel ist die Testfläche 4. Sie befindet sich auf dem quartären Sand und wird ebenfalls durch Holzbretter begrenzt. Im umliegenden Bereich der Testfläche 4 ist bereits Vegetation vorhanden. Die Fläche selber ist vegetationsfrei. Alle drei Untersuchungsfelder sind durch grobsandige Mittelsande charakterisiert. Der Bereich der tertiären Sande weist zudem starke kiesige Anteile auf.

Im Folgenden werden die Differenzmodelle für den Untersuchungszeitraum 13.07.05 bis 08.08.05 dargestellt und mit Niederschlags- und Winddaten korreliert.





Windrichtung 63° 76° 77° 274° 77°


Für den Zeitraum wurden insgesamt 87,8 mm Niederschlag gemessen, sowie schwache bis mittlere Winde in Richtung E-NE (Abb. 39). Der Windgeschwindigkeitsbereich >7 m/s weist westliche Windrichtung auf. Die maximale Windgeschwindigkeit betrug 7,89 m/s bei einem Durchschnittswert von 2.83 m/s.

Niederschlag

048

121620

13.7 20.7 27.7 3.8

Nie

ders

chla

g in

m

m

Σ = 87,8 mmN

E

S

W

N

E

S

W

6 Ergebnisse 61


Abb. 41 Differenzmodell der Messungen 13.07.05 und 08.08.05 (Fläche 2)

Abb. 42 Differenzmodell der Messungen 13.07.05 und 08.08.05 (Fläche 4)

6 Ergebnisse 62

Wie schon im Kapitel 6.3.1 beschrieben, erfährt die Rinne unten, dargestellt als Differenzmodell in der Abb. 40, eine deutliche Oberflächenveränderung. Durch die starken Niederschlagsereignisse in diesem Zeitraum konnte im oberen Bereich die Rinnenausbildung beginnen Es wurden im Rillenbereich Abtragsraten bis zu 10 mm festgestellt.

Das Differenzmodell der Fläche 2 (Abb. 41) für den Untersuchungszeitraum weist ebenfalls eine räumliche Strukturierung des Materials auf. Im oberen Bereich ist Material erodiert worden (max. 11 mm), im unteren Bereich dagegen ist Akkumulation bis zu 15 mm festzustellen. Die Abtrags- und Akkumulationsrate für diese Fläche ist 0, es hat also lediglich Umlagerung stattgefunden. Die durch den roten Pfeil gekennzeichneten Erosionsrichtung stimmt mit den Umlagerungsvorgängen überein. Betrachtet man dazu nun die Abb. 43 dann wird deutlich, dass es auf dieser Fläche zu einer Sortierung des Materials gekommen ist. Feineres Material wurde im Oberen Bereich der Testfläche ausgewaschen, nach unten transportiert und ist dort wieder abgelagert worden. Das Material konnte nicht aus dem System ausgetragen werden, weil die Begrenzungsschiene am Auslass vermutlich zu hoch war. Das Material konnte diese Schwelle nicht überwinden. Es kam zur Akkumulation.

Abb. 43 Photo der Fläche 2 (08.08.05)

Da auch für dieses Untersuchungsfeld die Umlagerungsvorgänge in Erosionsrichtung erfolgen und nicht in Windrichtung, wird der Einfluss des Windes auch in diesem Fall gering sein. Ebenso sind die Testflächen durch die Holz- bzw. Metallumrandung nicht so anfällig für Winderosion, da der Wind nicht ungehindert auf die kleinen Flächen wirken kann.

In der Abb. 42 wird das Differenzmodell der Fläche 4 für diesen Zeitraum betrachtet. Auffällig sind größere rote und blaue Bereiche über die Fläche verteilt. Zwischen den Messungen sind Hunde über diese Fläche gelaufen und haben Abdrücke hinterlassen. Wo diese Abdrücke inzwischen wieder ausgeglichen sind, da ist der Bereich rot gekennzeichnet. Sind die Abdrücke zwischen den Messungen 13.07.05 und 08.08.05 entstanden, dann sind die

6 Ergebnisse 63

Bereiche blau, da zwischen den beiden Messungen eine Vertiefung im Boden stattgefunden hat. Da die dunkelroten und dunkelblauen Bereiche etwa gleich groß sind, sollen sie bei der Betrachtung vernachlässigt werden. Sie scheinen keinen Einfluss auf die Abtragswerte zu haben.

Dagegen ist der untere Bereich der Fläche zu betrachten. Er ist blau strukturiert und dies weist auf Erosion hin. Das Material konnte aus der Testfläche ausgetragen werden. Verantwortlich dafür sind Niederschlagswerte von 87,8 mm für den gesamten Zeitraum. Da der Einfluss des Windes bei den anderen Untersuchungsfeldern gering war, wird er in diesem Fall noch kleiner. Die Fläche liegt geschützter durch die Vegetation und die Holzumrandung. Aber auch die Bildung einer Kruste kann die Oberfläche gegenüber Winderosion geschützt haben.

Für diesen Zeitraum konnte der Einfluss der Winderosion für alle drei Untersuchungsfelder nicht nachgewiesen werden. Jedoch zeigen die Beispiele, dass Erosionsprozesse verursacht durch Niederschlag stattgefunden haben. Das heißt, dass der Boden relativ feucht war und so eine höhere Widerstandskraft gegenüber der Winderosion hatte.

6 Ergebnisse 64

6.4 Abtrags- und Akkumulationsberechnung

In diesem Kapitel geht es um die Berechnung von Abtrag und Akkumulation auf einer Testfläche. Dadurch lassen sich quantitative Aussagen über die Erosion auf der Fläche treffen. Als Beispiel wird zur Betrachtung die Testfläche 3 herangezogen. Da sich die Berechnung auf eine Zeitreihe bezieht, ist es sinnvoll Akkumulations- und Abtragsberechnung in einem Kapitel zu behandeln, da Erosion und Akkumulation sich abwechseln. Eine differenzierte Quantifizierung der beiden Prozesse ist bei einer kumulativen Ergebnisbetrachtung nicht möglich.

Das Programm RapidForm ermittelt bei den Differenzmodellen die mittlere Differenz der Höhen, welche sich im positiven oder im negativen Bereich befinden kann. Dabei bleibt die Fläche konstant, die mittlere Höhendifferenz schwankt jedoch. Bei der Berechnung ist es wichtig zu wissen, dass Material, welches auf der Testfläche nur umgelagert wird, keinen Einfluss auf das Volumen hat. Denn Sandkörner, die durch Erosion an der einen Stelle ein Loch verursachen, gleichen die Differenz an anderer Stelle wieder aus. Das Material lagert sich an anderer Stelle auf der Testfläche wieder an und erzeugt eine Erhebung. Auf den Differenzmodellen wird das in Form von roten und blauen Punkten bzw. Flächen (meist dicht beieinander) deutlich. Abb. 44 und Abb. 45 zeigt das Wandern von Körnern auf den Untersuchungsfeldern.

Abb. 44 Bewegung von Material zwischen dem 12.10.05 und dem 02.11.05 (Rinne unten)

6 Ergebnisse 65

Abb. 45 Bewegung von Material zwischen dem 31.08.05 und dem 12.10.05 (Fläche 2)

Bei der Testfläche 3 wurde ein Versuch unternommen, das Volumen von Ein- und Austrag zu berechnen. Dazu wurde die Flächengröße der Differenzmodelle mit den mittleren Differenzwerten verknüpft. Tab. 15 gibt die Ergebnisse wieder. Es ist zu hinterfragen, ob diese Werte Relevanz für die Berechnung der Akkumulation und Erosion haben, da die Testfläche 3 ein begrenztes Untersuchungsfeld mit einer Größe von 0,25 m² ist. Es scheint also auch nicht möglich, dass Material in der Größenordnung bis 700 cm³ in das System eingetragen werden kann. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass es bei einer Messungenauigkeit der Differenzmodelle von 1 mm, auf einer Fläche von 0,25 m², zu einer Fehlertoleranz von 250 cm³ kommt. Im Rahmen dieser Arbeit war es daher nicht möglich das Volumen zufriedenstellend zu bestimmen und somit quantitative Aussagen zu machen. An dieser Stelle sei auf das Kapitel 6.1 Fehlerbetrachtung verwiesen.

Tab. 15 Volumenberechnung – Versuch (Fläche 3)

Differenzmodell Fläche [mm²]

mittlere Höhe [mm]

Volumen [mm³]

Volumen [cm³]

gemessene Werte [g]

31.03.05 / 13.04.05 207.178 0,29 60.788,10 60,79

13.04.05 / 10.05.05 211.020 2,10 442.597,57 442,60

10.05.05 / 26.06.06 208.103 0,92 192.301,74 192,30 17,1

26.05.05 / 13.07.05 208.086 3,39 705.725,75 705,73 66,6

13.07.05 / 08.08.05 208.086 -2,60 -540.948,69 -540,95 85,4

08.08.05 / 31.08.05 208.259 2,04 424.319,38 424,32 120,0

31.08.05 / 12.10.05 208.259 -1,69 -352.082,67 -352,08 30,0

6 Ergebnisse 66

Die Messungen von Kuhnert (Sektion Ingenieurhydrologie, GFZ Potsdam) haben Abtragswerte zwischen 17 und 120 g in den jeweiligen Untersuchungszeiträumen festgestellt. Durch die Auffangrinnen, die unterhalb an den Testflächen angebracht sind, konnte Material welches durch Oberflächenabfluss ausgetragen wurde, quantifiziert werden.

Mit dem Volumen kann bei Kenntnis der Materialdichte die Masse berechnet werden. Je genauer man die Dichte bestimmen kann, desto genauer sind dann auch die Massenberechnungen. Sie dienen dazu, das Material in Menge anzugeben, welches beispielsweise aus der Fläche transportiert wurde. Da das Spektrum der Korngröße auf den Sandflächen von feinkörnigem Sand bis zu grobkörnigem Sand reicht, und auch Kiesanteile vorhanden sind, wird die Dichte im Gefüge stark schwanken. Für den Tertiärsand kann eine Dichte des Substrates von1,68 g/cm³ angenommen werden.

6.5 Erosionsprozesse im Untersuchungsgebiet

In Rücksprache mit Matthias Kuhnert (Sektion 5.4 Ingenieurhydrologie, GFZ Potsdam) konnten verschiedene Erosionsprozesse im Untersuchungsgebiet wie folgt festgestellt werden.

Das vorherrschende Substrat auf der Testfläche ist grobkörniger Sand. Ein stark ausgebildetes Rillensystem, bis hin zur Gullybildung, deutet auf starke Erosionsprozesse hin. Die beobachteten Erosionserscheinungen sind allerdings nur im Gebiet mit tertiärem Substrat bzw. in Rinnen und Gullies, in denen abfließendes Wasser aus dem Bereich mit tertiärem Substrat durch das Gebiet mit quartärem Substrat zum Gebietsauslass geleitet wird, zu finden. Dies bedeutet, dass die Bereiche unterschiedlicher Substrate ein unterschiedliches hydrologisches Verhalten aufweisen. Während es auf tertiärem Substrat zu Abflussbeiwerten (= Gesamtmenge Abfluss / Gesamtmenge Niederschlag) von bis zu 60 % kommt, bilden sich auf dem quartären Substrat nur höhere Abflussraten, wenn die Niederschlagsintensität die Infiltrationskapazität übersteigt (KUHNERT, 2005).

Der Grund für das veränderte hydrologische Verhalten auf dem tertiären Substrat liegt in den wasserabweisenden Eigenschaften des Bodens. Unter einer 2-4 mm dicken hydrophilen Bodenschicht befindet sich eine hydrophob wirkende Bodenschicht. Diese reduziert die Infiltrationskapazität des Bodens auf 0 mm/h. Wenn die oberen 2-4 mm gesättigt sind, kommt es zum Abfluss des Niederschlagswassers. Die hydrophobe Schicht erstreckt sich nicht durchgängig über die gesamte Fläche, sondern hängt mit den geomorphologischen Einheiten ab. Kuppen und Zwischenrillenbereiche sind hydrophob, Rillen reagieren häufig auch hydrophil. Eine Hypothese für dieses Verhalten ist feineres Substrat, dass sich in den Rillen abgesetzt hat und nicht hydrophob reagiert.

6 Ergebnisse 67

Durch diese räumlichen Variabilitäten liegen die durchschnittlichen Abflussbeiwerte im Zwischenrillenbereich bei 0,8 und die Abflussbeiwerte auf der Gesamtfläche durchschnittlich bei ca. 0,5. Das Niederschlagswasser kann in den Rillenbereich infiltrieren.

Die substratspezifischen Unterschiede führen zu geringen bis gar keinen Erosionserscheinungen in Bereichen mit quartärem Substrat. Dem gegenüber stehen sehr hohe Mengen erodierten Materials mit einer maximalen Rate von über 6t/ha innerhalb von einer Woche (bei einer Gesamtniederschlagsmenge von 30,4 mm, mit einer maximalen Intensität von 25,2 mm/h innerhalb von 10 min) (KUHNERT, 2005).

Die Sedimentausträge aus dem Gesamtgebiet sind fast ausschließlich auf die hohen Abflussraten in dem Bereich mit tertiärem Substrat zurückzuführen. Im zweiten Jahr des Untersuchungszeitraumes sind die Sedimentausträge gegenüber dem Vorjahr deutlich zurückgegangen, da die Vegetationsdecke deutlich dichter wurde.

Erste Auswertungen der Messungen deuten auf eine größere Rillenerosion im Vergleich zu der Zwischenrillenerosion hin. Dagegen hat AUERSWALD (1993) in Bayern eine größere Bedeutung der Zwischenrillenerosion beobachtet.

Für die in dieser Arbeit untersuchten Testflächen (Plots) lässt sich feststellen, dass keine Rillen- bzw. Rinnenerosion stattgefunden hat. Durch die Begrenzung der Testflächen hat nur der Niederschlag, der wirklich auf die Fläche fällt, Auswirkungen auf die Erosion. Es kann kein Wasser in die Flächen vom oberen Hang eingebracht werden. Daher spielen der Splash-Effekt und der Zwischenrillenabfluss eine große Rolle und sind die erodierende Kraft auf den Testflächen (Plots).

Da bei der Winderosion die Transportprozesse Kriechen, Saltation und Suspension fließend ineinander übergehen, parallel verlaufen und sich gegenseitig beeinflussen, lassen sich Aussagen zu den einzelnen Transportformen nicht machen. Es wurde jedoch erkannt, dass es aufgrund der häufigen Windrichtung N, NE und E zu Umlagerungsprozessen gekommen ist. Dabei wurden besonders Fein- und Mittelsand transportiert, was zu einer starken Sortierung auf den Testflächen geführt hat. Da das Material bei diesen Windrichtungen hangaufwärts transportiert werden muss, sind quantitative Auswirkungen nicht sehr deutlich zu erkennen. Die Winderosion ist für den Bereich der tertiären Sande von größerer Bedeutung als für den Bereich quartärer Sande. Die tertiären Sande sind vegetationsfrei und günstiger exponiert.

7 Diskussion 68

7 Diskussion

Die untersuchte Methode des Laserscanning zur Quantifizierung von Oberflächenveränderungen weist ein hohes Potential auf. In dieser Arbeit wurde Grundlagenforschung betrieben, die nicht alle Aspekte einer Validierung abdeckt. Daher werden mehr Studien zu dieser neuen Untersuchungsmethode notwendig sein. Bei dieser Arbeit sind während der Geländemessungen und der späteren Prozessierung viele Unbekannte aufgetreten, die ansatzweise untersucht wurden, die aber genauere Betrachtungen in späteren Arbeiten erforderlich machen. Es ist jedoch sicher, dass mit dem Laserscanning Rauhigkeit und Oberflächenveränderungen bestimmt werden konnten.

Messung und Fehlerbetrachtung

In dieser Arbeit wurde eine Fehlerbetrachtung durchgeführt. Dabei sind Modellierungsfehler und Messfehler näher untersucht worden. Und es hat Versuche der Reproduzierbarkeit einer Testfläche gegeben. Aufgrund der zeitlichen Inanspruchnahme dieser Fehlerbetrachtung waren konkrete Aussagen nicht möglich. Die Fehlerbetrachtung bedarf einer eigenen Studie mit mehreren Messreihen, deren Ausführung im Labor anzustreben ist. Zum Abschluss dieser Arbeit kann gesagt werden, dass ein Fehler bei der quantitativen Oberflächenveränderung von 1 mm erwartet wird. Im Idealfall sollten solche Fehler unter Laborbedingungen untersucht werden, da Störfaktoren wie Lichteinfall, Bodenbeschaffenheit etc. ausgeschlossen werden können.

Ebenso wurden Modellierungsfehler in Form von Kanten dargestellt. Da sie sich überwiegend im Randbereich der Oberflächenmodelle befinden und die Randbereiche für die spätere Quantifizierung nicht in Betracht gezogen werden, können sie unberücksichtigt bleiben, sodass sich eine gute Genauigkeit ergibt. Vorraussetzung dafür ist allerdings das Verschwinden dieser Modellierungsfehler beim Beschneiden der Oberflächenmodelle.

Des Weiteren wurde der Einfluss des Messwinkels unberücksichtigt gelassen. Es wurden keine genaueren Untersuchungen dazu gemacht. Man kann jedoch vermuten, dass durch einen flacheren Scanwinkel die Beschattung der Sandkörner auf der Fläche einen zu großen Einfluss hat und dadurch Bereiche nicht optimal gescant werden. Es ist anzunehmen, dass bei einem sehr steilen Scanwinkel, wenn der Laserscanner also sehr steil über der Fläche steht, bessere Scanergebnisse erzielt werden. Da der Winkel bei den Messungen immer willkürlich gewählt wurde, konnte dieser zufällige Fehler nicht genauer untersucht werden. Bei den vorliegenden Untersuchungen standen detaillierte und umfassende Untersuchungen zu dieser Problematik nicht im Mittelpunkt. Es wird aber empfohlen, diesen Sachverhalt weiter zu

7 Diskussion 69

verfolgen, weil dadurch möglicherweise bessere Messergebnisse erlangt werden können. Dies kann dann zu einer genaueren Prozessierung mit anschließender Auswertung führen. Das gleiche gilt auch für die mittlere Reichweite der Messung. Die Entfernung wurde willkürlich im Gelände gewählt und bedarf eventuell auch genauerer Untersuchungen.

Möglichkeiten für die Volumenberechnung

Die Schwierigkeit in der Volumenberechnung besteht im Fehlen von festen Referenzpunkten im Gelände. Die Heringe neben den Rinnen bieten eine gute Möglichkeit um Punkte für die Generierung der Einzelbilder wiederzufinden. Durch Winterfrost und Sackungen im rekultivierten Tagebaugebietes kommt es zu Bewegungen im Boden, von denen auch die Heringe betroffen sind. Sie können demzufolge nicht als feste Fixpunktedienen, da ihre Höhe im Jahresverlauf variieren kann. Die Planken um die Testflächen sind ähnlich ungeeignet, da sie Randbereiche abschatten. Das führt zu Fehlern beim Prozessieren, wie z.B. Kanten. Das gleiche Problem besteht mit den Steinchen. auf den Untersuchungsfeldern. Innerhalb der Messungen werden sie umgelagert, sodass sie keine Fixpunkte darstellen. Wenn aber keine Fixpunkte zur Verfügung stehen, ist es nicht möglich, das Volumen der Testflächen und Rillen zu bestimmen.

Erfolgt das Setzen der Referenzpunkte bei der Prozessierung um nur 1 mm unterschiedlich, ergibt sich daraus für eine 1m²große Untersuchungsfläche eine Abweichung im Volumen von 1dm³, bzw. 1 Liter. Da die Austräge aus den Testflächen bisher maximal 120 g betragen haben, ist das Berechnen des Volumen zu diesem Zeitpunkt der Arbeit nicht zufriedenstellend möglich.

Um diese Fehlerquelle so gering wie möglich zu halten, sollte überlegt werden, die Heringe auf den Rinnen stabiler gegen Winterfröste zu machen. Vorstellbar sind z.B. Heringe, die weiter in den Boden hineinreichen und somit resistenter gegen Bodenbewegungen sind.

Übertragbarkeit

Bei der Etablierung der neuen Methode stellt sich die Frage, ob diese Methode auf größere Flächen übertragen werden kann. Dies ist durch Interpolation und Simulation möglich. Ebenso können die Untersuchungsergebnisse eines kleinen Landschaftstypes auf den gleichen Landschaftstyp mit einer größeren Fläche übertragen werden.

7 Diskussion 70

Weiterentwicklungen

Im weiteren Verlauf dieses Projektes ist die Entwicklung eines Rauhigkeitsindexes denkbar. Da verschiedene Böden unterschiedliche Indexwerte ergeben würden, könnten somit Aussagen über die Erosionsfähigkeit des Bodens gemacht werden

Ebenso sollten nach weiteren Untersuchungen Bestimmungen des Sedimenttransportes möglich sein. Erste Ansätze dafür liefern die Differenzmodelle, in denen Umlagerungen von Material sichtbar wurden. Durch die punktuelle Bestimmung von Umlagerung dürfte es später auch möglich sein, Sedimentkapazitäten zu berechnen.

Da der Laserscanner VIVID 900 von Minolta ein reines Laborgerät ist und nicht für das Gelände konzipiert wurde, treten im Gelände verschiedene Schwierigkeiten auf. Das sind zum Beispiel die Umgebungsbeleuchtung, der geringe Scanbereich, sowie der umständliche Messaufbau. Es ist daher zu überlegen, auf andere Möglichkeiten des Laserscanning zurück zugreifen. Denkbar wäre die Nutzung anderer Geländegeräte, wie sie beispielsweise KURTZ (2000) verwendet hat. Aber auch das Lasern vom Flugzeug aus, kann eine Alternative sein. Zu beachten ist dabei allerdings die Auflösung.. Da eine zu geringe Auflösung nur schwer Aussagen über die Bodenrauhigkeit zulässt.

Auf jeden Fall sollten für die Messungen im Untersuchungsgebiet Geländemodelle verwendet werden. Sie weisen ganz andere Qualitäten und Eigenschaften auf und sind besser für wechselnde Umweltbedingungen geeignet.

Mit Hilfe des Laserscanning können qualitativ hochauflösende Digitale Geländemodelle erstellt werden. Oberflächen können außerdem zeitlich und räumlich überwacht werden. Wenn es möglich ist, Abträge und Einträge zu quantifizieren, dann können Aussagen über Sedimenttransporte gemacht werden. Durch die Arbeit mit dem Laserscanner öffnen sich neue Aufgabenbereiche, wie z.B. in der Hydrologie, Fernerkundung, Bodenkunde, Landwirtschaft, Gletscherforschung (Eisbewegung) und viele andere mehr.

8 Schlussfolgerung und Ausblick 71

8 Schlussfolgerung und Ausblick

Ziel dieser Arbeit war die Quantifizierung der Oberflächenveränderungen und der Erosion mit einem terrestrischen Laserscanner. Dies ist im Verlauf der Arbeit gelungen. Es konnten zeitliche und räumliche Variabilitäten analysiert werden. Ebenso wurde eine Entwicklung der Oberflächenstruktur der Untersuchungsfelder sichtbar.

Ein zweites Kriterium dieser Arbeit was der Vergleich der Daten der Oberflächenveränderungen mit klimatischen Daten, wie z.B. Niederschlag und Windrichtung. Auch hierfür konnten erfolgreiche Ergebnisse dargestellt werden. Es wurde jedoch deutlich, dass der Einfluss der Wassererosion größer ist als die Winderosion.

Und drittens sollte die Methode des Laserscanning und die Benutzung des Laserscanners im

Gelände validiert werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Volumenberechnung

der Oberflächenmodelle schwer zu berechnen ist mit den aktuellen Geländebedingungen.

Grund hierfür ist die Ungenauigkeit der Methode von 1 mm. Es wären

Volumenberechnungen bei 1/10 mm Genauigkeit möglich. Dafür lässt sich eine qualitative

Übereinstimmung mit den Niederschlags- und Winddaten vermerken.

Die Methode des Laserscanning ist gut für kleine Flächen zur Erosionsmessung zu

verwenden, auch wenn das Gerät selber mehr für das Labor genutzt werden sollte.

Für die Zukunft kann man sich wünschen, dass die Methode weiter untersucht und verbessert

wird. Es sind auf jeden Fall mehr Versuchsreihen notwendig, damit die Fehler quantifiziert

und möglicherweise eingegrenzt werden können. Man sollte versuchen, den Ablauf der

Prozessierung zu automatisieren, da er sehr viel Zeit in Anspruch nimmt.

Wenn für die Zukunft Aussagen über den Sedimenttransport mittels Laserscanning gemacht

werden können, dann bietet sich dadurch die Möglichkeit, die Ergebnisse der

Erosionsmessung auf größere Flächen zu übertragen. Damit wäre ein weiterer Schritt in

Richtung Erosionsforschung getan, die der Verminderung von Degradation und den

Problemen, die damit zusammenhängen, dient.

9 Literaturverzeichnis 72

9 Literaturverzeichnis

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FÜREDER, P. (2005): Genauigkeitsabschätzung von 3D-Scannern. Wien.

http://www.prip.tuwien.ac.at/Research/3dtechnik/index.html


GERSTENGARBE, F.-W. (Hrsg.)(2003): Studie zur klimatischen Entwicklung im Land Brandenburg bis 2055 und deren Auswirkungen auf den Wasserhaushalt, Forst- und Landwirtschaft sowie die Ableitung erster Perspektiven. PIK-Report Nr. 83. Potsdam

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KONIKA MINOLTA (2006): 3D Digitizer – vielfältige Anwendungen.

http://www.konicaminolta-3d.de/index.php?id=17&L=1


KURTZ, J. (2000): Laser scanner can show crop residue contribution to erosion control.

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SURMANN, H., et al. (2001): Aufbau eines 3D-Laserscanners für autonome mobile Roboter. GMD-Report 126. GMD-Forschungszentrum Informationstechnik GmbH

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http://www.uni-essen.de/grundbau/deichsicherheit.htm


10 Anhang 77

10 Anhang

Der Anhang ist in Form einer CD dieser Arbeit beigefügt.

Darauf finden sich folgende Dateien:

I. 01_Einleitung.pdf

II. 02_Niederschlagsdaten_2005.xls

III. 03_Winddaten_2005.xls

IV. Differenzmodelle

Fläche 1

Fläche 2

Fläche 3

Fläche 4

Fläche 6

Große Rinne

Rinne oben

Rinne unten

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2006-04-25 19-44-DA-Katrin Zabel - tu-dresden.de · Selbstständigkeitserklärung Ich erkläre, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Verwendung der angegebenen