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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-58967
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5896/


Satellitengestützte Abflussmessungen im Bereich von Flussmündungen : Eine Machbarkeitsstudie

Satellite-based River Discharge Measurements in the Area of River Mouths : A Feasibility Study

Grünler, Steffen

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SWD-Schlagwörter: Satellitenfernerkundung , Radarfernerkundung , Abflussmessung , Fluss
Freie Schlagwörter (Deutsch): Along-Track InSAR , TerraSAR-X , Altimetrie , Süßwassereintrag Ozean
Freie Schlagwörter (Englisch): satellite remote sensing , river discharges , along-track InSAR , altimetry
Basisklassifikation: 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Stammer, Detlef (Prof.Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 31.10.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Flüsse besitzen eine wichtige ökologische, sozioökonomische und politische Bedeutung für den Menschen, z.B. zur Trinkwasser- und Stromgewinnung, als Transportweg und zur Bewässerung. Zudem können lokale Süßwassereinträge die regionale Ozeanzirkulation beeinflussen. Demnach besteht ein Bedarf zur Erfassung der räumlichen und zeitlichen Variationen der weltweiten Flussvolumentransporte. Das bisherige Verständnis der Abflussdynamik basiert auf Daten von In-situ-Messstellen, die global sehr ungleich verteilt sind, deren Anzahl abnimmt und deren Datenqualität und -verfügbarkeit für viele Anwendungen oft nicht ausreicht. Die Verfügbarkeit von satellitengestützten Verfahren zur Messung verschiedener Flussparameter bietet die Möglichkeit zur deutlichen Verbesserung dieser Bedingungen. Die bisherige Erfassung von satellitengestützten Abflüssen erfolgt im Wesentlichen auf punktuellen Wasserstand- und Neigungsmessungen an Flussquerschnitten durch, für Ozeananwendungen konzipierte, Radaraltimeter. Dem Mangel wird durch die zukünftige Surface Water and Ocean Topography (SWOT) Satellitenmission, die eine flächenhafte Erfassung von Wasserständen erlaubt, Rechnung getragen. Eine andere, vielversprechende Methodik stellt die Along-Track SAR Interferometrie (ATI) dar, die die simultane Messung der Strömungsgeschwindigkeit und der Flussbreite erlaubt. Seit 2007 können durch den Satelliten TerraSAR-X (im experimentellen Operationsmodus) erstmals vom Weltraum aus Fließgeschwindigkeiten in Flüssen und Flussmündungen gemessen werden. In dieser Studie werden beide Messmethoden (ATI, Altimetrie) gegenübergestellt und kombiniert, um das Potential zur Bestimmung von satellitengestützten Flussvolumentransporten zu untersuchen.
Um die komplexen Zusammenhänge zwischen den satellitenbasierten Messgrößen und den daraus abgeleiteten Volumentransporten möglichst genau zu untersuchen, wird ein numerisches, hoch aufgelöstes Modell der Tideelbe benutzt, das sowohl zur Simulation von Satellitenbeobachtungen als auch als Referenz benutzt wird.
Viele Flüssen unterliegen einem Gezeiteneinfluss. Die Tidesignale in den Messzeitreihen werden durch das Annähern von Fourierreihen der Frequenzen der Hauptgezeiten M2 und K1 reduziert. Die Effektivität des Mittelwertschätzers hängt im Wesentlichen von der Anzahl der Messungen und nicht von der Abtastperiode des Satelliten ab.
Unter Annahme der Parallelität der Fluss- und der wirklichen Fließrichtung kann ein zweidimensionales Geschwindigkeitsfeld aus den gemessenen ATI-Geschwindigkeiten (parallel zur Radarblickrichtung) abgeleitet werden. Die Berechnung der Abflüsse geschieht durch die Verwendung von empirischen Abflussmodellen.
Nur aus der durch das ATI messbaren Geschwindigkeit und Flussbreite lassen sich realistische instantane Volumentransporte erfassen, auch in einem stark tidebehafteten Fluss. Reale TerraSAR-X ATI-Abflussberechnungen für die Tideelbe und die Lena bekräftigen die Simulationsergebnisse. Auch Nettotransporte können mittels ATI bestimmt werden. Durchgeführte TerraSAR-X ATI-Überflugsimulationen über der Elbe zeigen, dass nach 20 Überflügen realistische Nettotransporte mit einer Ungenauigkeit in der Größenordnung von 70% ermittelt werden. Für eine einjährige Mittelungsperiode (ca. 100 Messungen) erhöht sich die Genauigkeit auf 20-30%, was im Bereich traditioneller, kontaktloser, bodengestützter Abflussmessverfahren liegt. Aus ATI-Geschwindigkeitsmessungen können unter Verwendung von empirischen Abflussmodellen auch Aussagen zur Wassertiefe in einem Fluss getroffen werden.
Die SWOT-Mission eignet sich kaum zur Abschätzung von Flussvolumentransporten in Flussmündungen. Simulationen der Überflüge der SWOT-Mission zeigen, dass sich im Gegensatz zu den ATI-Messungen aus den berechneten Neigungen keine realistischen Flussvolumentransporte ermitteln lassen. Der Grund hierfür sind ungültige Annahmen der empirischen Abflussmodelle in den Flussmündungen. Auch eine Kombination beider Technologien (zusätzliche Messgröße) verbessert die Abflussbestimmung gegenüber den alleinigen ATI-Messungen nicht.
Mit einer Satellitenmission rein für ATI-Messungen können für verschiedene Flusseinzugsgebiete auf der Erde Süßwassereinträge in den Ozean bestimmt werden. Diese repräsentieren ca. 89% der gesamten jährlichen Flussausströme. Mit den derzeitigen Voraussetzungen ist die ATI-Technologie auf die großen Flüsse und Flussmündungen beschränkt. Sie ist besonders für schlecht überwachte Regionen und Regionen, für die keine flussspezifischen Kenntnisse vorliegen, geeignet. Altimeterbasierte Abflussbestimmungen sind meist nur außerhalb von Flussmündungen möglich. Die Fehler satellitengestützter Abflussberechnungen resultieren im Wesentlichen aus den angewendeten Abflussmodellen, weniger aus den fernerkundlich erfassten Messgrößen.
Kurzfassung auf Englisch: Rivers have much ecological, socioeconomical, and political relevance to human society, e.g. for drinking water supply, electric power generation, ship traffic, and irrigation. River discharge is also an important link between terrestrial hydrology and the freshwater balance in the oceans. There is a strong need for accurate knowledge about temporal and spatial variations of the global river runoff. Our present knowledge about the dynamic of global river discharge is mainly based on an ever-declining global in-situ gauge measurement network. The global river discharge dynamics are monitored inadequately because the gauge network is sparse in many regions, the access to the streamflow data is difficult or impossible, or the data quality is not always satisfactory. Advances in satellite-based measurement techniques to detect various river parameters can improve this situation. Up to now, satellite-based river discharge determinations are mainly based on point-based water-level and slope measurements of radar altimeters that are designed for ocean applications. To overcome this lack, the concept for the planned SWOT (Surface Water and Ocean Topography) mission is based on a swath-mapping radar interferometer providing precise maps of water surface. In contrast, the promising technique of along-track interferometric SAR (along-track InSAR, ATI) allows simultaneous measurements of surface currents and river widths with a relatively high spatial resolution. Since 2007, satellite-based ATI current measurements in rivers (in experimental mode of operation) are possible from the satellite TerraSAR-X. The main goal of this study is to evaluate the potential of spaceborne ATI velocity data and future wide-swath altimetry height measurements for river runoff retrievals.
Given the lack of appropriate in-situ data, the feasibility study is based on simulations of a high-resolution numerical flow model of the Elbe estuary, which is being sampled in a satellite-simulated way and which acts as ground truth as well.
Possible tidal influence of many rivers can be removed from the measured signal by fitting the main tidal M2 and K1 oscillations. The effectiveness of the reduction of the tidal signal primarily depends on the number of measurements used rather than the sampling period of the satellite.
The ATI imaging geometry provides only the line-of-sight velocity component. Using the assumption that the river direction is close to the flow direction, the full flow field is resolved. Empirical flow models are used for calculating discharges.
It is shown that, by only measuring surface velocity and river width with an ATI system, realistic instantaneous discharge estimates for an estuary can be obtained. These results are proved using real TerraSAR-X ATI data of the Elbe river estuary and the Lena river. Also, net volume transports can be obtained. Realistic TerraSAR-X ATI sampling simulations for the Elbe river test area show that at least 20 samples are necessary to reach an accuracy in the range of 70% of the estimated net discharges. For an annual observation period (approx. 100 samples), discharges can be estimated in the range of 20-30%, which is comparable to the accuracy range of traditional non-contact, ground-based measurements. Additionally, using ATI velocity measurements, estimates of water depth can be made.
Estimation of river volume transports in river mouths by the SWOT mission is almost impossible. Sampling simulations of the SWOT mission show, that in contrast to ATI measurements, no realistic discharge estimates can be obtained using calculated slope measurements, because assumptions of the empirical discharge models do not hold in a river mouth. Also a combination of both measurement technologies (providing an additional river parameter) does not show improvements of discharge estimates, in contrast to solely ATI-based discharge estimates.
Spaceborne ATI measurements are suitable for global monitoring of freshwater inputs into the ocean. Discharges of observable river basins (at river mouth) account for about 89% of the total global mean annual freshwater input. Satellite-based ATI observations are especially promising for river mouths and in regions where ground-based data are missing and no site-specific information is available. For the proposed SWOT mission, river discharge measurements are quite problematic in river mouths. Errors arise mainly from the empirical discharge models, not from the remotely sensed parameters.

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