Judith Frauendorf

Entwicklung und Anwendung von Fernerkundungsmethoden zur Ableitung von Wasserqualitätsparametern verschiedener Restseen des Braunkohlentagebaus in Mitteldeutschland

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 14.11.2002

Abstract
Die Wasserqualität von Tagebaurestseen weist große Differenzen zu natürlichen Gewässern auf, da durch die in den Kippen vorhandenen Pyritoxidationsprodukte Schwefelsäure und Eisenionen viele Restseen versauert sind bzw. zur Versauerung neigen. Durch Flutung mit Oberflächenwässern wird dieser Versauerung entgegengewirkt. Um die Wasserqualität zu überprüfen werden traditionell regelmäßige punktuelle Probenahmen durchgeführt. Der Einsatz von Fernerkungsmethoden eröffnet neue Möglichkeiten zum Monitoring der Tagebaurestseen, da ein flächenhafter Überblick der Seen gegeben werden kann.
Auf der Basis von hyperspektralen Fernerkundungsdaten, welche mit dem Sensor casi vom Institut für Weltraumwissenschaften der Freien Universität Berlin aufgenommen wurden, in Verbindung mit einer Reihe von Feld- und Labordaten wie z. B. pH-Wert, Azidität, Eisenionengehalt, Sichttiefe, Chlorophyll-a-Gehalt, DOC-Gehalt sowie Schwebstoffgehalt wurden Methoden entwickelt diese Wasserqualitätsparameter flächendeckend abzuleiten. Ausgangspunkt dafür bildeten die Absorptions- und Rückstreueigenschaften der Tagebaurestseen, welche sich sehr stark voneinander unterschieden. Auf der Grundlage dieser Eigenschaften wurden verschiedene Stadien von Tagebaurestseen mit Hilfe von Reflexionsparametern aus den casi-Daten abgeleitet. Aufbauend auf dieser Stadieneinteilung erfolgte dann durch die Ableitung verschiedener Reflexionsparameter und die Korrelation dieser mit den in-situ-Daten die Extraktion der Wasserqualitätsparameter.
Die Anwendung der entwickelten Algorithmen erfolgte an insgesamt 27 Datensätzen, 12 davon entfielen auf das Monitoring der Goitsche von 1998 bis 2001. Weiterhin wurden die Tagebaugebiete Merseburg-Ost, Kahnsdorf, Bockwitz im Mitteldeutschen Revier sowie Teile des Lausitzer Reviers untersucht. Die entwickelten Methoden und Algorithmen stellen so eine sehr gute Grundlage für zukünftige Monitoringaufgaben von Tagebaurestseen dar.

The water quality of open cast mining lakes show great differences to natural lakes because many of open cast mining lakes are acidic by pyrite oxidation products sulfuric acid and iron ions in the dumps. Through the flooding with surface water the acidification of the lakes were counteracted. Presently punctual water sampling were carried out to check the water quality. The use of remote sensing methods opens new perspectives for the monitoring of the open cast mining lakes since a spatial overview of the lakes can be obtained.
On the basis of hyperspectral remote sensing data, which were taken up with the sensor casi of Institute for space sciences of the Free University of Berlin, in connection with a set of field and laboratory data e.g. pH value, acidity, iron ion content, secchi depth, chlorophyll a content, DOC content as well as suspended matter content methods were developed to determine these water quality parameters spatially. On the basis of the absorption and backscattering characteristics of the open cast mining lakes, which differs very strongly from each other, different stages were derived from open cast mining lakes by reflection parameters from the casi data. By means of this stage classification the extraction of the water quality parameters was occurred by the derivation of reflection parameters and the correlation of these parameters with the in situ data.
The application of the developed algorithms took place at 27 data records (12 for the monitoring of the open cast mining area Goitsche from 1998 to 2001). Further the open cast mining areas Merseburg Ost, Kahnsdorf, Bockwitz in the Central Germany district as well as parts of the Lausitzer district were examined. The developed methods and algorithms represent so a very good basis for future tasks of monitoring of open cast mining lakes.

Keywords:
Gewässerfernerkundung, optische Eigenschaften von Gewässern, Tagebaurestseen, casi, Monitoring, Versauerung, hyperspektral, Wasserqualitätsparameter, Limnologie

water remote sensing, optical properties of water, open cast mining lakes, casi, monitoring, acidification, hyperspectral, water quality parameter, limnology

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abbildungs-, Tabellen- und Abkürzungsverzeichnis (I-XXI)
1 Aufgabenstellung (1-4)
2 Untersuchungsgebiete und Restseeproblematik (5-21)
3 Einführung in die Gewässerfernerkundung (22-32)
4 Optische Eigenschaften von Gewässern (33-50)
5 Methodischer Teil (51-65)
6 Charakterisierung und Einteilung von Tagebaurestseen (66-86)
7 Algorithmenentwicklung zur Übertragung der Stadieneinteilung auf die casi-Daten (87-105)
8 Algorithmenentwicklung zur Ableitung limnologischer Parameter aus den casi-Daten (106-141)
9 Monitoring von Tagebaurestseen im Mitteldeutschen Revier (142-151)
10 Übertragung der Methoden auf andere Bergbaureviere und natürliche Gewässer (152-155)
11 Zusammenfassung und Ausblick (156-163)
12 Literaturverzeichnis (164-181)
Anlagen (273 Seiten, 49.063 KB)