Roving & Airborne -- Upscaling von Bodenfeuchteprodukten mit boden- und luftgestützter Messung kosmischer Neutronen

• Antragsteller: Dr. Martin Schrön; Dr. Steffen Zacharias
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357874777

In CosmicSense Phase I widmete sich das Forschungsmodul "RV: Roving" (i) der Erfassung räumlicher Bodenfeuchtemuster mittels mobilem Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS), (ii) der Strategieentwicklung zur Korrektur unerwünschter Nebeneffekte und (iii) der Unterstützung der Joint Field Campaigns (JFCs).Wir fanden heraus, dass mobiles CRNS in der Lage ist, Interpolationsansätze zwischen stationären Sensoren zu unterstützen, die durchschnittliche Austrocknung eines Einzugsgebietes zu erfassen, sowie Gradienten des Wassergehalts sogar entlang Autobahnen und Bahnstrecken zu erkennen. Wir haben außerdem richtungsabhängige Abschirmungskonzepte erfunden, um lokale Störeffekte zu unterdrücken oder um sich auf kleinere Messflächen zu konzentrieren. Da die Messunsicherheit ein entscheidender Faktor ist, veröffentlichten wir einen Leitfaden zur stochastischen Unsicherheit mobiler CRNS-Daten und untersuchten die systematischen Fehler durch Vegetation und Straßen. Dedizierte Laborexperimente zeigten außerdem eine signifikante Rolle der Bodenparameter und lieferten eine erste empirische Bestätigung der Messtiefe. Darüber hinaus haben wir während der JFC erste Experimente mit Neutronendetektoren auf einem Heißluft-Luftschiff durchgeführt. Trotz der jüngsten Bemühungen, mobiles CRNS für die Kartierung von Bodenfeuchte zu etablieren, bleiben drei große Herausforderungen bestehen: (i) Es ist wenig über die Korrektur von weiteren Einflussfaktoren bekannt, wie z.B. urbane Strukturen, Bodeneigenschaften, Landnutzung und Wasser in Schnee, Biomasse oder Personengruppen; (ii) Rover-Messungen sind nicht flächendeckend und bilden nur schmale Pfade entlang befahrbarer Straßennetze ab; und (iii) Autogestützte Messungen sind in unzugänglichem Gelände, wie z.B. Naturschutzgebieten oder Ackerflächen, meist gar nicht möglich. Das übergeordnete Ziel dieses Moduls "RA" ist es daher, die Grenzen der mobilen CRNS-Methodik zu erweitern, um die Ableitung zuverlässiger Bodenfeuchteprodukte auf regionalen Skalen (1-100 km) zu ermöglichen. Dazu streben wir die folgenden drei Ziele an. Erstens werden wir räumliche Korrekturen auf Basis zusätzlicher Datensätze (OpenStreetMap, Satellitenprodukte, Kamerabilder) entwickeln, so dass die Kalibrierungsparameter nicht mehr ortsspezifisch sein werden. Zweitens wollen wir die räumliche Ausdehnung mobiler CRNS-Messungen hochskalieren, indem wir die Bodenfeuchte und ihre Unsicherheit in unberührten Regionen mit Hilfe von maschinellem Lernen, Datenfusion und optimalem Routing schätzen. Drittens werden wir das Konzept des Airborne CRNS durch Simulationen sowie Messungen mit einem Gyrokopter und einem Heißluft-Luftschiff weiter erproben.Das Modul stützt sich auf die enge Zusammenarbeit mit den Modulen der Phase II und deren Beiträge zur Konzeptentwicklung und zum Ground Truthing, insbesondere während der JFCs. Im Gegenzug ist "RA" für die anderen Module entscheidend, um die Skalenlücke zwischen Punkt- und regionalen Datenprodukten zu schließen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Erik Nixdorf; Dr. Hendrik Paasche