Automatische Extraktion von Brachflächen aus Luftbildern mittels eines neuronalen Netzes

Die Flächenknappheit in Ballungsräumen zwingt zu einer Reaktivierung nicht mehr genutzter Gewerbeflächen. Ziel der Machbarkeitsstudie des in der Arbeitsgruppe für Supply Chain Services des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS angesiedelten Projektes ist die Evaluierung einer automatischen Extraktion von Brachflächen aus Luftbildern mittels eines neuronalen Netzes, wodurch im Vergleich zur manuellen Auswertung eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis möglich ist. Die Genauigkeit wird durch einen Vergleich mit von der Firma Spacedatists GmbH zur Verfügung gestellten Brachflächen sowie einer manuellen Überprüfung für Untersuchungsgebiete in Nordrhein-Westfalen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen hierbei Möglichkeiten einer automatischen Extraktion von Brachflächen auf und geben Hinweise auf den Nutzen der Integration weiterer Daten

Unsicherheiten in der Abschätzung von Massenbilanzen für Gletscher in komplexer Topographie - eine Fallstudie auf James Ross Island, Antarktische Halbinsel

The Antarctic Ice Sheet is the largest reservoir of frozen freshwater, with an ice mass equivalent to ~58 m sea-level rise in the case of a complete melt. One of the strongest temperature increases on Earth was reported for the northern Antarctic Peninsula over the second half of the 20th century. Thus, accurate mass balance estimates of glaciers located in this region are necessary for projections of the future sea-level. Despite advances in the length of observation periods, the number of measurements, and the reduction of errors, the intercomparison of mass balance estimates derived from various methods still reveals considerable differences. This holds true even if the results are averaged over large spatial extents. This considerable uncertainty was visible, for example, in the recent review of the role of melt caused by the ocean or the stability of the East Antarctic Ice Sheet. In order to contribute to the improvement of glacier mass balance estimates, this study compares estimates by applying the input-output method, as well as the geodetic method on a local scale. The study site, James Ross Island, is located at the eastern side of the northern Antarctic Peninsula. It consists of a complex topography with a ~300 to 500 m high, almost vertical cliff separating the catchment areas from the marine-terminating outlets of many glaciers on the island. A special focus of this thesis is on the influence of the individual input variables propagated onto the error of the final mass balance estimate. Due to the harsh environmental conditions, many mass balance estimates in Antarctica rely only on remotely sensed data, such as that used in the geodetic method, which has the drawback of propagating potential errors if no validation data are available. In the scope of this thesis, in-situ measurements from several expeditions in Antarctica, which are necessary, especially for accurate estimates of the input-output method, are conducted. These in-situ data such as the ice thickness or meteorological variables conducted by automatic weather stations provide the unique opportunity of a much higher accuracy without, for example, interpolating or downscaling simulated data. A high spatial variability in glacier mass loss was observed on James Ross Island. This was related to the occurrence of Föhn events and the collapse of the ice shelf in the Röhss Bay. Previously published area estimates for the time steps 1988 and 2009 revealed strong glacier retreat on James Ross Island. In this thesis, the observation period of comparable frontal area changes is extended by exploiting glacier calving fronts starting from 1945 with a common-box approach. For almost all investigated glaciers the frontal area change rates before 1988 are lower than the retreat rates in the period 1988-2008/2009 with an overall rate on James Ross Island of -1.646 km^2 a^−1. Afterwards, the annual recession rates decrease to -0.093 km^2 a^−1 in 2008/2009-2014 and -0.039 km^2 a^−1 in 2014-2018. A continuous data set of glacier surface velocities derived by TerraSAR-X/TanDEM-X satellite acquisitions is validated with the in-situ measurements and used to analyse the temporal and spatial variability in ice dynamics between 2014 and 2018. Meteorological and oceanic data from the in-situ measurements and regional climate models are additionally used to determine potential atmospheric and oceanographic forcing factors. Sporadic acceleration events in surface velocity are observed for single glaciers, but the temporal patterns in velocity and area changes differ also for glaciers in immediate proximity. The analysis of the atmospheric conditions fails to explain the different patterns. Therefore, it is suggested that the bathymetry controls the local impact of oceanic forcing and partially over-modulates the atmospheric influence. These new results for James Ross Island suggest a stronger oceanic influence also in regions influenced by the Weddell Sea. In-situ ice thickness measurements are rare in Antarctica, but accurate estimates are an important input variable in the input-output method. Differences in ice thickness and their influence on ice discharge between published simulated data and in-situ measurements derived with ground penetrating radar are compared for the cliff-separated glacier type of Gourdon Glacier. A comparison of the measurements from 2018 with older in-situ data from the 1990s reveals differences mostly smaller than the estimated errors. The application of three interpolation and reconstruction approaches reveals a minor impact of ice thickness differences on the ice discharge estimation, if the used flux gates are in areas with a good spatial coverage of in-situ measurements. A much stronger influence is observed for uncertainties in the glacier velocities derived from remote sensing, especially in proximity to the ice cliff. Errors in ice discharge are estimated at the frontal part of Gourdon Glacier with ~0.8 Mt a^-1 for higher velocities in 2015 and ~0.3 Mt a^-1 for lower velocities in 2017. The results have a high significance for the scientific community because the in-situ ice thickness measurements show that the published simulated data strongly overestimate the ice thickness at the outlet of Gourdon Glacier, resulting in an overassessment of the ice discharge of up to 30 Mt a^-1. The in-situ ice discharge measurements can be used with high confidence as the "output" part for the input-output method in this thesis. In the case of the "input" part, the resolution of the regional climate models is too low to represent the topography of Gourdon Glacier. Thus, measurements from ablation stakes as well as the installed weather stations are used as input variables in a degree-day model. Additional mass input from the catchment area on the plateau, calculated by ice thickness and surface velocity measurements, is included in the model to generate a new surface mass balance model for the outlet part of Gourdon Glacier. Together with the ice discharge at a validated grounding line on the glacier frontal area, the mass balance could be calculated using the input-output method. Whereas the ice discharge estimation at the frontal part of the outlet derives reliable results with errors smaller than 1 Mt a^-1, the errors from the simulated SMB and the ice discharge from the plateau raise the error to ~4-6 Mt a^-1. For the geodetic approach it is not possible to establish altimetry data as a suitable candidate for serving as a reference ground truth on James Ross Island, which would be a valuable product for calibration and validation in this study area. Differences in surface elevation up to several metres are observed for different data sets using optical imagery and SAR interferometry. This can be largely attributed to high uncertainties in the co-registration of distinct elevation products due to the limited amount of stable ground. A detailed error estimation is conducted for mass balance estimates using SAR interferometry with TanDEM-X satellite acquisitions under the assumption of a successful co-registration, and under the assumption of uncorrected systematic biases in the data. The occurrence of systematic biases would raise the error from several Mt a^-1 up to ~100 Mt a^-1, and could at least partially explain the large differences in mass balance rates between the input-output and the geodetic method. The application of several "control" areas supports the assumption that the error is underestimated if systematic errors are not considered. The different results between the input-output and the geodetic method together with the high uncertainties in the error estimates lead to the conclusion that the complex topography of James Ross Island hampers the mass balance estimates. The inhomogeneous distribution of stable ground results in a limited co-registration, strong elevation differences for distinct products, as well as higher errors in the case of uncorrected systematic biases. Moreover, it was observed that the complex topography on James Ross Island is not resolved in many published simulated input data such as the SMB or the ice thickness, which are both necessary for the input-output method. This underlines the demand of in-situ measurements in the future. Nevertheless, the comparison of the influence of the error of each single variable on the final error provides novel insights into the error of small-scale glacier mass balance estimates.Der antarktische Eisschild ist das größte Reservoir von gefrorenem Süßwasser. Ein komplettes Abschmelzen des Eisschilds würde zu einen Anstieg des Meeresspiegels um ca. 58 m führen. In der zweiten Hälfte des 20. Jh wurde an der nördlichen antarktischen Halbinsel einer der weltweit stärksten Temperaturanstiege festgestellt. Aus diesem Grund ist eine genaue Bestimmung der Massenbilanz von Gletschern in dieser Region unerlässlich für Prognosen des zukünftigen Meeresspiegels. Trotz einiger Fortschritte in der Zeitspanne der Beobachtungen, der Anzahl an Messungen und der Verringerung der zugehörigen Fehler, zeigen sich in den Massenbilanzen immer noch erhebliche Differenzen zwischen verschiedenen Methoden. Dies ist selbst dann der Fall, wenn die Ergebnisse über größere räumliche Ausdehnung gemittelt werden. Die immer noch beträchtliche Unsicherheit zeigte sich z.B. in den neuen Erkenntnissen bezüglich der Rolle von durch den Ozean verursachtem Schmelzen oder der Stabilität des östlichen antarktischen Eisschilds. Um zu einer Verbesserung der Bestimmung von Gletscher-Massenbilanzen beizutragen, vergleicht diese Studie Ergebnisse der "Input-Output" Methode und der geodätische Methode auf kleinräumiger Skala. Das Untersuchungsgebiet, James Ross Island, befindet sich an der Ostseite der nördlichen antarktischen Halbinsel. Es besitzt eine komplexe Topographie mit einem ca. 300 bis 500 m hohem, nahezu senkrechten Kliff, welches die Einzugsgebiete von den auf der Insel häufig auftretenden Auslass-Gletschern trennt. Ein spezieller Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einfluss der einzelnen Eingangsvariablen auf den Gesamtfehler der finalen Massenbilanz. Auf Grund der rauen Umweltbedingungen beruhen viele Abschätzungen zur Massenbilanz in der Antarktis auf Fernerkundungsdaten wie auch bei der geodätischen Methode. Das Fehlen von Daten zur Validierung hat den Nachteil von potenziellen Fehlern zur Folge. Im Rahmen dieser Arbeit wurden in-situ Messungen während mehrerer Antarktis-Expeditionen durchgeführt, welche für eine genaue Abschätzung mittels der "Input-Output" Methode notwendig sind. Diese in-situ Daten, beispielsweise die Eisdicke oder meteorologische Variablen der automatischen Wetterstationen, geben die einzigartige Möglichkeit einer höheren Genauigkeit, ohne dass eine Interpolation oder Veränderung der Auflösung von simulierten Daten notwendig ist. Für James Ross Island wurde eine hohe räumliche Variabilität im Massenverlust von Gletschern beobachtet. Diese wurde z.B. mit dem Auftreten von Föhn-Wind oder dem Zusammenbruch des Eisschelfs im Bereich der Röhss Bucht in Zusammenhang gebracht. Bereits veröffentlichte Werte zur Flächenveränderung ergaben einen starken Gletscherrückzug zwischen den Jahren 1988 und 2009. In dieser Arbeit wird der Beobachtungszeitraum von vergleichbaren Flächenveränderungen durch die Auswertung von Gletscher-Kalbungsfronten seit 1945 mittels eines "common-box"-Ansatzes erweitert. Die Rate der Flächenveränderungen an der Kalbungsfront ist vor 1988 für fast alle untersuchten Gletscher niedriger als die Rückzugsrate im Zeitraum 1988-2008/2009 mit einer Gesamtrate für James Ross Island von -1.646 km^2 a^-1. Danach konnte eine Verlangsamung der jährlichen Rückzugsraten für James Ross Island auf -0.093 km^2 a^-1 im Zeitraum 2008/2009-2014 und -0.039 km^2 a^-1 im Zeitraum 2014-2018 festgestellt werden. Ein einheitlicher Datensatz von Gletscher-Oberflächengeschwindigkeiten wird durch TerraSAR-X/TanDEM-X Satellitenaufnahmen generiert, mittels in-situ Messungen validiert und für die Analyse der zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Eisdynamik zwischen 2014 und 2018 verwendet. Meteorologische und ozeanische Daten aus den in-situ Messungen und regionalen Klimamodellen werden zusätzlich zur Bestimmung weiterer möglicher Einflussfaktoren verwendet. Für einzelne Gletscher wird eine unregelmäßige Beschleunigung der Oberflächengeschwindigkeit beobachtet, aber die zeitliche Verteilung der Geschwindigkeit- und Flächenveränderungen unterscheiden sich auch zwischen Gletschern in unmittelbarer Nähe. Die Analyse der atmosphärischen Bedingungen kann diese unterschiedlichen Muster nicht erklären. Deshalb wird von einem großen Einfluss der Ozeanzirkulation ausgegangen, welche stark von der Bathymetrie bestimmt wird und den Einfluss atmosphärischer Faktoren zumindest teilweise überdeckt. Diese neuartigen Ergebnisse für James Ross Island deuten auf stärkere Auswirkungen des Ozeans auch in Regionen, welche durch das Weddell Meer beeinflusst werden, hin. In-situ Messungen der Eisdicke aus der Antarktis sind selten, aber genaue Abschätzungen sind eine wichtige Eingangsvariable für die "Input-Output" Methode. Unterschiede in der Eisdicke und deren Einfluss auf die Bestimmung der Eisdurchflussraten werden zwischen veröffentlichten Simulationsdaten und den in-situ Messungen mittels Bodenradar für den durch ein Eiskliff getrennten Gourdon-Gletscher verglichen. Die Differenz der Messungen aus dem Jahr 2018 mit älteren in-situ Daten aus den 1990ern ist meist kleiner als der Fehler. Die Anwendung von drei Interpolations- und Rekonstruktionsansätzen lässt auf einen vernachlässigbaren Einfluss der Abweichungen in der Eisdicke auf die Bestimmung der Eisdurchflussrate schließen, wenn die Abschätzung in Gebieten mit einer guten räumlichen Abdeckung von in-situ Messungen durchgeführt wird. Einen größeren Einfluss hat die Unsicherheit in der aus Fernerkundungsdaten abgeleiteten Geschwindigkeit des Gletschers, insbesondere in der Nähe des Kliffs. Fehler in der Eisdurchflussrate im vorderen Bereich des Gourdon Gletschers betragen ~0.8 Mt a^-1 für höhere Geschwindigkeiten im Jahre 2015 und ~0.3 Mt a^-1 für niedrigere Geschwindigkeiten im Jahre 2017. Die Ergebnisse haben eine große Bedeutung für die Wissenschaft, da durch die in-situ Eisdickenmessungen eine starke Überschätzung der simulierten Werte im Bereich des Gourdon Auslassgletschers nachgewiesen werden kann, welche in einer Überschätzung der Eisdurchflussrate von bis zu 30 Mt a^-1 resultiert. Die in-situ Eisdurchflussraten können mit hoher Glaubwürdigkeit als "Output" Anteil für die "Input-Output" Methode im Rahmen dieser Arbeit angewendet werden. Für eine Abschätzung des "Input" Anteils ist die Auflösung der regionalen Klimamodelle zu niedrig, um die Topographie des Gourdon Gletschers korrekt widerzuspiegeln. Deshalb werden Messungen an Ablationsstangen sowie den installierten Wetterstationen als Eingangsvariable für ein Grad-Tag-Modell verwendet. Zusätzliche Eingangsmasse vom Einzugsgebiet auf dem Plateau, welche durch die Eisdicken- und Geschwindigkeitsmessungen berechnet wurde, wird in ein Oberflächenmassenbilanz-Modell für den Gourdon Auslassgletscher integriert. Zusammen mit der Eisdurchflussrate in einem Bereich nahe der Gletscherfront, bei welchem ein Aufsitzen der Eismasse auf den unterliegenden Fels überprüft wurde, kann die Massenbilanz mittels der "Input-Output" Methode berechnet werden. Die Berechnung der Eisdurchflussrate im vorderen Bereich des Auslassgletschers ergibt verlässliche Ergebnisse mit Fehlern kleiner als 1 Mt a^-1, wohingegen die Fehler aus der simulierten Oberflächenmassenbilanz und der Eisdurchflussrate am Plateau den Gesamtfehler auf ~4-6 Mt a^-1 vergrößern. Im Falle des geodätischen Ansatzes ist es für James Ross Island nicht möglich einen Altimetrie-Datensatz als geeigneten Kandidaten für eine Referenzmessung zu identifizieren, welcher für eine Kalibrierung oder Validierung in diesem Untersuchungsgebiet hilfreich wäre. Unterschiede in der Oberflächenhöhe von bis zu einigen Metern werden für verschiedene Datensätze aus optischen Daten und Interferometrie mittels synthetischer Apertur beobachtet. Zu einem großen Teil kann dies auf hohe Unsicherheiten in der Koregistrierung verschiedener Höhenprodukte auf Grund einer beschränkten Verfügbarkeit von stabiler Oberfläche zurückgeführt werden. Eine detaillierte Abschätzung der Fehler wird für die Massenbilanzbestimmung aus SAR Interferometrie mittels TanDEM-X Satellitenaufnahmen unter der Annahme einer erfolgreichen Koregistrierung und unter der Annahme nicht korrigierter systematischer Fehler in den Daten durchgeführt. Das Auftreten systematischer Fehler würde den Fehler von einigen Mt a^-1 auf bis zu ~100 Mt a^-1 erhöhen, was zumindest teilweise die großen Unterschiede in den Massenbilanzabschätzungen zwischen der "Input-Output" und der geodätischen Methode erklären würde. Die Anwendung von "Kontroll"-Flächen unterstützt die Vermutung, dass der Fehler unter Nichtberücksichtigung systematischer Abweichungen unterschätzt wird. Die abweichenden Ergebnisse zwischen der "Input-Output" Methode und der geodätischen Methode in Verbindung mit den großen Unsicherheiten in der Fehlerberechnung führen zu dem Schluss, dass die komplexe Topographie auf James Ross Island die Abschätzung von Massenbilanzen erschwert. Die ungleiche Verteilung stabiler Fläche resultiert in einer beeinträchtigten Koregistrierung, erheblichen Höhenunterschieden für verschiedene Produkte und größeren Fehlern im Falle nicht korrigierter systematischer Fehler. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass die komplexe Topographie auf James Ross Island oft nicht korrekt wiedergegeben wird. Dies trifft z.B. auf die veröffentlichten, simulierten Eingangsvariablen wie die Oberflächenmassenbilanz oder die Eisdicke zu, welche für die "Input-Output" Methode notwendig sind. Dies verdeutlicht den Bedarf von zukünftigen in-situ Messungen. Auch wenn die Werte aus beiden Methoden stark voneinander abweichen, ermöglicht der Vergleich des Einflusses der Fehler der einzelnen Variablen auf den Gesamtfehler ein neues Verständnis für den Fehler von Massenbilanzen auf kleinräumiger Skala