Institut für Geographie und Geologie
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Mapping buried paleogeographical features of the Nile Delta (Egypt) using the Landsat archive
(2020)
The contribution highlights the use of Landsat spectral-temporal metrics (STMs) for the detection of surface anomalies that are potentially related to buried near-surface paleogeomorphological deposits in the Nile Delta (Egypt), in particular for a buried river branch close to Buto. The processing was completed in the Google Earth Engine (GEE) for the entire Nile Delta and for selected seasons of the year (summer/winter) using Landsat data from 1985 to 2019. We derived the STMs of the tasseled cap transformation (TC), the Normalized Difference Wetness Index (NDWI), and the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). These features were compared to historical topographic maps of the Survey of Egypt, CORONA imagery, the digital elevation model of the TanDEM-X mission, and modern high-resolution satellite imagery. The results suggest that the extent of channels is best revealed when differencing the median NDWI between summer (July/August) and winter (January/February) seasons (ΔNDWI). The observed difference is likely due to lower soil/plant moisture during summer, which is potentially caused by coarser-grained deposits and the morphology of the former levee. Similar anomalies were found in the immediate surroundings of several Pleistocene sand hills (“geziras”) and settlement mounds (“tells”) of the eastern delta, which allowed some mapping of the potential near-surface continuation. Such anomalies were not observed for the surroundings of tells of the western Nile Delta. Additional linear and meandering ΔNDWI anomalies were found in the eastern Nile Delta in the immediate surroundings of the ancient site of Bubastis (Tell Basta), as well as several kilometers north of Zagazig. These anomalies might indicate former courses of Nile river branches. However, the ΔNDWI does not provide an unambiguous delineation.
Visualizing movement data is challenging: While traditional spatial data can be sufficiently displayed as two‐dimensional plots or maps, movement trajectories require the representation of time in a third dimension. To address this, we present moveVis, an R package, which provides tools to animate movement trajectories, overlaying simultaneous uni‐ or multi‐temporal raster imagery or vector data.
moveVis automates the processing of movement and environmental data to turn such into an animation. This includes (a) the regularization of movement trajectories enforcing uniform time instances and intervals across all trajectories, (b) the frame‐wise mapping of movement trajectories onto temporally static or dynamic environmental layers, (c) the addition of customizations, for example, map elements or colour scales and (d) the rendering of frames into an animation encoded as GIF or video file.
moveVis is designed to display interactions and concurrencies of animal movement and environmental data. We present examples and use cases, ranging from data exploration to visualizing scientific findings.
Static spatial plots of movement data disregard the temporal dimension that distinguishes movement from other spatial data. In contrast, animations allow to display relocation in both time and space. We deem animations a powerful way to visually explore movement data, frame analytical findings and display potential interactions with spatially continuous and temporally dynamic environmental covariates.
Städte sehen sich in der Entwicklung ihres Einzelhandelsangebots zunehmend Konkurrenzsituationen zwischen traditionellen Innenstadt- und neu entstehenden Stadtrandlagen ausgesetzt, die einerseits die gestiegenen Flächen- und Produktivitätsansprüche der Unternehmen eher erfüllen, während andererseits Bürger, Politik und etablierter Handel ein ‚Aussterben’ der Innenstädte befürchten. Die Konsequenzen planerischer Entscheidungen in dieser Hinsicht abzuschätzen, wird zunehmend komplexer. Dafür sind ebenso eine stärkere Individualisierung des Konsumverhaltens verantwortlich, wie eine gestiegene Sensibilität gegenüber Verkehrs- und Emissionsbelastungen. Modellierungen und Simulationen können einen Beitrag zu fundierter Entscheidungsfindung leisten, indem sie durch Prognosen von Szenarien mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen solche Auswirkungen aufzeigen.
In der Vergangenheit wurden Kaufkraftströme durch Modelle abgebildet, die auf aggregierten Ausgangsdaten und Analogieschlüssen zu Naturgesetzen (Gravitations-, Potenzialansatz) oder nutzentheoretischen Annahmen (Diskreter Entscheidungsansatz) beruhten. In dieser Arbeit wird dafür erstmals ein agentenbasierter Ansatz angewendet, da sich so individuelle Ausdifferenzierungen des Konsumentenhandelns wesentlich leichter integrieren und Ergebnisse anschaulicher präsentieren lassen. Ursprünglich entstammt die Idee zur Agententechnologie einem Forschungsfeld der Informatik, der Künstlichen Intelligenz. Ziel war hier, Algorithmen zu entwickeln, die aus einer Menge von kleinen Softwarebausteinen bestehen, die zur Lösung eines Problems miteinander in Kommunikation treten und sich selbst zielbezogen anordnen. Somit schreibt sich der Algorithmus im Grunde selbst. Dieses Konzept kann in den Sozialwissenschaften als Modellierungsparadigma genutzt werden, insofern als dass sie der Idee der Selbstorganisation von Gesellschaften recht nahe kommt. Insbesondere zeichnen sich Multiagentensysteme durch eine dezentrale Kontrolle und Datenvorhaltung aus, die es darüber hinaus ermöglichen, auch komplexe Systeme von Entscheidungsprozessen mit wenigen Spezifikationen darzustellen. Damit begegnet der Agentenansatz vielen Einwänden gegen Analogie- und Entscheidungsmodelle. Durch die konsequente Einnahme einer individuenbezogenen Sichtweise ist die individuelle Ausdifferenzierung von Entscheidungsprozessen viel eher abbildbar.
Für das Forschungsprojekt konnten für einenm ntersuchungsraum in Nordschweden (Funktionalregion Umeå, ca. 140.000 Einwohner) individuenbezogene Einwohnerdaten verfügbar gemacht werden. Diese enthielten u.a. Lagekoordinaten des Wohn- und Arbeitsorts, Alter, Geschlecht, verfügbares Einkommen und Angaben zur Haushaltsstruktur. Verbunden mit Erkenntnissen aus empirischen Untersuchungen (Konsumentenbefragung, Geschäftskartierung) stellten sie die Eingabegrößen für ein agentenbasiertes Modell der Einkaufsstättenwahl bei der Lebensmittelversorgung dar. Die Konsumentenbefragung stellte regressionsanalytische Abhängigkeiten zwischen sozioökonomischen Daten und Konsumpräferenzen bezüglich einzelner Geschäftsattribute (Preisniveau, Produktqualität, Sortimentsbreite, Service etc.) her, die gleichen Attribute wurden für die Geschäfte erhoben. Somit können Kaufkraftströme zwischen Einzelelementen der Nachfrage (individuelle Konsumenten) und des Angebots (einzelne Geschäftsstandorte) als individuell variierende Bewertung der Geschäfte durch die Agenten dargestellt werden, gemäß derer die Agenten ihre lebensmittelrelevante Kaufkraft auf die Geschäfte verteilen.
Für die Geschäfte der gesamten Region konnten Gütemaßwerte bis 0,7 erreicht werden, für einzelne Betriebsformate auch über 0,9. Dies zeigt, dass auch bei der Verwendung individuenbezogener Modelle, die mit einer deutlich höheren Anzahl Freiheitsgraden behaftet sind als ihre aggregierten Gegenstücke, hohe Prognosequalitäten für Umsatzschätzungen von Standorten erreicht werden können. Gleichzeitig bietet der Agentenansatz die Möglichkeit, einzelne Simulationsobjekte bei ihrer Entscheidungsfindung und ihren Aktivitäten zu verfolgen. Dabei konnten ebenfalls plausible Einkaufsmuster abgebildet werden.
Da die Distanz vom Wohn- bzw. Arbeitsort zum Geschäft Bestandteil des Modells ist, können auch die von den Einwohnern zum Zweck der Grundversorgung zu leistenden Distanzaufwände in verschiedenen Angebotssituationen analysiert werden. Als Fallstudie wurde ein Vergleich von zwei Situationen 1997 und 2004 vorgenommen. Während dieses Zeitraums haben im Untersuchungsgebiet grundlegende Veränderungen der Einzelhandelsstruktur stattgefunden, die zu einem weitgehenden Rückzug des Angebots aus den peripheren ländlichen Gebieten geführt haben. Die Ergebnisse zeigteneine hohe Übereinstimmung mit den auf nationaler Ebene erhobenen Mobilitätsdaten, ließen aber auch einen differenzierten Blick auf die unterschiedliche Betroffenheit der Einwohner der Region zu.
An agentenbasierte Simulationen werden in den Sozialwissenschaften große Erwartungen geknüpft, da sie erstmals ermöglichen, gesellschaftliche Phänomene auf der Ebene ihres Zustandekommens, dem Individuum, zu erfassen, sowie komplexe mentale Vorgänge des Handelns, Lernens und Kommunizierens auf einfache Weise in ein Modell zu integrieren. Mit der vorliegenden Arbeit wurde im Bereich der Konsumentenforschung erstmals ein solcher Ansatz auf regionaler Ebene angewendet, um zu planungsrelevanten Aussagen zu gelangen. In Kombination mit anderen Anwendungen im Bereich der Bevölkerungsprognose, des Verkehrs und der innerstädtischen Migration haben Agentensimulationen alle Voraussetzungen zu einem zukunftsweisenden Paradigma für die Raum- und Fachplanung.
Das Erbe der deutschen Kolonialzeit in Namibia im Fokus des "Tourist Gaze" deutscher Touristen
(2009)
Die Studie beschäftigt sich mit der Wahrnehmung des deutschen Kolonialerbes in Namibia aus Sicht deutscher Touristen. Namibia ist das Land in Afrika welches die stärkste Durchdringung mit Elementen der deutschen Kolonialzeit aufweist. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Land durch eine sehr hohe touristische Bedeutung des deutschen Quellmarktes aus. Weiterhin ist die gemeinsame koloniale Vergangenheit weder bilateral noch innerhalb Namibias aufgearbeitet, was der Thematik eine gesellschaftspolitische Komponente verleiht.
Die Analyse der touristischen Wahrnehmung basiert auf 103 qualitativen Interviews mit deutschen Touristen in Namibia. Neben der Perspektive der Reisenden werden Akteure untersucht, welche den ‚Blick‘ der Touristen lenken und beeinflussen. Dabei kommen eine Inhaltsanalyse von deutschsprachiger Reiseliteratur sowie teilnehmende Beobachtungen bei Stadtführungen mit lokalen Reiseleitern in der Stadt zum Einsatz.
Die Resultate zeigen, dass die Touristen das Erbe der deutschen Kolonialzeit als sehr heterogenes Phänomen interpretieren. Durch das Aufsummieren der vielfältigen Erfahrungen mit gelebtem und gebautem Kolonialerbe wird die Wahrnehmung geographisch wirksam, da die Eindrücke auf Räume und Menschen übertragen werden und nicht auf punktuellen Elementen verharren. Aufgrund von Unterdrückung und Verbrechen in der Kolonialzeit sehen die befragten Touristen das deutsche Erbe in Namibia als ein ‚schwieriges’ an, das kaum nostalgische Gefühle auslöst, sondern eher zu einer kritischen Auseinandersetzung mit der Geschichte anregt. Der Grad dieser Dissonanz ist stark davon abhängig, in wie weit die koloniale Thematik nach Ansicht der Touristen in aktuellem Bezug steht oder aber als nicht mehr relevante Vergangenheit interpretiert wird.
Neben der ‚Dissonanz’ können die Touristen anhand der beiden weiteren Indikatoren ‚Interesse’ – im Sinne einer Auseinandersetzung und Informiertheit – sowie ‚Attraktion‘ – als touristische Bedeutung – typologisiert werden. Die entscheidende Determinante für die Charakterisierung der Befragten stellt das Maß der empfundenen Dissonanz dar. Weiterhin lässt sich eine Differenzierung in Touristen mit einer vorbereiteten und organisierten und solche mit einer unvorbereiteten und spontanen Konfrontation mit dem deutschen Erbe vornehmen. Insgesamt können fünf Typen – ‚klassische Heritage-Touristen’, ‚spontane Heritage-Touristen, ‚Kritiker’, ‚historische motivierte Touristen’ und ‚Sightseeing-Touristen’ – identifiziert werden, wobei den drei erstgenannten eine Wahrnehmung als ‚schwieriges’, dissonantes Erbe immanent ist.
Mit der vorliegenden Arbeit werden konventionelle thermische Kraftwerke an deutschen Flüssen identifiziert, bei denen aufgrund hoher Flusswassertemperaturen im Zusammenhang mit wasserrechtlichen Grenzwerten Leistungseinschränkungen auftraten. Weiterhin wird aufgezeigt, wie sich die Wassertemperaturen der Flüsse in der Vergangenheit (rezent) entwickelt haben und wie sie sich zukünftig im Kontext des Klimawandels entwickeln könnten.
Mittels Literaturrecherche, Medienanalyse und schriftlicher Befragung wurden konventionelle thermische Kraftwerke identifiziert, welche wassertemperaturbedingte Leistungseinschränkungen verzeichneten. Die meisten dieser Leistungseinschränkungen zwischen 1976 und 2007 zeigen sich bei großen Kraftwerken mit einer elektrischen Bruttoleistung über 300 Megawatt, bei Steinkohle- und Kernkraftwerken, bei Kraftwerken mit Durchlaufkühlung und bei solchen, die zwischen 1960 und 1990 in Betrieb gingen.
Trendanalysen interpolierter und homogenisierter, rezenter Wassertemperaturzeitreihen deutscher Flüsse ergeben positive Trends v. a. im Frühjahr und Sommer. Die Zählstatistik zeigt in den Jahren 1994, 2003 und 2006 die meisten Tage mit sehr hohen und extrem hohen Wassertemperaturen in den Sommermonaten. In diesen Jahren traten gleichzeitig 63 % aller identifizierter wassertemperaturbedingter Leistungseinschränkungen bei Kraftwerken, meist zwischen Juni und August, auf.
Für die Trendanalysen und den Mittelwertvergleich simulierter zukünftiger Wassertemperaturzeitreihen wurden drei Szenarien – B1, A1B und A2 sowie drei Zukunftsperioden 2011-2040, 2011/2041-2070, 2011/2071-2100 betrachtet. Es ergeben sich für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- oder A2-Szenarios in mindestens einem der Sommermonate eine Erwärmung und für das B1-Szenario negative oder keine Trends. Die mittleren Wassertemperaturen der Zukunftsperiode 2011-2040 zeigen in allen drei Szenarien gegenüber denen der Klimanormalperiode 1961-1990 positive Unterschiede in mindestens einem der Sommermonate. Für die beiden späteren Zukunftsperioden bis 2070 bzw. bis 2100 liegen in allen Wassertemperaturzeitreihen der drei Szenarien im Sommer positive Trends bzw. Differenzen gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode vor.
Durch die Synthese der drei Analysen ist erkennbar, dass Isar, Rhein, Neckar, Saar, Elbe und Weser die meisten Kraftwerksstandorte mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen verzeichnen. Es zeigen sich hier positive Trends sowohl in den rezenten als auch zukünftigen Wassertemperaturen für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- und A2-Szenarios in jeweils mindestens einem der Sommermonate. Gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode liegen für alle drei Szenarien positive Unterschiede der Wassertemperaturen vor.
Bei einer Kraftwerkslaufzeit von 40-50 Jahren und einem Kernenergieausstieg 2022 bzw. 2034, werden 48-64 % bzw. 67-91 % der Kraftwerke mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen bis 2022 bzw. 2034 außer Betrieb gehen. Bei einer Laufzeitverlängerung würden nach 2022 fünf der elf betroffenen Kernkraftwerke weiter am Netz bleiben. Somit kann es wieder zu wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen kommen. In Deutschland sind nach wie vor große Kraftwerke an Flüssen geplant. Deren Kühlsysteme müssen entsprechend ausgewählt und konstruiert werden, um der zu erwartenden Erhöhung der Flusstemperaturen Rechnung zu tragen.
Detailed information on the land cover types present and the horizontal position of the land–water interface is needed for sensitive coastal ecosystems throughout the Arctic, both to establish baselines against which the impacts of climate change can be assessed and to inform response operations in the event of environmental emergencies such as oil spills. Previous work has demonstrated potential for accurate classification via fusion of optical and SAR data, though what contribution either makes to model accuracy is not well established, nor is it clear what shorelines can be classified using optical or SAR data alone. In this research, we evaluate the relative value of quad pol RADARSAT-2 and Landsat 5 data for shoreline mapping by individually excluding both datasets from Random Forest models used to classify images acquired over Nunavut, Canada. In anticipation of the RADARSAT Constellation Mission (RCM), we also simulate and evaluate dual and compact polarimetric imagery for shoreline mapping. Results show that SAR data is needed for accurate discrimination of substrates as user’s and producer’s accuracies were 5–24% higher for models constructed with quad pol RADARSAT-2 and DEM data than models constructed with Landsat 5 and DEM data. Models based on simulated RCM and DEM data achieved significantly lower overall accuracies (71–77%) than models based on quad pol RADARSAT-2 and DEM data (80%), with Wetland and Tundra being most adversely affected. When classified together with Landsat 5 and DEM data, however, model accuracy was less affected by the SAR data type, with multiple polarizations and modes achieving independent overall accuracies within a range acceptable for operational mapping, at 89–91%. RCM is expected to contribute positively to ongoing efforts to monitor change and improve emergency preparedness throughout the Arctic.
Monitoring the spatio-temporal development of vegetation is a challenging task in heterogeneous and cloud-prone landscapes. No single satellite sensor has thus far been able to provide consistent time series of high temporal and spatial resolution for such areas. In order to overcome this problem, data fusion algorithms such as the Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model (ESTARFM) have been established and frequently used in recent years to generate high-resolution time series. In order to make it applicable to larger scales and to increase the input data availability especially in cloud-prone areas, an ESTARFM framework was developed in this study introducing several enhancements. An automatic filling of cloud gaps was included in the framework to make best use of available, even partly cloud-covered Landsat images. Furthermore, the ESTARFM algorithm was enhanced to automatically account for regional differences in the heterogeneity of the study area. The generation of time series was automated and the processing speed was accelerated significantly by parallelization. To test the performance of the developed ESTARFM framework, MODIS and Landsat-8 data were fused for generating an 8-day NDVI time series for a study area of approximately 98,000 km\(^{2}\) in West Africa. The results show that the ESTARFM framework can accurately produce high temporal resolution time series (average MAE (mean absolute error) of 0.02 for the dry season and 0.05 for the vegetative season) while keeping the spatial detail in such a heterogeneous, cloud-prone region. The developments introduced within the ESTARFM framework establish the basis for large-scale research on various geoscientific questions related to land degradation, changes in land surface phenology or agriculture
The internal structures of a moraine complex mostly provide information about the manner in which they develop and thus they can transmit details about several processes long after they have taken place. While the occurrence of glacier–permafrost interactions during the formation of large thrust moraine complexes at polar and subpolar glaciers as well as at marginal positions of former ice sheets has been well understood, their role in the formation of moraines on comparatively small alpine glaciers is still very poorly investigated. Therefore, the question arises as to whether evidence of former glacier–permafrost interactions can still be found in glacier forefields of small alpine glaciers and to what extent these differ from the processes in finer materials at larger polar or subpolar glaciers. To investigate this, electrical resistivity tomography (ERT) and ground-penetrating radar (GPR) surveys were carried out in the area of a presumed alpine thrust moraine complex in order to investigate internal moraine structures. The ERT data confirmed the presence of a massive ice core within the central and proximal parts of the moraine complex. Using GPR, linear internal structures were detected, which were interpreted as internal shear planes due to their extent and orientation. These shear planes lead to the assumption that the moraine complex is of glaciotectonic origin. Based on the detected internal structures and the high electrical resistivity values, it must also be assumed that the massive ice core is of sedimentary or polygenetic origin. The combined approach of the two methods enabled the authors of this study to detect different internal structures and to deduce a conceptual model of the thrust moraine formation.
West African summer monsoon precipitation is characterized by distinct decadal variability. Due to its welldocumented link to oceanic boundary conditions in various ocean basins it represents a paradigm for decadal predictability. In this study, we reappraise this hypothesis for several sub-regions of sub-Saharan West Africa using the new German contribution to the coupled model intercomparison project phase 5 (CMIP5) near-term prediction system.
In addition, we assume that dynamical downscaling of the global decadal predictions leads to an enhanced predictive skill because enhanced resolution improves the atmospheric response to oceanic forcing and landsurface feedbacks. Based on three regional climate models, a heterogeneous picture is drawn: none of the regional climate models outperforms the global decadal predictions or all other regional climate models in every region nor decade. However, for every test case at least one regional climate model was identified which outperforms the global predictions. The highest predictive skill is found in the western and central Sahel Zone with correlation coefficients and mean-square skill scores exceeding 0.9 and 0.8, respectively.
Burkina Faso ranges amongst the fastest growing countries in the world with an annual population growth rate of more than three percent. This trend has consequences for food security since agricultural productivity is still on a comparatively low level in Burkina Faso. In order to compensate for the low productivity, the agricultural areas are expanding quickly. The mapping and monitoring of this expansion is difficult, even on the basis of remote sensing imagery, since the extensive farming practices and frequent cloud coverage in the area make the delineation of cultivated land from other land cover and land use types a challenging task. However, as the rapidly increasing population could have considerable effects on the natural resources and on the regional development of the country, methods for improved mapping of LULCC (land use and land cover change) are needed. For this study, we applied the newly developed ESTARFM (Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model) framework to generate high temporal (8-day) and high spatial (30 m) resolution NDVI time series for all of Burkina Faso for the years 2001, 2007, and 2014. For this purpose, more than 500 Landsat scenes and 3000 MODIS scenes were processed with this automated framework. The generated ESTARFM NDVI time series enabled extraction of per-pixel phenological features that all together served as input for the delineation of agricultural areas via random forest classification at 30 m spatial resolution for entire Burkina Faso and the three years. For training and validation, a randomly sampled reference dataset was generated from Google Earth images and based on expert knowledge. The overall accuracies of 92% (2001), 91% (2007), and 91% (2014) indicate the well-functioning of the applied methodology. The results show an expansion of agricultural area of 91% between 2001 and 2014 to a total of 116,900 km\(^2\). While rainfed agricultural areas account for the major part of this trend, irrigated areas and plantations also increased considerably, primarily promoted by specific development projects. This expansion goes in line with the rapid population growth in most provinces of Burkina Faso where land was still available for an expansion of agricultural area. The analysis of agricultural encroachment into protected areas and their surroundings highlights the increased human pressure on these areas and the challenges of environmental protection for the future.