Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung von Bodenfeuchte mit breitbandigem Radar

Abstract

Die Bodenfeuchte ist trotz ihrem geringen Anteil an der globalen Wassermenge ein wichtiger Faktor für viele praktische und wissenschaftliche Fragestellungen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz zur Bestimmung der Bodenfeuchte untersucht, der auf der Permittivität des Wassers basiert. Da diese viel höher als die Permittivität der mineralischen Bodenbestandteile ist, wird die Permittivität des gesamten Bodens maßgeblich von dessen Feuchte bestimmt. Um die Permittivität des Bodens zu bestimmen wurde die Reflexion einer elektromagnetischen Welle am Boden mit der an einem Referenzmedium mit bekannter Permittivtät, z.B. einer Metallplatte, verglichen. Hierzu wurde ein Laborradarsystem, bestehend aus einem Netzwerkanalysator und breitbandigen Hornantenne (1-8 Ghz), auf einem speziellen Messwagen aufgebaut. Die Antennen waren an einem zwei Meter langen, höhenverstellbaren Ausleger befestigt, so daß die Radarmessungen ohne störende Einflüsse vom Messaufbau bei verschiedenen Höhen über dem Boden durchgeführt werden konnten. Aus dem gemessenen frequenzabhängigen Reflexionsfaktor kann die Permittivität des Bodens berechnet werden. Aus der Permittivität des Bodens kann über empirische Formeln (Topp et al., 1980) die Bodenfeuchte bestimmt werden. Die Ergebnisse wurden mit den Messergebnissen einer FDR-Sonde verglichen. Der verwendete Messaufbau bietet die Vorteile von frei wählbarer Messfrequenz sowie zeitliche und räumliche Flexibiltät. Die vermessene Fläche beträgt einige Quadratdezimeter bis –meter. So kann die heterogene Verteilung der Feuchte in der Fläche erfaßt werden und trotzdem Abweichungen durch die variable Oberflächenstruktur ausgemittelt werden. Die Nachteile der Messmethode sind weitgehend durch den grundsätzlichen Ansatz bedingt. Weder Messtiefe noch das Messvolumen ist genau erfaßbar. Außerdem verursachen die Frequenzabhängigkeit von Wasser aber auch der Streuung an der Vegetation Messabweichungen. Eine Unterteilung der Messbandbreite in verschiedene Bänder (L-, S-, C-Band) zeigt wie erwartet eine deutlich bessere Bestimmung der Permittivität bei niedrigen Frequenzen im L-Band. Weitere Untersuchungen für eine frequenzabhängige Umrechung der Permittivität in Bodenfeuchte sollen zukünftig durchgeführt werden.