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Derivation and analysis of hydrological parameters from ground-based GNSS stations

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[Quelle: http://d-nb.info]

Das Erfassen von Umweltdaten mit dem Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) hat gegenüber anderen Beobachtungstechniken einen entscheidenden Vorteil: es können mehrere Parameter wie zum Beispiel der atmosphärischer Wasserdampf, Bodenfeuchtigkeit und Schneehöhen mit einem einzigen Hardwaresystem erfasst werden. In dieser Arbeit wird aufgezeigt wie modernste bodengestützte GNSS-Methoden zur Umweltüberwachung eingesetzt werden können um atmosphärischen Wasserdampf und Bodenfeuchte abzuleiten und deren Variabilität auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu analysieren und sie sowohl in kurzfristige Fallstudien als auch in langfristige klimatologische Beobachtungen zu implementieren. Die GNSS-Meteorologie-Technologie nutzt Verzögerungen in den GNSS Signalen zur Beobachtung des atmosphärischen Wasserdampfs in der Atmosphäre. Diese Methode wird auf mehrere Stationen in Bulgarien angewandt und mit Simulationen mit dem Modell für Wetterforschung und -vorhersage (WRF) sowie mit Radiosondenmessungen verglichen. Alle Daten aus diesen Experimenten werden im Atmosphärendatenarchiv der Universität Sofia (SUADA) gespeichert, welches speziell für die atmosphärischen Studien in dieser Arbeit angelegt wurde. Eine Untersuchung der Hitzewelle im Sommer 2007 für die Station Sofia zeigt eine um 6 % niedrigere integrierte Wasserdampfmenge (IWV) im Vergleich zum Mittelwert von 2001-2010. Eine Trendanalyse aller verfügbaren GNSS- und Radiosonden-Zeitreihen für die Station Sofia im Zeitraum zwischen 2000-2019 zeigt einen Anstieg des IWV von durchschnittlich 0,8kg/m^2/Dekade aus den wiederaufbereiteten GNSS-Datensätzen und einen Anstieg von 0,6kg/m^2/Dekade aus den Radiosonden-Messungen. Eine Kampagne zur Messungen des IWV wird über die Dauer von einem Jahr über ein Netzwerk bulgarischer Stationen durchgeführt. Das Ziel ist es die Verarbeitung der GNSS-Signale mit der NAPEOS-Software unter Anwendung der präzisen Punktpositionierung (PPP) zu testen. Der abgeleitete IWV wird zur Validierung der jahreszeitlichen und tageszeitlichen Schwankungen des WRF-Modells und zur Analyse von Unwetterereignissen verwendet. Die bodengebundene GNSS Reflektometrie (GNSS-R) Methode wird zur Abschätzung des volumetrischen Wassergehalts (VWC) und der Schneehöhe an GNSS-Stationen in Deutschland und auf globaler Ebene verwendet. Ein spezielles Software-Paket zur Verarbeitung von Signalstärke-Beobachtungen von GNSS-Bodenstationen wird weiterentwickelt, um Bodenfeuchte und Schneehöhe mit Hilfe der GNSS-R-Methode abzuschätzen. Die Software ist validiert und zeigt eine Korrelation von 0,98 mit Daten eines unabhängigen Verarbeitungszentrums. Die GFZ-Reflektometrie- und Atmosphärendatenbank (GRAD) wurde erstellt um Bodenfeuchtigkeitsbeobachtungen von GNSS-R und Time Domain Reflectometry (TDR) sowie atmosphärische Parameter und Modelldaten zu archivieren. Zwischen 2014-2019 wurde der VWC an zwei Messstationen (Marquardt und Fürstensee) in Deutschland mit speziell installierten hochwertigen sowie kostengünstigen GNSS-Antennen und -Empfängern überwacht. Die GNSS-R Messungen des VWC- werden mit Ergebnissen der TDR- sowie gravimetrischen Methoden verglichen. Im Vergleich zu den TDR Messungen des Bodenfeuchtegehalts weisen die kostengünstigen Empfänger eine geringere Korrelation (0,67) als die High-End-Empfänger (0,75) auf. Die gravimetrischen Messungen werden zur Kalibrierung der VWC-Restbodenfeuchte von GNSS-R verwendet. Eine Analyse des Fehlerbudgets der GNSS-R-Beobachtungen der Bodenfeuchte wird auf der Grundlage der Ergebnisse der High-End-Empfänger durchgeführt. Alle Stationen im globalen Netzwerk des Internationalen GNSS-Dienstes (IGS) werden einzeln auf ihre Tauglichkeit zur Beobachtung der Bodenfeuchte getestet. Von den 506 Stationen in diesem globalen Netzwerk erfüllen nur 30 Stationen (6 %) die Voraussetzung für GNSS-R Beobachtungen: die Reflexionen sollten von flachem Grasland kommen. Die Beobachtungen des volumetrischen Wassergehalts (VWC) werden mit den Ergebnissen der 5. Version des ECMWF-Reanalysemodells - ERA5 - verglichen. Die Vergleiche zeigen eine gute Korrelation zwischen beiden Datensätzen, wobei ERA5 den Restwassergehalt an den meisten Standorten überschätzt. Die Korrelationen werden in der Arbeit für jede Station separat diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss der Umgebungsbedingungen der Station und den klimatischen Bedingungen liegt. Ein neues 1-dimensionales empirisches Bodenfeuchtemodell wird entwickelt, um die Beziehung zwischen der Bodenfeuchte und dem Wassergehalt der Atmosphäre zu quantifizieren. Verschiedene Modellversionen, die auf Temperatur, Wasserdampf und Niederschlag basieren, werden diskutiert und mit GNSS-R- und TDR-Bodenfeuchtigkeitsbeobachtungen in der Versuchsstation Marquardt verglichen. Das resultierende Modell wird zur weiteren Bewertung auf GNSS-Stationen aus dem IGS-Netz angewendet. Vergleiche mit der von GNSS-R abgeleiteten Bodenfeuchte zeigen eine höhere Korrelation (>0,6) als die aus ERA5 abgeleitete Bodenfeuchte. Im Gegensatz zum ERA5 überschätzt das neue Modell die Restbodenfeuchte in den Stationen nicht. Eine neue Methode zur Schneehöhenmessung wird in einem GNSS-R-Aufbau in der Antarktisstation Neumayer III validiert. Diese neue Technik zeigt verbesserte Eigenschaften zu der klassischen bodengebundenen GNSS-R-Schneehöhenbestimmung mit einer einzigen Antenne. Die Validierung erfolgt in einer Umgebung mit konstanter Schneedecke. Die Ergebnisse der verschiedenen Messmethoden zeigen sehr ähnliche Ergebnisse mit einer Korrelation von über 0,85 zwischen GNSS-R- und Schneebojenmessungen. Die Schneehöhe wird auch in den 7 IGS-Stationen innerhalb der kontinentalen Klimazonen bestimmt. Die Ergebnisse werden mit dem ERA5, den lokalen Schneehöhenmessungen und den klimatischen Mittelwerten verglichen.

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Sowohl Building Information Modeling (BIM) als auch Geoinformationssysteme (GIS) beschreiben die uns umgebende räumliche Welt in digitaler Form. Beide Welten existieren seit mehr als 30 Jahren. Die moderne IT ermöglicht nun erstmals ihre Symbiose mit teilweise erstaunlichen Auswirkungen. So stellen BIM-Daten einen neuen "Rohstoff" für die GIS-Industrie dar, insbesondere bei der Modellierung von 3D-Stadtmodellen - also im Bereich des City Information Modelings (CIM). Auf der anderen Seite können vorhandene GIS-Daten maßgeblich dazu beitragen, bessere Planungen und damit bessere Entscheidungen bei Bauprojekten zu erreichen - vor allem bei Infrastrukturprojekten. Dieses Buch bildet eine wertvolle Grundlage für die Integration von BIM und GIS. Es gibt eine umfassende Einführung in die wichtigsten Aspekte von BIM auf der einen Seite und die technischen Grundlagen und Anwendungsfelder von GIS auf der anderen Seite. Darauf aufbauend geht es vertieft auf Unterschiede und Synergien zwischen den beiden Technologien ein und erörtert die Möglichkeiten der Integration. Anhand von acht Praxisbeispielen wird dokumentiert, was heute schon möglich ist und wo noch weitere Anstrengungen erforderlich sind. Das Buch richtet sich an interessierte Leser und Branchenpraktiker aus dem BIM- und GIS-Bereich. Es ist keine wissenschaftliche Betrachtung der Thematik. Es soll vielmehr eine praxisnahe Reflexion der Synergiepotenziale ermöglichen.

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Das breite Gebiet der Geodäsie, das u. a. die Satelliten- und Physikalische Geodäsie, die Landesvermessung, das Geoinformationswesen, die Photogrammetrie, die Fernerkundung, das Liegenschaftswesen sowie die Kataster- und Ingenieurvermessung umfasst, muss in dem Lehrbuch zwangsläufig beschränkt werden. Die Auswahl des Inhalts orientiert sich in erster Linie an den vermessungstechnischen Aufgaben, die mit der Erstellung und Überwachung von Bauwerken verschiedenster Art, wie Gebäuden, Talsperren, Straßen und Brücken bis hin zu maschinentechnischen Anlagen, verknüpft sind. Vor Beginn jeder Baumaßnahme besteht die Aufgabe, den Bestand aufzumessen und das Geplante in die Örtlichkeit zu übertragen, was sich nicht ohne Kenntnis vermessungstechnischer Verfahren und der dazu notwendigen Geräte und Instrumente realisieren lässt. Dies beinhaltet auch die Anwendung der GNSS-Technik. Neben Aktualisierungen und zahlreichen kleineren Ergänzungen sind in der 9. Auflage u. a. folgende Inhalte neu: Building Information Modeling (BIM), Geoinformationssysteme (GIS), Liegenschaftswesen, Feldprüfverfahren für Tachymeter und GNSS-Empfänger, Videotachymeter.

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Handbuch der Geodäsie, Geoinformatik
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Das sechsbändige Handbuch ist ein hochwertiges Werk über die Geodäsie unserer Zeit. Neben einer guten Lesbarkeit vermittelt es dennoch den wissenschaftlichen Ansatz und richtet sich an Kollegen in Praxis und Wissenschaft, aus Nachbardisziplinen und allgemein an Studierende und Interessierte. Die in den Beiträgen behandelten Themen führen systematisch in Aufgabenstellung, Methodik und zukünftige Entwicklungen ein. Die Themen reichen von der mathematischen und physikalischen Geodäsie sowie der Satellitengeodäsie über die Ingenieurgeodäsie, die Bodenordnung und das Landmanagement, die Photogrammetrie und Fernerkundung bis zu Geoinformationssystemen und der Kartographie.

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Automatisierte Auswertung von Luftbilddaten zur Abschätzung von Versiegelungsflächen in Leipzig
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