Problematik der Wassererosion
Wassererosion auf Ackerland ist eines der derzeit wichtigsten ökologischen Probleme. Sie bewirkt den Transport von Bodenpartikeln aus dem Feld. Die primäre Konsequenz ist ein Verringern der Ackerkrume, die der fruchtbarste Teil des Bodenprofils ist. Dies bringt viele ernsthafte Probleme mit sich. Erosion verursacht ökologische und ökonomische Verluste, die die Gesellschaft beeinflussen, wie Schaden für die landwirtschaftliche Produktion, Wasserverschmutzung oder Sachschäden.
Nach Angaben der Boden- und Wasserschutz Institute in Prag sind mehr als die Hälfte des Ackerlands in der Tschechischen Republik möglicherweise durch Wassererosion betroffen.

EROSION 3D Modell
Heutzutage ist die mathematische  Modellierung von Erosionsprozessen der effizienteste Ansatz, um Wassererosion zu bewerten und eine bessere Art und Weise des Farm-Managements zu finden, um negative Auswirkungen zu reduzieren.
Im Rahmen des DBU-Stipendiums arbeite ich an der Technische Universität Freiberg im Team von Professor Jürgen Schmidt, der das prozessbasierte Modell EROSION 3D entwickelte. Das Modell ist ein nützliches Werkzeug im Bodenschutz gegen Wassererosion. Dank seiner breiten Pallete von Ausgabeparametern ist es möglich, es für viele verschiedene Analysen zu verwenden.
Eine Beschränkung für die Modell-Nutzung in der Tschechischen Republik ist, dass die Modelleingangsparameter auf der Deutschen Bodenklassifikation basieren und die tschechische anders ist. Das Modell hat einen Katalog von Modellparametern für unterschiedliche Bodenverhältnisse, die jedoch nicht in vollem Umfang in CZ zu verwenden sind.
Daher gibt es zwei Hauptaufgaben in diesem Projekt:
1) Entwicklung eines Ansatzes, wie eine Eingabeparameterdatenbank aus tschechischen Bodendaten abzuleiten ist
2) Kalibrierung des Modells ,um Modellparameter aus Niederschlagssimulationen abzuleiten.

Eine Bodentexturkarte für die Tschechische Republik in Deutschem System ableiten

Die Bodentextur ist der Schlüsselfaktor des Eingangsmodells. Das Modell erfordert Informationen über den Prozentsatz von Schluff, Sand und Ton im Boden. Diese Information fehlt nun in der tschechischen Bodendatenbank und es ist notwendig, dass diese für den Routineeinsatz des Modells abgeleitet werden kann.
In den 60er Jahren fand in CZ eine große Bodenkartierung statt und ca. 400.000 Schürfgruben wurden gegraben und kartiert. Jedoch sind keine dieser Daten im aktuellen Zustand ausreichend, um den Bodentextur im erforderliche Struktur abzuleiten.

Während des Stipendiums wurden diverse Ansätze getestet, um aus der limitierten Datengrundlage Parameter zu erzeugen. Ferner wurden Methoden für die zukünftige Datenprozessierung getestet. Erst musste ein Werkzeug zur Synchronisation von deutschen und tschechischen Texturgröße für Sand, Schluff und Ton entwickelt werden. Mit diesem Werkzeug wurde eine deutsche Texturkategorie für jede Bodengrube aus dem Bodenuntersuchung abgeleitet. Danach wurde eine Kombination von GIS räumliche Analyse in deinem Entscheidungsbaum entwickelt, um die Bodentextur in der Karte zu interpolieren.

EROSION 3D Model Kalibrierung und Validierung

Die Parametrizierung des Modells basiert auf Daten aus Beregnungsexperimenten, die in 2015 in der Tschechischen Republik stattgefunden haben. Das ist ein ähnliches Experiment, auf dem der Eingabedatenkatalog der EROSION 3D Parametern basiert. Prinzip des Experiments ist, dass man die Initialien von Boden und Vegetation kennt wie auch die Bedingungen am Ort der Messung, Länge und Intensität des Regens und Messung der Menge des Sediments und des Wasserabflusses. Von den bekannten Bodenparametern, die in dem Field abgeleitet waren, kompiliert man den Satz von Modellparametern.

Der gesamte Kalibrierprozess wurde aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegenüber der Bodenfeuchtigkeit als sehr problematisch identifiziert. Dieser Bodenparameter ist in Zeit und Raum sehr variabel und mit einer kleinen Veränderung gibt das Modell sehr unterschiedliche Resultate. Ich habe zwei Parameter kalibriert, davon ist eine für die erfolgsreiche Simulation sehr wichtig, weil eine Abhängigkeit von Bodenfeuchtigkeit gfunden wurde. Durch diese Abhängigkeit ist es möglich, das Modell richtig einzustellen.

Der räumliche Validierungsprozess des Modells wurde für einen Bereich des Erosionsereignisses durchgeführt, der im Mai 2014 stattfand. Die Ergebnisse wurden mit den Informationen in der Erosionsereignissdatenbank und mit einer Photodokumentation des Ereignisses und Ortophoto verglichen. Die meisten der kritischen Orte mit hohen Erosionen wurden gut identifiziert. Die einzige Ungenauigkeit in dem Modell ergibt sich aus dem Transport des Materials an einem Platz. Das Modell leitete das Material direkt an einen Fluss, in Wirklichkeit wurde das Material entlang des Flusses in einen Teich transportiert. Dies wird durch die Skala des digitalen Geländemodells verursacht. Mit einer Auflösung von 5x5 m wird eine kleine Höhe, die den Transport umleiten kann, vernachlässigt . Das ist aber kein Problem der Parametrization.

Structure from motion Methode lernen

An meinem deutschen Institut werden auch moderne Methoden genutzt, um ein präzises Geländemodel zu bauen und ich hatte die Möglichkeit, sie zu lernen. Es geht um die Fotogrametrische Methode Structure from Motion. Während des Stipendiums habe ich an verschiedenen Feldarbeit mit Drohnennutzung teilgenommen. Ich habe gelernt, wie eine DJI Falcon 3 Drohne pilotierten und nach einer Schulung habe ich eine Lizenz für die Verwendung einer Drohne für Forschungs- und Kommerzielle Zwecke erhalten. Um die Geodaten nachzubearbeiten, habe ich  zwei Softwares gelernt. Eine für die Bearbeitung der Fotografien, um ein 3D Geländemodell zu bauen und ein Koordinatensystem einzuführen. Eine andere, um die Geländemodelle miteinander zu vergleichen.