Regionalisierung hydrologischer Bodenprofile mit CART im ...

Regionalisierung hydrologischer Bodenprofile mit
CART im Einzugsgebiet der Halbammer
Diplomarbeit im Fach Geoökologie
Lehrstuhl für Bodenkunde und Bodengeographie, Abteilung Bodenphysik
Betreuer: Prof. Dr. B. Huwe, Universität Bayreuth
Monika Hofmann, Oktober 2003
Zusammenfassung
Die Kenntnis hydrologischer Eigenschaften von Böden ist für viele geoökologische
Fragestellungen wichtig. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit
sich diese aus einfachen topographischen und geologischen Parametern
ableiten und damit für eine Fläche vorhersagen lassen. Diese Fragestellung wurde
am Beispiel des 42 km 2 großen Einzugsgebiets der Halbammer in den bayerischen
Voralpen bearbeitet. Ziel war, eine Karte hydrologischer Bodenklassen zu erstellen,
wobei für die Regionalisierung 298 im Gelände aufgenommenen Profildaten
und die topographische und die geologische Karte im Maßtab 1 : 25 000 zur
Verfügung standen. Die Einteilung der Bodenprofile in hydrologische Klassen geschah
unter verschiedenen Aspekten, wobei die Klassifikation entweder auf die
Bodenkundliche Kartieranleitung KA4 [AG Boden 1996] Bezug nahm oder nur
nach Textur und Tiefgründigkeit erfolgte. Anschließend wurden diese Klasseneinteilungen
bezüglich ihrer Eignung aus hydrologischer Sicht durch eine Simulation
mit Hydrus1D [Simunek et al 1998] evaluiert. Für die Regionalisierung
der Klassen wurden mit Hilfe des CART-Algorithmus (Classification And Regression
Trees, [Breiman et al 1984]) Klassifikationsbäume konstruiert. Die in
diesen Bäumen verwendeten Entscheidungsregeln dienten danach als Grundlage
für die Erstellung der Bodenkarten mit ArcMap 8.2. Zur Abschätzung der
Güte der Regionalisierung wurden sowohl mathematische Kriterien verwendet
als auch die Begutachtung der generierten Karten aus fachlicher Sicht. Es zeigte
sich, dass eine Klassenanzahl von fünf bis sechs Klassen für die vorliegende
Datengrundlage am besten geeignet war, jedoch konnten auch damit nicht immer
alle Klassen als Endknoten ausgewiesen werden. Die Fehlklassifikationsrate
verbesserte sich im Vergleich zu einer einheitlichen Zuordnung nach der häufigsten
Bodenklasse um maximal 37% für pedogenetische Klasseneinteilungen und
um 18% für textur- und tiefgründigkeitsbezogene Klassifikationen. Auch bei
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der Evaluierung mit Hydrus1D lieferten die pedogenetischen Klasseneinteilungen
bessere Ergebnisse. Durch die Verteilung der Bodenklassen in den Endknoten der
Entscheidungs-bäume konnten die entstandenen Karten interpretiert und typische
Vergesellschaftungen von Böden identifiziert werden. Leichte Veränderungen
in den Abgrenzungen der Bodenklassen und die daraus abgeleiteten Bodenkarten
zeigen Bereiche, die sensibel gegenüber Schwankungen in der Stichprobe reagieren
und Bereiche, denen konstant eine Klasse zugeordnet wird. Nach diesen
Ergebnissen erscheint CART als Instrument zur Regionalisierung bodenkundlicher
Daten geeignet. Es kann jedoch nicht automatisiert werden und benötigt
guten Sachverstand und Geländekenntnis zur Interpretation der Ergebnisse.
Literatur
AG Boden. Bodenkundliche Kartieranleitung. Bundesanstalt für Geowissenschaftent
und Rohstoffe und den Geologischen Landesämtern in der Bundesrepublik
Deutschland, Hannover, 4th edition, 1996.
L. Breiman, J.H. Friedman, R.A. Olshen, and C.J. Stone. Classification And
Regression Trees. Wadsworth, California, 1984.
J. Šimůnek, M. Šenjna, and M. Th. van Genuchten. The HYDRUS-1D Software
Package for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat,
and Multiple Solutes in Variably-Saturated Media. U.S. Salinity Laboratory,
Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture, Riverside, California,
1998.
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