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Towards an urban roughness parameterisation using interferometric SAR data taking the Metropolitan Region of Hamburg as an example

Bechtel, Benjamin; Langkamp, Thomas; Ament, Felix; Böhner, Jürgen; Daneke, Chrstian; Günzkofer, René; Leitl, Bernd; Ossenbrügge, Jürgen; Ringeler, Andre

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 1 (2011), p. 29 - 37

published: Feb 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0496

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Abstract

Increased surface roughness and the enhanced drag effect of the urban surface are important alterations in urban boundary layer dynamics. An enhanced roughness mapping would be beneficial for several modelling applications since state of the art roughness parameters derived from land use data do not represent the heterogeneity of urban surfaces at higher resolutions. Today most morphometric methods of urban roughness estimation are based on empirically derived functions of obstacle geometry parameters, which have conceptual and practical shortcomings. In this study we propose a new approach based on the topology, statistics and texture of overall roughness elements as represented by a Digital Height Model generated from side-looking Interferometric Synthetic Aperture Radar. These state of the art remotely sensed high resolution data are readily available for Western Europe, the US, as well as parts of Asia and the Caribbean. A set of new angular dependent urban morphology parameters is developed and tested for suitability for the mapping of roughness characteristics by way of an improved methodology. The results are very convincing and consistent over a wide range of surface characteristics.

Kurzfassung

Erhöhte Rauigkeit und Formwiderstand sind wichtige Veränderungen in der Dynamik der städtischen Grenzschicht. Eine flächendeckende Rauigkeitskartierung wäre für verschiedene Modell-Anwendungen von Nutzen, da aus Landnutzungsklassen abgeleitete Rauigkeitsparameter die Heterogenität urbaner Oberflächen in höheren Auflösungen nicht darstellen können. Die verfügbaren Methoden zur morphometrischen Ableitung von Rauigkeiten basieren auf empirischen Funktionen von Parametern der Hindernisgeometrien, die allerdings konzeptionelle und praktische Schwächen aufweisen. Wir schlagen daher einen neuen Ansatz vor, der Topologie, Statistik und Textur aller Hindernisse in einem interferometrischen SAR Höhenmodell berücksichtigt. Diese aktuellen hochauflösenden Fernerkundungsdaten sind für Westeuropa, die USA sowie Teile von Asien und der Karibik fertig verfügbar. Es wurde ein Satz richtungsabhängiger Stadtformparameter entwickelt und auf seine Eignung zur Rauigkeitsparametrisierung getestet. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend und über eine große Bandbreite von Oberflächeneigenschaften konsistent.