@phdthesis{Asam2014,
  author    = {Asam, Sarah},
  title     = {Potential of high resolution remote sensing data for leaf area index derivation using statistical and physical models},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-108399},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Information on the state of the terrestrial vegetation cover is important for several ecological, economical, and planning issues. In this regard, vegetation properties such as the type, vitality, or density can be described by means of continuous biophysical parameters. One of these parameters is the leaf area index (LAI), which is defined as half the total leaf area per unit ground surface area. As leaves constitute the interface between the biosphere and the atmosphere, the LAI is used to model exchange processes between plants and their environment. However, to account for the variability of ecosystems, spatially and temporally explicit information on LAI is needed both for monitoring and modeling applications. Remote sensing aims at providing such information. LAI is commonly derived from remote sensing data by empirical-statistical or physical models. In the first approach, an empirical relationship between LAI measured in situ and the corresponding canopy spectral signature is established. Although this method achieves accurate LAI estimates, these relationships are only valid for the place and time at which the field data were sampled, which hampers automated LAI derivation. The physical approach uses a radiation transfer model to simulate canopy reflectance as a function of the scene's geometry and of leaf and canopy parameters, from which LAI is derived through model inversion based on remote sensing data. However, this model inversion is not stable, as it is an under-determined and ill-posed problem. Until now, LAI research focused either on the use of coarse resolution remote sensing data for global applications, or on LAI modeling over a confined area, mostly in forest and crop ecosystems, using medium to high spatial resolution data. This is why to date no study is available in which high spatial resolution data are used for LAI mapping in a heterogeneous, natural landscape such as alpine grasslands, although a growing amount of high spatial and temporal resolution remote sensing data would allow for an improved environmental monitoring. Therefore, issues related to model parameterization and inversion regularization techniques improving its stability have not yet been investigated for this ecosystem. This research gap was taken up by this thesis, in which the potential of high spatial resolution remote sensing data for grassland LAI estimation based on statistical and radiation transfer modeling is analyzed, and the achieved accuracy and robustness of the two approaches is compared. The objectives were an ecosystem-adapted radiation transfer model set-up and an optimized LAI derivation in mountainous grassland areas. Multi-temporal LAI in situ measurements as well as time series of RapidEye data from 2011 and 2012 over the catchment of the River Ammer in the Bavarian alpine upland were used. In order to obtain accurate in situ data, a comparison of the LAI derivation algorithms implemented in the LAI-2000 PCA instrument with destructively measured LAI was performed first. For optimizing the empirical-statistical approach, it was then analyzed how the selection of vegetation indices and regression models impacts LAI modeling, and how well these models can be transferred to other dates. It was shown that LAI can be derived with a mean accuracy of 80 \% using contemporaneous field data, but that the accuracy decreases to on average 51 \% when using these models on remote sensing data from other dates. The combined use of several data sets to create a regression which is used for LAI derivation at different points in time increased the LAI estimation accuracy to on average 65 \%. Thus, reduced field measurement labor comes at the cost of LAI error rates being increased by 10 - 30 \% as long as at least two campaigns are conducted. Further, it was shown that the use of RapidEye's red edge channel improves the LAI derivation by on average 5.4 \%. With regard to physical LAI modeling, special interest lay in assessing the accuracy improvements that can be achieved through model set-up and inversion regularization techniques. First, a global sensitivity analysis was applied to the radiation transfer model in order to identify the most important model parameters and most sensitive spectral features. After model parameterization, several inversion regularizations, namely the use of a multiple sample solution, the additional use of vegetation indices, and the addition of noise, were analyzed. Further, an approach to include the local scene's geometry in the retrieval process was introduced to account for the mountainous topography. LAI modeling accuracies of in average 70 \% were achieved using the best combination of regularization techniques, which is in the upper range of accuracies that were achieved in the few existing other grassland studies based on in situ or air-borne measured hyperspectral data. Finally, further physically derived vegetation parameters and inversion uncertainty measures were evaluated in detail to identify challenging modeling conditions, which was mostly neglected in other studies. An increased modeling uncertainty for extremely high and low LAI values was observed. This indicates an insufficiently wide model parameterization and a canopy deviation from model assumptions on some fields. Further, the LAI modeling accuracies varied strongly between the different scenes. From this observation it can be deduced that the radiometric quality of the remote sensing data, which might be reduced by atmospheric effects or unexpected surface reflectances, exerts a high influence on the LAI modeling accuracy. The major findings of the comparison between the empirical-statistical and physical LAI modeling approaches are the higher accuracies achieved by the empirical-statistical approach as long as contemporaneous field data are available, and the computationally efficiency of the statistical approach. However, when no or temporally unfitting in situ measurements are available, the physical approach achieves comparable or even higher accuracies. Furthermore, radiation transfer modeling enables the derivation of other leaf and canopy variables useful for ecological monitoring and modeling applications, as well as of pixel-wise uncertainty measures indicating the robustness and reliability of the model inversion and LAI derivation procedure. The established look-up tables can be used for further LAI derivation in Central European grassland also in other years. The use of high spatial resolution remote sensing data for LAI derivation enables a reliable land cover classification and thus a reduced LAI mapping error due to misclassifications. Furthermore, the RapidEye pixels being smaller than individual fields allow for a radiation transfer model inversion over homogeneous canopies in most cases, as canopy gaps or field parcels can be clearly distinguished. However, in case of unexpected local surface conditions such as blooming, litter, or canopy gaps, high spatial resolution data show corresponding strong deviations in reflectance values and hence LAI estimation, which would be reduced using coarser resolution data through the balancing effect of the surrounding surface reflectances. An optimal pixel size with regard to modeling accuracy hence depends on the canopy and landscape structure. Furthermore, a reduced spatial resolution would enable a considerable acceleration of the LAI map derivation. This illustration of the potential of RapidEye data and of the challenges associated to LAI derivation in heterogeneous grassland areas contributes to the development of robust LAI estimation procedures based on new and upcoming, spatially and temporally high resolution remote sensing imagery such as Landsat 8 and Sentinel-2.},
  subject      = {Optische Fernerkundung},
  language  = {en}
}
@unpublished{Reiss2012,
  author    = {Reiss, Harald},
  title     = {Time scales and existence of time holes in non-transparent media},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-73554},
  year      = {2012},
  abstract  = {The analysis presented in this paper applies to experimental situations where observers or objects to be studied, all at stationary positions, are located in environments the optical thickness of which is strongly different. Non-transparent media comprise thin metallic films, packed or fluidised beds, superconductors, the Earth's crust, and even dark clouds and other cosmological objects. The analysis applies mapping functions that correlate physical events, e, in non-transparent media, with their images, f(e), tentatively located on standard physical time scale. The analysis demonstrates, however, that physical time, in its rigorous sense, does not exist under non-transparency conditions. A proof of this conclusion is attempted in three steps: i) the theorem "there is no time without space and events" is accepted, (ii) images f[e(s,t)] do not constitute a dense, uncountably infinite set, and (iii) sets of images that are not uncountably infinite do not create physical time but only time-like sequences. As a consequence, mapping f[e(s,t)] in non-transparent space does not create physical analogues to the mathematical structure of the ordered, dense half-set R+ of real numbers, and reverse mapping, f-1f[e(s,t)], the mathematical inverse problem, would not allow unique identification and reconstruction of original events from their images. In these cases, causality as well as invariance of physical processes under time reversal, might be violated. An interesting problem is whether temporal cloaking (a time hole) in a transparent medium, as very recently reported in the literature, can be explained by the present analysis. Existence of time holes could perhaps be possible, not in transparent but in non-transparent media, as follows from the sequence of images, f[e(s,t)], that is not uncountably infinite, in contrast to R+. Impacts are expected for understanding physical diffusion-like, radiative transfer processes and stability models to protect superconductors against quenchs. There might be impacts also in relativity, quantum mechanics, nuclear decay, or in systems close to their phase transitions. The analysis is not restricted to objects of laboratory dimensions.},
  subject      = {Zeitrichtung},
  language  = {en}
}
@unpublished{Reiss2012,
  author    = {Reiss, Harald},
  title     = {Physical time and existence of time holes in non-transparent media},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-67268},
  year      = {2012},
  abstract  = {The analysis presented in this paper applies to experimental situations where observers or objects to be studied (both stationary, with respect to each other) are located in environments the optical thickness of which is strongly different. By their large optical thickness, non-transparent media are clearly distinguished from their transparent counterparts. Non-transparent media comprise thin metallic films, packed or fluidised beds, the Earth's crust, and even dark clouds and other cosmological objects. As a representative example, a non-transparent slab is subjected to transient disturbances, and a rigorous analysis is presented whether physical time reasonably could be constructed under such condition. The analysis incorporates mapping functions that correlate physical events, e, in non-transparent media, with their images, f(e), tentatively located on a standard physical time scale. The analysis demonstrates, however, that physical time, in its rigorous sense, does not exist under non-transparency conditions. A proof of this conclusion is attempted in three steps: i) the theorem "there is no time without space and events" is accepted, (ii) images f[e(s,t)] do not constitute a dense, uncountably infinite set, and (iii) sets of images that are not uncountably infinite do not create physical time but only time-like sequences. As a consequence, mapping f[e(s,t)] in non-transparent space does not create physical analogues to the mathematical structure of the ordered, dense half-set R+ of real numbers, and reverse mapping, f-1f[e(s,t)] would not allow unique identification and reconstruction of original events from their images. In these cases, causality and determinism, as well as invariance of physical processes under time reversal, might be violated. Existence of time holes could be possible, as follows from the sequence of images, f[e(s,t)], that is not uncountably infinite, in contrast to R+. Practical impacts are expected for understanding physical diffusion-like, radiative transfer processes, stability models to protect superconductors against quenchs or for description of their transient local pair density and critical currents. Impacts would be expected also in mathematical formulations (differential equations) of classical physics, in relativity and perhaps in quantum mechanics, all as far as transient processes in non-transparent space would be concerned. An interesting problem is whether temporal cloaking (a time hole) in a transparent medium, as very recently reported in the literature, can be explained by the present analysis. The analysis is not restricted to objects of laboratory dimensions: Because of obviously existing radiation transfer analogues, it is tempting to discuss consequences also for much larger structures in particular if an origin of time is postulated.},
  subject      = {Strahlungstransport},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Weinlaeder2003,
  author    = {Weinl{\"a}der, Helmut},
  title     = {Optische Charakterisierung von Latentw{\"a}rmespeichermaterialien zur Tageslichtnutzung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-7872},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich durch den Einsatz von Latentw{\"a}rmespeichermaterialien (kurz PCM = phase change material) Tageslichtelemente realisieren lassen, welche einen Teil der eingestrahlten Solarenergie zwischenspeichern und zeitverz{\"o}gert w{\"a}hrend der Abend- und Nachtstunden wieder an den Innenraum abgeben. Hierdurch lassen sich mehrere Effekte erzielen: Der bei Verglasungen auftretende starke W{\"a}rmeeintrag w{\"a}hrend des Tages wird ged{\"a}mpft und bis in die Abend- und Nachtstunden ausgedehnt. Im Sommer f{\"u}hrt dies zu geringeren K{\"u}hllasten. Die zeitlich verz{\"o}gerten abends auftretenden W{\"a}rmeeintr{\"a}ge k{\"o}nnen bei Bedarf {\"u}ber Nachtl{\"u}ftung abgef{\"u}hrt werden. Im Winter sind die solaren Gewinne zeitlich besser mit den W{\"a}rmeverlusten korreliert was ihren Nutzungsgrad erh{\"o}ht. Dies f{\"u}hrt zu geringerem Heizenergiebedarf. Weiter wird im Winter aufgrund der Erh{\"o}hung der Systemoberfl{\"a}chentemperatur durch den Phasenwechsel des PCM die thermische Behaglichkeit in den Abendstunden vor allem in Systemn{\"a}he gesteigert. Im Sommer bleiben die Oberfl{\"a}chentemperaturen tags{\"u}ber niedrig, sofern ein PCM mit entsprechender Schmelztemperatur (<30°C) gew{\"a}hlt wird, so dass auch zu diesen Zeiten die thermische Behaglichkeit verbessert wird. Es wurden drei Latentw{\"a}rmespeichermaterialien untersucht: ein Paraffin (RT25), sowie zwei Salzhydrate auf Basis von Kalziumchloridhexahydrat (S27) und Lithiumnitrattrihydrat (L30). Aus Messwerten des Transmissions- und Reflexionsgrades im fl{\"u}ssigen Zustand wurden die spektralen Daten der Brechungsindizes ermittelt. Strukturuntersuchungen der PCMs im festen Zustand erfolgten mittels Lichtmikroskopie und anhand von Streuverteilungsmessungen. Diese wurden mit der Mie-Theorie ausgewertet. Es wurde bei allen Materialien die Ausbildung einer Makrostruktur festgestellt, die wiederum mit einer Mikrostruktur unterlegt ist. Die Makrostruktur entsteht durch Grenzfl{\"a}chen Festk{\"o}rper-Luft beim Erstarren und Zusammenziehen der Materialien, die Mikrostruktur durch sehr feine Lufteinschl{\"u}sse und Grenzfl{\"a}chen innerhalb des Festk{\"o}rperger{\"u}sts. W{\"a}hrend die Makrostruktur vor allem bei den Salzhydraten in ihrer Gr{\"o}ße variiert und sich an die Beh{\"a}lterdicke anpasst, liegt die Gr{\"o}ße der Mikrostrukturen bei allen drei Materialien relativ konstant im Bereich um die 5-20 µm. Die Mikrostrukturen sind f{\"u}r die Lichtstreuung verantwortlich. Unter der Annahme, dass die Werte der Brechungsindizes im festen und fl{\"u}ssigen Zustand gleich sind, wurden mit dem 3-Fluss-Modell die spektralen effektiven Streukoeffizienten der festen PCMs bestimmt. Mit den ermittelten Gr{\"o}ßen lassen sich die optischen Eigenschaften der Materialien im festen und fl{\"u}ssigen Zustand f{\"u}r Schichtdicken zwischen 1,5 mm und 4 cm berechnen. Alle drei Materialien zeigen eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich und eine starke Absorption im Nahinfraroten. Dieses Verhalten ist f{\"u}r den Einsatz in Tageslichtelementen g{\"u}nstig, da man dort das sichtbare Licht zur Raumausleuchtung nutzen und den nahinfraroten Anteil in Form von W{\"a}rme speichern will. F{\"u}r den Einsatz im Tageslichtelement m{\"u}ssen die PCMs auslaufsicher in Beh{\"a}lter eingebracht werden. Hierf{\"u}r wurden Stegdoppelplatten (SDP) aus Plexiglas verwendet. Zwei Funktionsmuster mit RT25 und S27, bestehend aus einer W{\"a}rmeschutzverglasung, hinter der die PCM-bef{\"u}llten SDPs angebracht waren, wurden unter nat{\"u}rlichen Klimabedingungen vermessen. Die Messdaten dienten zur Validierung eines Simulationsprogramms, mit dem das Verhalten der drei PCM-Tageslichtelemente unter genormten Bedingungen im Sommer- und Winterbetrieb untersucht wurde. Messungen und Simulationsrechnungen ergaben, dass die gew{\"u}nschten Effekte (D{\"a}mpfung der Energiegewinne tags{\"u}ber, Verschiebung der Gewinne vom Tag in die Abend- und Nachtstunden, sowie Verbesserung der thermischen Behaglichkeit) mit den PCM-Tageslichtelementen erreicht werden. Anhand von Optimierungsrechnungen wurde gezeigt, dass die Energieeinkopplung in das PCM erh{\"o}ht werden muss. Dies kann durch Beimengung absorbierender Materialien in das PCM oder durch Verwendung von Beh{\"a}ltern mit h{\"o}herer Absorption geschehen. Bei derart optimierten Tageslichtelementen sind Schichtdicken von rund 5 mm PCM ausreichend. Lichttechnische Untersuchungen ergaben, dass die Tageslichtelemente mit PCM oft ein stark inhomogenes optisches Erscheinungsbild zeigen, vor allem w{\"a}hrend des Phasenwechsels. Deshalb sollten f{\"u}r den Einsatz in der Praxis M{\"o}glichkeiten zur Kaschierung vorgesehen werden. Dies l{\"a}sst sich z.B. durch streuende Beh{\"a}lter erreichen. Problematisch ist die Dichtigkeit der Beh{\"a}lter, vor allem wenn Salzhydrate als PCM verwendet werden. Die Kristalle {\"u}ben beim Wachstum starke Kr{\"a}fte auf die Beh{\"a}lterwandungen aus, so dass diese besonders bei gr{\"o}ßeren Beh{\"a}lterabmessungen dem Druck nicht standhalten und Risse bilden. Hier ist noch Entwicklungsarbeit zu leisten.},
  subject      = {Tageslichtelement},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Reiss1985,
  author    = {Reiss, Harald},
  title     = {Strahlungstransport in dispersen nicht-transparenten Medien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-66669},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {1985},
  abstract  = {In dieser Habilitationsschrift wird das Gesamtgebiet des W{\"a}rmetransports in dispersen Medien untersucht, kompakt, ohne Anspruch auf Vollst{\"a}ndigkeit, jedoch mit Schwerpunkt auf Strahlungstransport in nicht-transparenten Medien; hier sind es bevorzugt hochpor{\"o}se Substanzen, die aus Festk{\"o}rperteilchen bestehen. Die Ergebnisse lassen sich auf andere disperse nicht-transparente Medien wie dichte Gasatmosph{\"a}ren oder einige Zweiphasengemische {\"u}bertragen, wenn Nicht-Strahlungsanteile und Gesamt-Energieerhaltung korrekt formuliert werden. Die vorliegenden Untersuchungen konzentrieren sich auf station{\"a}re Randbedingungen und Strahlungsquellen. Die Motivation zu dieser Arbeit ist mindestens zweifach: Die Trennung des totalen W{\"a}rmestroms in seine Komponenten, in irgendeinem kontinuierlichen oder dispersen Medium, ist eines der herausfordernden, gleichzeitig schwierigsten physikalischen Probleme bei der Analyse des W{\"a}rmetransports; zum zweiten ist es f{\"u}r die Verringerung von W{\"a}rmeverlusten (z. B. in thermischen Isolierungen) dringend erforderlich, die einzelnen Komponenten der W{\"a}rmeverluststr{\"o}me zu kennen, um sie einzeln zu minimieren (das geht offensichtlich nur, wenn man den totalen W{\"a}rmstrom in seine Komponenten zerlegen kann). Die Trennung kann erfolgreich sein, wenn die optische Dicke des untersuchten Mediums sehr groß ist (das Medium ist dann nicht-transparent). In dieser idealen, in der Energietechnik jedoch h{\"a}ufig auftretenden Situation (und nicht nur dort), liefert das Strahlungsdiffusionsmodell den korrekten Ansatz zur Beschreibung des Strahlungsanteils und dessen Temperaturabh{\"a}ngigkeit. Wegen Energieerhaltung und mit der additiven N{\"a}herung erlaubt dieses Ergebnis umgekehrt die Berechnung auch der Nichtstrahlungsanteile im totalen W{\"a}rmestrom; diese sind demnach alle gleichzeitig in kalorimetrischen Messungen zug{\"a}nglich. Damit wird nachfolgende separate Analyse dieser Komponenten mittels geeigneter theoretischer Modelle m{\"o}glich. Da das Temperaturprofil im Medium alle W{\"a}rmestromkomponenten zum totalen W{\"a}rmestrom miteinander koppelt, ist f{\"u}r diesen Ansatz die Kenntnis der Temperaturabh{\"a}ngigkeit auch aller Nicht-Strahlungsanteile erforderlich. Neben der kalorimetrischen Methode kann die Bestimmung der Extinktion des dispersen Mediums und hiermit des Strahlungstransports auch mittels Spektroskopie sowie Berechnung nach der strengen Mie-Theorie der Lichtstreuung und mit dem Rosseland-Mittelwert vorgenommen werden. Dadurch wird ein Vergleich m{\"o}glich zwischen Ergebnissen, die mittels drei voneinander v{\"o}llig unabh{\"a}ngiger Methoden, n{\"a}mlich kalorimetrisch, spektroskopisch und analytisch/numerisch erzielt wurden. Die Ergebnisse stimmen {\"u}berein, wenn das Medium nicht-transparent ist; dieser Nachweis wird in der vorliegenden Habilitationsschrift gef{\"u}hrt. Im ersten Teil der Habilitationsschrift wird in breit angelegtem Review die Fachliteratur zum Strahlungstransport bis zum Jahr 1985 diskutiert und Methoden zur L{\"o}sung der Strahlungstransportgleichung auch im Fall stark anisotroper Streuung beschrieben. Wegen der Forderung nach Energieerhaltung und mit dem oben genannten Ziel, auch die Nicht-Strahlungskomponenten zu analysieren, muß diese Diskussion die theoretischen Aspekte auch dieser Anteile (hier Gas- und Festk{\"o}rperkontakt-W{\"a}rmetransport) einschließen. Den Schluß des ersten Teils bildet ein Katalog offener Fragen, die im zweiten Teil der Habilitationsschrift angegangen werden. Dort werden mittels experimenteller und analytisch/numerischer Ergebnisse das Strahlungsdiffusionsmodell und seine Anwendbarkeit auf disperse nicht-transparente Medien best{\"a}tigt. Die Analysen sind gerichtet auf reine oder mit Infrarot-Tr{\"u}bungsmitteln dotierte Pulver und Faserpapiere; beide sind leicht zug{\"a}ngliche, wohl-definierte Testsubstanzen disperser Medien. Ein wichtiger Teil dieser Untersuchungen enth{\"a}lt Messungen ihrer W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit unter Vakuum und unter externer mechanischer Druckbelastung. Mit evakuierten, druckbelasteten Faserpapieren wurden W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten erzielt, die zu den niedrigsten geh{\"o}ren, die bis 1985 an solchen Medien bei hohen Temperaturen gemessen wurden. Weiter sollen optimale Teilchendurchmesser gefunden werden, mit denen das Extinktionsverm{\"o}gen solcher Sch{\"u}ttungen signifikant erh{\"o}ht werden kann. Insbesondere ist eine exotische Vorhersage der Mie-Theorie zu pr{\"u}fen, nach welcher die Extinktion perfekt elektrisch leitender, langer, extrem d{\"u}nner Zylinder (unter 50 nm) um Gr{\"o}ßenordnungen {\"u}ber derjenigen herk{\"o}mmlicher (nichtleitender) Pulver oder Fasern liegt; hierf{\"u}r sind Materialproben herzustellen. In der Habilitationsschrift wird aufgezeigt, welcher Weg f{\"u}r diesen Nachweis beschritten werden muß (wenige Jahre nach Vorlage der Habilitationsschrift wurden Gustav Mies und Milton Kerkers Vorhersagen auf diesem Weg mit feinsten metallisierten Glasfasern und mit Nickelfasern in Ver{\"o}ffentlichungen des Autors gemeinsam mit J. Fricke, M. Arduini-Schuster, H.-P. Ebert, R. Caps, D. B{\"u}ttner und A. Kreh erstmalig best{\"a}tigt).},
  subject      = {Strahlungstransport},
  language  = {de}
}