@phdthesis{Knoefel2018,
  author    = {Kn{\"o}fel, Patrick},
  title     = {Energiebilanzmodellierung zur Ableitung der Evapotranspiration - Beispielregion Khorezm},
  edition   = {1. Auflage},
  publisher = {W{\"u}rzburg University Press},
  address   = {W{\"u}rzburg},
  isbn      = {978-3-95826-042-9 (Print)},
  issn      = {0510-9833},
  doi       = {10.25972/WUP-978-3-95826-043-6},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-135669},
  school      = {W{\"u}rzburg University Press},
  pages     = {276},
  year      = {2018},
  abstract  = {Zum Verst{\"a}ndnis der komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems der Erde sind Kenntnisse {\"u}ber den hydrologischen Zyklus und den Energiekreislauf essentiell. Eine besondere Rolle obliegt hierbei der Evapotranspiration (ET), da sie eine wesentliche Teilkomponente beider oben erw{\"a}hnter Kreisl{\"a}ufe ist. Die exakte Quantifizierung der regionalen, tats{\"a}chlichen Evapotranspiration innerhalb der Wasser- und Energiekreisl{\"a}ufe der Erdoberfl{\"a}che auf unterschiedlichen zeitlichen und r{\"a}umlichen Skalen ist f{\"u}r hydrologische, klimatologische und agronomische Fragestellungen von großer Bedeutung. Dabei ist eine realistische Absch{\"a}tzung der regionalen tats{\"a}chlichen Evapotranspiration die wichtigste Herausforderung der hydrologischen Modellierung. Besonders die unterschiedlichen r{\"a}umlichen und zeitlichen Aufl{\"o}sungen von Satelliteninformationen machen die Fernerkundung sowohl f{\"u}r globale als auch regionale hydrologischen Fragestellungen interessant. Zus{\"a}tzlich zur Notwendigkeit des Prozessverst{\"a}ndnisses des Wasserkreislaufs auf globaler Ebene kommt dessen regionale Bedeutung f{\"u}r die Landwirtschaft, insbesondere in Bew{\"a}sserungssystemen arider Regionen. In ariden Klimazonen {\"u}bersteigt die Menge der Verdunstung oft bei weitem die Niederschlagsmengen. Aufgrund der geringen Niederschlagsmenge muss in ariden agrarischen Regionen das zum Pflanzenwachstum ben{\"o}tigte Wasser mit Hilfe k{\"u}nstlicher Bew{\"a}sserung aufgebracht werden. Der jeweilige lokale Bew{\"a}sserungsbedarf h{\"a}ngt von der Feldfrucht und deren Wachstumsphase, den Klimabedingungen, den Bodeneigenschaften und der Ausdehnung der Wurzelzone ab. Die Evapotranspiration ist als Komponente der regionalen Wasserbilanz eine wichtige Steuerungsgr{\"o}ße und Effizienzindikator f{\"u}r das lokale Bew{\"a}sserungsmanagement. Die Bew{\"a}sse-rungslandwirtschaft verbraucht weltweit etwa 70 \% der verf{\"u}gbaren S{\"u}ßwasservorkom-men. Dies wird als einer der Hauptgr{\"u}nde f{\"u}r die weltweit steigende Wasserknappheit identifiziert. Dabei liegt die Wasserentnahme des landwirtschaftlichen Sektors in den OECD Staaten im Mittel bei etwa 44 \%, in den Staaten Mittelasiens bei {\"u}ber 90 \%. Bei der Erstellung der vorliegenden Arbeit kam die Methode der residualen Bestimmung der Energiebilanz zum Einsatz. Eines der weltweit am h{\"a}ufigsten eingesetzten und vali-dierten fernerkundlichen Residualmodelle zur ET Ableitung ist das SEBAL-Modell (Surface Energy Balance Algorithm for Land, mit {\"u}ber 40 ver{\"o}ffentlichten Studien. SEBAL eignet sich zur Quantifizierung der Verdunstung großfl{\"a}chiger Gebiete und wurde bisher {\"u}ber-wiegend in der Bew{\"a}sserungslandwirtschaft eingesetzt. Aus diesen Gr{\"u}nden wurde es f{\"u}r die Bearbeitung der Fragestellungen in dieser Arbeit ausgew{\"a}hlt. SEBAL verwendet physikalische und empirische Beziehungen zur Berechnung der Energiebilanzkomponenten basierend auf Fernerkundungsdaten, bei gleichzeitig minimalem Einsatz bodengest{\"u}tzter Daten. Als Eingangsdaten werden u.a. Informationen {\"u}ber Strahlung, Bodenoberfl{\"a}chentemperatur, NDVI, LAI und Albedo verwendet. Zus{\"a}tzlich zu SEBAL wurden einige Komponenten der SEBAL Weiterentwicklung METRIC (Mapping Evapotranspiration with Internalized Calibration) verwendet, um die Modellierung der ET vorzunehmen. METRIC {\"u}berwindet einige Limitierungen des SEBAL Verfahrens und kann beispielsweise auch in st{\"a}rker reliefierten Regionen angewendet werden. Außerdem erm{\"o}glicht die Integration einer gebietsspezifischen Referenz-ET sowie einer Landnutzungsklassifikation eine bessere regionale Anpassung des Residualverfahrens. Unter der Annahme der Bedingungen zum Zeitpunkt der Fernerkundungsaufnahme ergibt sich die Energiebilanz an der Erdoberfl{\"a}che RN = LvE + H + G. Demnach teilt sich die verf{\"u}gbare Strahlungsenergie RN in die Komponenten latenter W{\"a}rme (LVE), f{\"u}hlbarer W{\"a}rme (H) und Bodenw{\"a}rme (G) auf. Durch Umstellen der Gleichung kann auf die latente W{\"a}rme geschlossen werden. Das wesentliche Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Optimierung, Erweiterung und Validierung des ausgew{\"a}hlten SEBAL Verfahrens zur regionalen Modellierung der Energiebilanzkomponenten und der daraus abgeleiteten tats{\"a}chlichen Evapotranspiration. Die validierten Modellergebnisse der Gebietsverdunstung der Jahre 2009-2011 sollen anschließend als Grundlage dienen, das Gesamtverst{\"a}ndnis der regionalen Prozesse des Wasserkreislaufs zu verbessern. Die Arbeit basiert auf der Datengrundlage von MODIS Daten mit 1 km r{\"a}umlicher Aufl{\"o}sung. W{\"a}hrend die Komponenten verf{\"u}gbare Strahlungsenergie und f{\"u}hlbarer W{\"a}rmestrom physikalisch basiert ermittelt werden, beruht die Berechnung des Bodenw{\"a}rmestroms ausschließlich auf empirischen Absch{\"a}tzungen. Ein großer Nachteil des empirischen Ansatzes ist die Vernachl{\"a}ssigung des zeitlichen Versatzes zwischen Strahlungsbilanz und Bodenw{\"a}rmestrom in Abh{\"a}ngigkeit der aktuellen Bodenfeuchtesituation. Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Bewertung und Verbesserung der Modellg{\"u}te des Bodenw{\"a}rmestroms durch Verwendung eines neuen Ansatzes zur Integration von Bodenfeuchteinformationen. Daher wird in der Arbeit ein physikalischer Ansatz entwickelt der auf dem Ansatz der periodischen Temperaturver{\"a}nderung basiert. Hierbei wurde neben dem ENVISAT ASAR SSM Produkt der TU Wien das operationelle Oberfl{\"a}chenbodenfeuchteprodukt ASCAT SSM als Fernerkundungseingangsdaten ausgew{\"a}hlt. Die mit SEBAL modellierten Energiebilanzkomponenten werden durch eine intensive Validierung mit bodengest{\"u}tzten Messungen bewertet, die Messungen stammen von Bodensensoren und Daten einer Eddy-Kovarianz-Station aus den Jahren 2009 bis 2011. Die Region Khorezm gilt als charakteristisch f{\"u}r die wasserbezogene Problematik der Bew{\"a}sserungslandwirtschaft Mittelasiens und wurde als Untersuchungsgebiet f{\"u}r diese Arbeit ausgew{\"a}hlt. Die wesentlichen Probleme dieser Region entstehen durch die nach wie vor nicht nachhaltige Land- und Wassernutzung, das marode Bew{\"a}sserungsnetz mit einer Verlustrate von bis zu 40 \% und der Bodenversalzung aufgrund hoher Grundwasserspiegel. Im Untersuchungsgebiet wurden in den Jahren 2010 und 2011 umfangreiche Feldarbeiten zur Erhebung lokaler bodengest{\"u}tzter Informationen durchgef{\"u}hrt. Bei der Evaluierung der modellierten Einzelkomponenten ergab sich f{\"u}r die Strahlungsbi-lanz eine hohe Modellg{\"u}te (R² > 0,9; rRMSE < 0,2 und NSE > 0,5). Diese Komponente bildet die Grundlage bei der Bezifferung der f{\"u}r die Prozesse an der Erdoberfl{\"a}che zur Verf{\"u}gung stehenden Energie. F{\"u}r die f{\"u}hlbaren W{\"a}rmestr{\"o}me wurden ebenfalls gute Ergebnisse erzielt, mit NSE von 0,31 und rRMSE von ca. 0,21. F{\"u}r die residual bestimmte Gr{\"o}ße der latenten W{\"a}rmestr{\"o}mung konnte eine insgesamt gute Modellg{\"u}te festgestellt werden (R² > 0,6; rRMSE < 0,2 und NSE > 0,5). Dementsprechend gut wurde die t{\"a}gliche Evapotranspiration modelliert. Hier ergab sich, nach der Interpolation t{\"a}glicher Werte, eine insgesamt ausreichend gute Modellg{\"u}te (R² > 0,5; rRMSE < 0,2 und NSE > 0,4). Dies best{\"a}tigt die Ergebnisse vieler Energiebilanzstudien, die lediglich den f{\"u}r die Ableitung der Evapotranspiration maßgebenden W{\"a}rmestrom untersuchten. Die Modellergebnisse f{\"u}r den Bodenw{\"a}rmestrom konnten durch die Entwicklung und Verwendung des neu entwickelten physikalischen Ansatzes von NSE < 0 und rRMSE von ca. 0,57 auf NSE von 0,19 und rRMSE von 0,35 verbessert werden. Dies f{\"u}hrt zu einer insgesamt positiven Einsch{\"a}tzung des Verbesserungspotenzials des neu entwickelten Bodenw{\"a}rmestromansatzes bei der Berechnung der Energiebilanz mit Hilfe von Fernerkundung.},
  subject      = {Evapotranspiration},
  language  = {de}
}
@article{LauschBorgBumbergeretal.2018,
  author    = {Lausch, Angela and Borg, Erik and Bumberger, Jan and Dietrich, Peter and Heurich, Marco and Huth, Andreas and Jung, Andr{\´a}s and Klenke, Reinhard and Knapp, Sonja and Mollenhauer, Hannes and Paasche, Hendrik and Paulheim, Heiko and Pause, Marion and Schweitzer, Christian and Schmulius, Christiane and Settele, Josef and Skidmore, Andrew K. and Wegmann, Martin and Zacharias, Steffen and Kirsten, Toralf and Schaepman, Michael E.},
  title     = {Understanding forest health with remote sensing, part III: requirements for a scalable multi-source forest health monitoring network based on data science approaches},
  series = {Remote Sensing},
  volume    = {10},
  journal   = {Remote Sensing},
  number    = {7},
  issn      = {2072-4292},
  doi       = {10.3390/rs10071120},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-197691},
  pages     = {1120},
  year      = {2018},
  abstract  = {Forest ecosystems fulfill a whole host of ecosystem functions that are essential for life on our planet. However, an unprecedented level of anthropogenic influences is reducing the resilience and stability of our forest ecosystems as well as their ecosystem functions. The relationships between drivers, stress, and ecosystem functions in forest ecosystems are complex, multi-faceted, and often non-linear, and yet forest managers, decision makers, and politicians need to be able to make rapid decisions that are data-driven and based on short and long-term monitoring information, complex modeling, and analysis approaches. A huge number of long-standing and standardized forest health inventory approaches already exist, and are increasingly integrating remote-sensing based monitoring approaches. Unfortunately, these approaches in monitoring, data storage, analysis, prognosis, and assessment still do not satisfy the future requirements of information and digital knowledge processing of the 21st century. Therefore, this paper discusses and presents in detail five sets of requirements, including their relevance, necessity, and the possible solutions that would be necessary for establishing a feasible multi-source forest health monitoring network for the 21st century. Namely, these requirements are: (1) understanding the effects of multiple stressors on forest health; (2) using remote sensing (RS) approaches to monitor forest health; (3) coupling different monitoring approaches; (4) using data science as a bridge between complex and multidimensional big forest health (FH) data; and (5) a future multi-source forest health monitoring network. It became apparent that no existing monitoring approach, technique, model, or platform is sufficient on its own to monitor, model, forecast, or assess forest health and its resilience. In order to advance the development of a multi-source forest health monitoring network, we argue that in order to gain a better understanding of forest health in our complex world, it would be conducive to implement the concepts of data science with the components: (i) digitalization; (ii) standardization with metadata management after the FAIR (Findability, Accessibility, Interoperability, and Reusability) principles; (iii) Semantic Web; (iv) proof, trust, and uncertainties; (v) tools for data science analysis; and (vi) easy tools for scientists, data managers, and stakeholders for decision-making support.},
  language  = {en}
}
@article{NyamekyeThielSchoenbrodtStittetal.2018,
  author    = {Nyamekye, Clement and Thiel, Michael and Sch{\"o}nbrodt-Stitt, Sarah and Zoungrana, Benewinde J.-B. and Amekudzi, Leonard K.},
  title     = {Soil and water conservation in Burkina Faso, West Africa},
  series = {Sustainability},
  volume    = {10},
  journal   = {Sustainability},
  number    = {9},
  issn      = {2071-1050},
  doi       = {10.3390/su10093182},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-197653},
  pages     = {3182},
  year      = {2018},
  abstract  = {Inadequate land management and agricultural activities have largely resulted in land degradation in Burkina Faso. The nationwide governmental and institutional driven implementation and adoption of soil and water conservation measures (SWCM) since the early 1960s, however, is expected to successively slow down the degradation process and to increase the agricultural output. Even though relevant measures have been taken, only a few studies have been conducted to quantify their effect, for instance, on soil erosion and environmental restoration. In addition, a comprehensive summary of initiatives, implementation strategies, and eventually region-specific requirements for adopting different SWCM is missing. The present study therefore aims to review the different SWCM in Burkina Faso and implementation programs, as well as to provide information on their effects on environmental restoration and agricultural productivity. This was achieved by considering over 143 studies focusing on Burkina Faso's experience and research progress in areas of SWCM and soil erosion. SWCM in Burkina Faso have largely resulted in an increase in agricultural productivity and improvement in food security. Finally, this study aims at supporting the country's informed decision-making for extending already existing SWCM and for deriving further implementation strategies.},
  language  = {en}
}
@article{ReichmuthHenningPinneletal.2018,
  author    = {Reichmuth, Anne and Henning, Lea and Pinnel, Nicole and Bachmann, Martin and Rogge, Derek},
  title     = {Early detection of vitality changes of multi-temporal Norway spruce laboratory needle measurements—the ring-barking experiment},
  series = {Remote Sensing},
  volume    = {10},
  journal   = {Remote Sensing},
  number    = {1},
  doi       = {10.3390/rs10010057},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-159253},
  pages     = {57},
  year      = {2018},
  abstract  = {The focus of this analysis is on the early detection of forest health changes, specifically that of Norway spruce (Picea abies L. Karst.). In this analysis, we planned to examine the time (degree of early detection), spectral wavelengths and appropriate method for detecting vitality changes. To accomplish this, a ring-barking experiment with seven subsequent laboratory needle measurements was carried out in 2013 and 2014 in an area in southeastern Germany near Alt{\"o}tting. The experiment was also accompanied by visual crown condition assessment. In total, 140 spruce trees in groups of five were ring-barked with the same number of control trees in groups of five that were selected as reference trees in order to compare their development. The laboratory measurements were analysed regarding the separability of ring-barked and control samples using spectral reflectance, vegetation indices and derivative analysis. Subsequently, a random forest classifier for determining important spectral wavelength regions was applied. Results from the methods are consistent and showed a high importance of the visible (VIS) spectral region, very low importance of the near-infrared (NIR) and minor importance of the shortwave infrared (SWIR) spectral region. Using spectral reflectance data as well as indices, the earliest separation time was found to be 292 days after ring-barking. The derivative analysis showed that a significant separation was observed 152 days after ring-barking for six spectral features spread through VIS and SWIR. A significant separation was detected using a random forest classifier 292 days after ring-barking with 58\% separability. The visual crown condition assessment was analysed regarding obvious changes of vitality and the first indication was observed 302 days after ring-barking as bark beetle infestation and yellowing of foliage in the ring-barked trees only. This experiment shows that an early detection, compared with visual crown assessment, is possible using the proposed methods for this specific data set. This study will contribute to ongoing research for early detection of vitality changes that will support foresters and decision makers.},
  language  = {en}
}
@article{ZielewskaBuettnerHeurichMuelleretal.2018,
  author    = {Zielewska-B{\"u}ttner, Katarzyna and Heurich, Marco and M{\"u}ller, J{\"o}rg and Braunisch, Veronika},
  title     = {Remotely Sensed Single Tree Data Enable the Determination of Habitat Thresholds for the Three-Toed Woodpecker (Picoides tridactylus)},
  series = {Remote Sensing},
  volume    = {10},
  journal   = {Remote Sensing},
  number    = {12},
  issn      = {2072-4292},
  doi       = {10.3390/rs10121972},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-197565},
  year      = {2018},
  abstract  = {Forest biodiversity conservation requires precise, area-wide information on the abundance and distribution of key habitat structures at multiple spatial scales. We combined airborne laser scanning (ALS) data with color-infrared (CIR) aerial imagery for identifying individual tree characteristics and quantifying multi-scale habitat requirements using the example of the three-toed woodpecker (Picoides tridactylus) (TTW) in the Bavarian Forest National Park (Germany). This bird, a keystone species of boreal and mountainous forests, is highly reliant on bark beetles dwelling in dead or dying trees. While previous studies showed a positive relationship between the TTW presence and the amount of deadwood as a limiting resource, we hypothesized a unimodal response with a negative effect of very high deadwood amounts and tested for effects of substrate quality. Based on 104 woodpecker presence or absence locations, habitat selection was modelled at four spatial scales reflecting different woodpecker home range sizes. The abundance of standing dead trees was the most important predictor, with an increase in the probability of TTW occurrence up to a threshold of 44-50 dead trees per hectare, followed by a decrease in the probability of occurrence. A positive relationship with the deadwood crown size indicated the importance of fresh deadwood. Remote sensing data allowed both an area-wide prediction of species occurrence and the derivation of ecological threshold values for deadwood quality and quantity for more informed conservation management.},
  language  = {en}
}
@article{WeiBlaschke2018,
  author    = {Wei, Chunzhu and Blaschke, Thomas},
  title     = {Pixel-wise vs. object-based impervious surface analysis from remote sensing: correlations with land surface temperature and population density},
  series = {Urban Science},
  volume    = {2},
  journal   = {Urban Science},
  number    = {1},
  issn      = {2413-8851},
  doi       = {10.3390/urbansci2010002},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-197829},
  pages     = {2},
  year      = {2018},
  abstract  = {Impervious surface areas (ISA) are heavily influenced by urban structure and related structural features. We examined the effects of object-based impervious surface spatial pattern analysis on land surface temperature and population density in Guangzhou, China, in comparison to classic per-pixel analyses. An object-based support vector machine (SVM) and a linear spectral mixture analysis (LSMA) were integrated to estimate ISA fraction using images from the Chinese HJ-1B satellite for 2009 to 2011. The results revealed that the integrated object-based SVM-LSMA algorithm outperformed the traditional pixel-wise LSMA algorithm in classifying ISA fraction. More specifically, the object-based ISA spatial patterns extracted were more suitable than pixel-wise patterns for urban heat island (UHI) studies, in which the UHI areas (landscape surface temperature >37 °C) generally feature high ISA fraction values (ISA fraction >50\%). In addition, the object-based spatial patterns enable us to quantify the relationship of ISA with population density (correlation coefficient >0.2 in general), with global human settlement density (correlation coefficient >0.2), and with night-time light map (correlation coefficient >0.4), and, whereas pixel-wise ISA did not yield significant correlations. These results indicate that object-based spatial patterns have a high potential for UHI detection and urbanization monitoring. Planning measures that aim to reduce the urbanization impacts and UHI intensities can be better supported.},
  language  = {en}
}