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Large-area remote sensing time-series offer unique features for the extensive investigation of our environment. Since various error sources in the acquisition chain of datasets exist, only properly validated results can be of value for research and downstream decision processes. This review presents an overview of validation approaches concerning temporally dense time-series of land surface geo-information products that cover the continental to global scale. Categorization according to utilized validation data revealed that product intercomparisons and comparison to reference data are the conventional validation methods. The reviewed studies are mainly based on optical sensors and orientated towards global coverage, with vegetation-related variables as the focus. Trends indicate an increase in remote sensing-based studies that feature long-term datasets of land surface variables. The hereby corresponding validation efforts show only minor methodological diversification in the past two decades. To sustain comprehensive and standardized validation efforts, the provision of spatiotemporally dense validation data in order to estimate actual differences between measurement and the true state has to be maintained. The promotion of novel approaches can, on the other hand, prove beneficial for various downstream applications, although typically only theoretical uncertainties are provided.
Land cover is a key variable in monitoring applications and new processing technologies made deriving this information easier. Yet, classification algorithms remain dependent on samples collected on the field and field campaigns are limited by financial, infrastructural and political boundaries. Here, animal tracking data could be an asset. Looking at the land cover dependencies of animal behaviour, we can obtain land cover samples over places that are difficult to access. Following this premise, we evaluated the potential of animal movement data to map land cover. Specifically, we used 13 White Storks (Cicona cicona) individuals of the same population to map agriculture within three test regions distributed along their migratory track. The White Stork has adapted to foraging over agricultural lands, making it an ideal source of samples to map this land use. We applied a presence-absence modelling approach over a Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) time series and validated our classifications, with high-resolution land cover information. Our results suggest White Stork movement is useful to map agriculture, however, we identified some limitations. We achieved high accuracies (F1-scores > 0.8) for two test regions, but observed poor results over one region. This can be explained by differences in land management practices. The animals preferred agriculture in every test region, but our data showed a biased distribution of training samples between irrigated and non-irrigated land. When both options occurred, the animals disregarded non-irrigated land leading to its misclassification as non-agriculture. Additionally, we found difference between the GPS observation dates and the harvest times for non-irrigated crops. Given the White Stork takes advantage of managed land to search for prey, the inactivity of these fields was the likely culprit of their underrepresentation. Including more species attracted to agriculture - with other land-use dependencies and observation times - can contribute to better results in similar applications.
Advances in remote inventory and analysis of forest resources during the last decade have reached a level to be now considered as a crucial complement, if not a surrogate, to the long-existing field-based methods. This is mostly reflected in not only the use of multiple-band new active and passive remote sensing data for forest inventory, but also in the methodic and algorithmic developments and/or adoptions that aim at maximizing the predictive or calibration performances, thereby minimizing both random and systematic errors, in particular for multi-scale spatial domains. With this in mind, this editorial note wraps up the recently-published Remote Sensing special issue “Remote Sensing-Based Forest Inventories from Landscape to Global Scale”, which hosted a set of state-of-the-art experiments on remotely sensed inventory of forest resources conducted by a number of prominent researchers worldwide.
The alarming increase in the magnitude and spatiotemporal patterns of changes in composition, structure and function of forest ecosystems during recent years calls for enhanced cross-border mitigation and adaption measures, which strongly entail intensified research to understand the underlying processes in the ecosystems as well as their dynamics. Remote sensing data and methods are nowadays the main complementary sources of synoptic, up-to-date and objective information to support field observations in forest ecology. In particular, analysis of three-dimensional (3D) remote sensing data is regarded as an appropriate complement, since they are hypothesized to resemble the 3D character of most forest attributes. Following their use in various small-scale forest structural analyses over the past two decades, these sources of data are now on their way to be integrated in novel applications in fields like citizen science, environmental impact assessment, forest fire analysis, and biodiversity assessment in remote areas. These and a number of other novel applications provide valuable material for the Forests special issue “3D Remote Sensing Applications in Forest Ecology: Composition, Structure and Function”, which shows the promising future of these technologies and improves our understanding of the potentials and challenges of 3D remote sensing in practical forest ecology worldwide.
Human health is known to be affected by the physical environment. Various environmental influences have been identified to benefit or challenge people's physical condition. Their heterogeneous distribution in space results in unequal burdens depending on the place of living. In addition, since societal groups tend to also show patterns of segregation, this leads to unequal exposures depending on social status. In this context, environmental justice research examines how certain social groups are more affected by such exposures. Yet, analyses of this per se spatial phenomenon are oftentimes criticized for using “essentially aspatial” data or methods which neglect local spatial patterns by aggregating environmental conditions over large areas. Recent technological and methodological developments in satellite remote sensing have proven to provide highly detailed information on environmental conditions. This narrative review therefore discusses known influences of the urban environment on human health and presents spatial data and applications for analyzing these influences. Furthermore, it is discussed how geographic data are used in general and in the interdisciplinary research field of environmental justice in particular. These considerations include the modifiable areal unit problem and ecological fallacy. In this review we argue that modern earth observation data can represent an important data source for research on environmental justice and health. Especially due to their high level of spatial detail and the provided large-area coverage, they allow for spatially continuous description of environmental characteristics. As a future perspective, ongoing earth observation missions, as well as processing architectures, ensure data availability and applicability of ’big earth data’ for future environmental justice analyses.
Estimating penetration-related X-band InSAR elevation bias: a study over the Greenland ice sheet
(2019)
Accelerating melt on the Greenland ice sheet leads to dramatic changes at a global scale. Especially in the last decades, not only the monitoring, but also the quantification of these changes has gained considerably in importance. In this context, Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) systems complement existing data sources by their capability to acquire 3D information at high spatial resolution over large areas independent of weather conditions and illumination. However, penetration of the SAR signals into the snow and ice surface leads to a bias in measured height, which has to be corrected to obtain accurate elevation data. Therefore, this study purposes an easy transferable pixel-based approach for X-band penetration-related elevation bias estimation based on single-pass interferometric coherence and backscatter intensity which was performed at two test sites on the Northern Greenland ice sheet. In particular, the penetration bias was estimated using a multiple linear regression model based on TanDEM-X InSAR data and IceBridge laser-altimeter measurements to correct TanDEM-X Digital Elevation Model (DEM) scenes. Validation efforts yielded good agreement between observations and estimations with a coefficient of determination of R\(^2\) = 68% and an RMSE of 0.68 m. Furthermore, the study demonstrates the benefits of X-band penetration bias estimation within the application context of ice sheet elevation change detection.
Invasive plant species are major threats to biodiversity. They can be identified and monitored by means of high spatial resolution remote sensing imagery. This study aimed to test the potential of multiple very high-resolution (VHR) optical multispectral and stereo imageries (VHRSI) at spatial resolutions of 1.5 and 5 m to quantify the presence of the invasive lantana (Lantana camara L.) and predict its distribution at large spatial scale using medium-resolution fractional cover analysis. We created initial training data for fractional cover analysis by classifying smaller extent VHR data (SPOT-6 and RapidEye) along with three dimensional (3D) VHRSI derived digital surface model (DSM) datasets. We modelled the statistical relationship between fractional cover and spectral reflectance for a VHR subset of the study area located in the Himalayan region of India, and finally predicted the fractional cover of lantana based on the spectral reflectance of Landsat-8 imagery of a larger spatial extent. We classified SPOT-6 and RapidEye data and used the outputs as training data to create continuous field layers of Landsat-8 imagery. The area outside the overlapping region was predicted by fractional cover analysis due to the larger extent of Landsat-8 imagery compared with VHR datasets. Results showed clear discrimination of understory lantana from upperstory vegetation with 87.38% (for SPOT-6), and 85.27% (for RapidEye) overall accuracy due to the presence of additional VHRSI derived DSM information. Independent validation for lantana fractional cover estimated root-mean-square errors (RMSE) of 11.8% (for RapidEye) and 7.22% (for SPOT-6), and R\(^2\) values of 0.85 and 0.92 for RapidEye (5 m) and SPOT-6 (1.5 m), respectively. Results suggested an increase in predictive accuracy of lantana within forest areas along with increase in the spatial resolution for the same Landsat-8 imagery. The variance explained at 1.5 m spatial resolution to predict lantana was 64.37%, whereas it decreased by up to 37.96% in the case of 5 m spatial resolution data. This study revealed the high potential of combining small extent VHR and VHRSI- derived 3D optical data with larger extent, freely available satellite data for identification and mapping of invasive species in mountainous forests and remote regions.
Via providing various ecosystem services, the old-growth Hyrcanian forests play a crucial role in the environment and anthropogenic aspects of Iran and beyond. The amount of growing stock volume (GSV) is a forest biophysical parameter with great importance in issues like economy, environmental protection, and adaptation to climate change. Thus, accurate and unbiased estimation of GSV is also crucial to be pursued across the Hyrcanian. Our goal was to investigate the potential of ALOS-2 and Sentinel-1's polarimetric features in combination with Sentinel-2 multi-spectral features for the GSV estimation in a portion of heterogeneously-structured and mountainous Hyrcanian forests. We used five different kernels by the support vector regression (nu-SVR) for the GSV estimation. Because each kernel differently models the parameters, we separately selected features for each kernel by a binary genetic algorithm (GA). We simultaneously optimized R\(^2\) and RMSE in a suggested GA fitness function. We calculated R\(^2\), RMSE to evaluate the models. We additionally calculated the standard deviation of validation metrics to estimate the model's stability. Also for models over-fitting or under-fitting analysis, we used mean difference (MD) index. The results suggested the use of polynomial kernel as the final model. Despite multiple methodical challenges raised from the composition and structure of the study site, we conclude that the combined use of polarimetric features (both dual and full) with spectral bands and indices can improve the GSV estimation over mixed broadleaf forests. This was partially supported by the use of proposed evaluation criterion within the GA, which helped to avoid the curse of dimensionality for the applied SVR and lowest over estimation or under estimation.
Projected climate changes for the 21st century may cause great uncertainties on the hydrology of a river basin. This study explored the impacts of climate change on the water balance and hydrological regime of the Jhelum River Basin using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Two downscaling methods (SDSM, Statistical Downscaling Model and LARS-WG, Long Ashton Research Station Weather Generator), three Global Circulation Models (GCMs), and two representative concentration pathways (RCP4.5 and RCP8.5) for three future periods (2030s, 2050s, and 2090s) were used to assess the climate change impacts on flow regimes. The results exhibited that both downscaling methods suggested an increase in annual streamflow over the river basin. There is generally an increasing trend of winter and autumn discharge, whereas it is complicated for summer and spring to conclude if the trend is increasing or decreasing depending on the downscaling methods. Therefore, the uncertainty associated with the downscaling of climate simulation needs to consider, for the best estimate, the impact of climate change, with its uncertainty, on a particular basin. The study also resulted that water yield and evapotranspiration in the eastern part of the basin (sub-basins at high elevation) would be most affected by climate change. The outcomes of this study would be useful for providing guidance in water management and planning for the river basin under climate change.
Das Ziel dieser Arbeit war neue Eingangsdaten für die Landoberflächenbeschreibung des regionalen Klimamodells REMO zu finden und ins Modell zu integrieren, um die Vorhersagequalität des Modells zu verbessern. Die neuen Daten wurden so in das Modell eingebaut, dass die bisherigen Daten weiterhin als Option verfügbar sind. Dadurch kann überprüft werden, ob und in welchem Umfang sich die von jedem Klimamodell benötigten Rahmendaten auf Modellergebnisse auswirken. Im Zuge der Arbeit wurden viele unterschiedliche Daten und Methoden zur Generierung neuer Parameter miteinander verglichen, denn neben dem Ersetzen der konstanten Eingangswerte für verschiedene Oberflächenparameter und den damit verbundenen Änderungen wurden als zusätzliche Verbesserung auch Veränderungen an der Parametrisierung des Bodens speziell in Hinblick auf die Bodentemperaturen in REMO vorgenommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die durch die verschiedenen Änderungen ausgelösten Auswirkungen für das CORDEX-Gebiet EUR-44 mit einer Auflösung von ca. 50km und für das in dem darin eingebetteten neu definierten Deutschlandgebiet GER-11 mit einer Auflösung von ca. 12km getestet sowie alle Änderungen anhand von verschiedenen Beobachtungsdatensätzen validiert.
Die vorgenommenen Arbeiten gliederten sich in drei Hauptteile. Der erste Teil bestand in dem vom eigentlichen Klimamodell unabhängigen Vergleich der verschiedenen Eingangsdaten auf unterschiedlichen Auflösungen und deren Performanz in allen Teilen der Erde, wobei ein besonderer Fokus auf der Qualität in den späteren Modellgebieten lag. Unter Berücksichtigung der Faktoren, wie einer globalen Verfügbarkeit der Daten, einer verbesserten räumlichen Auflösung und einer kostenlosen Nutzung der Daten sowie verschiedener Validationsergebnissen von anderen Studien, wurden in dieser Arbeit vier neue Topographiedatensätze (SRTM, ALOS, TANDEM und ASTER) und drei neue Bodendatensätze (FAOn, Soilgrid und HWSD) für die Verwendung im Präprozess von REMO aufbereitet und miteinander sowie mit den bisher in REMO verwendeten Daten verglichen. Auf Grundlage dieser Vergleichsstudien schieden bei den Topographiedaten die verwendeten Datensatz-Versionen von SRTM, ALOS und TANDEM für die in dieser Arbeit durchgeführten REMO-Läufe aus. Bei den neuen Bodendatensätzen wurde ausgenutzt, dass diese verschiedenen Bodeneigenschaften für unterschiedliche Tiefen als Karten zur Verfügung stellen. In REMO wurden bisher alle benötigten Bodenparameter abhängig von fünf verschiedenen Bodentexturklassen und einer zusätzlichen Torfklasse ausgewiesen und als konstant über die gesamte Modellbodensäule (bis ca. 10m) angenommen. Im zweiten Teil wurden auf Basis der im ersten Teil ausgewählten neuen Datensätze und den neu verfügbaren Bodenvariablen verschiedene Sensitivitätsstudien über das Beispieljahr 2000 durchgeführt. Dabei wurden verschiedene neue Parametrisierungen für die bisher aus der Textur abgeleiteten Bodenvariablen und die Parametrisierung von weiteren hydrologischen und thermalen Bodeneigenschaften verglichen. Ferner wurde aufgrund der neuen nicht über die Tiefe konstanten Bodeneigenschaften eine neue numerische Methode zur Berechnung der Bodentemperaturen der fünf Schichten in REMO getestet, welche wiederum andere Anpassungen erforderte. Der Test und die Auswahl der verschiedenen Datensatz- und Parametrisierungsversionen auf die Modellperformanz wurde in drei Experimentpläne unterteilt. Im ersten Plan wurden die Auswirkungen der ausgewählten Topographie- und Bodendatensätze überprüft. Der zweite Plan behandelte die Unterschiede der verschiedenen Parametrisierungsarten der Bodenvariablen hinsichtlich der verwendeten Variablen zur Berechnung der Bodeneigenschaften, der über die Tiefe variablen oder konstanten Eigenschaften und der verwendeten Berechnungsmethode der Bodentemperaturänderungen. Durch die Erkenntnisse aus diesen beiden Experimentplänen, die für beide Untersuchungsgebiete durchgeführt wurden, ergaben sich im dritten Plan weitere Parametrisierungsänderungen. Alle Änderungen dieses dritten Experimentplans wurden sukzessiv getestet, sodass der paarweise Vergleich von zwei aufeinanderfolgenden Modellläufen die Auswirkungen der Neuerung im jeweils zweiten Lauf widerspiegelt. Der letzte Teil der Arbeit bestand aus der Analyse von fünf längeren Modellläufen (2000-2018), die zur Überprüfung der Ergebnisse aus den Sensitivitätsstudien sowie zur Einschätzung der Performanz in weiteren teilweise extremen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wurden. Hierfür wurden die bisherige Modellversion von REMO (id01) für die beiden Untersuchungsgebiete EUR-44 und GER-11 als Referenzläufe, zwei aufgrund der Vergleichsergebnisse von Experimentplan 3 selektierte Modellversionen (id06 und id15a für GER-11) sowie die finale Version (id18a für GER-11), die alle vorgenommenen Änderungen dieser Arbeit enthält, ausgewählt.
Es stellte sich heraus, dass sowohl die neuen Topographiedaten als auch die neuen Bodendaten große Differenzen zu den bisherigen Daten in REMO haben. Zudem änderten sich die von diesen konstanten Eingangsdaten abgeleiteten Hilfsvariablen je nach verwendeter Parametrisierung sehr deutlich. Dies war besonders gut anhand der Bodenparameter zu erkennen. Sowohl die räumliche Verteilung als auch der Wertebereich der verschiedenen Modellversionen unterschieden sich stark. Eine Einschätzung der Qualität der resultierenden Parameter wurde jedoch dadurch erschwert, dass auch die verschiedenen zur Validierung herangezogenen Bodendatensätze für diese Parameter deutlich voneinander abweichen. Die finale Modellversion id18a ähnelte trotz der umfassenden Änderungen in den meisten Variablen den Ergebnissen der bisherigen REMO-Version. Je nach zeitlicher und räumlicher Aggregation sowie unterschiedlichen Regionen und Jahreszeiten wurden leichte Verbesserungen, aber auch leichte Verschlechterungen im Vergleich zu den klimatologischen Validationsdaten festgestellt. Größere Veränderungen im Vergleich zur bisherigen Modellversion konnten in den tieferen Bodenschichten aufgezeigt werden, welche allerdings aufgrund von fehlenden Validationsdaten nicht beurteilt werden konnten. Für alle 2m-Temperaturen konnte eine tendenzielle leichte Erwärmung im Vergleich zum bisherigen Modelllauf beobachtet werden, was sich einerseits negativ auf die ohnehin durchschnittlich zu hohe Minimumtemperatur, aber andererseits positiv auf die bisher zu niedrige Maximumtemperatur des Modells in den betrachteten Gebieten auswirkte. Im Niederschlagssignal und in den 10m-Windvariablen konnten keine signifikanten Änderungen nachgewiesen werden, obwohl die neue Topographie an manchen Stellen im Modellgebiet deutlich von der bisherigen abweicht. Des Weiteren variierte das Ranking der verschiedenen Modellversionen jeweils nach dem angewendeten Qualitätsindex.
Um diese Ergebnisse besser einordnen zu können, muss berücksichtigt werden, dass die neuen Daten für Modellgebiete mit 50 bzw. 12km räumlicher Auflösung und der damit verbundenen hydrostatischen Modellversion getestet wurden. Zudem sind vor allem in Fall der Topographie die bisher enthaltenen GTOPO-Daten (1km Auflösung) für die Aggregation auf diese gröbere Modellauflösung geeignet. Die bisherigen Bodendaten stoßen jedoch mit 50km Auflösung bereits an ihre Grenzen. Zusätzlich ist zu beachten, dass nicht nur die Mittelwerte dieser Daten, sondern auch deren Subgrid-Variabilität als Variablen im Modell für verschiedene Parametrisierungen verwendet werden. Daher ist es essentiell, dass die Eingangsdaten eine deutlich höhere Auflösung bereitstellen als die zur Modellierung definierte Auflösung. Für lokale Klimasimulationen mit Auflösungen im niedrigen Kilometerbereich spielen auch die Vertikalbewegungen (nicht-hydrostatische Modellversion) eine wichtige Rolle, die stark von der Topographie sowie deren horizontaler und vertikaler Änderungsrate beeinflusst werden, was die in dieser Arbeit eingebauten wesentlich höher aufgelösten Daten für die zukünftige Weiterentwicklung von REMO wertvoll machen kann.