Data-driven model development in environmental geography - Methodological advancements and scientific applications

Die Erfassung räumlich kontinuierlicher Daten und raum-zeitlicher Dynamiken ist ein Forschungsschwerpunkt der Umweltgeographie. Zu diesem Ziel sind Modellierungsmethoden erforderlich, die es ermöglichen, aus limitierten Felddaten raum-zeitliche Aussagen abzuleiten. Die Komplexität von Umweltsystemen erfordert dabei die Verwendung von Modellierungsstrategien, die es erlauben, beliebige Zusammenhänge zwischen einer Vielzahl potentieller Prädiktoren zu berücksichtigen. Diese Anforderung verlangt nach einem Paradigmenwechsel von der parametrischen hin zu einer nicht-parametrischen, datengetriebenen Modellentwicklung, was zusätzlich durch die zunehmende Verfügbarkeit von Geodaten verstärkt wird. In diesem Zusammenhang haben sich maschinelle Lernverfahren als ein wichtiges Werkzeug erwiesen, um Muster in nicht-linearen und komplexen Systemen zu erfassen. Durch die wachsende Popularität maschineller Lernverfahren in wissenschaftlichen Zeitschriften und die Entwicklung komfortabler Softwarepakete wird zunehmend der Fehleindruck einer einfachen Anwendbarkeit erzeugt. Dem gegenüber steht jedoch eine Komplexität, die im Detail nur durch eine umfassende Methodenkompetenz kontrolliert werden kann. Diese Problematik gilt insbesondere für Geodaten, die besondere Merkmale wie vor allem räumliche Abhängigkeit aufweisen, womit sie sich von "gewöhnlichen" Daten abheben, was jedoch in maschinellen Lernanwendungen bisher weitestgehend ignoriert wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Potenzial und der Sensitivität des maschinellen Lernens in der Umweltgeographie. In diesem Zusammenhang wurde eine Reihe von maschinellen Lernanwendungen in einem breiten Spektrum der Umweltgeographie veröffentlicht. Die einzelnen Beiträge stehen unter der übergeordneten Hypothese, dass datengetriebene Modellierungsstrategien nur dann zu einem Informationsgewinn und zu robusten raum-zeitlichen Ergebnissen führen, wenn die Merkmale von geographischen Daten berücksichtigt werden. Neben diesem übergeordneten methodischen Fokus zielt jede Anwendung darauf ab, durch adäquat angewandte Methoden neue fachliche Erkenntnisse in ihrem jeweiligen Forschungsgebiet zu liefern. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Vielzahl relevanter Umweltmonitoring-Produkte entwickelt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass sowohl hohe fachwissenschaftliche als auch methodische Kenntnisse unverzichtbar sind, um den Bereich der datengetriebenen Umweltgeographie voranzutreiben. Die Arbeit demonstriert erstmals die Relevanz räumlicher Überfittung in geographischen Lernanwendungen und legt ihre Auswirkungen auf die Modellergebnisse dar. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird eine neue, an Geodaten angepasste Methode zur Modellentwicklung entwickelt, wodurch deutlich verbesserte Ergebnisse erzielt werden können. Diese Arbeit ist abschließend als Appell zu verstehen, über die Standardanwendungen der maschinellen Lernverfahren hinauszudenken, da sie beweist, dass die Anwendung von Standardverfahren auf Geodaten zu starker Überfittung und Fehlinterpretation der Ergebnisse führt. Erst wenn Eigenschaften von geographischen Daten berücksichtigt werden, bietet das maschinelle Lernen ein leistungsstarkes Werkzeug, um wissenschaftlich verlässliche Ergebnisse für die Umweltgeographie zu liefern

Creating New Near-Surface Air Temperature Datasets to Understand Elevation-Dependent Warming in the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau has been undergoing accelerated warming over recent decades, and is considered an indicator for broader global warming phenomena. However, our understanding of warming rates with elevation in complex mountain regions is incomplete. The most serious concern is the lack of high-quality near-surface air temperature (Tair) datasets in these areas. To address this knowledge gap, we developed an automated mapping framework for the estimation of seamless daily minimum and maximum Land Surface Temperatures (LSTs) for the Tibetan Plateau from the existing MODIS LST products for a long period of time (i.e., 2002–present). Specific machine learning methods were developed and linked with target-oriented validation and then applied to convert LST to Tair. Spatial variables in retrieving Tair, such as solar radiation and vegetation indices, were used in estimation of Tair, whereas MODIS LST products were mainly focused on temporal variation in surface air temperature. We validated our process using independent Tair products, revealing more reliable estimates on Tair; the R2 and RMSE at monthly scales generally fell in the range of 0.9–0.95 and 1–2 °C. Using these continuous and consistent Tair datasets, we found temperature increases in the elevation range between 2000–3000 m and 4000–5000 m, whereas the elevation interval at 6000–7000 m exhibits a cooling trend. The developed datasets, findings and methodology contribute to global studies on accelerated warming