Comparative Deterministic and Probabilistic Modeling in Geotechnics: Applications to Stabilization of Organic Soils, Determination of Unknown Foundations for Bridge Scour, and One-Dimensional Diffusion Processes

This study presents different aspects on the use of deterministic methods including Artificial Neural Networks (ANNs), and linear and nonlinear regression, as well as probabilistic methods including Bayesian inference and Monte Carlo methods to develop reliable solutions for challenging problems in geotechnics. This study addresses the theoretical and computational advantages and limitations of these methods in application to: 1) prediction of the stiffness and strength of stabilized organic soils, 2) determination of unknown foundations for bridges vulnerable to scour, and 3) uncertainty quantification for one-dimensional diffusion processes. ANNs were successfully implemented in this study to develop nonlinear models for the mechanical properties of stabilized organic soils. ANN models were able to learn from the training examples and then generalize the trend to make predictions for the stiffness and strength of stabilized organic soils. A stepwise parameter selection and a sensitivity analysis method were implemented to identify the most relevant factors for the prediction of the stiffness and strength. Also, the variations of the stiffness and strength with respect to each factor were investigated. A deterministic and a probabilistic approach were proposed to evaluate the characteristics of unknown foundations of bridges subjected to scour. The proposed methods were successfully implemented and validated by collecting data for bridges in the Bryan District. ANN models were developed and trained using the database of bridges to predict the foundation type and embedment depth. The probabilistic Bayesian approach generated probability distributions for the foundation and soil characteristics and was able to capture the uncertainty in the predictions. The parametric and numerical uncertainties in the one-dimensional diffusion process were evaluated under varying observation conditions. The inverse problem was solved using Bayesian inference formulated by both the analytical and numerical solutions of the ordinary differential equation of diffusion. The numerical uncertainty was evaluated by comparing the mean and standard deviation of the posterior realizations of the process corresponding to the analytical and numerical solutions of the forward problem. It was shown that higher correlation in the structure of the observations increased both parametric and numerical uncertainties, whereas increasing the number of data dramatically decreased the uncertainties in the diffusion process

Hydrogeophysical model calibration and uncertainty analysis via full integration of PEST/PEST++ and COMSOL

Acknowledgments Andrés González Quirós is the recipient of a Royal Society – Newton International Fellowship (NIF\R1\182210), hosted at the University of Aberdeen. We thank the Scottish Funding Council/Scottish Alliance for Geoscience, Environment and Society for seed funding the development of the project. We would also like to thank the Associate Editor Tim Green, Thomas Hermans, Landon Halloran and one anonymous reviewers for their comments and suggestions in the revision process.Peer reviewedPostprin

Mid-infrared spectroscopy and enzyme activity temperature sensitivities as experimental proxies to reduce parameter uncertainty of soil carbon models

Models that simulate the dynamics of soil organic carbon (SOC) are crucial to understand the global carbon cycle, but current generation models are subject to major uncertainties due to two model shortcomings. Firstly, their different carbon pools are not connected to measurable SOC fractions. Secondly, there is uncertainty about the response of the different carbon pools to an increasing temperature. The aim of this thesis was thus to link the SOC model pools of the Daisy model to measurable proxies for SOC quality and pool specific temperature sensitivity. In the first study, the drying temperature for soil samples assessed by diffuse reflectance mid infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) was optimized to assure optimal representativeness of aliphatic and aromatic-carboxylate absorption bands as proxies for fast- and slow-cycling SOC pools. Their ratio was termed the DRIFTS stability index (DSI). In the second study, the DSI was used to distinguish fast- and slow-cycling SOC model pools at model initialization. In the third study, model initialization using DSI was performed to infer pool specific temperature sensitivities for the different Daisy carbon pools. Furthermore, it was tested whether the measured temperature sensitivities of different extracellular soil enzymes could be used as proxies for pool specific temperature sensitivity. Using a global collection of soil samples revealed that the absorption of all studied DRIFTS absorption bands increased significantly (p < 0.0001) with increasing drying temperature from 32°C to 105°C. This effect was disproportionally strong for the aliphatic absorption band. Due to the strong interference of the residual soil sample moisture content with the aliphatic absorption band, drying at 105°C and storage in a desiccator prior to measurement would be necessary for representative spectra for model pool initialization. In the following, a combination of medium to long-term bare fallow experiments was used, to test the utility of the DSI for SOC pool initialization. Pool partitioning by the DSI was superior to using a fixed pool partitioning under the assumption that SOC was at steady state. The DSI contained robust information on SOC quality across sites. Therefore, in the majority of cases, the application of the DSI led to significantly lower model errors than the steady state assumption. Furthermore, the application of the DSI in Bayesian calibration led to a reduced parameter uncertainty for the turnover of the slow-cycling SOC pool and the humification efficiency. The 95% credibility interval of the slow-cycling SOM pools half-life between 278 and 1095 years suggested faster SOC turnover than earlier studies. The DSI used for SOC model pool initialization was then combined with the lignin-to-nitrogen ratio for litter pool initialization to infer pool specific temperature sensitivities. The simulations of five field studies and laboratory incubations with fallow soil and crop-litter inputs were combined. Based on a clear pool definition, pool specific temperature sensitivities could be inferred by Bayesian calibration. However, differences in temperature sensitivities of the same pools between experiments suggested that carbon stability was not the main driver of temperature sensitivities. Instead, the main difference was found between the laboratory incubations (higher Q10 values up to 3) and the field (lower Q10 values centered around 2). In a second approach, the measured Q10 value of phenoloxidase (1.35) was used as Q10 value of the temperature function of both SOM pools and the slow crop-litter pool while ß glucosidase (1.82) was used for the fast crop litter pool. This improved field simulations by 3 to 10% compared to assuming a standard Q10 of 2 for all pools. Thus, site specific Q10 of different soil enzymes showed potential as proxy for site and pool specific temperature sensitivities. Important state variables that explain the observed Q10 value differences between experiments were identified as physical protection of SOC, substrate availability and environmental stress for microorganisms due to fluctuating state variables in the field. In conclusion, the usefulness of the DSI as an indicator of SOC stability and proxy for pool initialization was demonstrated for several soils in central Europe. In addition, it was shown that pool partitioning proxies can help to infer pool specific temperature sensitivity by Bayesian calibration. However, temperature sensitivity was not mainly a function of carbon stability.Modelle, welche die Flüsse des organischen Bodenkohlenstoffes (OBK) simulieren, sind zum Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs entscheidend. Modelle der heutigen Generation haben wegen zwei Hauptschwächen große Unsicherheiten. Zum einen sind die unterschiedlichen Kohlenstoffpools nicht mit messbaren OBK Fraktionen verknüpft. Zum anderen besteht Unsicherheit darüber, wie die verschiedenen Kohlenstoffpools auf steigende Temperaturen reagieren. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die OBK Pools des Daisy Modelles mit messbaren Proxies für Kohlenstoffqualität und poolspezifischen Temperatursensitivitäten zu verknüpfen. In der ersten Studie wurde die Vorbehandlung von Bodenproben zur Messung mit diffuser Reflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (DRIFTS) optimiert. Die Trocknungstemperatur der Vorbehandlung wurde angepasst, um die Repräsentativität von aliphatischen sowie aromatisch-carboxylischen Absorptionsbändern zu verbessern. Diese Bänder wurden respektive als Proxies für sich schnell und langsam umsetzende OBK Pools, verwendet. Ihr Verhältnis wurde als DRIFTS Stabilitätsindex (DSI) bezeichnet. In der zweiten Studie wurde der DSI genutzt, um sich schnell und langsam umsetzende OBK Modellpools bei der Modellinitialisierung zu unterteilen. In der dritten Studie wurde die entwickelte Modellinitialisierung mittels des DSI eingesetzt, um poolspezifische Temperatursensitivitäten für unterschiedliche Daisy Kohlenstoffpools abzuleiten. Zusätzlich wurden gemessene Temperatursensitivitäten unterschiedlicher extrazellulärer Bodenenzyme als Proxies für poolspezifische Temperatursensitivitäten getestet. Unter Verwendung einer globalen Sammlung von Bodenproben wurde festgestellt, dass die Absorption der untersuchten DRIFTS Absorptionsbänder mit der Trocknungstemperatur zwischen 32°C und 105°C signifikant zunahm (p < 0.0001). Wegen starker Interferenz der Restfeuchte von Bodenproben mit dem aliphatischen Absorptionsband ist daher die Trocknung bei 105°C und die Aufbewahrung im Exsikkator notwendig, um repräsentative Spektren für die Modellinitialisierung zu messen. Im Folgenden wurde eine Kombination aus Mittel- bis Langzeitversuchen mit Bodenbrache verwendet, um den DSI für die OBK Poolinitialisierung zu testen. Der DSI war einer fixen Poolaufteilung, unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes des OBK, überlegen. Der DSI enthielt über mehrere Standorte hinweg belastbare Informationen zur OBK Qualität und seine Anwendung führte in der Mehrzahl der Fälle zu einem signifikant niedrigeren Modellfehler als die Annahme eines Gleichgewichtszustandes der OBK. In der Bayesschen Kalibrierung führte der DSI zu einer reduzierten Parameterunsicherheit für die Umsatzrate des sich langsam umsetzenden OBK Pools sowie der Humifizierungseffizienz. Das 95% Glaubwürdigkeitsintervall der Halbwertszeit des sich langsam umsetzenden OBK Pools betrug 278 bis 1095 Jahre. Im Anschluss daran wurde die Verwendung des DSI für OBK Poolinitialisierung mit der Verwendung des Lignin-zu-Stickstoff Verhältnisses für die Poolinitialisierung der Pflanzenstreu-Pools kombiniert, um nachfolgend Pool spezifische Temperatursensitivitäten abzuleiten. Es wurden fünf Versuche, bestehend aus Feldstudien und Laborinkubationen mit Brachflächen sowie Streueinarbeitung, kombiniert. Dabei konnten poolspezifische Temperatursensitivitäten durch Bayessche Kalibrierung abgeleitet werden. Wegen unterschiedlicher Temperatursensitivitäten derselben Pools in verschiedenen Experimenten war die Kohlenstoffstabilität jedoch nicht die Hauptursache der beobachteten Temperatursensitivitäten. Der Hauptunterschied bestand zwischen Laborinkubationen (höhere Q10 Werte bis zu 3) und Feldversuchen (niedrigere Q10 Werte um 2). In einem zweiten Ansatz wurden gemessene Q10 Werte der Phenoloxidase (1.35) als Q10 Wert der der beiden OBK-Pools und des langsamen Pflanzenstreu-Pools, und ß-Glucosidase (1.82) für den schnellen Pflanzenstreu-Pool verwendet. Dies verbesserte die Simulationen der Feldversuche um 3 bis 10% im Vergleich zum Standard-Q10 von 2 für alle Pools. Standortspezifische Q10 Werte verschiedener Bodenenzyme bewiesen somit Potenzial als Proxies für standort- und poolspezifische Temperatursensitivitäten. Als wichtige Zustandsvariablen zur Erklärung der beobachteten Q10 Wert-Unterschiede zwischen Experimenten wurden physikalischer Schutz von OBK, Substratverfügbarkeit und Umweltstress für Mikroorganismen infolge sich ständig ändernder Zustandsvariablen im Feld identifiziert. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit der Mehrwert des DSI als Indikator der OBK Stabilität und als Proxy für die Poolinitialisierung für eine Reihe von Böden in Mitteleuropa demonstriert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Poolpartitionierungs-Proxies helfen können, die poolspezifische Temperatursensitivität durch Bayessche Kalibrierung abzuleiten. Die Temperatursensitivität konnte jedoch nicht primär durch die Kohlenstoffstabilität erklärt werden

Aging concrete structures: a review of mechanics and concepts

The safe and cost-efficient management of our built infrastructure is a challenging task considering the expected service life of at least 50 years. In spite of time-dependent changes in material properties, deterioration processes and changing demand by society, the structures need to satisfy many technical requirements related to serviceability, durability, sustainability and bearing capacity. This review paper summarizes the challenges associated with the safe design and maintenance of aging concrete structures and gives an overview of some concepts and approaches that are being developed to address these challenges

Development of a copula-based particle filter (CopPF) approach for hydrologic data assimilation under consideration of parameter interdependence

National Natural Science Foundation of China, the National Key Research and Development Plan, and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canad

Unlocking the benefits of spaceborne imaging spectroscopy for sustainable agriculture

With the Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) mission, launched on April 1st 2022, new opportunities unfold for precision farming and agricultural monitoring. The recurring acquisition of spectrometric imagery from space, contiguously resolving the electromagnetic spectrum in the optical domain (400—2500 nm) within close narrow bands, provides unprecedented data about the interaction of radiation with biophysical and biochemical crop constituents. These interactions manifest in spectral reflectance, carrying important information about crop status and health. This information may be incorporated in agricultural management systems to support necessary efforts to maximize yields against the backdrop of an increased food demand by a growing world population. At the same time, it enables the effective optimization of fertilization and pest control to minimize environmental impacts of agriculture. Deriving biophysical and biochemical crop traits from hyperspectral reflectance thereby always relies on a model. These models are categorized into (1) parametric, (2) nonparametric, (3) physically-based, and (4) hybrid retrieval schemes. Parametric methods define an explicit parameterized expression, relating a number of spectral bands or derivates thereof with a crop trait of interest. Nonparametric methods comprise linear techniques, such as principal component analysis (PCA) which addresses collinearity issues between adjacent bands and enables compression of full spectral information into dimensionality reduced, maximal informative principal components (PCs). Nonparametric nonlinear methods, i.e., machine learning (ML) algorithms apply nonlinear transformations to imaging spectroscopy data and are therefore capable of capturing nonlinear relationships within the contained spectral features. Physically-based methods represent an umbrella term for radiative transfer models (RTMs) and related retrieval schemes, such as look-up-table (LUT) inversion. A simple, easily invertible and specific RTM is the Beer-Lambert law which may be used to directly infer plant water content. The most widely used general and invertible RTM is the one-dimensional canopy RTM PROSAIL, which is coupling the Leaf Optical Properties Spectra model PROSPECT and the canopy reflectance model 4SAIL: Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves. Hybrid methods make use of synthetic data sets created by RTMs to calibrate parametric methods or to train nonparametric ML algorithms. Due to the ill-posed nature of RTM inversion, potentially unrealistic and redundant samples in a LUT need to be removed by either implementing physiological constraints or by applying active learning (AL) heuristics. This cumulative thesis presents three different hybrid approaches, demonstrated within three scientific research papers, to derive agricultural relevant crop traits from spectrometric imagery. In paper I the Beer-Lambert law is applied to directly infer the thickness of the optically active water layer (i.e., EWT) from the liquid water absorption feature at 970 nm. The model is calibrated with 50,000 PROSPECT spectra and validated over in situ data. Due to separate water content measurements of leaves, stalks, and fruits during the Munich-North-Isar (MNI) campaigns, findings indicate that depending on the crop type and its structure, different parts of the canopy are observed with optical sensors. For winter wheat, correlation between measured and modelled water content was most promising for ears and leaves, reaching coefficients of determination (R2) up to 0.72 and relative RMSE (rRMSE) of 26%, and in the case of corn for the leaf fraction only (R2 = 0.86, rRMSE = 23%). These results led to the general recommendation to collect destructive area-based plant organ specific EWT measurements instead of the common practice to upscale leaf-based EWT measurements to canopy water content (CWC) by multiplication of the leaf area index (LAI). The developed and calibrated plant water retrieval (PWR) model proved to be transferable in space and time and is ready to be applied to upcoming EnMAP data and any other hyperspectral imagery. In paper II the parametric concept of spectral integral ratios (SIR) is introduced to retrieve leaf chlorophyll a and b content (Cab), leaf carotenoid content (Ccx) and leaf water content (Cw) simultaneously from imaging spectroscopy data in the wavelength range 460—1100 nm. The SIR concept is based on automatic separation of respective absorption features through local peak and intercept analysis between log-transformed reflectance and convex hulls. The approach was validated over a physiologically constrained PROSAIL simulated database, considering natural Ccx-Cab relations and green peak locations. Validation on airborne spectrometric HyMAP data achieved satisfactory results for Cab (R2 = 0.84; RMSE = 9.06 µg cm-2) and CWC (R2 = 0.70; RMSE = 0.05 cm). Retrieved Ccx values were reasonable according to Cab-Ccx-dependence plausibility analysis. Mapping of the SIR results as multiband images (3-segment SIR) allows for an intuitive visualization of dominant absorptions with respect to the three considered biochemical variables. Hence, the presented SIR algorithm allows for computationally efficient and RTM supported robust retrievals of the two most important vegetation pigments as well as of water content and is applicable on satellite imaging spectroscopy data. In paper III a hybrid workflow is presented, combining RTM with ML for inferring crop carbon content (Carea) and aboveground dry and fresh biomass (AGBdry, AGBfresh). The concept involves the establishment of a PROSAIL training database, dimensionality reduction using PCA, optimization in the sampling domain using AL against the 4-year MNI campaign dataset, and training of Gaussian process regression (GPR) ML algorithms. Internal validation of the GPR-Carea and GPR-AGB models achieved R2 of 0.80 for Carea, and R2 of 0.80 and 0.71 for AGBdry and AGBfresh, respectively. Validation with an independent dataset, comprising airborne AVIRIS NG imagery (spectrally resampled to EnMAP) and in situ measurements, successfully demonstrated mapping capabilities for both bare and green fields and generated reliable estimates over winter wheat fields at low associated model uncertainties (< 40%). Overall, the proposed carbon and biomass models demonstrate a promising path toward the inference of these crucial variables over cultivated areas from upcoming spaceborne hyperspectral acquisitions, such as from EnMAP. As conclusions, the following important findings arise regarding parametric and nonparametric hybrid methods as well as in view of the importance of in situ data collection. (1) Uncertainties within the RTM PROSAIL should always be considered. A possible reduction of these uncertainties is thereby opposed to the invertibility of the model and its intended simplicity. (2) Both physiological constraints and AL heuristics should be applied to reduce unrealistic parameter combinations in a PROSAIL calibration or training database. (3) State-of-the-art hybrid ML approaches with the ability to provide uncertainty intervals are anticipated as most promising approach for solving inference problems from hyperspectral Earth observation data due to their synergistic use of RTMs and the high flexibility, accuracy and consistency of nonlinear nonparametric methods. (4) Parametric hybrid approaches, due to their algorithmic transparency, enable deeper insights into fundamental physical limitations of optical remote sensing as compared to ML approaches. (5) Integration-based indices that make full use of available hyperspectral information may serve as physics-aware dimensionality reduced input for ML algorithms to either improve estimations or to serve as endmember for crop type discrimination when additional time series information is available. (6) The validation of quantitative model-based estimations is crucial to evaluate and improve their performance in terms of the underlying assumptions, model parameterizations, and input data. (7) In the face of soon-to-be-available EnMAP data, collection of in situ data for validation of retrieval methods should aim at high variability of measured crop types, high temporal variability over the whole growing season, as well as include area- and biomass-based destructive measurements instead of LAI-upscaled leaf measurements. Provided the perfect functionality of the payload instruments, the success of the EnMAP mission and the here presented methods depend critically on a low-noise, accurate atmospherically corrected reflectance product. High-level outputs of the retrieval methods presented in this thesis may be incorporated into agricultural decision support systems for fertilization and irrigation planning, yield estimation, or estimation of the soil carbon sequestration potential to enable a sustainable intensive agriculture in the future.Mit der am 1. April 2022 gestarteten Satellitenmission Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Präzisionslandwirtschaft und das landwirtschaftliche Monitoring. Die wiederkehrende Erfassung spektrometrischer Bilder aus dem Weltraum, welche das elektromagnetische Spektrum im optischen Bereich (400—2500 nm) innerhalb von engen, schmalen Bändern zusammenhängend auflösen, liefert nie dagewesene Daten über die Interaktionen von Strahlung und biophysikalischen und biochemischen Pflanzenbestandteilen. Diese Wechselwirkungen manifestieren sich in der spektralen Reflektanz, die wichtige Informationen über den Zustand und die Gesundheit der Pflanzen enthält. Vor dem Hintergrund einer steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln durch eine wachsende Weltbevölkerung können diese Informationen in landwirtschaftliche Managementsysteme einfließen, um eine notwendige Ertragsmaximierung zu unterstützen. Gleichzeitig können sie eine effiziente Optimierung der Düngung und Schädlingsbekämpfung ermöglichen, um die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft zu minimieren. Die Ableitung biophysikalischer und biochemischer Pflanzeneigenschaften aus hyperspektralen Reflektanzdaten ist dabei immer von einem Modell abhängig. Diese Modelle werden in (1) parametrische, (2) nichtparametrische, (3) physikalisch basierte und (4) hybride Ableitungsmethoden kategorisiert. Parametrische Methoden definieren einen expliziten parametrisierten Ausdruck, der eine Reihe von Spektralkanälen oder deren Ableitungen mit einem Pflanzenmerkmal von Interesse in Beziehung setzt. Nichtparametrische Methoden umfassen lineare Techniken wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA). Diese adressieren Kollinearitätsprobleme zwischen benachbarten Kanälen und komprimieren die gesamte Spektralinformation in dimensionsreduzierte, maximal informative Hauptkomponenten (PCs). Nichtparametrische nichtlineare Methoden, d. h. Algorithmen des maschinellen Lernens (ML), wenden nichtlineare Transformationen auf bildgebende Spektroskopiedaten an und sind daher in der Lage, nichtlineare Beziehungen innerhalb der enthaltenen spektralen Merkmale zu erfassen. Physikalisch basierte Methoden sind ein Oberbegriff für Strahlungstransfermodelle (RTM) und damit verbundene Ableitungsschemata, d. h. Invertierungsverfahren wie z. B. die Invertierung mittels Look-up-Table (LUT). Ein einfaches, leicht invertierbares und spezifisches RTM stellt das Lambert-Beer'sche Gesetz dar, das zur direkten Ableitung des Wassergehalts von Pflanzen verwendet werden kann. Das am weitesten verbreitete, allgemeine und invertierbare RTM ist das eindimensionale Bestandsmodell PROSAIL, eine Kopplung des Blattmodells Leaf Optical Properties Spectra (PROSPECT) mit dem Bestandsreflexionsmodell 4SAIL (Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves). Bei hybriden Methoden werden von RTMs generierte, synthetische Datenbanken entweder zur Kalibrierung parametrischer Methoden oder zum Training nichtparametrischer ML-Algorithmen verwendet. Aufgrund der Äquifinalitätsproblematik bei der RTM-Invertierung, müssen potenziell unrealistische und redundante Simulationen in einer solchen Datenbank durch die Implementierung natürlicher physiologischer Beschränkungen oder durch die Anwendung von Active Learning (AL) Heuristiken entfernt werden. In dieser kumulativen Dissertation werden drei verschiedene hybride Ansätze zur Ableitung landwirtschaftlich relevanter Pflanzenmerkmale aus spektrometrischen Bilddaten vorgestellt, die anhand von drei wissenschaftlichen Publikationen demonstriert werden. In Paper I wird das Lambert-Beer'sche Gesetz angewandt, um die Dicke der optisch aktiven Wasserschicht (bzw. EWT) direkt aus dem Absorptionsmerkmal von flüssigem Wasser bei 970 nm abzuleiten. Das Modell wird mit 50.000 PROSPECT-Spektren kalibriert und anhand von In-situ-Daten validiert. Aufgrund separater Messungen des Wassergehalts von Blättern, Stängeln und Früchten während der München-Nord-Isar (MNI)-Kampagnen, zeigen die Ergebnisse, dass je nach Kulturart und -struktur, unterschiedliche Teile des Bestandes mit optischen Sensoren beobachtet werden können. Bei Winterweizen wurde die höchste Korrelation zwischen gemessenem und modelliertem Wassergehalt für Ähren und Blätter erzielt und sie erreichte Bestimmtheitsmaße (R2) von bis zu 0,72 bei einem relativen RMSE (rRMSE) von 26%, bei Mais entsprechend nur für die Blattfraktion (R2 = 0,86, rRMSE = 23%). Diese Ergebnisse führten zu der allgemeinen Empfehlung, Kompartiment-spezifische EWT-Bestandsmessungen zu erheben, anstatt der üblichen Praxis, blattbasierte EWT-Messungen durch Multiplikation mit dem Blattflächenindex (LAI) auf den Bestandswassergehalt (CWC) hochzurechnen. Das entwickelte und kalibrierte Modell zur Ableitung des Pflanzenwassergehalts (PWR) erwies sich als räumlich und zeitlich übertragbar und kann auf bald verfügbare EnMAP-Daten und andere hyperspektrale Bilddaten angewendet werden. In Paper II wird das parametrische Konzept der spektralen Integralratios (SIR) eingeführt, um den Chlorophyll a- und b-Gehalt (Cab), den Karotinoidgehalt (Ccx) und den Wassergehalt (Cw) simultan aus bildgebenden Spektroskopiedaten im Wellenlängenbereich 460-1100 nm zu ermitteln. Das SIR-Konzept basiert auf der automatischen Separierung der jeweiligen Absorptionsmerkmale durch lokale Maxima- und Schnittpunkt-Analyse zwischen log-transformierter Reflektanz und konvexen Hüllen. Der Ansatz wurde anhand einer physiologisch eingeschränkten PROSAIL-Datenbank unter Berücksichtigung natürlicher Ccx-Cab-Beziehungen und Positionen der Maxima im grünen Wellenlängenbereich validiert. Die Validierung mit flugzeuggestützten spektrometrischen HyMAP-Daten ergab zufriedenstellende Ergebnisse für Cab (R2 = 0,84; RMSE = 9,06 µg cm-2) und CWC (R2 = 0,70; RMSE = 0,05 cm). Die ermittelten Ccx-Werte wurden anhand einer Plausibilitätsanalyse entsprechend der Cab-Ccx-Abhängigkeit als sinnvoll bewertet. Die Darstellung der SIR-Ergebnisse als mehrkanalige Bilder (3 segment SIR) ermöglicht zudem eine auf die drei betrachteten biochemischen Variablen bezogene, intuitive Visualisierung der dominanten Absorptionen. Der vorgestellte SIR-Algorithmus ermöglicht somit wenig rechenintensive und RTM-gestützte robuste Ableitungen der beiden wichtigsten Pigmente sowie des Wassergehalts und kann in auf jegliche zukünftig verfügbare Hyperspektraldaten angewendet werden. In Paper III wird ein hybrider Ansatz vorgestellt, der RTM mit ML kombiniert, um den Kohlenstoffgehalt (Carea) sowie die oberirdische trockene und frische Biomasse (AGBdry, AGBfresh) abzuschätzen. Das Konzept umfasst die Erstellung einer PROSAIL-Trainingsdatenbank, die Dimensionsreduzierung mittels PCA, die Reduzierung der Stichprobenanzahl mittels AL anhand des vier Jahre umspannenden MNI-Kampagnendatensatzes und das Training von Gaussian Process Regression (GPR) ML-Algorithmen. Die interne Validierung der GPR-Carea und GPR-AGB-Modelle ergab einen R2 von 0,80 für Carea und einen R2 von 0,80 bzw. 0,71 für AGBdry und AGBfresh. Die Validierung auf einem unabhängigen Datensatz, der flugzeuggestützte AVIRIS-NG-Bilder (spektral auf EnMAP umgerechnet) und In-situ-Messungen umfasste, zeigte erfolgreich die Kartierungsfähigkeiten sowohl für offene Böden als auch für grüne Felder und führte zu zuverlässigen Schätzungen auf Winterweizenfeldern bei geringen Modellunsicherheiten (< 40%). Insgesamt zeigen die vorgeschlagenen Kohlenstoff- und Biomassemodelle einen vielversprechenden Ansatz auf, der zur Ableitung dieser wichtigen Variablen über Anbauflächen aus künftigen weltraumgestützten Hyperspektralaufnahmen wie jenen von EnMAP genutzt werden kann. Als Schlussfolgerungen ergeben sich die folgenden wichtigen Erkenntnisse in Bezug auf parametrische und nichtparametrische Hybridmethoden sowie bezogen auf die Bedeutung der In-situ-Datenerfassung. (1) Unsicherheiten innerhalb des RTM PROSAIL sollten immer berücksichtigt werden. Eine mögliche Verringerung dieser Unsicherheiten steht dabei der Invertierbarkeit des Modells und dessen beabsichtigter Einfachheit entgegen. (2) Sowohl physiologische Einschränkungen als auch AL-Heuristiken sollten angewendet werden, um unrealistische Parameterkombinationen in einer PROSAIL-Kalibrierungs- oder Trainingsdatenbank zu reduzieren. (3) Modernste ML-Ansätze mit der Fähigkeit, Unsicherheitsintervalle bereitzustellen, werden als vielversprechendster Ansatz für die Lösung von Inferenzproblemen aus hyperspektralen Erdbeobachtungsdaten aufgrund ihrer synergetischen Nutzung von RTMs und der hohen Flexibilität, Genauigkeit und Konsistenz nichtlinearer nichtparametrischer Methoden angesehen. (4) Parametrische hybride Ansätze ermöglichen aufgrund ihrer algorithmischen Transparenz im Vergleich zu ML-Ansätzen tiefere Einblicke in die grundlegenden physikalischen Grenzen der optischen Fernerkundung. (5) Integralbasierte Indizes, die die verfügbare hyperspektrale Information voll ausschöpfen, können als physikalisch-basierte dimensionsreduzierte Inputs für ML-Algorithmen dienen, um entweder Schätzungen zu verbessern oder um als Eingangsdaten die verbesserte Unterscheidung von Kulturpflanzen zu ermöglichen, sobald zusätzliche Zeitreiheninformationen verfügbar sind. (6) Die Validierung quantitativer modellbasierter Schätzungen ist von entscheidender Bedeutung für die Bewertung und Verbesserung ihrer Leistungsfähigkeit in Bezug auf die zugrunde liegenden Annahmen, Modellparametrisierungen und Eingabedaten. (7) Angesichts der bald verfügbaren EnMAP-Daten sollte die Erhebung von In-situ-Daten zur Validierung von Ableitungsmethoden auf eine hohe Variabilität der gemessenen Pflanzentypen und eine hohe zeitliche Variabilität über die gesamte Vegetationsperiode abzielen sowie flächen- und biomassebasierte destruktive Messungen anstelle von LAI-skalierten Blattmessungen umfassen. Unter der Voraussetzung, dass die Messinstrumente perfekt funktionieren, hängt der Erfolg der EnMAP-Mission und der hier vorgestellten Methoden entscheidend von einem rauscharmen, präzise atmosphärisch korrigierten Reflektanzprodukt ab. Die Ergebnisse der in dieser Arbeit vorgestellten Methoden können in landwirtschaftliche Entscheidungsunterstützungssysteme für die Dünge- oder Bewässerungsplanung, die Ertragsabschätzung oder die Schätzung des Potenzials der Kohlenstoffbindung im Boden integriert werden, um eine nachhaltige Intensivlandwirtschaft in der Zukunft zu ermöglichen

Integrated High-Resolution Modeling for Operational Hydrologic Forecasting

Current advances in Earth-sensing technologies, physically-based modeling, and computational processing, offer the promise of a major revolution in hydrologic forecasting—with profound implications for the management of water resources and protection from related disasters. However, access to the necessary capabilities for managing information from heterogeneous sources, and for its deployment in robust-enough modeling engines, remains the province of large governmental agencies. Moreover, even within this type of centralized operations, success is still challenged by the sheer computational complexity associated with overcoming uncertainty in the estimation of parameters and initial conditions in large-scale or high-resolution models. In this dissertation we seek to facilitate the access to hydrometeorological data products from various U.S. agencies and to advanced watershed modeling tools through the implementation of a lightweight GIS-based software package. Accessible data products currently include gauge, radar, and satellite precipitation; stream discharge; distributed soil moisture and snow cover; and multi-resolution weather forecasts. Additionally, we introduce a suite of open-source methods aimed at the efficient parameterization and initialization of complex geophysical models in contexts of high uncertainty, scarce information, and limited computational resources. The developed products in this suite include: 1) model calibration based on state of the art ensemble evolutionary Pareto optimization, 2) automatic parameter estimation boosted through the incorporation of expert criteria, 3) data assimilation that hybridizes particle smoothing and variational strategies, 4) model state compression by means of optimized clustering, 5) high-dimensional stochastic approximation of watershed conditions through a novel lightweight Gaussian graphical model, and 6) simultaneous estimation of model parameters and states for hydrologic forecasting applications. Each of these methods was tested using established distributed physically-based hydrologic modeling engines (VIC and the DHSVM) that were applied to watersheds in the U.S. of different sizes—from a small highly-instrumented catchment in Pennsylvania, to the basin of the Blue River in Oklahoma. A series of experiments was able to demonstrate statistically-significant improvements in the predictive accuracy of the proposed methods in contrast with traditional approaches. Taken together, these accessible and efficient tools can therefore be integrated within various model-based workflows for complex operational applications in water resources and beyond

Advanced methods for earth observation data synergy for geophysical parameter retrieval

The first part of the thesis focuses on the analysis of relevant factors to estimate the response time between satellite-based and in-situ soil moisture (SM) using a Dynamic Time Warping (DTW). DTW was applied to the SMOS L4 SM, and was compared to in-situ root-zone SM in the REMEDHUS network in Western Spain. The method was customized to control the evolution of time lag during wetting and drying conditions. Climate factors in combination with crop growing seasons were studied to reveal SM-related processes. The heterogeneity of land use was analyzed using high-resolution images of NDVI from Sentinel-2 to provide information about the level of spatial representativity of SMOS data to each in-situ station. The comparison of long-term precipitation records and potential evapotranspiration allowed estimation of SM seasons describing different SM conditions depending on climate and soil properties. The second part of the thesis focuses on data-driven methods for sea ice segmentation and parameter retrieval. A Bayesian framework is employed to segment sets of multi-source satellite data. The Bayesian unsupervised learning algorithm allows to investigate the ‘hidden link’ between multiple data. The statistical properties are accounted for by a Gaussian Mixture Model, and the spatial interactions are reflected using Hidden Markov Random Fields. The algorithm segments spatial data into a number of classes, which are represented as a latent field in physical space and as clusters in feature space. In a first application, a two-step probabilistic approach based on Expectation-Maximization and the Bayesian segmentation algorithm was used to segment SAR images to discriminate surface water from sea ice types. Information on surface roughness is contained in the radar backscattering images which can be - in principle - used to detect melt ponds and to estimate high-resolution sea ice concentration (SIC). In a second study, the algorithm was applied to multi-incidence angle TB data from the SMOS L1C product to harness the its sensitivity to thin ice. The spatial patterns clearly discriminate well-determined areas of open water, old sea ice and a transition zone, which is sensitive to thin sea ice thickness (SIT) and SIC. In a third application, SMOS and the AMSR2 data are used to examine the joint effect of CIMR-like observations. The information contained in the low-frequency channels allows to reveal ranges of thin sea ice, and thicker ice can be determined from the relationship between the high-frequency channels and changing conditions as the sea ice ages. The proposed approach is suitable for merging large data sets and provides metrics for class analysis, and to make informed choices about integrating data from future missions into sea ice products. A regression neural network approach was investigated with the goal to infer SIT using TB data from the Flexible Microwave Payload 2 (FMPL-2) of the FSSCat mission. Two models - covering thin ice up to 0.6m and the full-range of SIT - were trained on Arctic data using ground truth data derived from the SMOS and Cryosat-2. This work demonstrates that moderate-cost CubeSat missions can provide valuable data for applications in Earth observation.La primera parte de la tesis se centra en el análisis de los factores relevantes para estimar el tiempo de respuesta entre la humedad del suelo (SM) basada en el satélite y la in-situ, utilizando una deformación temporal dinámica (DTW). El DTW se aplicó al SMOS L4 SM, y se comparó con la SM in-situ en la red REMEDHUS en el oeste de España. El método se adaptó para controlar la evolución del desfase temporal durante diferentes condiciones de humedad y secado. Se estudiaron los factores climáticos en combinación con los períodos de crecimiento de los cultivos para revelar los procesos relacionados con la SM. La heterogeneidad del uso del suelo se analizó utilizando imágenes de alta resolución de NDVI de Sentinel-2 para proporcionar información sobre el nivel de representatividad espacial de los datos de SMOS a cada estación in situ. La comparación de los patrones de precipitación a largo plazo y la evapotranspiración potencial permitió estimar las estaciones de SM que describen diferentes condiciones de SM en función del clima y las propiedades del suelo. La segunda parte de esta tesis se centra en métodos dirigidos por datos para la segmentación del hielo marino y la obtención de parámetros. Se emplea un método de inferencia bayesiano para segmentar conjuntos de datos satelitales de múltiples fuentes. El algoritmo de aprendizaje bayesiano no supervisado permite investigar el “vínculo oculto” entre múltiples datos. Las propiedades estadísticas se contabilizan mediante un modelo de mezcla gaussiana, y las interacciones espaciales se reflejan mediante campos aleatorios ocultos de Markov. El algoritmo segmenta los datos espaciales en una serie de clases, que se representan como un campo latente en el espacio físico y como clústeres en el espacio de las variables. En una primera aplicación, se utilizó un enfoque probabilístico de dos pasos basado en la maximización de expectativas y el algoritmo de segmentación bayesiano para segmentar imágenes SAR con el objetivo de discriminar el agua superficial de los tipos de hielo marino. La información sobre la rugosidad de la superficie está contenida en las imágenes de backscattering del radar, que puede utilizarse -en principio- para detectar estanques de deshielo y estimar la concentración de hielo marino (SIC) de alta resolución. En un segundo estudio, el algoritmo se aplicó a los datos TB de múltiples ángulos de incidencia del producto SMOS L1C para aprovechar su sensibilidad al hielo fino. Los patrones espaciales discriminan claramente áreas bien determinadas de aguas abiertas, hielo marino viejo y una zona de transición, que es sensible al espesor del hielo marino fino (SIT) y al SIC. En una tercera aplicación, se utilizan los datos de SMOS y de AMSR2 para examinar el efecto conjunto de las observaciones tipo CIMR. La información contenida en los canales de baja frecuencia permite revelar rangos de hielo marino delgado, y el hielo más grueso puede determinarse a partir de la relación entre los canales de alta frecuencia y las condiciones cambiantes a medida que el hielo marino envejece. El enfoque propuesto es adecuado para fusionar grandes conjuntos de datos y proporciona métricas para el análisis de clases, y para tomar decisiones informadas sobre la integración de datos de futuras misiones en los productos de hielo marino. Se investigó un enfoque de red neuronal de regresión con el objetivo de inferir el SIT utilizando datos de TB de la carga útil de microondas flexible 2 (FMPL-2) de la misión FSSCat. Se entrenaron dos modelos - que cubren el hielo fino hasta 0.6 m y el rango completo del SIT - con datos del Ártico utilizando datos de “ground truth” derivados del SMOS y del Cryosat-2. Este trabajo demuestra que las misiones CubeSat de coste moderado pueden proporcionar datos valiosos para aplicaciones de observación de la Tierra.Postprint (published version