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Hochschulschrift

Spaceborne Imaging Spectroscopy of the Three Phases of Water

Urheber*innen
/persons/resource/nbohn

Bohn,  Niklas
1.4 Remote Sensing, 1.0 Geodesy, Departments, GFZ Publication Database, Deutsches GeoForschungsZentrum;

Fischer,  Jürgen
External Organizations;

Guanter,  Luis
External Organizations;

Schepanski,  Kerstin
External Organizations;

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Es sind keine frei zugänglichen Ergänzenden Materialien verfügbar
Zitation

Bohn, N. (2022): Spaceborne Imaging Spectroscopy of the Three Phases of Water, PhD Thesis, Berlin : Freie Universität Berlin, xi, 163 p.
https://doi.org/10.17169/refubium-34962


Zitierlink: https://gfzpublic.gfz-potsdam.de/pubman/item/item_5015311
Zusammenfassung
Water is one of the most essential substances on Earth as it occurs in all three thermodynamic phases both in the atmosphere and the surface: solid water in terms of snow and ice grains, liquid water enclosed in-between ice crystals and leaves of vegetation, and gaseous water forming the water vapor in the atmosphere. The different phases of water control large amounts of the environmental energy cycle and a quantitative mapping on a global scale is of particular importance as it provides a valuable input to climate models and helps to understand underlying processes. The three phases of water show subtle differences in absorption shape in the optical range of the solar spectrum, so that a quantitative mapping requires high-resolution measurements of solar radiation reflected from Earth's surface. The technique of imaging spectroscopy provides such measurements, but has been almost entirely applied to small local scales based on airborne sensors. However, a new generation of orbital missions, including the Italian Hyperspectral Precursor of the Application Mission (PRISMA), NASA’s Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT), the German Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP), ESA's Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME), and NASA’s Surface Biology and Geology (SBG) designated observable, is expected to deliver high-resolution data both on a global scale and daily basis. This requests for independently applicable retrieval algorithms including a rigorous quantification of uncertainties. In this context, this thesis presents two new spectroscopic retrieval methods to quantify the three phases of water from space, which are aligned with future instrument characteristics, adapted to an increased atmospheric path as well as to a different ground sampling distance. Both algorithms use the optimal estimation formalism that assumes Gaussian error distribution and leverages prior knowledge as well as measurement noise in an inversion scheme that also produces posterior uncertainty estimates. The first method couples atmospheric radiative transfer simulations from the MODTRAN code to a surface reflectance model based on the Beer-Lambert law. A unique coupling of the 3D Hyperspectral Simulation of Canopy Reflectance (HySimCaR) model and the EnMAP end-to-end Simulation tool (EeteS) is exploited for a sensitivity analysis of estimated vegetation liquid water content. Furthermore, the retrieved values are validated with concurrent field measurements of canopy water content. The second algorithm is based on a simultaneous retrieval of atmosphere and surface state and exploits statistical relationships between reflectance spectra and additional surface parameters to estimate their most probable quantities. Retrieved snow and ice properties are investigated based on a sensitivity analysis and validated with laboratory and field measurements from the Greenland Ice Sheet. Finally, the applicability of the proposed methods to forthcoming spaceborne imaging spectrometers is demonstrated on the example of PRISMA cryosphere observations by providing retrieval maps of surface liquid water and ice grain size as well as associated retrieval uncertainties. The results from this thesis show that spaceborne imaging spectroscopy permits improved atmospheric water vapor estimations, facilitates a prediction of vegetation drought stress and wildfire potential, and contributes to the understanding of biophysical processes on Earth’s Ice Sheets in the context of climate change. Concurrently, three key aspects have been identified to be of particular importance for globally applicable retrieval algorithms: (i) considering topographic characteristics, such as surface slope and aspect as well as sky view factor and shadow fraction, (ii) integrating directional effects depending on illumination and observation conditions, (iii) accounting for mixed pixels by determining influences from background reflectance and fractional cover. Overall, this thesis demonstrates that upcoming launches of several imaging spectroscopy missions open new perspectives in regularly monitoring and mapping atmosphere and surface properties including the three phases of water on a global scale. These maps will provide a valuable input to the modeling of biological and physical processes that help to better understand climate change and to predict and adapt to its socioeconomic consequences.
Wasser ist eine der wichtigsten Substanzen auf der Erde, da es in allen drei thermodynamischen Phasen sowohl in der Atmosphäre als auch auf der Oberfläche vorkommt: festes Wasser in Form von Schnee und Eiskörnern, flüssiges Wasser zwischen Eiskristallen und als Bestandteil von Pflanzenblättern sowie gasförmiges Wasser, das den Wasserdampf in der Atmosphäre bildet. Die verschiedenen Wasserphasen steuern große Teile des ökologischen Energiekreislaufes, so dass eine quantitative Kartierung auf globaler Ebene von besonderer Bedeutung ist. Sie leistet außerdem einen wertvollen Beitrag zur Klimamodellierung und hilft, die zugrunde liegenden Prozesse besser zu verstehen. Die drei Phasen des Wassers weisen feine Unterschiede in ihrer Absorptionsform im optischen Bereich des solaren Spektrums auf, so dass eine quantitative Bestimmung hochauflösende Messungen der von der Erdoberfläche reflektierten Sonnenstrahlung erfordert. Die Technik der abbildenden Spektroskopie liefert solche Messungen, wurde aber bisher fast ausschließlich auf der Grundlage von flugzeuggestützten Sensoren auf kleinen lokalen Skalen angewandt. Eine neue Generation von Weltraummissionen, darunter die italienische Hyperspectral Precursor of the Application Mission (PRISMA), die Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT) der NASA, das deutsche Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP), die Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME) der ESA und das NASA Surface Biology and Geology (SBG) Observable, soll jedoch hochauflösende Daten sowohl auf globaler Ebene als auch auf täglicher Basis liefern. Dies erfordert unabhängig anwendbare Kartierungsalgorithmen einschließlich einer präzisen Quantifizierung der Unsicherheiten. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit zwei neue spektroskopische Methoden zur Quantifizierung der drei Phasen von Wasser aus dem Weltraum vorgestellt, die auf die zukünftigen Instrumentencharakteristika abgestimmt sind und sowohl an einen längeren Weg der Strahlung durch die Atmosphäre als auch an eine andere räumliche Auflösung auf dem Erdboden angepasst sind. Beide Algorithmen verwenden den Formalismus der Maximum-a-posteriori-Schätzung, der von einer Gauß'schen Fehlerverteilung ausgeht und sowohl Vorwissen als auch Messrauschen in einem Inversionsschema nutzt, das zusätzlich a posteriori Unsicherheitsschätzungen liefert. Bei der ersten Methode werden atmosphärische Strahlungstransfersimulationen aus dem MODTRAN-Code mit einem auf dem Beer-Lambert-Gesetz basierenden Oberflächenreflexionsmodell gekoppelt. Eine einzigartige Kopplung des 3D Hyperspectral Simulation of Canopy Reflectance (HySimCaR) Systems und des EnMAP end-to-end Simulationstools (EeteS) wird für eine Sensitivitätsanalyse des geschätzten Flüssigwassergehalts von Vegetation genutzt. Außerdem werden die ermittelten Werte mit gleichzeitigen Feldmessungen des Wassergehalts von Vegetationskronen validiert. Der zweite Algorithmus basiert auf der simultanen Ermittlung des Zustands von Atmosphäre und Oberfläche und nutzt statistische Beziehungen zwischen Reflexionsspektren und zusätzlichen Oberflächenparametern, um deren wahrscheinlichste Größen zu schätzen. Die ermittelten Schnee- und Eiseigenschaften werden auf der Grundlage einer Sensitivitätsanalyse untersucht und mit Labor- und Feldmessungen vom grönländischen Eisschild validiert. Abschließend wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Methoden auf die kommenden weltraumgestützten abbildenden Spektrometer am Beispiel von PRISMA Aufnahmen von Schnee- und Eisflächen demonstriert, indem Karten von Flüssigwasser und Eiskorngröße sowie die damit verbundenen Unsicherheiten dargestellt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die weltraumgestützte abbildende Spektroskopie verbesserte Abschätzungen des atmosphärischen Wasserdampfs ermöglicht, die Vorhersage von Pflanzenstress und Waldbrandgefahr erleichtert und zum Verständnis der biophysikalischen Prozesse auf den Eisschilden der Erde im Zusammenhang mit dem Klimawandel beiträgt. Gleichzeitig werden drei Schlüsselaspekte identifiziert, die für global anwendbare Kartierungsalgorithmen von besonderer Bedeutung sind: (i) die Berücksichtigung topographischer Merkmale, wie z.B. Oberflächenneigung und -aspekt sowie Himmelslichtquotient und Schattenanteil, (ii) die Integration von Richtungseffekten in Abhängigkeit von Beleuchtungs- und Beobachtungsbedingungen, (iii) die Berücksichtigung von Mischpixeln durch die Bestimmung von Einflüssen der Hintergrundreflexion und des Bedeckungsgrades. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die bevorstehenden Starts mehrerer abbildender Spektroskopiemissionen neue Perspektiven für die regelmäßige Überwachung und Kartierung von Atmosphären- und Oberflächeneigenschaften, einschließlich der drei Phasen des Wassers, auf globaler Ebene eröffnen. Diese Karten werden einen wertvollen Beitrag zur Modellierung biologischer und physikalischer Prozesse leisten, die zu einem besseren Verständnis des Klimawandels und zur Vorhersage und Anpassung an seine sozioökonomischen Folgen beiträgt. de