Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Hydrology --- Hydrology --- Rivers --- Rivers --- Climatology --- Climatology --- energy exchange --- energy exchange --- Remote sensing --- Remote sensing --- Models --- Models --- case studies --- case studies --- Deforestation --- Deforestation --- ecosystems --- ecosystems --- Climatic change --- Climatic change --- precipitation. --- precipitation --- Amazonia --- Amazonia

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Afstandswaarnemingen als middel om het effect van water op de CO2 uitwisseling van bodem en vegetatie te begroten Het onderwerp van dit onderzoek is de begroting van evapotranspiratie en bodemvochtgehalte met behulp van satellietinformatie. Kennis over de waterbeschikbaarheid heeft een directe maatschappelijke impact ondermeer om inschattingen te doen van (i) waterreserves voor (drinkwater)consumptie, irrigatie en industrie, (ii) de waterbeschikbaarheid voor groei van landbouwgewassen en bossen, (iii) de koolstofuitwisseling van en -vastlegging in terrestrische ecosystemen om hun bijdrage te kennen tot de broeikasgasbalans in de realisatie van de doelstellingen van het Kyoto-protocol. Plantengroei, en dus ook koolstofvastlegging en voedselproductie, is sterk afhankelijk van de bodemwaterbeschikbaarheid. Daarom is integratie van bodemvocht bij de bepaling van de koolstofuitwisseling van ecosystemen op regionale/continentale schaal noodzakelijk. Grondige kennis van de waterbeschikbaarheid voor vegetatie is eerder rudimentair gezien de meeste metingen een lokaal karakter hebben en bijgevolg beperkt zijn in ruimte en tijd. Door deze grote ruimtelijke en temporele variabiliteit van bodemvocht en verdamping - door de heterogeniteit van vegetatie, bodemtypes en waterhoudende lagen – vormt satellietgebaseerde aardobservatie een potentieel geschikt instrumentarium voor verwerving en opvolging van verdamping en bodemwaterbeschikbaarheid. De hoofddoelstelling van dit onderzoek is de bepaling van de ruimtelijke variatie van de evaporatieve fractie (maat voor de energiebeschikbaarheid voor de verdamping van water), de evapotranspiratie (of verdamping van water door vegetatie en bodem) en het bodemvochtgehalte. Deze hydrologische componenten vormen tevens de invoer voor ecosysteemmodellen die de koolstofcyclus begroten. Dit modeltype is van belang bij het toetsen van beleidsmaatregelen op regionaal niveau in verband met antropogene koolstofemissies. Het belang van dit onderzoek ligt in het toevoegen van een korte termijn waterlimiterende factor aan het koolstofbalansmodel C-Fix. Het eindresultaat van het doctoraatswerk is een robuust prototype van modellen gebaseerd op aardobservatie dat de mogelijkheid biedt fotosynthese, verdamping en bodemvochtgehalte op regionale en globale schaal (in ruimte en tijd) te karteren. Tevens kan het worden ingezet voor toepassingen in het ‘Global Monitoring of Environment and Security’ programma (GMES). Hierdoor wordt de nauwkeurigheid van C-Fix schattingen van Netto Ecosysteem Productie (NEP) verhoogd. Dit bereidt niet enkel de toepasbaarheid van C-Fix uit tot gebieden die voorheen niet met C-Fix konden worden gemodelleerd (watergelimiteerde zones). Ook maatschappelijk relevante problemen omtrent waterbeheer, drinkwater­voorziening, irrigatie­performantie, beheer van waterreserves en de controle van waterrechten zijn aspecten waarop de ruimtelijk-temporele termen verdamping en bodemvochtgehalte van toepassing zijn. Het onderzoek heeft niet enkel geleid tot een verhoogde nauwkeurigheid van de schatting van koolstoffluxen, maar tevens tot een verfrissend nieuw inzicht in de rol van de hydrologie in de koolstofcyclus door koppeling van beide geofysische cycli in ruimtelijke en temporele zin. Evaporatieve fractie en evapotranspiratie worden bepaald aan de hand van een contextuele benadering van droge en natte beeldelementen uit satellietbeelden. Deze satellietbeelden worden in een (NOAA/AVHRR) verwerkingsketen omgezet tot evaporatieve fractie en evapotranspiratie kaartjes. Hiervoor werd de iNOAA-keten (geïntegreerde NOAA/AVHRR verwerkingsketen) ontworpen. In de iNOAA-keten worden landoppervlaktetemperatuur en albedo gebruikt. Bodemvochtgehalte wordt geschat d.m.v. de combinatie van dag/nacht optische en thermische satelliet­waarnemingen gedurende enerzijds en bodemkenmerken anderzijds. Het bodemvocht­gehalte wordt afgeleid uit de relatie tussen thermische inertie van het aardoppervlak en bodemwaterinhoud met de iMETEOSAT-keten die hiervoor specifiek werd ontworpen. Eens het bodemvochtgehalte en de evaporatieve fractie gekend zijn, kunnen hydrologische tijdreeksen en karteringen worden geïmplementeerd in het C-Fix model. Bondig gesteld vormt dit onderzoek een antwoord op de vraag: wat kan biedt aardobservatie ons aan met betrekking tot de bepaling van waterbeschikbaarheid van een bodem op regionale tot continentale schaal en welke invloed heeft dit op de koolstofuitwisseling van ecosystemen? Het doctoraat bevestigt op wetenschappelijke basis, een voor sommigen eerder intuïtief gegeven dat water naast zonlicht misschien wel één der belangrijkste elementen is in de biogeofysische realiteit van onze planeet. INTEGRATION OF REMOTELY SENSED HYDROLOGICAL DATA INTO AN ECOSYSTEM CARBON FLUX MODEL The general objective of this PhD research is the estimation of the hydrological quantities evaporative fraction, evapotranspiration and soil moisture content using coarse spatial satellite imagery in a robust, fast and automated way. The remotely sensed derived evaporative fraction and soil moisture content are incorporated in the operational carbon balance model C-Fix to estimate soil and vegetation carbon fluxes. First, an introduction to the research scope is given with references to international literature on the determination approaches of evapotranspiration and soil moisture content. The contribution of remote sensing related to the knowledge on water availability to estimate ecosystem related carbon sequestration is given. Secondly, datasets and satellite imagery and models used in this research are described. Thirdly, a method to assess evaporative fraction and evapotranspiration at satellite overpass time based on the energy balance at the surface of terrestrial ecosystems, using a newly developed Integral NOAA-imagery processing Chain (iNOAA-Chain) was developed. The iNOAA Chain includes the processing of thermal band information. Evapotranspiration is calculated based on the energy balance closure principle. The combination of evaporative fraction, soil heat flux and instantaneous net radiation, results in an instantaneous spatial distribution of evapotranspiration values. Surface broadband albedo and land surface temperature serve to determine the evaporative fraction. The estimated net radiation, soil heat fluxes and evaporative fraction and evapotranspiration at time of satellite overpass are validated against EUROFLUX site data for the growing season of 1997 (March-October). The regression line for the pooled net radiation (iNOAA-Chain versus EUROFLUX) has a slope, intercept, correlation coefficient (R²) and relative root mean square error of respectively 0.943, 17.120, 0.926 and 5.5%. The soil heat fluxes, calculated with two approaches are not well modelled with slopes smaller than -3.000 and a R² in the order of zero. We observe a slight underestimation of the iNOAA-Chain estimated evaporative fraction with a relative root mean square error of 12.3%. Evapotranspiration is also underestimated with a pooled root mean square error of 23.4%. The regression curve of pooled evapotranspiration data for the best performing method has a slope of 0.889 an intercept of 15.880 with a R² value of 0.771. Fourthly, a novel method to estimate soil moisture content from optical and thermal spectral information provided by METEOSAT imagery was presented. Variations in soil moisture strongly affect surface energy balances, regional run-off, land erosion and vegetation productivity (potential crop yield). Hence, the detection of soil moisture content is very valuable in the social, economic, humanitarian (food security) and environmental segments of society. The method to estimate soil moisture from optical and thermal spectral information of METEOSAT imagery based on thermal inertia is presented. Minimum and maximum thermal inertia values from time series are combined in the Soil Moisture Saturation Index. To convert surface to soil profile moisture values, a Markov type filter is used, based on a simple two layer water balance equation (the surface layer and the reservoir below) and an autocorrelation function. 10-daily soil moisture content values are compared with up-scaled (using AVHRR/NDVI) observations on ten EUROFLUX sites in Europe for the 1997 growing season (March-October). Moreover, the thermal inertia approach is compared for 1997, with ERS Scatterometer data for eight EUROFLUX sites. METEOSAT pixels are up-scaled to accommodate the ERS Scatterometer spatial resolution. The regression coefficients (slope, intercept and R²) of the thermal inertia approach versus the up-scaled soil moisture observations from EUROFLUX sites vary between 0.811 - 1.148, -0.0029 - 0.66 and 0.544 - 0.877, with a RRMSE range of 3.9 to 35.7%. The regression coefficients of the comparison of ERS Scatterometer derived Soil Water Index versus the up-scaled Soil Moisture Saturation Index for the pooled case (combining the eight EUROFLUX sites) are 0.587, 0.105 and 0.441, with a relative root mean square error of 38%. Fifthly, carbon exchange model C-Fix was applied at stand scale to improve the integration of algorithms for water and temperature restriction of net ecosystem productivity. Monitoring, understanding and modelling carbon emission and fixation fluxes are key variables to guide climate change stakeholders in the formulation of mitigation strategies. Introducing water limitation and converting atmospheric temperature to apparent canopy and soil temperatures, significantly improves the performance of C-Fix compared to EUROFLUX data. For pooled data, a final slope, intercept and correlation coefficient of the linear regression between EUROFLUX and C-Fix NEP values is 0.86, 0.09 and 0.64, respectively. When implementing full water limitation a reduction of 42% of the estimated Net Ecosystem Productivity is obtained with respect to partially limited Net Ecosystem Productivity. Sixthly, an error propagation assessment of evaporative fraction and soil moisture content using spaceborne remote sensing was performed. Model uncertainty is a combination of uncertainty in model structures, input data and model parameters and may arise from temporal and spatial inaccuracy. Both a simple model based on error theory and an adopted Generalised Likelihood Uncertainty Estimation approach with emphasis on the Monte-Carlo part of the approach were applied. Time series of estimated evaporative fraction and soil moisture from satellite data are inputs of C-Fix to perform uncertainty estimates of ecosystem carbon fluxes using spaceborne remote sensing for the Brasschaat pixel. Different error scenarios are implemented as to assess input uncertainty on evaporative fraction, soil moisture and Net Ecosystem Productivity. The minimum and maximum average absolute errors on the averaged evaporative fraction (0.62) from the simple error approach amount to 0.07 and 0.33, or 11 and 54% respectively. Applying the Monte-Carlo approach, the minimum and maximum average absolute errors on the evaporative fraction are 0.05 and 0.21, or 8 and 34% respectively. The minimum and maximum average absolute errors on the averaged soil moisture content of 0.20 m3 m-3 from the simple error approach are 0.01 and 0.04, or 4 and 18%. From the Monte-Carlo approach, the minimum and maximum average absolute errors on soil moisture content are 0.01 and 0.02, or 4 and 12%. The minimum and maximum average absolute errors on Net Ecosystem Productivity estimated from the simple error approach are 1.28 and 4.51 gC m-2 d-1. From the Monte-Carlo approach, the minimum and maximum average absolute errors are 0.86 and 1.85 gC m-2 d-1. The simple error modelling and the Monte-Carlo approach lead to error estimates of the same order of magnitude, though the Monte-Carlo approach in general leads to lower error values. For ecosystem carbon fluxes, both error assessment approaches give large differences. The complexity of the model and hence the correlation between model parameters might be responsible for this. In addition error propagation analysis reveals that the relative error on evapotranspiration at satellite overpass time is at least 27%. Seventhly, the water limited C-Fix model to assess ecosystem carbon uptake for Europe for 1997 using Soil Water Index data from the ERS Scatterometer as a water limiting factor was implemented. Hitherto, continental scale carbon sequestration studies are dominated by temperature effects. They suggest a positive feedback of increased ecosystem respiration to global warming. However, though the strong coupling between carbon assimilation and water availability is a longstanding acquisition of ecophysiological research. This property has not been investigated at the scale mentioned above. Using remote sensing, it is demonstrated that taking soil moisture into account as a water limiting factor of ecosystem productivity, ecosystems can revert carbon source to sink. Some European countries elicit shifts from a net terrestrial carbon sink to a net carbon source or vice versa simply whether or not water limitation is taken fully into account. With full water limitation accounted for, it is estimated that in 1997 less than 30% of all European countries is capable of recapturing integrally the anthropogenic CO2 emissions. In conclusion, we state that earth observation or remote sensing techniques provide synoptically and spatially explicit tools for environmental monitoring and evaluation of water and carbon fluxes and hence the anthropogenic impact on terrestrial ecosystems can be assessed. Afstandswaarnemingen als middel om het effect van water op de CO2 uitwisseling van bodem en vegetatie te begroten Extreem weer kenmerkte de afgelopen maanden. Was juli de warmste maand ooit sinds het begin van de metingen, dan was augustus de somberste maand met heel wat regen. Ook in september was de gemiddelde opgemeten temperatuur nog nooit zo hoog en viel er extreem weinig neerslag. Naast zon beïnvloedt bodemvocht de CO2 uitwisseling van bodem en vegetatie met de atmosfeer. In deze context tonen satellietbeelden aan dat het in rekening brengen van de aan- of afwezigheid van voldoende water ecosystemen in Europa van functie kunnen wijzigen: van koolstofopslag naar –bronnen. Deze wijziging vergroot het verschil tussen de koolstofuitstoot door menselijke activiteiten en de natuurlijke opslagcapaciteit van CO2 door bodem en vegetatie. Sommige Europese landen veranderen daardoor van netto CO2 opnemer naar netto uitstoter met alle gevolgen van dien voor het klimaat. Grote verschillen in plaatselijk en seizoensgebonden waterverbruik en bodemvocht maken van ruimtewaarnemingen een geschikt instrument voor verwerving en opvolging van de componenten van de hydrologische cirkel. Deze componenten zijn neerslag, verdamping, wateropslag in de bodem, waterafvoer naar diepere grondlagen en waterafvoer over het landoppervlak naar zeeën en oceanen. Kennis over verdamping en wateropslag in de bodem helpt om de CO2-uitwisseling van bodem en vegetatie op regionale/continentale schaal te begroten door middel van een koolstofbalans model en satellietbeelden. Water is een belangrijke grondstof in het alledaagse leven en de mogelijke maatschappelijk impact ervan zoals droogte, overstromingen, water voor industriële productie en voedselproductie zijn reusachtig. Naast het berekenen van de CO2-opslagcapaciteit van landen, helpt kennis over de waterbeschikbaarheid om oogstopbrengsten te berekenen waardoor overheden beter kunnen inspelen op eventuele oogstmislukkingen. Zo kunnen ze hongersnood voorkomen. Ruimtewaarnemingen reiken ook instrumenten aan om klimaatsveranderingen nauwkeuriger te begroten. Satellieten kunnen de CO2 uitwisseling van bodem en vegetatie met de atmosfeer op grote schaal nauwkeuriger in kaart brengen. Hierdoor dragen afstandswaarnemingen bij in de evaluatie van de Kyoto-inspanningen van de industrie, landbouw en gezinnen om de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer te verminderen. Dit doctoraatswerk beoogt een robuust prototype dat de mogelijkheid biedt plantengroei, verdamping en bodemvochtgehalte op regionale en globale schaal te karteren in ruimte en tijd. Tevens is dit prototype inzetbaar voor toepassingen in het ‘Global Monitoring of Environment and Security programme’. Dankzij de ruimtewaarnemingen van waterbeschikbaarheid verbetert de nauwkeurigheid van schattingen van de netto ecosysteem productie op basis van het koolstofbalansmodel C-Fix. Hierdoor breidt de toepasbaarheid van C-Fix zich uit naar watergelimiteerde zones. Samengevat vormt dit onderzoek een antwoord op de vraag: wat kan aardobservatie ons bieden met betrekking tot de waterbeschikbaarheid van een bodem op regionale tot continentale schaal en welke invloed heeft dit op de koolstofuitwisseling van ecosystemen? Het doctoraat bevestigt op wetenschappelijke basis, een voor sommigen eerder intuïtief gegeven dat water naast zonlicht misschien wel één der belangrijkste elementen van onze planeet is.