Remote sensing data as a tool to monitor and mitigate natural catastrophes resulting from anthropogenic activities

Atwood, Elizabeth C. (2018): Remote sensing data as a tool to monitor and mitigate natural catastrophes resulting from anthropogenic activities: case studies over land and water. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

This thesis demonstrates how remotely sensed satellite acquisitions can be used to addresses some of the natural catastrophes resulting from anthropogenic activities. Examples from both land and water systems are used to illustrate the breath of this toolbox. The effects of global climate change on biological systems and the wellbeing of everyday people are becoming less easy to ignore. In addition, our oceans are facing multiple large-scale stressors, including microplastics as a recently recognized threat, which place at risk the resources which a large percentage of the world’s population depends on for their livelihood. The cause of many of these changes stem from anthropogenic activities, but lacking understanding of complex ecosystems limits our ability to make definite conclusions as to cause and effect. The difficulty to collect on-the-ground data sufficient enough to capture processes working over scales of hundred of kilometers up to the entire globe is often a limitation to research. Remote sensing systems help ameliorate this issue through providing tools to better monitor environmental changes over large areas. The examples provided in this thesis focus on (Section I) tropical peatland fire characteristics and burning in Southeast Asia as a significant contributor to greenhouse gas emissions and (Section II) spread of river-based plastic pollution in coastal ocean systems. Section I specifically focuses on fires within Indonesia, which holds more than half of all known peatlands in the tropical zone and are estimated to represent a carbon pool of 82–92 gigatons. A brief description of recent development activities within Indonesia is presented in Section I of the Introduction, followed by meteorological processes responsible for extended drought periods in the region, and the situation of current fire control within the country. Chapter 1 presents an example of the large improvement in fire detection, as well as measurement of fire front characteristics, provided by a state-of-the-art thermal remote sensing. Chapter 2 goes into detail describing how an active satellite sensor system is able to provide much quicker and more accurate estimates of burned area for the tropics than other existing methods dependent on passive satellite sensor systems. Both these methods provide powerful tools for development of an improved system to monitor fire over Indonesia. The goal of such a monitoring system would be to reduce fire emissions from this large country, which according to global climate models play an important role in global climate change. Section II focuses on aquatic plastic pollution flowing from a freshwater system into the coastal oceans. A background of the issue of plastic pollution along with the current status of plastic debris in both oceans and inland river systems is presented in Section II of the Introduction. Chapter 3 describes development and comparison of two different modelling efforts to display how plastic particles being emitted from a major river are accumulating along the nearby coastline. The goal of this work is to present how remote sensing data could be used to in conjunction with ocean current modelling to create a comprehensive particle tracking monitoring system.

Abstract

Diese Arbeit zeigt, wie aus der Ferne wahrgenommene Satellitenaufnahmen dazu verwendet werden können, sich einigen Naturkatastrophen, die aus anthropogenen Aktivitäten resultieren, zu widmen. Anhand von Beispielen aus Land- und Wassersystemen wird der Umfang dieses technischen Werkzeugkastens dargestellt. Die Auswirkungen des globalen Klimawandels auf biologische Systeme und das Wohlbefinden des Menschen lassen sich nicht mehr ignorieren. Darüber hinaus sind unsere Ozeane mehreren großen Stressfaktoren ausgesetzt, einschließlich Mikroplastik als eine seit kurzem anerkennte Bedrohung, welche die Ressourcen gefährden, von denen der Lebensunterhalt eines großen Teils der Weltbevölkerung abhängt. Die Ursache vieler dieser Veränderungen liegt in anthropogenen Aktivitäten, aber mangelndes Verständnis für komplexe Ökosysteme begrenzt unsere Fähigkeit, eindeutige Rückschlüsse auf Ursache und Wirkung zu treffen. Die Schwierigkeit, Daten vor Ort zu sammeln, die ausreichen, um Prozesse zu erfassen, die über Hunderte von Kilometern bis hin zum gesamten Globus arbeiten, ist oft eine Einschränkung der Forschung. Fernerkundungssysteme tragen dazu bei, dieses Problem zu beheben, indem sie Werkzeuge zur besseren Überwachung von Umweltveränderungen in großen Gebieten bereitstellen. Die Beispiele in dieser Arbeit konzentrieren sich auf („Section I“) Feuermerkmale und Brandflächen der tropischen Torfgebiete in Südostasien als signifikanter Beitrag zu Treibhausgasemissionen und („Section II“) Ausbreitung von Fluss-basiertem Plastikmüll in küstennahen Meeressystemen. Section I konzentriert sich speziell auf die Brände in Indonesien, welches mehr als die Hälfte aller bekannten Torfgebiete in der tropischen Zone besitzt und auf einen Kohlenstoffpool von 82-92 Gigatonnen geschätzt wird. Eine kurze Beschreibung der jüngsten Entwicklungstätigkeiten in Indonesien wird in Section I der Einleitung vorgestellt, gefolgt von meteorologischen Prozessen, die für ausgedehnte Dürreperioden in der Region verantwortlich sind, und der Situation der aktuellen Feuerkontrolle innerhalb des Landes. Chapter 1 zeigt ein Beispiel für die große Verbesserung der Branddetektion sowie die Messung der Brandfronteigenschaften, die durch eine moderne thermische Fernerkundung erreicht werden können. In Chapter 2 wird ausführlich beschrieben, wie ein aktives Satellitensensorsystem in der Lage ist, schnellere und genauere Schätzungen der verbrannten Fläche für die Tropen zu liefern als andere existierende Methoden, die von passiven Satellitensensorsystemen abhängen. Beide Methoden bieten leistungsstarke Werkzeuge für die Entwicklung eines verbesserten Systems zur Brandüberwachung von Indonesien. Ziel eines solchen Überwachungssystems wäre es, Brandemissionen aus diesem großen Land zu reduzieren, das nach globalen Klimamodellen eine wichtige Rolle im globalen Klimawandel spielt. Section II konzentriert sich auf die Verschmutzung von Wasserplastik, die von einem Süßwassersystem in die Küstenmeere fließt. Ein Hintergrund des Problems der Plastikverschmutzung zusammen mit dem gegenwärtigen Status von Plastiktrümmern sowohl in Ozeanen als auch Binnenflusssystemen wird in Section II der Einleitung dargestellt. Chapter 3 beschreibt die Entwicklung und den Vergleich von zwei verschiedenen Modellierungsbemühungen, um zu zeigen, wie sich Kunststoffpartikel, die von einem großen Fluss emittiert werden, entlang der nahen Küstenlinie ansammeln. Das Ziel dieser Arbeit ist zu zeigen, wie Fernerkundungsdaten in Verbindung mit Meeresströmungsmodellierung verwendet werden können, um ein umfassendes Teilchenverfolgungsüberwachungssystem zu schaffen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 29. Oktober 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Siegert, Florian