Zielstellung: Ziel dieser kumulativen Dissertationsarbeit war die vergleichende Untersuchung der Wirtsantwort in verschiedenen Mauslinien nach Infektion mit Streptobacillus (S.) moniliformis und Rodentibacter (R.) pneumotropicus mit Anzeigeparametern für die Klinik, die Pathologie und die Immunantwort. Es sollten neue erregerspezifische enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) evaluiert und durch die Bestimmung der Immunglobulin G (IgG)-Subklassen mausstammspezifische Unterschiede in der Immunantwort aufgezeigt werden. Darüber hinaus waren Sentinelsysteme zu bewerten. Material und Methoden: Es wurden BALB/c und C57BL/6-Mäuse intranasal mit S. moniliformis- oder R. pneumotropicus infiziert und mit Kontaktsentinels vergesellschaftet. Zusätzlich wurde benutzte Einstreu der Infektionskäfige auf Käfige mit nichtinfizierten CD1-Mäusen (Einstreu-Sentinels) übertragen. Die Infektionsgruppen wurden über 4 Wochen, die Sentinels mindestens 7 Wochen alle 12 Stunden klinisch untersucht und die Verläufe dokumentiert. Am Ende der Experimente bzw. bei Erreichen spezifischer Abbruchkriterien wurden die Mäuse tierschutzgerecht euthanasiert und definierte Organproben für pathohistologische und bakteriologische Untersuchungen gewonnen. Die Erreger wurden dabei massenspektrometrisch sowie mittels polymerase chain reaction (PCR) differenziert und in Proben des Respirationstraktes quantitativ erfasst. Erregerspezifische Antikörper wurden in tracheonasaler Spülflüssigkeit und im Serum in eigens etablierten ELISA‘s auf Basis von Ganzzellextrakten bestimmt. Weiterhin erfolgte die Messung des Verhältnisses der IgG-Subtypen IgG1 und IgG2 im ELISA. Ergebnisse: Der Infektionsversuch mit S. moniliformis bestätigte mit einer Mortalität von 75% die bekannte hohe Infektionsanfälligkeit der C57BL/6-Mäuse im Gegensatz zu BALB/c, die keine Krankheitsanzeichen entwickelten. Die wichtigsten pathologischen Manifestationen waren eitrig-nekrotisierende Lymphadenitiden und Pneumonien in Verbindung mit der Reisolation des Infektionsstammes. Mithilfe des etablierten ELISA‘s gelang der Nachweis erregerspezifischer IgG-Antikörper im Serum der Tiere beider Linien. Bei den Kontaktsentinels konnte, bis auf eine Ausnahme, weder kulturell, noch serologisch eine Infektion nachgewiesen werden. Gleiches gilt für alle Einstreu-Sentinels. Molekularbiologisch wurde aber Erreger-DNA in den Lungen der Sentinels festgestellt. Die Infektion mit einem R. pneumotropicus Stamm, welcher genotypisch positiv für alle drei bekannten RTX-Toxine dieses Erregers war, führte zu einer unerwartet hohen Morbidität und Mortalität in beiden Mauslinien. In frühzeitig euthanasierten Tieren beider Linien konnten katarrhalisch-eitrige bis nekrotisierende Bronchopneumonien sowie eine Dissemination des Belastungsstammes in zahlreiche innere Organe nachgewiesen werden. In überlebenden Tieren beider Linien wurde eine deutliche Kolonisation respiratorischer Schleimhäute mit dem Belastungsstamm trotz z.T. hoher mukosaler IgA-Spiegel und Serokonversion im Blut nachgewiesen. Überlebende C57BL/6 Mäuse zeigten eine signifikant niedrigere Bakterienlast in inneren Organen als BALB/c Mäuse. In allen Kontaktsentinels, aber nicht in einem einzigen Einstreu-Sentinel, konnte kulturell und indirekt serologisch eine Infektion mit R. pneumotropicus nachgewiesen werden. Die Bestimmung der IgG-Subklassen in den Seren der C57BL/6-Mäuse beider Infektionsstudien ergab eine Verschiebung des Verhältnisses IgG2/IgG1 von unter 0,8 vor zu über 1,6 nach Infektion. Dies weist auf eine T-Helferzell (Th) 1-dominierte Immunantwort hin. BALB/c-Mäuse behielten dagegen ein Verhältnis unter 0,8 auch nach der Infektion bei, sodass auf eine Th2- Antwort zu schließen war. Schlussfolgerungen: Sowohl für S. moniliformis als auch für R. pneumotropicus konnten Tiermodelle mit diversen Anzeigeparametern etabliert werden, welche für Folgestudien zur Pathogenese oder Immunprophylaxe genutzt werden können. Für beide Erreger wurden neue sensitive und spezifische ELISA-Protokolle in die Diagnostik eingeführt. Kontaktsentinels, aber nicht Einstreu-Sentinels, sind gut geeignet, um R. pneumotropicus-Infektionen nachzuweisen. Die beobachtete stammspezifische Klinik, Pathologie und Immunantwort der C57BL/6-Mäuse nach experimenteller S. moniliformis-Infektion sprach für eine pathologische Th1-Immunantwort. Im Gegensatz dazu war im R. pneumotropicus – Infektionsversuch die Th1-Immunantwort der C57BL/6-Mäuse mit einer effektiveren Reduktion des Erregers in inneren Organen assoziiert. Die unerwartet hohe Morbidität und Mortalität im R. pneumotropicus –Infektionsversuch weist auf eine besonders hohe Virulenz des eingesetzten Stammes hin, sodass in dieser Arbeit erstmalig ein septikämischer Verlauf in Wildtyp-Mäusen nach intranasaler R. pneumotropicus-Infektion nachgewiesen werden konnte.:Inhaltsverzeichnis (I) Abkürzungsverzeichnis (III) 1 Einleitung (1) 2 Literatur (3) 2.1 Streptobacillus moniliformis (3) 2.1.1 Allgemeine Charakteristika (3) 2.1.2 Differenzierung von Streptobacillus spp.(4) 2.1.3 Serologische Methoden zum indirekten Nachweis einer Streptobacillus moniliformis - Infektion (5) 2.1.4 Epidemiologie der durch Streptobacillus moniliformis hervorgerufenen Zoonose (6) 2.1.5 Klinik und Pathologie der Streptobacillus moniliformis-Infektion bei Nagetieren (8) 2.1.6 Klinik und Pathologie der Streptobacillus moniliformis-Infektion in Menschen und anderen Nebenwirten (9) 2.1.7 Pathogenese und Virulenzfaktoren (10) 2.1.8 Prävalenz in Nagern (11) 2.1.9 Sanierung Streptobacillus moniliformis infizierter Nagetierbestände und Prävention (12) 2.2 Rodentibacter (R.) pneumotropicus und heylii (Pasteurella (P.) pneumotropica Biotyp Jawetz und Heyl) (14) 2.2.1 Allgemeine Charakteristika (14) 2.2.2 Ursprüngliche Einteilung in Biotypen und Reklassifikation zu Rodentibacter spp. (14) 2.2.3 Differenzierung von Rodentibacter spp. (15) 2.2.4 Serologische Methoden zum indirekten Nachweis einer Rodentibacter- Infektion (15) 2.2.5 Übertragung (15) 2.2.6 Klinik und Pathologien der Rodentibacter-Infektion in Nagern (16) 2.2.7 Pathogenese und Virulenzfaktoren (18) 2.2.8 Prävalenz (19) 2.2.9 Sanierung Rodentibacter pneumotropicus infizierter Nagetierbestände und Prävention (20) 2.3 Mäuse als Versuchstiere (22) 2.3.1 Inzucht-Stämme (22) 2.3.1.1 Merkmale, Verwendung und Historie der BALB/c-Wildtypmäuse (22) 2.3.1.2 Merkmale, Verwendung und Historie der C57BL/6-Wildtypmäuse (23) 2.3.1.3 Unterschiede der Immunreaktionen in C57BL/6- und der BALB/c- Mäusen (23) 2.3.2 Auszucht-Stämme (24) 2.3.2.1 Merkmale, Verwendung und Historie der CD1-Wildtypmäuse (24) 2.4 Gesundheitsmonitoring in Labortierhaltungen (25) 2.4.1 Empfehlungen der Federation of Laboratory Animal Science Associations (FELASA) (25) 2.4.2 Sentinelsysteme für das Gesundheitsmonitoring in Labormausbeständen (26) 3 Publikationen (28) 3.1 Fornefett J, Krause J, Klose K, Fingas F, Hassert R, Eisenberg T, Grunwald T, Müller U, Schrödl W, Baums CG. Comparative analysis of clinics, pathologies and immune responses in BALB/c and C57BL/6J mice infected with Streptobacillus moniliformis. Microbes and Infection. 2018;20(2):101-110 (28) 3.2 Fornefett J, Krause J, Klose K, Fingas F, Hassert R, Benga L, Grunwald T, Müller U, Schrödl W, Baums CG. Comparative analysis of humoral immune responses and pathologies of BALB/c and C57BL/6 wildtype mice experimentally infected with a highly virulent Rodentibacter pneumotropicus (Pasteurella pneumotropica) strain. BMC Microbiology. 2018;18(1):45 (39) 4 Übergreifende Diskussion (51) 5 Zusammenfassung (59) 6 Summary (61) 7 Literaturverzeichnis (63) 7.1 Fachliteratur (63) 7.2 Internet (76) 7.3 Gesetzestexte (78) Anhang (79) i Ergänzende Abbildungen (79) ii Ergänzendes Material zu 3.1 “Comparative analysis of clinics, pathologies and immune responses in BALB/c and C57BL/6J mice infected with Streptobacillus moniliformis” (81) iii Ergänzendes Material zu 3.2 “Comparative analysis of humoral immune responses and pathologies of BALB/c and C57BL/6 wildtype mice experimentally infected with a highly virulent Rodentibacter pneumotropicus (Pasteurella pneumotropica) strain” (83) Liste mit weiteren Veröffentlichungen Danksagung / Objective: Aim of this cumulative doctoral thesis was the comparative analysis of the host response in different mice strains infected with Streptobacillus (S.) moniliformis and Rodentibacter (R.) pneumotropicus with readout parameters for clinics, pathology and immune response. New pathogen specific enzyme linked immunosorbent assay’s (ELISA) were evaluated. Differentiation of immunoglobulin (Ig) G subclasses was conducted to reveal differences in the immune response between the two mice strains. Furthermore, sentinel systems were assessed. Materials and methods: BALB/c and C57BL/6 mice were infected intranasally with S. moniliformis or R. pneumotropicus and housed together with contact sentinels. Soiled bedding from infection cages was transmitted to cages with uninfected CD1 mice (bedding sentinels). Infection groups were observed for 4 weeks, sentinels for at least 7 weeks and the clinical course was documented. At the end of the experiments or when predefined termination criteria were reached, animals were humanely killed. Predefined organ samples were collected for pathohistological and bacteriological screenings. Pathogens were differentiated via mass spectrometry and via polymerase chain reaction (PCR). The specific bacterial load was quantified in samples of the respiratory tract. Pathogen-specific antibodies were detected in tracheonasal lavages and sera using newly established ELISAs based on whole cell extracts. Determination of the ratios of the IgG subtypes (IgG1 to IgG2) was conducted using ELISAs. Results: The S. moniliformis experiment confirmed the known high susceptibility of C57BL/6 mice with a mortality of 75%. This was in contrast to BALB/c, which developed no signs of illness. The major pathologies were purulent-necrotizing inflammations of the lymph nodes and the lung associated with detection of the challenge strain. Specific IgG-antibodies were detected in sera of both mice strains by the newly established ELISAs. In contact and bedding sentinels the infection was not detected by culture or indirectly by serology, except for one contact sentinel. However, pathogen DNA was detectable in the lungs of these animals via PCR. The infection with the R. pneumotropicus strain, which is genotypically positive for all 3 known RTX toxins of this pathogen, leaded to an unexpected high morbidity and mortality in both mice strains. In early losses a catharal-purulent to necrotizing bronchopneumonia as well as dissemination of the challenge strain in various inner organs was recorded. Efficient colonization of the respiratory mucosa through the challenge strain was detected in survivors of both lines despite high mucosal IgA levels and seroconversion in the blood. Surviving C57BL/6 mice showed a significant lower bacterial burden in inner organs than BALB/c. All contact sentinels were culturally and serologically positive for R. pneumotropicus infection in contrast to all bedding sentinels. Differentiation of IgG subclasses in sera of C57BL/6 mice of both experiments revealed a shift of the IgG2/IgG1 ratio from 0.8 prior to infection to 1.6 post infection suggesting a T helper (Th) 1-prone immune response. BALB/c mice remained under 0.8 after infection indicating a Th2-prone immune response. Conclusions: New animal models with various readout parameters were established for both S. moniliformis and R. pneumotropicus. These models can be used in future studies on pathogenesis and immunoprophylaxis. Sensitive und specific ELISA-protocols were established for both pathogens. Contact sentinels but not bedding sentinels are appropriate for detection of R. pneumotropicus-infections. The observed distinct clinic, pathology and immune response of C57BL/6 mice experimentally infected with S. moniliformis indicated on the one hand a pathological Th1 immune response. On the other hand, the Th1 response of C57BL/6 mice to R. pneumotropicus infection was associated with a more efficient clearance of the challenge strain in internal organs. The unprecedented high morbidity and mortality in the R. pneumotropicus experiment indicates high virulence of this strain. Accordingly, this work revealed for the first time septicaemia in wildtype mice after intranasal R. pneumotropicus-infection.:Inhaltsverzeichnis (I) Abkürzungsverzeichnis (III) 1 Einleitung (1) 2 Literatur (3) 2.1 Streptobacillus moniliformis (3) 2.1.1 Allgemeine Charakteristika (3) 2.1.2 Differenzierung von Streptobacillus spp.(4) 2.1.3 Serologische Methoden zum indirekten Nachweis einer Streptobacillus moniliformis - Infektion (5) 2.1.4 Epidemiologie der durch Streptobacillus moniliformis hervorgerufenen Zoonose (6) 2.1.5 Klinik und Pathologie der Streptobacillus moniliformis-Infektion bei Nagetieren (8) 2.1.6 Klinik und Pathologie der Streptobacillus moniliformis-Infektion in Menschen und anderen Nebenwirten (9) 2.1.7 Pathogenese und Virulenzfaktoren (10) 2.1.8 Prävalenz in Nagern (11) 2.1.9 Sanierung Streptobacillus moniliformis infizierter Nagetierbestände und Prävention (12) 2.2 Rodentibacter (R.) pneumotropicus und heylii (Pasteurella (P.) pneumotropica Biotyp Jawetz und Heyl) (14) 2.2.1 Allgemeine Charakteristika (14) 2.2.2 Ursprüngliche Einteilung in Biotypen und Reklassifikation zu Rodentibacter spp. (14) 2.2.3 Differenzierung von Rodentibacter spp. (15) 2.2.4 Serologische Methoden zum indirekten Nachweis einer Rodentibacter- Infektion (15) 2.2.5 Übertragung (15) 2.2.6 Klinik und Pathologien der Rodentibacter-Infektion in Nagern (16) 2.2.7 Pathogenese und Virulenzfaktoren (18) 2.2.8 Prävalenz (19) 2.2.9 Sanierung Rodentibacter pneumotropicus infizierter Nagetierbestände und Prävention (20) 2.3 Mäuse als Versuchstiere (22) 2.3.1 Inzucht-Stämme (22) 2.3.1.1 Merkmale, Verwendung und Historie der BALB/c-Wildtypmäuse (22) 2.3.1.2 Merkmale, Verwendung und Historie der C57BL/6-Wildtypmäuse (23) 2.3.1.3 Unterschiede der Immunreaktionen in C57BL/6- und der BALB/c- Mäusen (23) 2.3.2 Auszucht-Stämme (24) 2.3.2.1 Merkmale, Verwendung und Historie der CD1-Wildtypmäuse (24) 2.4 Gesundheitsmonitoring in Labortierhaltungen (25) 2.4.1 Empfehlungen der Federation of Laboratory Animal Science Associations (FELASA) (25) 2.4.2 Sentinelsysteme für das Gesundheitsmonitoring in Labormausbeständen (26) 3 Publikationen (28) 3.1 Fornefett J, Krause J, Klose K, Fingas F, Hassert R, Eisenberg T, Grunwald T, Müller U, Schrödl W, Baums CG. Comparative analysis of clinics, pathologies and immune responses in BALB/c and C57BL/6J mice infected with Streptobacillus moniliformis. Microbes and Infection. 2018;20(2):101-110 (28) 3.2 Fornefett J, Krause J, Klose K, Fingas F, Hassert R, Benga L, Grunwald T, Müller U, Schrödl W, Baums CG. Comparative analysis of humoral immune responses and pathologies of BALB/c and C57BL/6 wildtype mice experimentally infected with a highly virulent Rodentibacter pneumotropicus (Pasteurella pneumotropica) strain. BMC Microbiology. 2018;18(1):45 (39) 4 Übergreifende Diskussion (51) 5 Zusammenfassung (59) 6 Summary (61) 7 Literaturverzeichnis (63) 7.1 Fachliteratur (63) 7.2 Internet (76) 7.3 Gesetzestexte (78) Anhang (79) i Ergänzende Abbildungen (79) ii Ergänzendes Material zu 3.1 “Comparative analysis of clinics, pathologies and immune responses in BALB/c and C57BL/6J mice infected with Streptobacillus moniliformis” (81) iii Ergänzendes Material zu 3.2 “Comparative analysis of humoral immune responses and pathologies of BALB/c and C57BL/6 wildtype mice experimentally infected with a highly virulent Rodentibacter pneumotropicus (Pasteurella pneumotropica) strain” (83) Liste mit weiteren Veröffentlichungen Danksagung

In den letzten Jahren wurde die Sentinel Node Biopsie in Studien zur Diagnostik und Behandlung des N0-Halses als Stagingverfahren untersucht. Ziel der vorliegenden Studie war der Vergleich der postoperativen Lebensqualität und des funktionellen Status bei Patienten mit oralen und oropharyngealen Karzinomen, die sich einer Sentinelbiopsie, bzw. einer selektiven Neck Dissection bei N0-Hals unterzogen haben. 57 Patienten mit primär operativ behandeltem Karzinom wurden im Rahmen der Studie untersucht, 29 nach Sentinel Node Biopsie und 28 nach selektiver Neck Dissection. Es wurde die postoperative gesundheitsbezogene (EORTC QLQ-C30) und krankheitsspezifische Lebensqualität (EORTC QLQ-H&N35) erfasst. Patientenbezogene psychosoziale Variablen wurden anhand der „Hospital Anxiety and Depression Scale“ (HADS) und der Kurzform des „Progredienzangst-Fragebogens“ (PA-F-KF) ermittelt. Die Erhebung des klinischen Gesundheitszustandes erfolgte unter besonderer Berücksichtigung des funktionellen Status nach zervikaler Lymphknotendissektion. Bezüglich der gesundheitsbezogenen Lebensqualität sowie der Angst und Depression existierten keine signifikanten Unterschiede. Hinsichtlich der krankheitsspezifischen Lebensqualität zeigte sich, dass die Patienten nach Sentinel Node Biopsie weniger Schluckbeschwerden angaben (p=0,037). Ebenso zeigte sich bei der klinischen Untersuchung eine geringere Beeinträchtigung durch die zervikalen Narben. Die Sentinel Node Biopsie bietet, neben dem geringeren operativen Aufwand, der schnelleren Rekonvaleszenz und der geringeren funktionellen Minderung der Patienten, eine tendenzielle Verbesserung der krankheitsspezifischen Lebensqualität. Als Grund für die subjektiv weniger beeinträchtigte Schluckfunktion kann die fehlende Präparation der suprahyoidalen Muskulatur und der entsprechend innervierenden Nerven in Erwägung gezogen werden.

Einhergehend mit schnellem Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum erlebt die Welt innerhalb der letzten Jahrzehnte eine schnelle Akkumulation langlebiger Ressourcen in Gebäuden und Infrastruktur, auch gesellschaftlicher Materialbestand genannt. Im 21. Jahrhundert wird die Fortsetzung dieser Entwicklung zur großen Herausforderung für den sozioökonomischen Stoffwechsel der Erde und zum Erreichen biophysikalischer Grenzen führen. Siedlungen sind von besonderem Interesse, da Menschen dort Nachfrage nach Leistungen wie Nahrung oder Mobilität generieren und mit ihnen interagieren. Zukünftig wird neben einer globalen Entwicklungsperspektive auf Materialbestände und Bevölkerung auch ein räumlich explizites, hochauflösendes Verständnis lokaler Muster und Prozesse von Relevanz für eine datenbasierte Antwort auf Herausforderungen des globalen Wandels sein. Diese Arbeit präsentiert einen Workflow zur Kartierung und Quantifizierung von Materialbeständen und Bevölkerungsverteilung und -dynamik mittels hochaufgelöster mehrdimensionaler Siedlungskartierung mit Multisensor-Erdbeobachtungsdaten auf nationaler Ebene. Der erste Abschnitt demonstriert das Potenzial der Verwendung von Sentinel-1 und -2 Zeitreihendaten mit Methoden des maschinellen Lernens für die Kartierung von Siedlungsstrukturen, d.h. Subpixel-Landbedeckung, Gebäudehöhe und Gebäudetyp. Der zweite Abschnitt quantifiziert Schlüsselparameter des sozioökonomischen Metabolismus, d. h. Bevölkerung und Materialbestand, anhand zuvor generierter Datensätze zur Siedlungsstruktur. Der dritte Abschnitt nutzt das Landsat-Datenarchiv und Zeitreihenanalyse, um räumliche Muster und Dynamiken von Bevölkerung und Materialbeständen in Deutschland seit 1985 zu quantifizieren. Frei verfügbare und global konsistente Erdbeobachtungsdaten und Techniken des maschinellen Lernens haben großes Potenzial, das räumlich explizite hochaufgelöste Verständnis sozioökologischer Variablen basierend auf mehrdimensionaler Siedlungskartierung zu verbessern. / During the recent decades of the Anthropocene, the world has experienced rapid growth of population and economic activity. This went along with a considerable accumulation of long-lived resources, for example in buildings and infrastructure, i.e., societal material stock. In the 21st century, a continuation of this development will be a major challenge to the Earth’s socio-economic metabolism, as some limitations of the Earth’s biophysical basis might be reached. Settlements are of particular interest, because they are the places where people generate demand for, and interact with services. Both an overarching perspective on the global long-term development of material stock and population as well as a spatially explicit, high-resolution understanding of local patterns and processes will be of particular relevance for a more data-informed response to challenges of global change. This dissertation presents a workflow to map and quantify material stocks and population distribution and dynamics by means of multi-dimensional settlement mapping with decameter resolution multi-source Earth Observation data on a national scale. The first part demonstrates the potential of using Sentinel-1 and -2 time series imagery with machine learning regression and classification for settlement structure mapping, including sub-pixel land cover, building height and building type mapping. The second part quantifies key parameters of the socio-economic metabolism, i.e., population and material stock, using previously generated datasets on settlement structure. The third part uses the Landsat data archive and Change-Aftereffect-Trend analysis to quantify spatial-temporal patterns and dynamics of population and material stock development in Germany since 1985. Findings demonstrate that freely available and globally consistent Earth Observation data and machine learning techniques have great potential to improve the spatially explicit high-resolution understanding of socio-metabolic variables based on multi-dimensional settlement mapping in a seamless workflow.

This study aims to create a flood extent map with Sentinel imagery and to evaluate impacts on agricultural land in the lagoon region of central Vietnam. In this study, remote sensing images, obtained from 2017 to 2019, were used to simultaneously map the land cover status of a flood in the Quang Dien district. This study highlights flooded areas from Sentinel-2 images by calculating some indicators such as the Land Surface Water Index (LSWI) and the Enhanced Vegetation Index (EVI). Comparisons between the floodplain samples (GPS point-based) and flood mapping results, with the ground-truth data, indicate that the overall accuracy and Kappa coefficients were 97.9% and 0.62 respectively for 2017; the values for 2019 were 95.7% and 0.77 for the same coefficients. Land use maps overlying the flood-affected maps show that approximately 11% of the agriculture land area was affected by floods in 2019 comparison to a 10% in 2017. Wet rice was the most affected crop with the flooded area accounting for more than 70% of the district under each flood event. The most affected communes are: Quang An, Quang Phuoc and Quang Thanh. This study provides valuable information for flood disaster planning, mitigation and recovery activities in Vietnam. / Mục tiêu của nghiên cứu là lập bản đồ phân bố ngập lụt với hình ảnh vệ tinh Sentinel và đánh giá ảnh hưởng ngập lụt đến sử dụng đất nông nghiệp ở vùng đầm phá miền Trung, Việt Nam. Trong nghiên cứu này, ảnh viễn thám thu nhận giai đoạn 2017-2019 được sử dụng để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại thời điểm bị ngập nước trên địa bàn huyện Quảng Điền. Nghiên cứu đã xác định được vùng ngập lụt ở huyện Quảng Điền bằng phương pháp phân loại chỉ số mặt nước (Land Surface Water Index – LSWI) và chỉ số khác biệt thực vật (Enhanced Vegetation Index-EVI) từ ảnh Sentinel-2. Xác định vùng nước lũ bị che khuất bởi mây bằng mô hình số hóa độ cao (DEM). Kết quả phân loại vùng ngập lụt được so sánh với giá trị tham chiếu mặt đất cho thấy độ chính xác tổng thể và hệ số Kappa đạt được trong năm 2017 là 97,9% và 0,62; trong khi năm 2019 đạt 95,7% và 0.77. Bản đồ sử dụng đất chồng lên bản đồ lũ lụt cho thấy khoảng 11% diện tích đất nông nghiệp bị ảnh hưởng bởi lũ lụt năm 2019 so với 10% năm 2017. Cây lúa nước là cây trồng bị ảnh hưởng nặng nề nhất, với diện tích bị ngập lụt chiếm hơn 70% diện tích lúa của huyện. Các xã bị ngập lớn là xã Quảng An, Quảng Phước và Quảng Thành. Nghiên cứu này cung cấp thông tin có giá trị cho các hoạt động lập kế hoạch, giảm nhẹ và phục hồi thiên tai lũ lụt ở Việt Nam.

Grasländer sind wichtige Elemente der zentraleuropäischen Landschaft und stellen essenzielle Ökosystemdienstleistungen bereit. Dürren, welche durch den globalen Klimawandel zunehmen, haben negative Auswirkungen auf die Vitalität und Produktivität von Grasland. Satellitenmissionen wie Sentinel-2 und Landsat liefern große, bisher ungenutzte Möglichkeiten für das Grasland Monitoring. Ansätze auf Basis quantitativer Parameter, z.B. Prozentanteile von photosynthetisch aktiver Vegetation (PV), nicht photosynthetisch aktiver Vegetation (NPV) und Boden sind bisher für die Anwendung in zentraleuropäischen Grasländern nicht erforscht. Das Ziel der Arbeit war es, das Verständnis von Dürreeinflüssen auf zentraleuropäische Grasländer durch die Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoring Frameworks zu verbessern. Der erste Teil dieses Frameworks umfasste die Ableitung konsistenter Zeitreihen von PV-, NPV-, und Bodenanteilen. Der zweite Teil umfasste die Quantifizierung von Dürreeffekten anhand dieser Zeitreihen. Die Ergebnisse zeigten einen großflächigen, massiven und langanhaltenden Rückgang von Graslandvitalität in extremen Dürrejahren (z.B. 2003, 2018-2020). Robuste statistische Zusammenhänge bestätigten die starke Kopplung von Graslandvitalität und Dürre, insbesondere bei gleichzeitigen Hitzewellen. Zudem beeinflussten Bodeneigenschaften sowie klimatische und hydrologische Bedingungen die Dürresensitivität. Die Ergebnisse unterstreichen den Wert von generalisierten Entmischungsansätzen basierend auf Sentinel-2/Landsat Zeitreihen für großflächiges, quantitatives Monitoring von Grasland. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch den Klimawandel verstärkte Dürreereignisse in Zukunft erheblichen Einfluss auf die Vitalität von Grasländern in Zentraleuropa haben werden. Die hier gewonnenen Informationen liefern wichtige Beiträge zur Verbesserung von Dürremonitoring und können die Maßnahmenentwicklung zur Verringerung von Dürreschäden im Grasland unterstützen. / Grasslands are vital landscape elements in Central Europe providing essential ecosystem services. Drought events, which are increasing with global climate change, negatively affect grassland vitality and productivity. Satellite remote sensing missions such as Sentinel-2/Landsat offer untapped potential for monitoring grassland vitality. However, workflows for grassland monitoring based on fractional cover of photosynthetic vegetation (PV), non-photosynthetic vegetation (NPV), and soil, remain largely unexplored. The goal of this thesis was to advance the understanding of drought impacts on Central European grasslands by developing a framework for monitoring grassland vitality. The framework included the retrieval of consistent PV, NPV, and soil fractional cover time series from Landsat/Sentinel-2, which was achieved by implementing and generalizing an unmixing workflow. Second, drought impacts were quantified and evaluated based on fractional cover time series. Results showed large-scale, severe, and long-lasting negative impacts on grassland vitality in extreme drought years (e.g., in 2003, and 2018-2020). Robust statistical links confirmed the overall consistent coupling of grassland vitality to drought, specifically to compounding droughts and heatwaves. Spatiotemporal patterns of grassland drought sensitivity revealed that underlying factors such as soil features, and climatic and hydrological conditions modulate drought impacts on local to regional scales. Findings of this thesis emphasize the value of generalized unmixing workflows based on Sentinel-2/Landsat time series for quantitative grassland monitoring across large areas. Furthermore, results suggest that droughts amplified by climate change will pose substantial challenges for grassland vitality across Central European grasslands in the future. The findings provide a steppingstone towards improved drought monitoring and can thus inform adaptation efforts to alleviate drought impacts on grasslands.

The efficient and timely monitoring of forest dynamics is of paramount importance and requires accurate, high-resolution and time-tagged predictions at global scale. Despite numerous methodologies have been proposed in the literature, existing approaches often compromise on accuracy, resolution, temporal fidelity or coverage. To tackle these challenges and limitations, the main objective of this doctoral thesis is the investigation of the potential of artificial intelligence (AI) for the regression of bio-physical forest parameters from spaceborne Earth Observation (EO) data. This work explores for the first time the combined use of TanDEM-X single-pass interferometric products and convolutional neural networks for canopy height estimation at country scale. To achieve this, a novel deep learning framework is proposed, leveraging the capability of deep neural networks to effectively capture the complex spatial relationships between forest properties and satellite data, as well as ensuring the adaptability to different environmental conditions. The design and the understanding of the model is driven by explainable AI principles and by considerations on large-scale forest dynamics, with a great emphasis set on the challenges related to the variable acquisition geometry of the TanDEM-X mission, and by relying on the use of LVIS-derived LiDAR measurements as reference data. Moreover, several investigations are conducted on the adaptability of the developed framework for transferring knowledge to related domains, such as digital terrain model regression and above-ground biomass density estimation. Finally, the capability of the proposed approach to be extended to the use of other EO sensors is also evaluated, with a particular emphasis on the ESA Sentinel-1 and Sentinel-2 missions. The developed deep learning framework sets a solid groundwork for the generation of large-scale products of bio-physical forest parameters from spaceborne EO data. The approach achieves cutting-edge performance, significantly advancing the current state of forest assessment and monitoring technologies.

Mit dem Europäischen Erdbeobachtungsprogramm 'Copernicus' und seinen Sentinel-Satelliten sowie den beteiligten Missionen steht ein leistungsfähiges Monitoringinstrument zur Verfügung. Das Programm, dessen Umfang fortlaufend erweitert wird, ist auf eine langfristige Nutzung ausgerichtet. Die Daten der satellitengestützten Sensoren besitzen eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung und sind kostenfrei verfügbar. Für die Überwachung von Bodenbewegungen und Bodenwassergehalten können die Radar- Daten der beiden Sentinel 1-Satelliten genutzt werden. Die Multispektralsensoren der Sentinel 2-Satelliten stellen Daten zum Zustand der Vegetation und der Landbedeckung zur Verfügung. Die grundsätzliche Eignung der Daten zum Monitoring (nach-) bergbaulich induzierter Prozesse ist vielfältig nachgewiesen worden. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit der Umsetzung der theoretischen Erkenntnisse in die Praxis und unternimmt den Versuch, die Transparenz des gesamten Prozesses zu verbessern. Der komplexe Prozess der Datengenerierung, ihrer Auswertung und Bereitstellung für die Aufgaben in der Praxis bedarf weiterer Erläuterungen. Die Leistungsfähigkeit eines Monitorings auf der Basis von Sentinel-Daten ist ansonsten nur bedingt zu beurteilen. Insbesondere die vielfältigen Interaktionen zwischen meteorologischen, geogenen und anthropogenen Prozessen sind hinsichtlich Ihrer Auswirkung auf die Nutzbarkeit für Aufgaben des (Nach)bergbaumonitorings zu analysieren. Im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben wird daher untersucht, wie hoch die Aussagekraft der Radardaten der Sentinel-Satelliten für die Beurteilung von Prozessen am Boden aktuell ist. Für diese Analyse ist die enge Verknüpfung des Weltraumsegmentes mit der In-Situ-Kompetenz von besonderer Bedeutung.

[pt] Imagens de sensoriamento remoto permitem o monitoramento e mapeamento de culturas de maneira precisa, apoiando práticas de agriculturaeficientes e sustentáveis com o objetivo de garantir a segurança alimentar.No entanto, a identificação do tipo de cultura a partir de dados de sensoriamento remoto em regiões tropicais ainda são consideradas tarefas comalto grau de dificuldade. As favoráveis condições climáticas permitem o uso,planejamento e o manejo da terra com maior flexibilidade, o que implica emculturas com dinâmicas mais complexas. Além disso, a presença constantede nuvens dificulta o uso de imagens ópticas, tornando as imagens de radar uma alternativa interessante para o mapeamento de culturas em regiõestropicais. Os modelos de campos aleatórios condicionais (CRFs) têm sidousados satisfatoriamente para explorar o contexto temporal e espacial naclassificação de imagens de sensoriamento remoto. Estes modelos oferecemuma alta precisão na classificação, no entanto, dependem de atributos extraídos manualmente com base em conhecimento especializado do domínio.Neste contexto, os métodos de aprendizado profundo, tais como as redesneurais convolucionais (CNNs), provaram ser uma alternativa robusta paraa classificação de imagens de sensoriamento, pois podem aprender atributosótimos diretamente dos dados. Este trabalho apresenta um modelo híbridobaseado em aprendizado profundo e CRF para o reconhecimento de culturas em áreas de regiões tropicais caracterizadas por ter uma dinâmicaespaço–temporal complexa. O framework proposto consiste em dois módulos: uma CNNs que modela o contexto espacial e temporal dos dados deentrada, e o CRF que modela a dinâmica temporal considerando a dependência entre rótulos para datas adjacentes. Estas dependências podem seraprendidas ou desenhadas por um especialista nas práticas de agriculturalocal. Comparações entre diferentes variantes de como modelar as transiçõestemporais são apresentadas usando sequências de imagens SAR de duas municipalidades no Brasil. Os experimentos mostraram melhorias significativasatingindo ate 30 por cento no F1 score por classe e ate 12 por cento no F1 score medio em relação ao modelo de base que não inclui dependências temporais duranteo processo de aprendizagem. / [en] Remote sensing imagery enables accurate crop mapping and monitoring, supporting efficient and sustainable agricultural practices to ensure food security. However, accurate crop type identification and crop area estimation from remote sensing data in tropical regions are still challenging tasks. Compared to the characteristic conditions of temperate regions, the more favorable weather conditions in tropical regions permit higher flexibility in land use, planning, and management, which implies complex crop dynamics. Moreover, the frequent cloud cover prevents the use of optical data during large periods of the year, making SAR data an attractive alternative for crop mapping in tropical regions. To exploit both spatial and temporal contex, conditional random fields (CRFs) models have been used successfully in the classification of RS imagery. These approaches deliver high accuracies; however, they rely on features engineering manually designed based on domain-specific knowledge. In this context, deep learning methods such as convolutional neural networks (CNNs) proved to be a robust alternative for remote sensing image classification, as they can learn optimal features and classification parameters directly from raw data. This work introduces a novel end-to-end hybrid model based on deep learning and conditional random fields for crop recognition in areas characterized by complex spatio-temporal dynamics typical of tropical regions. The proposed framework consists of two modules: a CNN that models spatial and temporal contexts from the input data and a CRF that models temporal dynamics considering label dependencies between adjacent epochs. These dependencies can be learned or designed by an expert in local agricultural practices. Comparisons between data-driven and prior-knowledge temporal constraints are presented for two municipalities in Brazil, using multi-temporal SAR image sequences. The experiments showed significant improvements in per class F1 score of up to 30 percent and up to 12 percent in average F1 score against a baseline model that doesn t include temporal dependencies during the learning process.

Introduction: Lyme disease is caused by the tick-borne spirochete Borrelia burgdorferi. Research has shown that dogs can be used as sentinels for human infection of Lyme disease. The purpose of this 5-year, retrospective study was to determine if there was any evidence that the incidence of canine Lyme disease has increased between 2000 and 2005 in Accomack and Northampton counties. An increased incidence in Lyme disease in dogs may indicate an increased present or future risk of Lyme disease in humans.Methods: Cases of canine Lyme disease were identified via practice invoicing systems and dogs that received doxycycline were entered into the database. Demographic information and the absence or presence of clinical signs such as fever, lameness, articular swelling, lymphadenomegaly, anorexia, general malaise and improvement after antibiotic use were collected. Testing history also was recorded.Results: Cases of canine Lyme disease that met any definition were identified (n=1048). Over the 5-year period the number of positive ELISA test results increased and the frequency of clinical signs decreased. The incidence of disease meeting the practitioner's definition increased until 2004 when the incidence dropped from 105.33 cases per 1,000 dogs to 56.93 cases per 1,000. The incidence of disease based on the study probable definition remained fairly constant with a high in 2002 of 2.94 cases per 1,000 dogs.Discussion: Trends of canine Lyme disease coincided with the introduction and use of the in-house ELISA test. Practitioners could identify more dogs exposed to Borrelia burgdorferi. The areas with the highest frequency of canine cases of Lyme disease also had the highest frequency of human cases reported to the Virginia Department of Health. Further study could identify animals that tested positive and later developed clinical signs. Using dogs as sentinels for human infection allows public health workers to identify endemic areas regardless of human case reports.

En av Sveriges största industrier är skogsindustrin. Att sköta stora skogsinnehav medför vissa svårigheter, t.ex. så kan i händelse av en storm kan delar av skogen bli vindfälld. Det är då viktigt att upptäcka och ta bort de fallna träden eftersom det annars kan leda till granbarkborrangrepp. En metod för att upptäcka den vindfällda skogen är att ta flygbilder över området, vilket kan bli både dyrt och tidsödande. Därför testas i denna studie detektering av stormfälld skog i Sentinel 2 bilder. Sentinel 2 har valts ut eftersom den har både en hög spatial- och temporal upplösning samt att bilderna är tillgängliga gratis. Tidigare studier på området har använt satellitbilder med en lägre spatial upplösning eller data från andra typer av fjärranalys. De flesta av dessa metoder är ganska komplexa eller väldigt specifika för ett särskilt fall. Metoden som tas fram i denna studie ska vara enkel att implementera även för personer utan någon djupare kunskap inom fjärranalys. Bilddifferens med olika index såsom NDVI, NDMI och GreenNDVI testas. Även oövervakad klassificering testas. Noggrannheten har utvärderats med två-stegs metoden med en noggrannhet på 85 % men även en konfusionsmatris tillämpas för att utvärdera noggrannheten av områden där ingen förändring inträffat. Bilddifferens med NDVI och GreenNDVI klarar två-stegs testet när ett statistiskt bestämt tröskelvärde används, NDVI får högst användarnoggrannhet. Felmatrisen visar dock att det finns många stormfällen i ytorna som blivit klassade som ingen förändring, den oövervakade klassificeringen får inte det problemet i samma utsträckning. Bilddifferens i NDVI med statistiskt bestämt tröskelvärde bedöms vara den mest effektiva metoden för att detektera stormfälld skog.