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The Impact of Sulfate on Methane Cycling in Coastal Wetlands
Full text linkCoastal wetlands, including lagoons, marshes, and peatlands, are exceptionally important ecosystems that provide many ecosystem services and functions, and exert a substantial influence on global climate. As global climate change progresses, permafrost and ice sheets will continue to thaw and sea levels will rise, in turn causing inundation of coastal wetlands, such as thermokarst lakes, peatlands, and salt marshes. Inundation of sea water will also bring sulfate to freshwater systems, potentially reducing methane emissions, but also producing other negative ecosystems responses, such increased nutrient release, including dissolved organic carbon, ammonium, phosphate, iron, and many others. This thesis discusses the results of three studies from two coastal wetlands investigating the impact of sulfate on the biogeochemistry and microbial ecology of these sites, in conjunction with results from other studies.
In study 1, two thermokarst lakes and a thermokarst lagoon took the form of a natural laboratory to investigate how sulfate intrusion impacted the methane-cycling microbial community by altering the geochemistry of the lagoon. In addition to changes in the geochemistry, marine water intrusion also introduced and provided habitat for classical marine consortia of sulfate reducers and anaerobic methane oxidizers called ANME, which formed an effective filter on methane produced in the sediments. Sulfate intrusion also reformed the microbial community, and did not follow classical marine biogeochemical process zonation.
In study 2, the effects of brackish water rewetting on greenhouse gas dynamics in a previously drained and freshened peatland were investigated. Monitoring activities were conducted before and after rewetting to determine if brackish water rewetting was an effective way to reduce methane emissions in rewetted peatlands. Initial results showed that methane emissions were reduced compared to similar freshwater peatland rewetting projects, however carbon dioxide release remained higher than expected.
Study 3 examined whether the microbial community from the same field site as study 2 was adapted to the new conditions two years post-rewetting. In an incubation experiment, soil samples from three depths were subjected to two different salinity regimes, representing the range of expected salinities experienced by the microbial community since rewetting over the course of 3 months, with special attention paid to differences in biogeochemistry and the microbial community. Contrary to expectations, the largest influence on biogeochemistry and the microbial community came from legacy sulfate deposits from when the site was previously connected to the Baltic Sea as a brackish marsh in the early 1900s.
The overall picture of sulfate intrusion and methane cycling is somewhat clouded. In general, increased sulfate concentrations do lower methane emissions, but also induces increased releases of other nutrients. One part of the larger solution to curtailing methane emissions in natural systems, especially those impacted by anthropogenic activities, could be increased methanotrophy which is not necessarily reliant on sulfate. A plan forward is proposed in the synthesis, which encourages more research into the topic of sulfate introduction to freshwater systems and a different way to tackle methane emissions through encouraging natural mitigation through microbial methanotrophy.Küstenfeuchtgebiete, darunter Lagunen, Sümpfe und Moore, sind außerordentlich wichtige Ökosysteme, die zahlreiche Ökosystemleistungen und -funktionen erbringen und einen erheblichen Einfluss auf das globale Klima haben. Mit fortschreitendem Klimawandel werden Permafrost und Eisschilde weiter auftauen und der Meeresspiegel steigen, was wiederum zur Überflutung von Küstenfeuchtgebieten wie Thermokarstseen, Mooren und Salzwiesen führt. Durch die Überflutung mit Meerwasser gelangt zudem Sulfat in Süßwassersysteme, was potenziell zu einer Verringerung der Methanemissionen führt, aber auch andere negative Ökosystemreaktionen hervorruft, wie beispielsweise eine erhöhte Nährstofffreisetzung, darunter gelöster organischer Kohlenstoff, Ammonium, Phosphat, Eisen und viele weitere. Diese Arbeit diskutiert die Ergebnisse dreier Studien zu zwei Küstenfeuchtgebieten, die den Einfluss von Sulfat auf die Biogeochemie und mikrobielle Ökologie dieser Standorte untersuchten, in Verbindung mit Ergebnissen anderer Studien. In Studie 1 dienten zwei Thermokarstseen und eine Thermokarstlagune als natürliches Labor, um zu untersuchen, wie sich Sulfatintrusion auf die mikrobielle Gemeinschaft des Methankreislaufs auswirkte, indem sie die Geochemie der Lagune veränderte. Neben den geochemischen Veränderungen führte die Meerwasserintrusion auch zu der Einführung und Schaffung von Lebensraum für klassische marine Konsortien von Sulfatreduzierern und anaeroben Methanoxidierern (ANME), die einen wirksamen Filter für in den Sedimenten produziertes Methan bildeten. Die Sulfatintrusion veränderte zudem die mikrobielle Gemeinschaft und folgte nicht der klassischen marinen biogeochemischen Prozesszonierung.
In Studie 2 wurden die Auswirkungen der Brackwasserwiedervernässung auf die Treibhausgasdynamik in einem zuvor entwässerten und aufgefrischten Moorgebiet untersucht. Vor und nach der Wiedervernässung wurden Überwachungsmaßnahmen durchgeführt, um festzustellen, ob die Brackwasserwiedervernässung ein wirksames Mittel zur Reduzierung der Methanemissionen in wiedervernässten Moorgebieten darstellt. Erste Ergebnisse zeigten, dass die Methanemissionen im Vergleich zu ähnlichen Süßwasser-Wiedervernässungsprojekten in Moorgebieten reduziert wurden, die Kohlendioxidfreisetzung jedoch höher als erwartet blieb.
Studie 3 untersuchte, ob sich die mikrobielle Gemeinschaft am selben Standort wie in Studie 2 zwei Jahre nach der Wiedervernässung an die neuen Bedingungen angepasst hatte. In einem Inkubationsexperiment wurden Bodenproben aus drei Tiefen zwei verschiedenen Salzgehaltsregimen ausgesetzt, die die Bandbreite der erwarteten Salzgehalte repräsentierten, denen die mikrobielle Gemeinschaft seit der Wiedervernässung über einen Zeitraum von drei Monaten ausgesetzt war. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf Unterschiede in der Biogeochemie und der mikrobiellen Gemeinschaft gelegt. Entgegen den Erwartungen stammte der größte Einfluss auf die Biogeochemie und die mikrobielle Gemeinschaft von Sulfatvorkommen aus der Zeit, als der Standort Anfang des 20. Jahrhunderts als Brackwassermarsch mit der Ostsee verbunden war.
Das Gesamtbild der Sulfatintrusion und des Methankreislaufs ist etwas getrübt. Generell verringern erhöhte Sulfatkonzentrationen zwar die Methanemissionen, führen aber auch zu einer erhöhten Freisetzung anderer Nährstoffe. Ein Teil der umfassenderen Lösung zur Eindämmung der Methanemissionen in natürlichen Systemen, insbesondere solchen, die durch anthropogene Aktivitäten beeinflusst werden, könnte eine erhöhte Methanotrophie sein, die nicht unbedingt auf Sulfat angewiesen ist. In der Synthese wird ein Plan für die Zukunft vorgeschlagen, der weitere Forschungen zum Thema Sulfateinleitung in Süßwassersysteme und einen anderen Weg zur Bekämpfung von Methan-Emissionen durch die Förderung natürlicher Minderung durch mikrobielle Methanotrophie fördert
CARROT and INBD: Accessible Artificial Intelligence facilitates Quantitative Wood Anatomy
Full text linkQuantitative Wood Anatomy (QWA) is defined as the analysis of the xylem anatomical features in trees, shrubs and herbaceous plants to investigate plants functioning, growth and environment. By combining the recognition of wood anatomical structures together with measurement techniques to quantify anatomical features like cell size, cell wall thickness, or vessel density, QWA provides comparable data among growth ring time series. The combination between QWA and dendrochronology allows for the establishment of wood anatomical trait time series which are particularly valuable in the frame of past climatic reconstructions and, in parallel, to predict plant functioning under future climate projections. Due to the intensification of the climate crisis, QWA is becoming an increasingly important tool for understanding the impacts on forest and shrub ecosystems and establish counteractive strategies. Current methodologies for quantitative wood anatomical analyses provide manual or semi-automated methods, therefore requiring significant user input in terms of settings adjustments and manual editing. These characteristics hinders these tools from being the ideal solution to tackle the current rising demand for wood anatomical data. The time spent for such analyses and the effort employed to gain meaningful results raise the interest in the implementation of AI in QWA.
Quantitative wood anatomical analyses may considerably improve in precision and efficiency following AI incorporation to the overall workflow, because of AI ability to identify complex patterns and relationships within wood structure. Furthermore, the automatization introduced by AI methods is supposed to improve the time-consuming task of manually editing traditional image analyses output. For these reasons this dissertation addresses two research topics: i) applying AI detection skills to improve quantitative wood anatomical analyses on thin-sections from wooden cores (Chapters I and II) and ii) introduce AI for the detection of concentric rings in shrub thin-sections and facilitate their measurements (Chapters III and IV).
The successful development of two distinct tools responding respectively to aim i) and ii) demonstrated that it is possible to improve the current state of the art by joining the two fields of AI and QWA for a variety of purposes. We introduced the development of CARROT (Cell And Ring RecOgnition Tool) in order to streamline quantitative wood anatomical analyses for a faster and automated workflow (Chapter I), and of INBD (Iterative Next Boundary Detection) to address the methodological gap of concentric ring automated detection and the relative computation (Chapter III). These tools showed not only the ability to provide meaningful results in the execution of the main tasks, but also to generally outperform manual or classic image analysis (Chapters I and IV). In view of the results obtained by both approaches, we promote the use of CARROT and INBD underscoring on one side the advantage of employing automatized methods to save time during analyses, and on the other side, the relevance of their broad applicability. Both tools operate several essential tasks with fairly high accuracy, handling
two growth structures (trees and shrubs), and in the case of CARROT four wood anatomical types (conifer, ring-porous, semi-ring-porous, and diffuse-porous). A great potential of application resides in the implementation of a user interface for both tools (Chapter II and IV), promoting wood anatomical analysis improvement through user-friendly interfaces in an open-source environment.
Practical applications of both tools were also performed. In Chapter II, CARROT was employed with the purpose of studying wood anatomical changes in surviving pedunculate oaks, after the flooding and the permanent rewetting of a formerly drained peatland. In this context, CARROT was found to be once again meeting the expectations in terms of high cell recognition performance, coping with the segmentation of both very wide earlywood vessels and very small latewood vessels. In Chapter IV, INBD cross-dating potential was tested to frame the realistic application of the tool. Results showed that cross-dating statistics were higher for INBD ring width measurements compared to those obtained manually, and that in most cases INBD was outperforming manual measurements even prior to any cross-dating attempt.
In general, we could observe that both methods would greatly benefit from the implementation of larger training datasets, which would enhance their accuracy across diverse wood anatomical dataset. For INBD specifically, future developments should focus on including functions that allow users to correct wrongly detected outputs and consequently recalculate the data.
Currently, recent attempts in merging AI and wood anatomy mainly take advantage of AI strengths to focus on species recognition or ring identification from cores, without effectively addressing quantitative wood anatomical research questions. For these reasons, CARROT and INBD can be regarded as cutting-edge techniques in quantitative wood anatomical analyses, for their innovative method and for their effective feasibility. Their employment would not only improve results in terms of accuracy and time, but also allow researchers to shift the focus towards the interpretation of the results and their discussion, rather than the current constraints of obtaining such results. Overall, the integration of CARROT and INBD and similar tools into quantitative wood anatomical research framework yield the possibility of expanding such studies, constituting a meaningful resource to broaden ecological investigations
Challenges and New Perspectives in Intrinsic Image Decomposition
Full text linkDas menschliche visuelle System ist in der Lage, selbst unter wechselnden Beleuchtungsbedingungen Entfernungen einzuschätzen, feine Details einer Szene wahrzunehmen und die Reflektanz von Objekten zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu stehen maschinelle Bildverarbeitungssysteme vor erheblichen Herausforderungen bei der Ausführung solcher Aufgaben, da die Interpretation von Szenen komplex und mehrdeutig ist. Eine Möglichkeit, künstliche Systeme in die Lage zu versetzen, solche Aufgaben zu bewältigen, ist die Nutzung eines rechnerischen Ansatzes namens intrinsische Bildzerlegung. Dieser Ansatz ermöglicht es, ein Bild in seine Bestandteile wie Reflektanz, Schattierung, Beleuchtung, Oberflächennormalen und Tiefe zu zerlegen. Liegen die intrinsischen Bestandteile vor, kann die Effizienz von Verfahren wie z.B. Objektklassifikation, Belichtungskorrektur, Bildsegmentierung und Objektumfärbung verbessert werden.
Obwohl die intrinsische Bildzerlegung zahlreiche Vorteile bietet, birgt sie auch viele Herausforderungen. Die Hauptschwierigkeit ergibt sich aus der Natur des Problems selbst. Die intrinsische Bildzerlegung ist ein stark unterbestimmtes Problem, da sie typischerweise darauf abzielt, niedrigstufige Merkmale aus einem einzigen Eingabebild zu extrahieren. Das Eingabebild kann ein RGB-Bild oder eine andere intrinsische Darstellung sein, aus der weitere niedrigstufige Merkmale berechnet werden. Eine weitere Herausforderung in diesem Bereich sind die Unzulänglichkeiten bestehender Benchmarks. Vorhandene Datensätze weisen Einschränkungen wie begrenzte Anzahl von Szenen und/oder intrinsische Eigenschaften sowie einfache Szenen auf. Ein weiteres Problem ist das Fehlen von Fehlermetriken, die die tatsächliche Leistungsfähigkeit von Algorithmen demonstrieren. Bestehende Bewertungsstrategien in diesem Bereich haben Schwächen z.B. in Fällen, in denen große Regionen korrekt zerlegt werden.
Diese Dissertation konzentriert sich auf die Herausforderungen der intrinsischen Bildzerlegung, indem einfache, aber effektive Lösungen angeboten und neue Perspektiven eingeführt werden. Insbesondere werden zwei Datensätze unter Verwendung von Computergrafik erstellt, um genaue Ground-Truth-Daten zu gewährleisten und Subjektivität sowie Verzerrungen durch Kameraspezifikationen zu vermeiden. Der erste Datensatz, namens IID-NORD, ist ein groß angelegter Datensatz, der Szenen sowie deren Ground-Truth Reflektanz, Schattierung, Oberflächennormalenvektoren, Tiefenkarte und Lichtvektoren enthält. Der zweite Datensatz, CC-NORD, befasst sich mit dem Beleuchtungs-Intrinsic-Bild der Szenen. Darüber hinaus werden zwei Fehlermetriken vorgeschlagen, die von Beobachtungen des menschlichen visuellen Systems inspiriert sind, um die Reflektanzs- und Schattierungskomponenten zu bewerten. Diese Metriken basieren auf Operationen im Skalenraum sowie auf dem strukturellen Ähnlichkeitsindex (SSIM), der visuellen Informationsfidelity (VIF), dem Merkmalsähnlichkeitsindex (FSIM) und dem (CIEDE), die in der Bildverarbeitung bekannte Bewertungsmethoden sind. Zusätzlich wird ein algorithmischer Ansatz entwickelt, der ohne maschinelles Lernen auskommt und auf Skalenraum-Berechnungen basiert, um die Oberflächennormalen aus Tiefenkarten zu berechnen. Außerdem wird ein traditioneller Algorithmus entworfen, der auf der Retinex-Theorie, Skalenraum-Operationen und Superpixel-Segmentierung basiert, um die Reflektanz und Schattierung aus Eingabeszenen zu schätzen. Laut experimentellen Ergebnissen zeigen beide Algorithmen eine wettbewerbsfähige Leistung.The human visual system is able to estimate distances, perceive fine details of a scene, and distinguish the reflectance of objects, even under varying illumination conditions. In contrast, machines vision systems face significant challenges in performing such tasks due to the complexity and ambiguity of scene interpretation. One way to enable artificial systems to perform these tasks is to utilize a computational approach called intrinsic image decomposition. This approach allows us to decompose an image into its low-level features such as reflectance, shading, illumination, surface normals, and depth. These intrinsics can improve the efficiency of tasks such as object classification, exposure correction, image segmentation, and object recoloring.
While intrinsic image decomposition offers several benefits, it also holds many challenges. The main challenge emerges from the nature of the problem itself. Intrinsic image decomposition is a severely under-constrained problem as it typically involves extracting low-level features from a single input image. This input image might be an RGB image or another intrinsic representation, from which further low-level features are computed. Another challenge in the field is the shortcomings of evaluation benchmarks. Existing datasets have limitations such as limited samples and/or intrinsics, and including simple scenes. A further challenge is the lack of error metrics demonstrating the actual performance of algorithms. The existing evaluation strategies in this field have shortcomings such as a bias toward favoring cases where large regions are decomposed correctly.
This thesis focuses on the challenges in intrinsic image decomposition by offering simple yet effective solutions and introducing new perspectives. Specifically, two datasets are created using computer graphics, ensuring accurate ground truth data while avoiding subjectivity and eliminating biases caused by camera specifications. The first dataset, namely IID-NORD, is a large-scale dataset including scenes and their ground truth reflectance, shading, surface normal vectors, depth map, and light direction vectors. The second dataset is called CC-NORD which addresses the illumination intrinsic image of the scenes. Furthermore, two error metrics, inspired by observations on the human visual system, are proposed for evaluating the reflectance and shading components. These metrics rely on operations in scale-space, and on the structural similarity index (SSIM), visual information fidelity (VIF), the feature similarity index (FSIM), and the (CIEDE) which are well-known evaluation methods in the field of image processing. Additionally, a learning-free algorithm utilizing scale-space computations is developed to calculate the surface normals from depth maps. Also, a traditional algorithm relying on the Retinex theory, scale-space operations, and superpixel segmentation is designed to estimate the reflectance and shading from input scenes. According to the experimental results both algorithms show competitive performance
Fiscal Policy in Times of Growth, Crisis, and Recovery: Microsimulation Methods for Equitable Tax and Benefit Design
Full text linkThis thesis examines distributional and labour market consequences of fiscal policy with reference to three case studies during periods of economic growth, crisis, and recovery. The principal method of analysis is the microsimulation of tax and benefit systems applied to large and representative household datasets. The first study explores the revenue and redistributive effects of tax policy reforms in Europe during the period of growth between the financial crisis and the COVID-19 pandemic. It highlights the interplay between wage growth and the progressivity of income tax systems, shedding light on their limited redistributive capacity in Central European and Baltic states. The second study focuses on the economic crisis triggered by the pandemic in Brazil. We examine how fiscal policies were expanded to broaden the safety net for its most vulnerable population, reducing poverty despite the unfavourable economic conditions. The final example turns to Poland’s personal income tax reform, implemented during the economic recovery following the pandemic. It assesses the distributional impact of the reform and its consequences for intra-family labour market incentives. Together, these case studies underscore the critical role of tax and benefit systems in shaping economic outcomes, highlighting challenges and opportunities for achieving equity and efficiency
Development of molecular genetic tools for coccolithophores and proteomic analysis of Chrysotila carterae’s calcitic scales
Full text linkCoccolithophores are an abundant group of unicellular haptophyte algae that inhabit all oceans and play a crucial role in marine ecosystems and global biogeochemical cycles. They surround themselves with shells composed of intricately shaped mineralized scales called coccoliths. Coccoliths are produced intracellularly. Their formation requires an insoluble organic scale termed the base plate, which templates the nucleation of calcite crystals along its rim. These initial crystals then grow into complex, species-specific morphologies that cannot be replicated by current materials chemistry techniques. Efforts to study coccolithophore calcification have been stymied by the lack of genetic tools with which to test hypotheses about the underlying molecular mechanisms. Although protocols for the genetic modification of coccolithophores have been reported, they are limited to the stable expression of antibiotic resistance markers and the transient expression of fluorescent proteins in the cytosol. In this work, I developed a new antibiotic selection system and a suite of transgene expression tools for the model coccolithophore Chrysotila carterae. I engineered plasmids containing viral and endogenous promoters, artificial introns, and a 2A self-cleaving peptide, and tested these genetic elements for their ability to confer stable expression of fluorescent proteins in the alga. Following their transformation, several constructs yielded fluorescent lines. I then employed the most effective sequences to stably express fluorescent protein fusions, generating marker lines for the endoplasmic reticulum, chloroplasts, and microtubule cytoskeleton. To elucidate the molecular details of coccolithophore biomineralization, I conducted a proteomic analysis of isolated base plates from C. carterae cells, which led to the identification of 59 proteins potentially involved in coccolith formation. By expressing YFP fusions and using fluorescence microscopy, I then investigated the distribution of six of these candidates in live cells and purified coccoliths. One fusion protein became incorporated into the rims of both coccolith base plates and organic body scales in vivo. It remained attached when the coccoliths were isolated and their calcite crystals were dissolved. These findings mark the identification and functional in vivo characterization of the first genuine coccolithophore scale protein and its encoding gene. The expanded molecular genetic toolbox of C. carterae described here paves the way for answering fundamental questions of coccolithophore biology, including how they control mineral precipitation and morphogenesis.Die Coccolithophoride sind eine häufig vorkommende Gruppe einzelliger Haptophyten-Algen, die in allen Ozeanen leben und eine entscheidende Rolle in marinen Ökosystemen und globalen biogeochemischen Kreisläufen spielen. Sie umgeben sich mit Schalen, die aus kunstvoll geformten, mineralisierten Schuppen bestehen, den sogenannten Coccolithen. Coccolithe werden intrazellulär gebildet. Ihre Entstehung erfordert eine unlösliche organische Schuppe, die als Basalplatte bezeichnet wird und als Matrix für die Keimbildung von Calcitkristallen entlang ihres Randes dient. Diese initialen Kristalle wachsen anschließend zu komplexen, artspezifischen Morphologien heran, die mit den derzeitigen Methoden der Materialchemie nicht nachgebildet werden können. Die Erforschung der Kalzifizierung bei Coccolithophoriden wurde bisher durch das Fehlen genetischer Werkzeuge erschwert, mit denen sich Hypothesen über die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen überprüfen ließen. Obwohl bereits Protokolle zur genetischen Modifikation von Coccolithophoriden beschrieben wurden, beschränken sie sich auf die stabile Expression von Antibiotikaresistenzmarkern und die transiente Expression fluoreszierender Proteine im Cytosol. In dieser Arbeit habe ich ein neues System zur Antibiotikaselektion sowie eine Reihe von molekularen Werkzeugen zur Transgenexpression für den Modell-Coccolithophorid Chrysotila carterae entwickelt. Ich konstruierte Plasmide mit viralen und endogenen Promotoren, künstlichen Introns und einem selbstspaltenden 2A-Peptid und testete diese genetischen Elemente hinsichtlich ihrer Fähigkeit, eine stabile Expression fluoreszierender Proteine in der Alge hervorzurufen. Nach der Transformation führten mehrere Konstrukte zur Bildung fluoreszierender Linien. Anschließend nutzte ich die effektivsten Sequenzen zur stabilen Expression von Fusionsproteinen mit Fluoreszenzmarkern und erzeugte Linien zur Markierung des endoplasmatischen Retikulums, der Chloroplasten und des Mikrotubuli-Zytoskeletts. Zur Aufklärung der molekularen Details der Biomineralisation bei Coccolithophoriden führte ich eine proteomische Analyse isolierter Basalplatten aus Zellen von C. carterae durch, wodurch 59 Proteine identifiziert wurden, die möglicherweise an der Coccolithenbildung beteiligt sind. Durch die Expression von YFP-Fusionsproteinen und den Einsatz fluoreszenzmikroskopischer Methoden untersuchte ich anschließend die Verteilung von sechs dieser Kandidaten in lebenden Zellen und isolierten Coccolithen. Ein Fusionsprotein wurde in vivo sowohl in die Ränder der Coccolith-Basalplatten als auch in die Ränder organischer Körperschuppen eingebaut. Das Protein blieb auch nach der Isolierung der Coccolithen und der Auflösung ihrer Calcitkristalle gebunden. Diese Ergebnisse stellen die Identifikation und funktionelle in-vivo-Charakterisierung des ersten echten Coccolithophoriden-Schuppenproteins und seines codierenden Gens dar. Das hier beschriebene erweiterte molekulargenetische Werkzeugset für C. carterae ebnet den Weg zur Beantwortung grundlegender Fragen der Coccolithophoriden-Biologie, insbesondere wie sie die Mineralfällung und -morphogenese kontrollieren
Investigations on Computational Color Constancy: Combining Color Constancy with Assimilation Illusions
Full text linkThe human visual system is able to unconsciously estimate the physical reflectances of objects by discounting the effects of the environmental context, i.e., the light source, which is called color constancy. However, under certain conditions, it perceives the colors of objects quite differently from the actual physical reflectance. Color assimilation illusions are perfect examples of such conditions. In the field of computational neuroscience, the focus is on mimicking our sensations related to the illusions and understanding human color constancy, while in computer vision studies, the aim is to perform color constancy, i.e., auto white-balancing, by removing the effects of a light source with a non-uniform power distribution that is illuminating the scene. Both color constancy and perception of the illusions are the results of the unknown mechanism of the human visual system, and investigations on both concepts might be the key that allow the researchers to unravel how the human visual system processes color information, thus allowing us in the field of computer vision to design more robust algorithms mimicking the capabilities of the human visual system. The importance of solving both phenomena with a single method is desired as stressed in various studies. Yet, to the best of available knowledge, there is no study that reproduces our perception of color assimilation illusions while also performing color constancy by thoroughly analyzing it from the perspective of computer vision. Therefore, in this thesis, both phenomena are analyzed together to develop a single method that can perform computational color constancy while also replicating the perceptual effects of visual illusions.
The thesis is divided into two main parts. First, it explores computational color constancy in detail, introducing new methods and a dataset, while also improving existing techniques through modifications inspired by research findings. The proposed algorithm and the modification strategies are evaluated across multiple benchmarks, demonstrating their effectiveness in estimating scene illumination. The second part investigates color assimilation illusions from the perspective of computational color constancy, illustrating how these illusions can be utilized to enhance existing algorithms' performance. Finally, the thesis presents a single method that integrates existing biological findings with the observations obtained during the investigations on computational color constancy to achieve color constancy, while also mimicking human perception when observing color illusions. The proposed learning-free algorithm relies on the introduced multiresolution color constancy strategy alongside a modified version of the local space average color method. The performance of the proposed method is thoroughly investigated on both color assimilation illusions and various color constancy benchmarks. Consequently, this thesis demonstrates that integrating findings from human perception and computational algorithms can significantly benefit
computational color constancy, and enable us to design a single method that can achieve color constancy and mimic our sensation on color assimilation illusions.Das menschliche visuelle System ist in der Lage, die tatsächlichen physikalischen Reflektanz von Objekten unbewusst zu schätzen, indem es die Auswirkungen des umgebenden Kontexts, d.h. der Lichtquelle, herausrechnet. Dies wird als Farbkonstanz bezeichnet. Unter bestimmten Bedingungen hingegen nimmt es die Farben von Objekten ganz anders wahr als die tatsächliche physikalische Reflektanz.
Farbassimilation Illusionen sind ein perfektes Beispiel für solche Bedingungen. Im Bereich der computergestützten Neurowissenschaft liegt der Fokus darauf, unsere Empfindungen in Bezug auf diese Illusionen nachzuahmen, während in der Computer Vision das Ziel darin besteht, Farbkonstanz, d.h. einen automatischen Weissabgleich, zu erreichen, indem die Auswirkungen der in der Szene vorhandenen nicht-uniformen Energieverteilung der Lichtquelle entfernt werden. Allerdings ist in verschiedenen Studien festzustellen, dass es wünschenswert ist, beide Phänomene mit einer einzigen Methode zu lösen, um das menschliche visuelle System besser zu verstehen und robustere Algorithmen für die Computer Vision zu entwickeln. Nach dem besten verfügbaren Wissen gibt es keine Studie, die unsere Wahrnehmung von Farbassimilation Illusionen reproduziert, während sie gleichzeitig Farbkonstanz erreicht, wobei sie diese aus der Perspektive der Computer Vision gründlich analysiert. Daher werden in dieser Dissertation sowohl Farbkonstanz als auch Farbassimilation Illusionen analysiert, um eine einzige Methode zu entwickeln, die Farbkonstanz erreichen kann, während sie gleichzeitig die perzeptuellen Effekte visueller Illusionen repliziert.
Diese Dissertation enthält zwei Hauptteile. Im ersten Teil wird die computergestützte Farbkonstanz detailliert untersucht, indem neue Methoden und ein Datensatz eingeführt werden, während bestehende Techniken durch Modifikationen basierend auf den gewonnenen Beobachtungen die während der Forschungen in dieser Thesis gemacht worden sind, verbessert werden. Alle vorgeschlagenen Algorithmen und Modifikationsstrategien werden gründlich an verschiedenen Benchmarks mit unterschiedlichen Eigenschaften untersucht, um ihre Wirksamkeit bei der Schätzung der Farbe der Beleuchtung zu demonstrieren. Im zweiten Teil werden dann Farbassimilationsillusionen schrittweise aus der Perspektive der computergestützten Farbkonstanz analysiert, um zu zeigen, dass diese Illusionen nützliche Werkzeuge für die Gestaltung und Verbesserung von Farbkonstanzalgorithmen sind. Schließlich wird eine einzige Methode entwickelt, die sowohl Farbkonstanz erreichen als auch unsere Wahrnehmung von Farbassimilationsillusionen nachahmen kann, indem bestehende biologische Erkenntnisse über das menschliche visuelle System mit Beobachtungen aus den Untersuchungen zur computergestützten Farbkonstanz kombiniert werden. Der vorgeschlagene lernfreie Algorithmus basiert auf der eingeführten multiresolution color constancy-Strategie in Kombination mit einer modifizierten Version der Methode der lokalen durchschnittlichen Farbe. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode wird an verschiedenen Farbassimilationsillusionen untersucht, und die Leistung der Farbkonstanz wird detailliert an verschiedenen Benchmarks berichtet. Folglich zeigt diese Dissertation, dass die Integration von Erkenntnissen aus der menschlichen Wahrnehmung und computergestützten Algorithmen die rechnergestützte Farbkonstanz erheblich verbessern kann. Darüber hinaus ermöglicht sie die Entwicklung einer einheitlichen Methode, die sowohl Farbkonstanz erreicht als auch unsere Empfindung bei Farbassimilationstäuschungen nachahmen kann
Untersuchung optischer Phänomene und des Einflusses stratosphärischer Aerosole auf Satellitenmessungen mithilfe von Strahlungstransfersimulationen
Full text linkOptische Phänomene der Erdatmosphäre faszinieren seit Jahrhunderten Beobachter und Wis-
senschaftler gleichermaßen. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der
theoretischen Untersuchung des Phänomens des grünen Bandes sowie des blauen Himmels.
Das Phänomen des grünen Bandes, welches während des Sonnenuntergangs und der anschlie-
ßenden Dämmerung zwischen dem orange-roten Horizont und dem darüber liegenden blauen
Himmel beobachtet werden kann, ist in der Literatur kaum beschrieben und untersucht. Ziel der
folgenden Untersuchung ist die Herausstellung potentieller Parameter und Prozesse, die einen
möglichen Einfluss auf das grüne Band haben. Dazu wurde das Strahlungstransfermodell SCIA-
TRAN und für die anschließende Farbmodellierung das CIE XYZ Farbsystem verwendet. Die
Simulationen konnten zeigen, dass es genau die richtigen Intensitäten im blauen, grünen und
langwelligen Teil des sichtbaren Spektralbereichs benötigt, damit die grüne Farbe erscheint.
Darüber hinaus besitzt die Ozonabsorption in den Chappuis-Banden den größten Einfluss aller
analysierten Parameter und Prozesse.
Eine häufig genannte Erklärung für die blaue Farbe des Himmels ist die Rayleigh-Streuung,
was jedoch nicht ganz korrekt ist. Im Jahr 1953 konnte Edward Hulburt zeigen, dass die blaue
Farbe des Zenits bei Sonnenuntergang zu 1/3 auf die Rayleigh-Streuung und zu 2/3 auf die
Ozonabsorption in den Chappuisbanden zurückzuführen ist. Ziel der nachfolgenden Untersu-
chung ist die quantitative Bestimmung des Ozonbeitrags zur blauen Farbe des Himmels für ver-
schiedene Beobachtungsgeometrien mithilfe einer neuen quantitativen Methode unter Verwen-
dung des Strahlungstransfermodells SCIATRAN und des CIE XYZ Farbsystems. Die Berech-
nungen für eine am Horizont stehende Sonne bestätigen Hulburts Abschätzungen mit sehr guter
Übereinstimmung. Außerdem konnten die Simulationen veranschaulichen, dass der Ozonbei-
trag zur blauen Farbe des Himmels mit zunehmendem Sonnenzenitwinkel, Beobachtungszenit-
winkel und zunehmender Gesamtozonsäule steigt. Mehr stratosphärische Aerosole reduzieren
den Ozonbeitrag im und in der Nähe des Zenits. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Ozon
auch außerhalb der Zenitgeometrie und einer am Horizont stehenden Sonne einen Beitrag zur
blauen Farbe des Himmels besitzt.
Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Fä-
higkeit von Satellitenokkultationsinstrumenten zur Überwachung möglicher Geoengineering-
Experimente. Eine Idee im Bereich des Solar Radiation Management ist die Injektion zum Beispiel von Schwefeldioxid in die Stratosphäre, wo sich dann Sulfataerosole bilden, die einen Teil
der einfallenden kurzwelligen Strahlung in den Weltraum zurückstreuen. Konkret beschäftigt
sich der zweite Teil der Arbeit mit der Frage, ob es möglich ist, mit den derzeit aktiven Satelli-
tenokkultationsinstrumenten, stratosphärische Sulfataerosole, gebildet aus kontinuierlich in die
Stratosphäre injizierten kleinen Schwefelmengen von 1 und 2 Tg S/y (Schwefel pro Jahr), als
Geoengineering-Signal nachzuweisen. Beide Teile der Arbeit verbindet die Verwendung eines
Strahlungstransfermodells, hier SCIATRAN. Dazu wurde ergänzend der nicht frei verfügbare
Retrievalalgorithmus in SCIATRAN verwendet. Zudem wurden Modellsimulationen des atmo-
sphärischen Zirkulationsmodells MAECHAM5-HAM herangezogen. Die Ergebnisse zeigen,
dass unter Berücksichtigung der natürlichen Variabilität und einer Gesamtfehlerabschätzung,
die aus kontinuierlichen Emissionen von 1 und 2 Tg S/y gebildeten stratosphärischen Sulfatae-
rosole im Januar und Juli der quasi-stationären Phase (hier: Die Aerosolextinktionskoeffizienten
ändern sich lediglich mit der Strömung bzw. Jahreszeit, befinden sich also etwa im Gleichge-
wicht) detektiert werden können, was für den ersten Monat der zweijährigen Anfangsphase und
1 Tg S/y nicht geschlussfolgert werden kann
Überführung des klinischen Datenbestandes des Datenintegrationszentrums Greifswald in eine Graphdatenbank – Eignungsuntersuchung und Umsetzung
Full text linkIm Rahmen der 2015 ins Leben gerufenen Medizininformatik-Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung sollten die Möglichkeiten der zunehmenden Digitalisierung für die medizinische Forschung und Patientenversorgung nutzbar gemacht werden. Als ein Baustein dieser Bestrebungen entstanden in der Folge an den Standorten der Universitätskliniken Deutschlands Datenintegrationszentren (DIZ), in denen klinische Daten aus den unterschiedlichen Quell-Systemen der Kliniken des jeweiligen Standortes zusammengeführt wurden, um sie so der medizinischen Forschung für Datenanalysen zur Verfügung zu stellen.
Die Speicherung und Bereitstellung der Daten des DIZ Greifswald erfolgt bisher unter Nutzung relationaler Datenbanken, was für Forschende verschiedene Erschwernisse und Einschränkungen hinsichtlich der Datenabfrage und -analyse mit sich bringen kann: Beispielsweise gestaltet sich die Abfrage einer relationalen Datenbank mittels Abfragesprache für ungeübte Anwender kompliziert und komplexe Zusammenhänge zwischen verschiedenen Daten lassen sich nur unter großem Aufwand berechnen und erkennen. Graphdatenbanken hingegen nutzen einen anderen Ansatz zur Speicherung und Ausgabe von Daten -- statt in Tabellen erfolgen Speicherung und Darstellung in Form von Graphen. Letztere können visuell ausgegeben werden, was die Datenexploration und -Interpretation erleichtern kann. Eine Bereitstellung des klinischen Datensatzes des DIZ Greifswald in einer Graphdatenbank könnte daher der Wissenschaft neue Blickwinkel auf die vorhandenen Daten und deren Zusammenhänge ermöglichen sowie dazu beitragen, den Datensatz auch für informationstechnisch weniger geübte Anwender leichter zugänglich zu machen. Auf diesem Wege könnte ein Beitrag dazu geleistet werden, die Entstehung und Therapie von Krankheiten besser zu verstehen und die Patientenversorgung zu verbessern.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den derzeit in Form von relationalen Datenbanken gespeicherten klinischen Datenbestand des DIZ Greifswald auf seine Eignung für eine Transformation in eine Graphstruktur zu analysieren. Hierfür mussten zum einen derzeit vorhandene Datenbanken und Schnittstellen technisch analysiert werden. Zum anderen waren die Daten auch unter medizinischen Gesichtspunkten bezüglich ihres Potentials zur Darstellung mittels Graphen zu überprüfen. Daran anschließend sollte ein Prozess für die Überführung der zuvor als geeignet identifizierten Daten in eine Graphdatenbank entwickelt und umgesetzt werden. Schließlich war über das Aufzeigen von Anwendungsfällen zu ermitteln, ob die Bereitstellung der Daten über eine Graphdatenbank medizinisch Forschenden die erhofften Vorteile bringen kann.
Nach eingehender Analyse der Architektur und der Schnittstellen des DIZ Greifswald konnten die klinischen Daten des Forschungsrepositorys zunächst mittels der eigens entwickelten Explorations-Software fhir-inspect komfortabel und übersichtlich untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Daten vielfältig untereinander verknüpft waren und medizinische Daten von hohem wissenschaftlichen Wert enthielten. Eine Überführung des Datenbestandes in eine Graphdatenbank versprach zahlreiche Analysemöglichkeiten auch für Forschende mit weniger IT-Erfahrung.
Im Anschluss erfolgte die Entwicklung eines Konzepts für einen Prozess, der die zur Verfügung stehenden Daten in eine benutzerfreundliche Graphstuktur transformieren und in einer Graphdatenbank ablegen konnte. Dieser Prozess wurde daraufhin in der eigens entwickelten Software fhir2neo4j implementiert. Mittels fhir2neo4j wurde der Datenbestand des DIZ Greifswald anschließend erstmals erfolgreich in eine Graphstruktur überführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Ursprungsdaten in eine komplex verknüpfte Graphstruktur transformiert wurden und der so entstandene Graph Zusammenhänge zwischen den Daten intuitiv erfassbar aufzeigen kann.
Anhand von Anwendungsfällen wurde schließlich dargestellt, dass der so entstandene medizinische Datensatz vielfältiges Potential zur Datenexploration und -Analyse bietet und die visuelle Präsentation der Ergebnisse als Graph einen großen Mehrwert gegenüber tabellarischen Darstellungen aufweist. Im Vergleich zur bisherigen Abbildung des klinischen Datensatzes in einer relationalen Datenbank ermöglicht die im Ergebnis der vorliegenden Arbeit erzeugte Graphstruktur erleichterte Analysen und Abfragen auch zu komplexen Fragestellungen. Die Möglichkeit der Darstellung von Abfrageergebnissen als Graph eröffnet neue Wege, Zusammenhänge zwischen klinischen Daten intuitiv zu erfassen. Der konzipierte Überführungs-Prozess und die Software fhir2neo4j haben das Potential, medizinisch Forschenden neue Blicke auf große klinische Datenbestände zu ermöglichen und somit zur Grundlage für vielfältige wissenschaftliche Erkenntnisse und die Verbesserung der Patientenversorgung beizutragen
An der Grenze. Produktive Alteritätserfahrung in der deutschen und dänischen Malerei um und nach 1864
Full text linkDie Dissertation untersucht das Wirken der vier Künstler*innen Charlotte von Krogh (1827–1913), Peter Alfred Schou (1844–1914), Jens Birkholm (1869–1915) und Käte Lassen (1880–1956), die trotz nationalpolitischen Konflikten wie der Schleswig-Holsteinischen Erhebung von 1848 und des Deutsch-Dänischen Krieges von 1864 weiterhin einen kulturellen Austausch zwischen Dänemark und Deutschland pflegten. Die Künstler*innen spiegeln ihre Erfahrungen als Grenzgänger*innen in ihren Gemälden wider und überschritten dabei sowohl geografische als auch gesellschaftliche Grenzen, etwa in Bezug auf Nationalität, Gender und soziale Hierarchien. Oftmals zeigen ihre Werke ein Bewusstsein für Grenzen und Peripherien und fordern bestehende Wahrnehmungen heraus. Ein zentrales Ziel der Arbeit ist es, die künstlerische Grenzgängerschaft vergleichend zu analysieren und die Alteritätserfahrungen der Künstler*innen als kreative und produktive Faktoren zu identifizieren. Dabei wird untersucht, wie die Maler*innen das „Andere“ in ihrer Kunst verarbeiteten und ästhetische Differenz als Mittel zur Darstellung gesellschaftlicher und kultureller Komplexität nutzten. Ihre Arbeiten verdeutlichen, dass die Begegnung mit dem Fremden nicht nur die Wahrnehmung des „Anderen“ veränderte, sondern auch ihre eigene Identität prägte. Zusammenfassend zeigen die Werke der vier Grenzgänger*innen die Möglichkeit eines Selbstentwurfs jenseits nationaler Stereotype und Zugehörigkeiten auf und hinterfragen das Bild einer dänisch-deutschen Beziehung als Feindschaft. Stattdessen werden die integrativen Auswirkungen interkultureller Begegnungen und der positive Einfluss des Austauschs zwischen verschiedenen Kulturen und Nationen verdeutlicht
Investigation of Marine Carbohydrate-Active Enzymes and Their Potential for Algal Biomass Processing
Full text linkThis thesis is structured around five studies that contribute to the understanding of marine polysaccharide degradation and the potential application of bacterial enzymes for the biotechnological utilization of marine xylans. The first article (Article I) addresses the identification of carbohydrate transport proteins in the marine Gammaproteobacterium Pseudoalteromonas distincta, which were so far exclusively found in the Bacteroidota phylum. In three further articles, we investigated enzymes from Flavimarina sp. deriving from two distinct polysaccharide utilization loci (PULs) of the same strain. We could show that both xylan PULs differ in their substrate specificity (Article II), targeting xylans with variable side chains. The esterases of both PULs were further investigated. While the characterization of the multimodular esterases Fl6, Fll1 and Fll4 revealed unique features and potential affiliation to new carbohydrate esterase (CE) families (Article III), the enzyme Fl8CE20_II could be identified as a member of the CE20 family which has not been described in detail so far. We elucidated the crystal structure of two members of the CE20 family and identified a novel active site architecture, which we termed the “water-mediated” triad (Article IV). Finally, two
glycoside hydrolases (GH) from Formosa sp. Hel3_A1_48 were characterized and utilized to degrade xylan from the red algae Palmaria palmata. We could show that a one-step enzymatic hydrolysis of raw biomass enables the production of large amounts of xylooligosaccharides (XOS), the exact structure of which we could solve using NMR spectroscopy and MS/MS analyses (Article V)