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Auswahl und Erprobung einer Quiz-App als zukunftsträchtige E-Learning-Komponente
Get PDFIn der tiermedizinischen Lehre stellt die Vermittlung von Fachbegriffen und Faktenwissen einen wesentlichen Schwerpunkt dar. Nachdem es bereits eine Vielzahl an E-LearningAngeboten an der Tiermedizinischen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München gibt, soll durch die Bereitstellung einer Quiz App ein Ausbau der mobil einsetzbaren Lernangebote erfolgen.
Im ersten Teil der Arbeit sollte die Auswahl eines passenden Quiz Tools erfolgen, während im zweiten Teil eine Erprobung dieser Lernmöglichkeit stattfand. Die Auswahl des am besten geeigneten Quiz Tools erfolgte über die Erstellung und Anwendung eines Kriterienkatalogs. Zu Beginn wurden 37 Quiz Tools anhand von Hauptkriterien bewertet. Keines der Tools konnte dabei alle Kriterien erfüllen. Zwei weitestgehend geeignete Quiz Tools wurden im Anschluss getestet und anhand von Nebenkriterien beurteilt. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgte die Erprobung und Analyse des Quiz Tools. Den Studierenden der Kurse Zoologie, Berufsrecht und Immunologie wurden dafür Quiz mit einem Umfang von 40 bis 101 Quizfragen zur Verfügung gestellt. Im Kurs Immunologie erfolgte zusätzlich die Bereitstellung von Karteikarten und die Durchführung eines Live Quiz. Evaluationen der Quiz App, bildeten zusammen mit den Statistiken des Quiz Tools, die Grundlage für die Beurteilung der Quiz App als Lernangebot.
Bei der Analyse der Quiz Tools zeigt sich, dass keines der vielen Angebote alle Anforderungen des Kriterienkatalogs erfüllt. Insbesondere der Funktionsumfang der Quiz Tools entsprach nur in vier Fällen den Erwartungen. Dennoch konnte eine Quizlösung gefunden werden, die sich gut für den Einsatz an der Tiermedizinischen Fakultät eignete. Im Anschluss an die drei Kurse, in denen die Quiz App eingesetzt wurde, erfolgten Evaluationen, an denen in Summe 377 Studierende teilnahmen. Die Gesamtbewertung der App durch die Studierenden zeigt, dass 94-98 % die QuizAcademy App positiv bewerten. Sie wurde in vergleichbarem Maß sowohl zur Kursbegleitung als auch zur Vorbereitung auf die Klausur eingesetzt. Die Rückmeldungen der Studierenden machen deutlich, dass ein Quiz ungefähr 100 Fragen enthalten sollte, während bei den Karteikarten 30 Stück als passend empfunden werden. Die Evaluationsergebnisse zeigen außerdem, dass das mobile Lernangebot von 90 % der Studierenden zuhause verwendet wird, während es von 42 % in der Universität und von 35 % unterwegs genutzt wird. Der niedrigschwellige Zugang ermöglicht eine hohe Lerneffizienz durch verteilte Lerneinheiten. Lernalgorithmen der QuizAcademy App unterstützen ebenfalls evidenzbasiertes Lernen. Die Quiz App gibt den Studierenden zudem Orientierung für das Setzen ihrer Lernschwerpunkte und Feedback zu ihrem Wissensstand. Identifizierte Wissenslücken können auf diese Weise bis zur Klausur gezielt geschlossen werden. Für die Zukunft wünschen sich 52 % der Studierenden die Quiz App für Fächer, die im Multiple Choice Format geprüft werden, während 36 % der Studierenden sie gern für alle Fächer hätten. Von den Studierenden, die bereits Karteikarten zum Lernen verwenden, würde die Hälfte gerne auf die qualifizierten Karteikarten der Quiz App umsteigen. Die Ergebnisse können darüber hinaus belegen, dass 73 % der betroffenen Studierenden durch die Verwendung der Quiz App ihre Prüfungsangst mindern konnten. Die Statistiken des Quiz Tools zeigen neben einer deutlichen Reduzierung des Fehlerquotienten, wann und wie häufig auf die Quiz App zugegriffen wurde. Erwartungsgemäß nahm der Zugriff kurz vor der Klausur bedeutend zu. Dieses, eher unvorteilhafte Lernverhalten, konnte durch die verteilte Bereitstellung der Quizfragen und Karteikarten etwas verbessert werden.
Die sehr hohe Akzeptanz seitens der Studierenden und der hohe Lerneffekt insbesondere bei Faktenwissen, sprechen klar für einen weiteren Einsatz in der Tiermedizinischen Lehre. Der initiale Aufwand für die Erstellung der Quizfragen und Karteikarten stellt zwar eine gewisse Hürde dar, durch die Wiederverwendbarkeit der Kursinhalte kann dieser Aufwand jedoch deutlich reduziert werden. Die Integration von Kurzantworten und weiteren GamificationElementen könnte den Lerneffekt zudem weiter erhöhen. Insbesondere die Kombination aus Quizfragen und Karteikarten stellt somit eine wertvolle ergänzende Lernmöglichkeit dar, die begleitend zu etablierten Lehrmethoden, vor allem für das Faktenlernen erfolgreich eingesetzt werden kann.In veterinary teaching, the teaching of technical terms and factual knowledge represents an essential focus. Since there are already a large number of e-learning offers at the Veterinary Faculty of the Ludwig-Maximilians-University in Munich, the provision of a quiz app is intended to expand the mobile learning offers.
In the first part of the work, a suitable quiz tool should be selected, while in the second part, a testing of this learning opportunity took place. The selection of the most suitable quiz tool was done by creating and applying a criteria catalog. At the beginning, 37 quiz tools were evaluated based on main criteria. None of the tools was able to meet all the criteria. Two largely suitable quiz tools were then tested and assessed using secondary criteria. In the second part of the work, the testing and analysis of the quiz tool took place. The students of the zoology, professional law and immunology courses were provided with quizzes ranging from 40 to 101 questions. In the Immunology course, additional flashcards were provided and a live quiz was conducted. Evaluations of the quiz app, together with the statistics of the quiz tool, formed the basis for the assessment of the quiz app as a learning offer.
The analysis of the quiz tools shows that none of the many offers fulfills all the requirements of the criteria catalog. In particular, the functional scope of the quiz tools only met expectations in four cases. Nevertheless, a quiz solution was found that was well suited for use at the Faculty of Veterinary Medicine. Following the three courses in which the quiz app was used, evaluations were conducted in which a total of 377 students participated. The overall rating of the app by the students shows that 94-98% rate the QuizAcademy app positively. It was used to a comparable extent both to accompany the course and to prepare for the exam. Student feedback makes it clear that a quiz should contain approximately 100 questions, while 30 is felt to be appropriate for flashcards. The evaluation results also show that the mobile learning offer is used by 90% of the students at home, while it is used by 42% at the university and by 35% on the go. The low-threshold access enables high learning efficiency through distributed learning units. Learning algorithms in the QuizAcademy app also support evidence-based learning. The quiz app also provides students with guidance for setting their learning focus and feedback on their knowledge level. In this way, identified gaps in knowledge can be closed in a targeted manner before the exam. For the future, 52% of students would like the quiz app for courses that are examined in multiple choice format, while 36% of students would like it for all courses. Of the students who already use flashcards to study, half would like to switch to the qualified flashcards in the quiz app. The results also show that 73% of the affected students were able to reduce their exam anxiety by using the quiz app. In addition to a significant reduction in the error quotient, the statistics of the quiz tool show when and how often the quiz app was accessed. As expected, access increased significantly shortly before the exam. This, rather unfavorable learning behavior, could be somewhat improved by the distributed provision of the quiz questions and flash cards.
The very high acceptance on the part of the students and the high learning effect, especially with factual knowledge, speak clearly for a further use in the veterinary medicine teachings. The initial effort for the creation of the quiz questions and flash cards represents a certain hurdle, but through the reusability of the course content, this effort can be significantly reduced. The integration of short answers and gamification elements could also further increase the learning effect. In particular, the combination of quizzes and flashcards represents a valuable supplementary learning opportunity that can be successfully used in conjunction with established teaching methods, especially for factual learning
Horizontal material transfer from healthy to mutant photoreceptors after partial rescue in a retinitis pigmentosa mouse model
Get PDFValidierungsstudie zur Differentialdiagonstik von bakterieller Arthritis und Gicht-Arthritis aus Einzelparametern im Gelenkspunktat
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Culture, feedback, and gender in education
Get PDFThis dissertation consists of four distinct empirical essays that address various aspects of the economics of education. Chapters 2 and 3 show that patience and risk-taking as intertemporal preferences are closely related to differences in student achievement across and within countries. Chapter 3 hereby employs novel machine-learning methods to derive intertemporal preference measures from Facebook data. Using a field experiment among university students, chapter 4 shows that the ordering in which positive and negative performance feedback is provided, matters for study motivation and to some extent also exam performance. Finally, chapter 5 presents new insights to gender gaps in adult cognitive skills, showing that they are highly related to wages, especially at the top of the wage distribution.Diese Dissertation besteht aus vier eigenständigen empirischen Aufsätzen, die verschiedene Aspekte der Bildungsökonomie behandeln. In den Kapiteln 2 und 3 wird gezeigt, dass Geduld und Risikobereitschaft als intertemporale Präferenzen in engem Zusammenhang mit Unterschieden in den Schülerleistungen zwischen und innerhalb von Ländern stehen. In Kapitel 3 werden neue Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt, um intertemporale Präferenzmaße aus Facebook-Daten abzuleiten. Anhand eines Feldexperiments unter Universitätsstudierenden zeigt Kapitel 4, dass die Reihenfolge, in der positives und negatives Leistungsfeedback gegeben wird, für die Lernmotivation und bis zu einem gewissen Grad auch für die Prüfungsleistungen von Bedeutung ist. Abschließend werden in Kapitel 5 neue Erkenntnisse über die geschlechtsspezifischen Unterschiede bei den kognitiven Fähigkeiten von Erwachsenen vorgestellt, wobei gezeigt wird, dass diese in hohem Maße mit den Löhnen zusammenhängen, insbesondere an der Spitze der Lohnverteilung
Einfluss hämodynamischer Parameter auf das Überleben nach interventioneller Trikuspidalklappenrekonstruktion bei Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz
Get PDFDie Trikuspidalklappeninsuffizienz (TI) ist ein häufiges Klappenvitium, deren Prävalenz mit zunehmendem Alter steigt und mit einer erhöhten Mortalität einhergeht. Medikamentöse Behandlungsmöglichkei¬ten stellen nur eine unspezifische Therapie dar, wohingegen eine chirurgische Therapie nur selten durchgeführt wird. Momentan befinden sich interventionelle Therapiemöglichkeiten noch in der klinischen Testung, jedoch zeigten sich im Rahmen von kathetergesteuerten Interventionen sowohl eine hohe Sicherheit als auch eine postinterventionelle Verbesserung der Symptomatik. Bezüglich der hämodynamischen Prädiktoren für den Erfolg und die Mortalität nach einer Intervention liegen jedoch zum jetzigen Zeitpunkt nur wenige Daten vor.
Die vorliegende Studie analysiert die Auswirkungen von echokardiographisch und invasiv bestimmten hämodynamischen Parametern auf das Überleben nach einer kathetergesteuerten, Segel-basierten Trikuspidalklappenrekonstruktion (TTVR). Hierdurch sollen belastbare Prädiktoren identifiziert werden, die künftig bei der Indikationsstellung zur TTVR herangezogen werden können.
Insgesamt wurden in diese internationale und multizentrische Studie 236 Patienten eingeschlossen, bei denen eine isolierte TTVR durchgeführt wurde. Hierbei wurden präinterventionell sowohl die klinischen Patienteneigenschaften als auch Untersuchungsergebnisse aus Echokardiographie und einem Rechtsherzkatheter (RHK) betrachtet. Im Rahmen von Nachuntersuchungen erfolgten erneute klinische und echokardiographische Beurteilungen des Behandlungserfolges. Mögliche Prädiktoren für das Überleben nach TTVR wurden anhand einer Cox-Regressionsanalyse bestimmt und anschließend konnten durch die Kombination von Prädiktoren Patientengruppen mit verschiedenen, hämodynamischen Risikoprofilen gebildet werden. Außerdem erfolgte eine Validierung des echokardiographisch bestimmten systolischen pulmonalarteriellen Drucks (sPAP) durch die invasiv gewonnen Ergebnisse des RHK. Als Endpunkt diente das 1-Jahres-Überleben nach TTVR.
In den Voruntersuchungen zeigten alle Patienten (medianes Alter 78 Jahre, 53% weiblich) eine schwergradige TI, durch die TTVR konnte der Schweregrad signifikant gesenkt werden, sodass bei 93% der Patienten eine Verbesserung um mindestens einen Schweregrad erzielt wurde. Damit einhergehend zeigte sich im Verlauf bei 64% der behandelten Patienten eine Verbesserung der körperlichen Belastbarkeit um mindestens eine New York Heart Association (NYHA) Klasse. Des Weiteren wurde eine signifikante Reduktion der „v“-Welle im rechten Vorhof festgestellt, welche im Median 20% betrug. Entsprechend wurde die mediane „v“-Welle von 21 mmHg präinterventionell auf 16 mmHg postinterventionell gesenkt. Es bestand eine signifikante Korrelation zwischen dem echokardiographisch und dem invasiv bestimmten sPAP, jedoch fielen im Vergleich die echokardiographischen Werte signifikant niedriger aus, sodass eine pulmonale Hypertonie (PH) bei Patienten mit TI häufig übersehen wurde. Als statistisch signifikante Prädiktoren für die 1-Jahres-Mortalität nach TTVR konnten der pulmonalarterielle Druck, der transpulmonale Gradient (TPG), der pulmonalvenöse Widerstand (PVR) und die rechtsventrikuläre Schlagarbeit (RVSW) identifiziert werden (p < 0,05). Eine Unterteilung der Patienten anhand einer Kombination aus dem mittleren pulmonalarteriellen Druck (mPAP) und TPG ergab eine weiterführende Beurteilung der hämodynamischen Situation und eine Einteilung der Patienten in Gruppen ohne PH, mit vorwiegend postkapillärer PH und mit vorwiegend präkapillärer PH. Diese Einteilung ermöglichte die beste Vorhersage bezüglich des Überlebens nach TTVR, wobei sich eine präkapilläre PH als ungünstig präsentierte (1-Jahres-Überleben nur 36%). Die Prognose bei Patienten ohne PH oder mit postkapillärer PH war hingegen gut und das 1-Jahres-Überleben betrug 92% beziehungsweise 78%
Evaluation of cyclic dinucleotides and their prodrugs in biochemical and cellular assays
Get PDFThe innate immune pathways gained more importance since the discovery of the extended role of type I interferons. Type I interferons are produced primarily upon viral and bacterial invasions and function by inducing immune responses. As a result, innate and adaptive immune cells are differentiated, activated and recruited to the pathogen-invaded cells for destruction. Type I interferons are also produced by cancer cells and immune cells regulating the cancer immunity cycle. The cGAS-STING pathway is one of the key pathways resulting in type I interferon mediated immune response.
The cGAS-STING pathway is activated by double-stranded DNA (dsDNA) leaking into the cytosol. When cGAS (cytosolic-Guanosine-Adenosine-Synthase) binds to dsDNA, ATP and a GTP are utilised for the production of cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate (cGAMP). cGAMP binds to STING (Stimulator of Interferon Genes), initiating a signalling cascade. The high rate of chromosomal instabilities in cancer cells as well as the instability of genetic material in aged cells are reasons for dsDNA to leak out from the nucleus and localise in the cytosol. Hence, the cGAS-STING pathway is activated and immune cells are recruited to the site of danger. In recent years, targeting the cGAS STING pathway has been an emerging strategy for drug discovery and led to the development of cGAMP analogues.
The group of Carell has designed and synthesised cyclic dinucleotides as STING agonists. In the first part of this thesis, the cyclic dinucleotides and their developed prodrugs were evaluated using cellular and biochemical assays. Their rate of inducing type I interferon production was monitored in THP 1 monocytic cells. Their effective concentration 50 (EC50) were measured and promising cGAMP analogues were tested for their stability against currently known cGAMP degrading enzymes. Two compounds, the 2’,3’-dideoxy-cGAMP and 2’,3’-dideoxy-cAAMP, were identified to be stable against poxins, which are viral enzymes from the poxvirus family. Two prodrugs of 2’,3’-dideoxy-cAAMP were synthetically developed by the group of Carell, one of them containing the SATE linkers, named PRO1, another one bearing an additional photocleavable group named PC-PRO1. These were also evaluated regarding their rate of type I interferon production. With an EC50 value of 49 nM, PRO1 shows a 1500-fold increase in interferon production in THP-1 monocytic cells compared to its precursor 2’,3’ dideoxy cAAMP and a 200-fold increase compared to natural cGAMP (2’,3’ cGAMP).
Overactivation of STING and overproduction of type I interferons is related to specific diseases, aging, and metastatic activity in cancers. Therefore, besides STING agonists, STING antagonists also carry a therapeutic potential. For the development of a STING antagonist, G. Ganazzoli from the Carell group used the PROTAC (Proteolysis Targeting Chimera) approach utilising 2’,3’-dideoxy-cGAMP as a STING recruiter. This compound named PROTAC1, was evaluated in the second part of this thesis for its ability to degrade STING in different time frames. The analysis was done on THP-1 monocytic cells and western blotting was used in which the degree of STING degradation was measured by the intensity of the STING-antibody bound bands. As an internal control, the CoxIV of each sample was targeted and their band intensities were used for normalisation of the STING signal. A successful degradation of STING in THP-1 monocytic cells was observed when 25-50 nM of PROTAC1 was applied to the cells for 16 hours.
In the published work in section 5 of this thesis, the chemical synthesis of a fluorescent cGAMP analogue, cthGAMP, was introduced. The successful entry of cthGAMP was observed in THP-1 monocytic cells with two-photon excitation microscopy. Interferon production was observed when cthGAMP was transfected in the THP-1 monocytic cells, providing proof of biological activity. This compound was suggested for assay development purposes concerning the cGAS-STING pathway, due to its scalability of its synthetic route and biological activity.
In the second research article presented in section 5, the supply mechanism of α-ketoglutarate to the dioxygenase TET3 by the metabolic enzyme Gdh was described in hippocampal neurons for the oxidation process of 5’ methylcytosine. The oxidation of 5’ methylcstosine to 5’ hydroxymethylcytosine was observed upon Gdh localisation in the nucleus together with TET3. A functional Gdh was required for this conversion in activated hippocampal neurons. In this study, HEK293 cells were used for expression and co-expression of natural and modified enzymes, which were used for immunocytochemistry experiments. Hippocampus slices from mice were used for neural activation, immunohistochemistry and proximity ligation assays. Observations were made by confocal microscopy, whereas quantification of 5’ methylcytosine and its oxidation products were done by UHPLC-QQQ-MS
Exploring the capabilities of landsat soil reflectance composites for soil organic carbon estimation and monitoring of topsoil croplands in Bavaria, Germany
Get PDFMit dem Start des Satelliten Landsat-4 TM am 16. Juli 1982 wurde der Beginn einer langen Ära der Erhebung optischer Satellitenbildinformationen eingeläutet. Die bis heute regelmäßig ergänzte U.S. amerikanische Landsat Satellitenfamilie stellt insbesondere durch die Archivöffnung der Bilddaten im Jahr 2008 ein bisher konkurrenzloses Erdbeobachtungsprogramm für retrospektive, wiederkehrende sowie aktuelle Analysen der globalen Erdoberfläche dar. Unver-gleichlich sind dabei die hohe räumliche und zeitliche Abdeckung der zur Verfügung stehenden Daten. In vielen Umweltdisziplinen zur Erforschung von Ökosystemen oder forstwirtschaftlicher, landwirtschaftlicher und urbaner Flächen kommen die Daten der Satelliten seit Jahrzehnten erfolgreich zum Einsatz. Auch in der Geologie und der Bodenkunde sind die gemessenen Spektralinformationen ein zentrales Analyseelement, um beispielsweise Folgen von Erosion, Klimawandel oder Landnutzungsänderungen zu erfassen und zu quantifizieren.
Vor allem die Ressource Boden charakterisiert für viele Lebensräume eine wichtige Grundlage. Durch Ökosystemleistungen ermöglicht diese Leben und Überleben auf der Erde. Die Tatsache, dass Böden den größten terrestrischen Kohlenstoffspeicher darstellen, verdeutlicht dabei die Relevanz der Geosphäre. Beispielsweise kann durch aktive Kohlenstoffbindung in landwirtschaftlichen Böden eine Minderung der Treibhausgasemissionen erreicht werden, um somit einen wertvollen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. In den vergangenen Jahren gab es zahlreiche nationale und internationale Bestrebungen und Aktivitäten, die Bedeutung des Bodens hervorzuheben und eine nachhaltige Nutzung der Ressource zu realisieren. Aktuell wird in den von den Vereinten Nationen definierten Sustainable Development Goals (SDG) explizit der Schutz sowie der nachhaltige Umgang mit Böden adressiert. Vor allem der organische Kohlenstoffgehalt (Corg) in landwirtschaftlichen Flächen stellt einen wesentlichen Parameter zur Beurteilung gesunder, nachhaltig genutzter Böden dar. Kenntnisse über den Corg-Gehalt sind höchst relevant und lassen unter anderem Aussagen über Ernteerträge oder die Erosionsanfälligkeit zu. Ein ausreichend hoher Corg-Gehalt ist deshalb Kernelement diverser politischer Reglementierungen. Um den zahlreichen (politischen) Anforderungen gerecht zu werden, bedarf es hochaufgelöster und flächenscharfer Informationen, die auch ein (rückblickendes) Verständnis von Bodenparametern ermöglichen. Aktuelle Bodenkarten und Datenbanken sind allerdings zeitlich und räumlich zu limitiert, um eine nachhaltige Nutzung der Ressource Boden zu dokumentieren und den formulierten Zielen gerecht zu werden. Traditionelle Methoden zur Bodenkartierung sind mit einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden.
Die optische Erdbeobachtung liefert Techniken und Auswertungsverfahren, diesen zeitlichen und räumlichen Limitierungen zu begegnen. Als sog. Mapping Mission, ermöglichen die Landsat Satelliten mit deren seit mehr als 40 Jahren erhobenen Daten dabei großflächige und wiederkehrende Beobachtungen und Analysen. Zudem sind durch die hohe Pixelauflösung (30 m) Analysen auf Schlagebene möglich. Die Bilddaten bieten so die Möglichkeit der Erfassung und des Monitorings von Oberböden landwirtschaftlicher Flächen und können helfen, die zeitliche und räumliche Dimensionen bestehender Datenbanken zu optimieren. Für verschiedene Regionen konnten bereits diverse Bodenparameter erfolgreich mit validen Genauigkeiten modelliert werden. Auch die Anwendung von Landsat Daten zur Abschätzung von Corg-Gehalten wurde gezeigt. Eine Limitierung der Anwendung optischer Erdbeobachtungsdaten stellt die Tatsache dar, dass ausschließlich Böden, die bei einem Überflug unbedeckt und vegetationslos sind, analysiert werden können. In Deutschland sind dies hauptsächlich ackerbaulich genutzte Flächen. Um die Satellitenbilddaten in Wert setzen zu können, müssen zunächst unbedeckte Böden ermittelt und von anderen Landbedeckungsarten separiert werden. Der Zeitraum, in dem ein Schlag unbedeckt ist, kann allerdings durch die regionale Fruchtfolge variieren und teilweise sehr kurz sein. Sog. Komposittechniken multispektraler Bilddaten stellen eine Alternative zur Nutzung singulärer Aufnahmen dar und bieten die Möglichkeit, die Limitierung durch Vegetations-bedeckung zu überbrücken. Erste Studien haben bereits die Anwendbarkeit einer derart optimierten Datenquelle in Hinblick auf die Ableitung von Bodenparametern gezeigt. Sog. Bodenreflektanzkomposite (engl. surface reflectance composite, SRC), welche mittels der Komposittechniken generiert werden, werden dabei mit Feldproben verknüpft, um Aussagen über Oberbodenparameter zu treffen. Allerdings sind zahlreiche Fragen bezüglich einer Verwendung solcher auf Landsat-Daten basierten SRCs zur Erfassung von Bodenparametern und vor allem zur Analyse von (rückblickenden) Veränderungen derzeit noch unbeantwortet.
Diese Dissertation umfasst Aktivitäten zur Exploration der Möglichkeiten zur Ableitung und des (retrospektiven) Monitorings von Oberbodeninformationen ackerbaulich genutzter Flächen aus SRCs, generiert mittels langjähriger Landsat-Daten. Zur Abschätzung des Potentials wurde das Bundesland Bayern in Deutschland als Testgebiet gewählt, da hier neben Expertenwissen eine umfangreiche Bodendatenbank zur Verfügung steht. Der Fokus liegt auf der Ableitung des Corg-Gehalts. Verwendet werden mehrjährige SRCs, die mittels des sog. Soil Composite Mapping Processors (SCMaP) generiert wurden.
Zu Beginn wurde die Notwendigkeit der Überarbeitung des Schwellwertverfahrens, welches einen essentiellen Teil der SCMaP Methodik darstellt und der Ableitung unbedeckter Böden dient, identifiziert. Vor allem für überregionale Analysen ist ein standardisiertes Verfahren, welches hier auf dem Verhalten verschiedener Landbedeckungsklassen beruht, essentiell für eine erfolgreiche Separierung unbedeckter Böden von anderen Oberflächen. Die Ableitung der Grenzwerte basierend auf überregionalen bio-geographischen Räumen zeigte sich dabei als der beste Ansatz. Auch eine Validierung der räumlichen und zeitlichen Verteilung unbedeckter Böden wurde durchgeführt, um das Verständnis der Datengrundlage für aufbauende Bodenparameter-modellierungen zu maximieren.
Bei einer anschließenden Studie zur Beurteilung der Anwendbarkeit eines 30-jährigen SRCs zur Ableitung von Corg-Gehalten von Ackeroberböden in Bayern wurde dieses mit zahlreichen Feldproben verknüpft. Algorithmen des maschinellen Lernens (Multiple Linear Regression, Partial Least Square Regression und Random Forest Regression) wurden dabei miteinander verglichen, wobei sich der Einsatz des Random Forests als am besten geeignet herausstellte. Vor allem die Verschneidung von Bodenpunktdaten mit Fernerkundungspixeln, welche mehrere Meter Kantenlänge (Landsat: 30 m) besitzen, bedingen zahlreiche Quellen für Ungenauigkeiten. Hier wurde ein räumlicher/spektraler Filteransatz, welcher auf spektralen Beziehungen des Probenpixels und dessen Nachbarpixeln beruht, entwickelt, um heterogene Pixelcluster von der Corg Modellierung auszuschließen. Zudem bestätigte eine zusätzlich durchgeführte Validierung basierend auf einem externen unabhängigen Datensatz die hohe Genauigkeit des Modellierungs-ansatzes.
Da für eine Erfassung von Änderungen von Corg im Oberboden ein 30-jähriger Komposit-zeitraum eine zu lange Zeitspanne darstellen kann, wurden die im zweiten Teil gewonnenen Erkenntnisse durch weitere Analysen vertieft, inwieweit dieser Zeitraum minimiert werden kann. Obwohl nachgewiesen werden konnte, dass längere Zeiträume (10/15 Jahre) höhere Modellierungskapazitäten bieten, zeigte bereits ein fünf-jähriger Zeitraum ausreichend hohe Modellgenauigkeiten im Untersuchungsgebiet für wiederkehrende Analysen. Die Erstellung der SRCs basiert auf einem spektralen Vegetationsindex. Die Resultate dieser Arbeit zeigen, dass Indices im Vergleich zu einer saisonalen Vorauswahl an Szenen, welche in das SRC integriert werden, eine untergeordnete Rolle bezüglich der Modellierungskapazitäten von Corg spielen. Einen weiteren zentralen Aspekt stellt ein Vergleich der zeitlichen Auswahl unbedeckter Böden mit Daten, an denen das beobachtete Feld (wahrscheinlich) unbedeckt ist dar. Ein Vergleich der extrahierten Daten unbedeckter Böden mit Feldbeobachtungen und phänologischen Infor-mationen aus dem regionalen Feldfruchtkalender zeigte, dass der Großteil der ermittelten unbedeckten Böden in Zeiträumen lag, in denen der betrachtete Schlag vegetationslos und vom Satelliten sichtbar war. Auf Basis dieser Informationen wird eine Vorauswahl der Szenen basierend auf den phänologischen Informationen der im jeweiligen Gebiet angebauten Feldfrüchte geraten.
Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Dissertation zahlreiche Erkenntnisse für die Modellierungen des Corg-Gehalts in Ackeroberböden auf Basis multispektraler SRCs der Landsat Satellitenfamilie gewonnen werden. Die Ergebnisse liefern einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der großflächigen Anwendbarkeit satellitengestützter Erdbeobachtungsdaten zur Überwindung der räumlichen und zeitlichen Limitierungen herkömmlicher Bodenkartierungen und eines (retrospektiven) Monitorings von Corg.The launch of Landsat-4 TM satellite on July 16, 1982, marked the beginning of a long era of optical satellite imagery. The U.S. Landsat family, which has been regularly expanded, represents an unrivaled Earth Observation program for retrospective, recurrent and recent analyses of the Earth’s surface, especially due to the opening of the image data archive in 2008. The high spatial and temporal coverage of the freely accessible data is incomparable. For decades, Landsat data have been successfully used in many environmental disciplines to study ecosystems or forestry, agriculture and urban surfaces. Measured spectral information is a central element of analyses in geology and soil science, e.g., to detect and quantify soil erosion, impacts of climate change or land cover changes.
Soils are an essential resource for human subsidence, as they carry out a number of ecosystem services. The fact that soils represent the largest terrestrial carbon pool illustrates the relevance of the geosphere. Active carbon sequestration in agricultural soils can reduce greenhouse gas emissions and thus make a valuable contribution to climate protection. In recent years, there have been numerous national and international efforts and activities to highlight the importance of soils and to realize a sustainable use of the resource. Currently, the Sustainable Development Goals (SDG), defined by the United Nations, explicitly address the protection and sustainable use of soils. Above all, soil organic carbon (SOC) in croplands represents an essential parameter for assessing healthy sustainable used soils. Knowledge about SOC contents is highly relevant and allows conclusions about crop yields or erosion vulnerability. Therefore, sufficiently high SOC contents are a core element of various political regulations. In order to fulfil the numerous (political) requirements, high-resolution information is needed that also enables to capture the temporal development of soil parameters. However, current soil maps and databases are temporally and spatially limited to capture a sustainable use of the resource and to achieve the formulated goals. Traditional methods for soil mapping are associated with a high temporal and financial effort.
Optical Earth Observation (EO) is a valuable data source for area-wide soil mapping and monitoring purposes to distinguish patterns between or even within fields and to overcome the temporal and spatial limitations. As a long-term mapping mission, Landsat enables recurring observations and analyses. In addition, the high pixel resolution (30 m) supports analyses at field level. The image data thus offer the possibility of acquisition and monitoring of topsoil croplands and can help to optimize the temporal and spatial dimensions of existing databases. Various soil parameters have already been successfully modeled with valid accuracies for different regions (i.e., different climatic conditions, crop cycles, land management). The use of Landsat data to estimate SOC was also demonstrated. A limitation of the application of optical EO data is the fact that only soils which are exposed during the satellite overpass can be analyzed. In Germany, these are mainly cropland areas. In order to use the satellite imagery, uncovered soils must first be identified and separated from all other land cover types. However, the period during which a field is uncovered can vary due to regional crop rotation and can be limited to a short window of time. Soil compositing techniques of multispectral image data provide an alternative to the use of single scenes and offer the possibility to bridge the limitation due to vegetation cover. First studies have demonstrated the applicability of such an optimized data source for soil parameter estimation. Soil reflectance composites (SRC), which are generated by these compositing techniques, are linked with field samples to predict topsoil parameter information. However, numerous questions regarding the use of such Landsat based SRCs for the estimation of soil parameters and especially for analyzing (retrospective) changes are still unanswered.
The efforts in this dissertation comprise activities to explore the capabilities of deriving and (retrospectively) monitoring topsoil cropland SOC information from SRCs, generated with long-term Landsat data. To assess the potential, the Federal state of Bavaria in Germany was chosen as a test area, since an extensive soil database is available here in addition to expert knowledge. The focus is on the derivation of SOC contents. Therefore, multi-year SRCs, generated by the Soil Composite Mapping Processor (SCMaP) are used.
At first, the need to revise the index thresholding, which is an essential part of the SCMaP methodology as it is the baseline to separate soils from all other land cover classes, was identified. Especially for area-wide analyses, a standardized procedure, which in this case is based on the behavior of different land cover classes, is essential for successful separation of exposed soils from other surfaces. The derivation of thresholds based on bio-geographically classified regions was shown to be the best approach. Validation of the spatial and temporal distribution of exposed soils was also performed to maximize the understanding of the SCMaP data basis for building soil parameter models.
In a consecutive study the applicability of a 30-year SRC to derive topsoil SOC contents of croplands in Bavaria was tested. The SRC was linked to numerous legacy field samples and different machine learning algorithms (Multiple Linear Regression, Partial Least Square Regression, and Random Forest Regression) were compared. The use of the Random Forest algorithm was determined to be the most suitable. Especially the intersection of point soil samples with remote sensing pixel, which have several meters resolution (Landsat: 30 m), can be a source of inaccuracies. Here, a spatial/spectral filtering approach based on spectral relationships of the sample pixel and its eight neighboring pixels was developed to exclude heterogenous pixel clusters. Furthermore, an additional validation based on an external independent data set confirmed the high accuracy of the modeling approach.
Considering that a 30-year composite period could be too long for detecting topsoil SOC changes, the results obtained in the second part of this thesis were further analyzed to minimize the compositing period. Although it has been demonstrated that longer compositing lengths (10/15 years) provide higher model performances, a five-year period already showed sufficiently high modeling accuracies in the study area. The SRC processing is based on a spectral vegetation index. The results of this work showed that different spectral indices for SRC generation have a minor impact on SOC modeling compared to a seasonal pre-selection of scenes, integrated into the SRC. Another key aspect of this thesis represents a comparison of the temporal selection of exposed soils with dates when the observed field is likely to be bare. A comparison of the extracted exposed soil dates with field observation and phenological information based on the regional crop calendar showed that the majority of the identified exposed soils are located in periods when the observed field is vegetation-free and visible from the satellite. Based on these findings, a pre-selection of scenes, derived from regional phenological information of crops, should be considered for SRC generation and SOC estimation.
In summary, this dissertation contains numerous insights for modeling SOC in topsoil croplands based on multispectral Landsat SRCs. The results provide a crucial contribution to the understanding of large-scale applicability of spaceborne EO data to minimize the spatial and temporal limitations of traditional soil mapping and (retrospective) monitoring of SOC
Tick-borne encephalitis virus in Alpine regions
Get PDFGoal of this work was to characterise TBEV strains, the agent of TBE, in Alpine regions. TBE virus is a member of the family of Flavivirus, Genus Flavivirus. It is a single stranded virus of positive polarity. We focused on testing whether these strains show certain qualities that are favourable for the environment found in Alpine regions, or are derived from a single Alpine progenitor strain, or if there is no connection at all. Since there has been a shift in the distribution of the virus to formerly naïve habitats, this was an important question for a possible prediction of further changes and to add to our understanding of the mechanisms driving the increased distribution of zoonotic diseases. Taking a multilateral approach, utilizing genetic analysis and kinetics, through growth curves, we investigated for Alpine-specific traits. None of the experiments provided indications of Alpine virus genetic relationships or certain traits that all of these strains exhibit. More studies on tick cell lines could help to further investigate the drivers of virus strain manifestations in higher altitudes. The most likely explanation for the virus shift is changes in their vector or its distribution due to the effect climate warming has on the Alps and the surrounding Alpine regions. Since an ecological change in the Alps has already been demonstrated in earlier works and this is favourable for a habitat of the virus’ vector, we deduced that climate change is the most likely cause of the observed change in cases reported.Das Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Stämme des europäischen Subtyps des Frühsommer-Meningo-Enzephalitis Virus (FSME Virus) zu charakterisieren. Bei dem FSME Virus handelt es sich um ein Virus aus der Familie der Flaviviren, Genus Flavivirus. Es ist ein einzelsträngiges, unbehülltes Virus mit positiver Polarität. Der Fokus dieser Arbeit lag darauf, Bergstämme im Vergleich zu denen des Flachlandes zu charakterisieren. Dabei sollte herausgefunden werden, ob das Virus möglicherweise von einem alpinen Progenitor-Stamm abstammt, sich an die Umwelt in den Bergen angepasst hat oder ob es keinerlei Verbindung zwischen den alpinen Viren untereinander gibt. Diese Untersuchung erschien uns wichtig, da, unter anderem, einer Studie aus Österreich zufolge die Zahl der Erkrankungsfälle unter der ungeimpften Population an alt-etablierten Krankheitsherden kontinuierlich abnimmt, während in alpinen Regionen, die zuvor nicht mit Krankheitsfällen in Verbindung standen, vermehrt Infektionen auftreten. Es war uns wichtig, dies herauszufinden, um in Zukunft möglicherweise Prognosen über die weitere Entwicklung von zoonotischen Erkrankungen treffen zu können. Mit unserem multilateralen Ansatz von kinetischer Untersuchung und genetischer Analyse haben wir nach alpinspezifischen Viruseigenschaften gesucht. Hierbei konnte kein Hinweis darauf gefunden werden, dass das erweiterte Verbreitungsgebiet über Veränderungen des Virus selbst zu erklären ist, sei es auf Grund eines alpinen Progenitorstammes oder genetischer Ähnlichkeiten, die dem Virus einen Vorteil in der Etablierung eines natürlichen Herdes bieten. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass es an einer größeren Verbreitung des Vektors, den Zecken, auf Grund veränderter Umweltfaktoren liegt, dass das Virus sich weiterverbreitet. Dadurch wäre es sinnvoll in zukünftigen Studien auf Zecken-Zellinien den Antrieb der Manifestationen von FSME in höher gelegenen Regionen weiter zu erforschen. Da eine ökologische Veränderung durch den Klimawandel unbestreitbar ist und auch das neue Habitate für Vektorzecken eröffnet, ist das als der wahrscheinlichste Grund für die veränderte Virusausbreitung und Fallzahlen anzunehmen