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Uncertainty-guided sampling to improve digital soil maps

Stumpf, Felix und Schmidt, Karsten und Goebes, Philipp und Behrens, Thorsten und Schönbrodt-Stitt, Sarah und Wadoux, Alexandre und Xiang, Wei und Scholten, Thomas (2017) Uncertainty-guided sampling to improve digital soil maps. Catena, 153, Seiten 30-38. Elsevier. doi: 10.1016/j.catena.2017.01.033. ISSN 0341-8162.

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Offizielle URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.catena.2017.01.033

Kurzfassung

"Digital soil mapping (DSM) products represent estimates of spatially distributed soil properties. These estimations comprise an element of uncertainty that is not evenly distributed over the area covered by DSM. If we quantify the uncertainty spatially explicit, this information can be used to improve the quality of DSM by optimizing the sampling design. This study follows a DSM approach using a Random Forest regression model, legacy soil samples, and terrain covariates to estimate topsoil silt and clay contents in a small catchment of 4.2 km² in the Three Gorges Reservoir Area, Central China. We aim (i) to introduce a method to derive spatial uncertainty, and (ii) to improve the initial DSM approaches by additional sampling that is guided by the spatial uncertainty. The proposed uncertainty measure is based on multiple realizations of individual and randomized decision tree models. We used the spatial uncertainty of the initial DSM approaches to stratify the study area and thereby to identify potential sampling areas of high uncertainties. Further,we tested howprecisely available legacy samples cover the variability of the covariateswithin each potential sampling area to define the final sampling area and to apply a purposive sampling design. For the final RandomForestmodel calibration,we combined the legacy sample set with the additional samples. This uncertainty-driven DSMrefinement was evaluated by comparing it to a second approach. In this second approach, the additional samples were replaced by a random sample set of the same size, obtained fromthe entire study area. For the comparative analysis, external, bootstrap-, and cross-validation was applied. The DSM approach using the uncertainty-driven refinement performed best. The averaged spatial uncertainty was reduced by 31% for silt and by 27% for clay compared to the initial DSM approach. Using external validation, the accuracy increased by the same proportions, while showing an overall accuracy of R² = 0.59 for silt and R² = 0.56 for clay."

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/117007/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Uncertainty-guided sampling to improve digital soil maps
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Stumpf, Felixfelix.stumpf (at) uni-tuebingen.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmidt, KarstenUni TübingenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Goebes, PhilippNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Behrens, ThorstenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schönbrodt-Stitt, Sarahsarah.schoenbrodt-stitt (at) uni-wuerzburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wadoux, AlexandreNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Xiang, WeiNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Scholten, ThomasNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2017
Erschienen in:Catena
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:153
DOI:10.1016/j.catena.2017.01.033
Seitenbereich:Seiten 30-38
Verlag:Elsevier
ISSN:0341-8162
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Soil landscape modeling, Spatial uncertainty, Soil sampling, Soil prediction improvement, Random Forest, Three Gorges Reservoir Area
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Geowissenschaftl. Fernerkundungs- und GIS-Verfahren
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum
Hinterlegt von: Wöhrl, Monika
Hinterlegt am:11 Dez 2017 14:11
Letzte Änderung:23 Jun 2023 08:55

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