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Physics-Constrained Bayesian Neural Networks for Aerosol Retrieval From Hyperspectral Satellite Measurements With Integrated Uncertainty Quantification

Rao, Lanlan und Efremenko, Dmitry und Doicu, Adrian und Shi, Chong und Yin, Shuai und Letu, Husi und Xu, Jian (2025) Physics-Constrained Bayesian Neural Networks for Aerosol Retrieval From Hyperspectral Satellite Measurements With Integrated Uncertainty Quantification. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 63, Seiten 1-18. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/TGRS.2025.3640712. ISSN 0196-2892.

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12MB

Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/11278850

Kurzfassung

This article introduces an innovative operational Bayesian neural network (BNN) framework for high-precision joint retrieval of aerosol optical depth (AOD) and aerosol layer height (ALH) with physically consistent uncertainty decomposition from TROPOMI hyperspectral measurements. Unlike conventional approaches, three different full-physics BNN architectures (implemented via Bayes-by-Backprop, Dropout, and Batch Norm (BN) techniques) are developed to simultaneously estimate target parameters and their heteroscedastic aleatoric uncertainties while preserving radiative transfer constraints. Epistemic uncertainties are quantified via Monte Carlo sampling of stochastic forward propagation, enabling systematic separation of data- versus model-driven uncertainties. A comprehensive validation demonstrates the following: 1) synthetic experiments show that epistemic uncertainties strongly correlate with retrieval errors, particularly for observing geometries outside the training data distribution, outperforming aleatoric estimates and 2) analyses using TROPOMI measurements demonstrate that the framework delivers comparable accuracy to operational products while providing unique uncertainty diagnostics. The framework’s computational efficiency, combined with its probabilistic outputs, establishes a new paradigm for characterizing aerosol properties from satellite measurements, particularly valuable for climate and air quality applications.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/222223/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Physics-Constrained Bayesian Neural Networks for Aerosol Retrieval From Hyperspectral Satellite Measurements With Integrated Uncertainty Quantification
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Rao, LanlanNational Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing, ChinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Efremenko, DmitryDmitry.Efremenko (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Doicu, AdrianAdrian.Doicu (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shi, ChongChinese Academy of Sciences, Beijing, ChinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yin, ShuaiChinese Academy of Sciences, Beijing, ChinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Letu, HusiChinese Academy of Sciences, Beijing, ChinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Xu, JianChinese Academy of Sciences, Beijing, ChinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:November 2025
Erschienen in:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:63
DOI:10.1109/TGRS.2025.3640712
Seitenbereich:Seiten 1-18
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:0196-2892
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Aerosol retrieval, Uncertainty quantification, Bayesian Neural Network, TROPOMI
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 - Optische Fernerkundung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Hinterlegt von: Efremenko, Dr Dmitry
Hinterlegt am:21 Jan 2026 13:01
Letzte Änderung:25 Jan 2026 15:44

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