Remote Sensing

This dual conception of remote sensing brought us to the idea of preparing two different books; in addition to the first book which displays recent advances in remote sensing applications, this book is devoted to new techniques for data processing, sensors and platforms. We do not intend this book to cover all aspects of remote sensing techniques and platforms, since it would be an impossible task for a single volume. Instead, we have collected a number of high-quality, original and representative contributions in those areas

Development of automated tools for detailed monitoring of mussel and oyster beds using satellite data: spatial, temporal and vertical development

The main focus of this report is to develop the application of a novel technique in mapping of mussel and oyster beds using remote sensing, which can be combined with regular field monitoring to obtain an optimal monitoring strategy

Design of a generic end-to-end mission performance simulator and application to the performance analysis of the FLEX/Sentinel-3 mission

La Observación de la Tierra mediante técnicas de teledetección con instrumentos ópticos en satélite tiene como objetivo monitorizar los procesos bio-geofísicos en la superficie y atmósfera terrestre, adquiriendo datos a diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético. Con el fin de asegurar el mantenimiento de las observaciones y las capacidades para entender el sistema Tierra, nuevas misiones satelitales están siendo desarrolladas por agencias espaciales nacionales e internacionales así como organizaciones de investigación. En este contexto, los simuladores de misiones espaciales (E2ES por sus siglas en inglés, End-to-End Mission Performance Simulator) ofrecen a los científicos e ingenieros un marco único para entender el impacto de la configuración del instrumento en los productos finales de la misión y, por tanto, acelerar el desarrollo de una misión desde la fase conceptual hasta el lanzamiento. Al mismo tiempo, estas herramientas permiten definir una metodología para la consolidación de los requisitos y la evaluación de la actuación de estas misiones satelitales, estableciendo criterios para la selección de una misión por las diferentes agencias espaciales. Mientras que el concepto de un E2ES es simple, el diseño de nuevos E2ES y la evolución de los ya existentes tienen una falta de guias y metodología estandarizadas, lo cual se traduce en un caro y complejo proceso de re-ingeniería. Esta tesis cubre dos objetivos principales. Por un lado, se pretende armonizar el trabajo hecho en el campo de los E2ES durante las últimas décadas y proponer una serie de guias y metodologías para desarrollas E2ES para misiones satelitales futuras con instrumentos ópticos pasivos. El primer objetivo es por tanto "Diseñar un simulador de misión genérico que pueda ser fácilmente adaptado para reproducir la mayoría de misiones satelitales, presentes y futuras, con sensores ópticos pasivos". Por otro lado, la misión FLEX/Sentinel-3 de la ESA se usa para validar, a través de la implementación de su propio E2ES, el diseño de la arquitectura genérica tratada en el punto anterior. De este modo, el E2ES para la misión FLEX permite evaluar la actuación de la misión para la obtención de la fluorescencia inducida por radiación solar emitida por la vegetación terrestre. La misión FLEX/Sentinel-3 es una candidata óptima para esta tarea de validación dada la complejidad de la misión (p.ej. vuelo en tandem, multi-plataforma/-instrumento, múltiples rangos y resoluciones espectrales, observaciones multi-angulares, sinergia de productos). El segundo objetivo de esta tesis es por tanto "Evaluar la misión FLEX para la la observación de la emisión de fluorescencia emitida por la vegetación usando un E2ES desarrollado de acuerdo con una arquitectura genérica". La razón fundamental tras esta Tesis es promocionar el uso de una arquitectura genérica común para los E2ES que permita comparar misiones satelitales en procesos de selección competitiva como los Earth Explorer de la ESA así como acelerar el análisis de los requisitos técnicos y el rendimiento de la misión a nivel científico. Particularmente, esto se muestra mediante la implementación de esta arquitectura genérica para el caso específico de la misión FLEX/Sentinel-3 demostrando que: (1) la misión es capaz de obtener con la precisión requerida la emisión de fluorescencia por la vegetación ; y (2) el concepto de esta arquitectura genérica es apto para reproducir la complejidad de la misión FLEX/Sentinel-3 y por tanto se espera que esta metodología pueda ser también aplicable para un gran abanico de misiones ópticas pasivas. Esta base lógica se consigue a partir de una categorización de varias misiones satelitales y la identificación y análisis de los elementos principales que afectan en el rendimiento de la misión e impactan en la arquitectura de un simulador de misión. La arquitectura genérica para E2ES propuesta se valida mediante la implementación del E2ES de la misión FLEX/Sentinel-3 de la ESA teniendo en cuenta ambos satélites, sus instrumentos, y evaluando con este E2ES el rendimiento de la misión FLEX. En esta Tesis, los capítulos 1 y 2 introducen los principales temas de esta Tesis y definen los conceptos básicos. Los capítulos 3 al 5 describe el diseño de la arquitectura genérica para los E2ES en misiones ópticas pasivas. Finalmente, el capítulo 6 resume los principales resultados y las conclusiones derivadas de esta Tesis.Earth observation by satellite optical remote sensing aims to monitor bio-geophysical processes happening in the Earth surface and the atmosphere by acquiring data at different wavelengths of the electromagnetic spectrum. In order to ensure sustained observations and capabilities to fill scientific gaps in our current understanding of the Earth system, new satellite missions are being developed by national and international space agencies and research organisations. In this context, End-to-End Mission Performance Simulator (E2ES) tools offer scientists and engineers a unique framework to understand the impact of instrument configuration in the final mission products and to accelerate the mission development from concept to deployment. At the same time, these cost-effective and flexible tools are capable of defining a methodology for the consolidation of requirements and performance assessment of these new satellite missions, setting the criteria for mission selection by the various space agencies’ programme boards. While the concept of an E2ES is simple, the design of new E2ES and the evolution of existing ones lack from a standard methodology and guidelines, which translates into a complex and costly re-engineering process. This Thesis covers two main objectives. On the one hand, it aims to harmonize the work done in the field of E2ES during the last decades and to propose a set of guidelines or methodology to develop E2ES for future remote sensing satellite passive optical missions. The first main objective, therefore, is: ’To design a generic end-to-end mission performance simulator that can be easily adapted to reproduce most present or future passive optical spaceborne instruments’. On the other hand, the ESA’s FLEX/Sentinel-3 tandem mission is used to validate, through the implementation of its E2ES, the designed generic E2ES architecture and to evaluate the performance of the FLEX mission for the retrieval of Sun-induced fluorescence. The FLEX/Sentinel- 3 mission is optimally suitable for this validation task due to the complexity of the mission (e.g. tandem flight, multi-platform/-instrument mission, multiple spectral ranges and resolutions, multi-angular observations, synergy of products). The second main objective, therefore, is: ’To evaluate the FLEX mission for Sun-induced fluorescence retrievals using a newly developed E2ES in agreement with the designed generic E2ES architecture.’. The rationale behind this Thesis is promoting the use of a common generic E2ES architecture that allows comparing missions in competitive selection process (e.g., ESA’s Earth Explorers) and speeding-up the analysis of the mission technical requirements and scientific performances. Particularly, this is shown by implementing this generic E2ES architecture for the specific case of FLEX/Sentinel-3 mission demonstrating that: (1) the mission is capable of retrieving Sun-induced fluorescence within the required accuracy; and (2) the conceptual generic E2ES architecture is suitable toreproduce the complexity of the FLEX/Sentinel-3 tandem mission and thus it is expected to be also applicable for a wide range of passive optical missions. This rationale is achieved by categorising several satellite missions to identify and analyse the main elements that affect the mission performance and impact the simulator architecture. The proposed generic E2ES architecture is validated by implementing the ESA’s FLEX/Sentinel-3 E2ES, both satellites and their instruments, and testing it through the performance assessment of the FLEX mission products. In this Thesis, Chapters 1 and 2 introduce the main research questions and sets the background concepts. Then Chapters 3–5 describe the design of a generic E2ES architecture for passive optical missions. Finally, Chapter 6 summarizes the main results and conclusions derived in this Thesis

Remote Sensing for Precision Nitrogen Management

This book focuses on the fundamental and applied research of the non-destructive estimation and diagnosis of crop leaf and plant nitrogen status and in-season nitrogen management strategies based on leaf sensors, proximal canopy sensors, unmanned aerial vehicle remote sensing, manned aerial remote sensing and satellite remote sensing technologies. Statistical and machine learning methods are used to predict plant-nitrogen-related parameters with sensor data or sensor data together with soil, landscape, weather and/or management information. Different sensing technologies or different modelling approaches are compared and evaluated. Strategies are developed to use crop sensing data for in-season nitrogen recommendations to improve nitrogen use efficiency and protect the environment

Apports de données radar pour l'estimation des paramètres biophysiques des surfaces agricoles

Les travaux de thèse s'inscrivent au sein du chantier Sud-Ouest, dont le principal objectif est de contribuer à la compréhension et à la modélisation du fonctionnement des surfaces continentales à l'échelle du paysage. Ces travaux visent à améliorer les capacités de suivi et d'analyses de surfaces fortement anthropisées : les agrosystèmes. A la fois acteurs et spectateurs vis-à-vis du changement climatique, ces surfaces sont également dédiées à la production alimentaire. La problématique vise donc à concilier durabilité des ressources et niveau de production suffisant, en identifiant des outils comme la télédétection utiles à la prise de décision à des échelles allant de la parcelle au territoire. Dans ce contexte, les radars à synthèse d'ouverture (RSO) embarqués au sein de satellites, présentent le double avantage d'être sensibles à différents paramètres des surfaces continentales (en lien avec le sol, ou la végétation), et la capacité d'observation par condition nuageuse (à l'inverse des capteurs opérant dans le visible). Depuis les années 90, différentes études basées sur des images acquises avec la technologie RSO ont montré l'intérêt des données micro-ondes pour le suivi des surfaces continentales. Ces dernières années, l'émergence de missions satellites dans les bandes de fréquence X et L vient enrichir les possibilités d'étude autrefois limitées à la seule bande C. Ces couples capteurs-satellites fournissent aujourd'hui des produits à haute résolution spatiale (allant jusqu'au mètre), avec des possibilités de revisite hebdomadaire, critères nécessaires pour le suivi des zones hétérogènes, associées à de fortes dynamiques temporelles. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse visent à établir la complémentarité entre les données radars (TerraSAR-X, Radarsat-2 et Alos, dans les bandes spectrales X, C et L) et optiques (Formosat-2, Spot-4/5) acquises par satellites pour le suivi des agrosytèmes. Ils s'articulent autour de trois axes complémentaires : - Le premier consiste en la mise en oeuvre d'une campagne expérimentale basée sur l'acquisition d'un jeu de données (satellitaire et de terrain), nécessaire au développement de nouvelles approches pour l'analyse du paysage. La zone suivie, caractérisée par une forte anthropisation, est située à 50 km au sud-ouest de Toulouse. Les images satellitaires regroupent trois séries temporelles radar (bandes X, C et L), auxquelles s'ajoutent des acquisitions réalisées dans l'optique (Formosat-2, Spot-4/5). Avec un total d'une centaine d'images acquises dans les hyperfréquences, la zone commune aux différentes scènes couvre une surface de 10×10 km². Conjointement, les protocoles de mesures de terrain ont permis de considérer de manière indépendante les deux éléments clés de la surface : le sol et la culture. En complément des stations météorologiques installées dans le cadre du chantier, des mesures qualitatives et quantitatives ont été réalisés de manière synchrone avec les acquisitions satellites, sur un total de 387 parcelles. Cinq cultures sont principalement étudiées : blé, colza, tournesol, mais et soja. - Les signatures temporelles de chacune des cultures sont ensuite établies à chaque longueur d'onde d'acquisition satellitaire (optique et radar) à travers une approche originale de normalisation angulaire des signaux radar (combinaison de l'information radar et optique). Les résultats obtenus durant le cycle phénologique des cultures d'hiver (blé et colza) et d'été (maïs, soja et tournesol) montrent clairement la complémentarité des approches multi-capteurs, et la spécificité des signaux radars (en lien avec les états de polarisations et les fréquences considérées). Deux paramètres biophysiques relatifs à la végétation sont enfin estimés (LAI et hauteur), les données micro-ondes montrant à la fois une importante sensibilité et de bonnes performances. - La modélisation électromagnétique sur sol nu a tout d'abord permis d'évaluer différents formalismes, à savoir : les modèles de Dubois et d'Oh (1992 et 2004) ayant comme caractéristiques communes une description simplifiée des processus. Ils sont confrontés à un modèle reposant sur des bases physiques, le modèle IEM (Integral Equation Model). L'application des modèles dans les différentes bandes spectrales (X, C et L), montre des résultats très hétérogènes, les meilleures performances étant obtenue en bande X, avec le modèle d'Oh 1992. Par la suite, l'amélioration des modèles tire parti de l'analyse des résidus (vis-à-vis des variables d'entrée), afin de réduire la dispersion observée. Les modèles testés sont optimisés et validés selon une approche de type résidus. Une forte amélioration est observée pour la plupart des modèles. Les résultats mettent en évidence l'intérêt des données multi-capteurs pour le suivi des surfaces dédiées à l'agriculture. Dans un futur proche, les missions spatiales telles que Tandem-X, Sentinel-1/-2, Radarsat Constellation ou Alos-2 devraient pérenniser l'accès à ces données, et préciser ainsi les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse.The thesis fall within the "SudOuest" project, whose main objective is to contribute to the understanding and the modeling of the land surface functioning, at the landscape scale. This work aims to improve the capacity of monitoring and analysis of highly anthropic surfaces: agrosystems. Both actors and audience to climate change, these surfaces are also dedicated to the food production. So the problem is to reconcile sustainability of resources and sufficient level of production, identifying tools, such as remote sensing, useful in making decision at scales ranging from plot to land. In this context, the Synthetic Aperture Radar (SAR) embedded in satellites have the twofold advantages of being sensitive to different parameters of the land surface (related to soil, and vegetation), and the ability to observe by cloudy condition (unlike sensors operating in the visible). Since the 90s, several studies based on images acquired with SAR technology have shown the interest of microwave data for the monitoring of land surface. In recent years, the emergence of satellite missions at X- and L-bands enriches study opportunities once only limited to the C-band. These sensor/satellite couples now provide products with high spatial resolution (up to a meter), with the possibility of weekly revisits, necessary criteria for the monitoring of heterogeneous areas associated with high temporal dynamics. Works done in this thesis aim to establish the complementarities between the radar (TerraSAR-X, Radarsat-2 and Alos, at X-, C- and L-bands) and optical data (Formosat-2, Spot-4/-5) acquired by satellites for the monitoring of agrosystems. They revolve around three complementary areas: - The first is the implementation of an experimental campaign based on the acquisition of a set of data (satellite and ground), necessary for the development of new approaches to landscape analysis. The studied area, characterized by a strong human impact, is located near Toulouse (at 50 km in the South West). Satellite images include three radar time series acquired at X-, C- and L-bands, and images acquired in the optical (Formosat-2, Spot-4/-5). With a total of one hundred images acquired in the microwave domain, the common area to the different scenes covering a region of 10×10 km². Together, the protocols used for field measurements consider independently the two key elements of the surface: the soil and the culture. In addition to the weather stations (part of the "SudOuest" project), qualitative and quantitative measurements are performed synchronously with the satellite acquisitions, on a total of 387 plots. Five crops are mainly studied: wheat, rapeseed, sunflower, corn and soybean. - The temporal signatures of these crops are then established for each satellite wavelength (optical and radar), through an original approach based on an angular normalization of radar signals (combining the optical and radar information). The results obtained during the phenological cycle of winter (wheat and rapeseed) and summer crops (corn, soybean and sunflower) clearly show the complementarity of multi-sensor approaches and the specificity of radar signals (associated with the considered polarization states and frequencies). Two biophysical parameters related to vegetation are finally estimated (leaf area index and height), the microwave data showing both high sensitivity and good performances. - The electromagnetic modeling of bare soil is first used to evaluate different formalisms, namely Dubois and Oh (1992 and 2004) models, with common characteristics, a simplified description of the process. They are confronted with a model based on the physical laws, the IEM (Integral Equation Model). The application of models in different spectral bands (X, C and L), shows very mixed results; the best performances are obtained at X-band with Oh 1992 model. Thereafter, the enhancement of the models takes advantage of the residue analysis (as a function of the input variables), to reduce the observed dispersion. The tested models are optimized and validated using an approach such residues. A significant improvement is observed for most models. The results highlight the interest of multi-sensor data for the monitoring of continental surfaces dedicated to agriculture. In the near future, satellite missions such as Tandem -X, Sentinel-1/-2, Radarsat Constellation or Alos-2 should sustain access to these data, and define the results obtained in this thesis

A Novel Approach to Relative Radiometric Calibration on Spatial and Temporal Variations for FORMOSAT-5 RSI Imagery

Radiometric calibration for imaging sensors is a crucial procedure to ensure imagery quality. One of the challenges in relative radiometric calibration is to correct detector-level artifacts due to the fluctuation in discrepant responses (spatial) and electronic instability (temporal). In this paper, the integration of the empirical mode decomposition (EMD) with Hilbert–Huang transform (HHT) in relative radiometric calibration was explored for a new sensor, FS-5 RSI (remote sensing instrument onboard the FORMOSAT-5 satellite). The key intrinsic mode functions (IMFs) analyzed by HHT were examined with the pre-flight datasets of the FS-5 RSI in temporal and spatial variations. The results show that the EMD–HHT method can stabilize and improve the radiometric quality of the FS-5 imagery as well as boost its application ability to a new level. It is noticed that the IMFs of the spatial variation would be disturbed by the instability of the temporal variation. The relative response discrepancies among detector chips can be well calibrated after considering the temporal effect. Taking a test imagery dataset of gain setting G2 as an example, the standard deviation (STD) of the discrepancy in the digital number after calibration was dramatically scaled down compared to the original ones (e.g., PAN: 66.31 to 1.85; B1: 54.19 to 1.90; B2: 36.50 to 1.49; B3: 32.43 to 1.56; B4: 37.67 to 1.20). The good performance of pre-flight imagery indicates that the EMD–HHT approach could be highly practical to the on-orbit relative radiometric calibration of the FS-5 RSI sensor and is applicable to other optical sensors. To our knowledge, the proposed EMD–HHT approach is used for the first time to explore relative radiometric calibration for optical sensors