Point Cloud Generation from Aerial Image Data Acquired by a Quadrocopter Type Micro Unmanned Aerial Vehicle and a Digital Still Camera

The objective of this investigation was to develop and investigate methods for point cloud generation by image matching using aerial image data collected by quadrocopter type micro unmanned aerial vehicle (UAV) imaging systems. Automatic generation of high-quality, dense point clouds from digital images by image matching is a recent, cutting-edge step forward in digital photogrammetric technology. The major components of the system for point cloud generation are a UAV imaging system, an image data collection process using high image overlaps, and post-processing with image orientation and point cloud generation. Two post-processing approaches were developed: one of the methods is based on Bae Systems’ SOCET SET classical commercial photogrammetric software and another is built using Microsoft®’s Photosynth™ service available in the Internet. Empirical testing was carried out in two test areas. Photosynth processing showed that it is possible to orient the images and generate point clouds fully automatically without any a priori orientation information or interactive work. The photogrammetric processing line provided dense and accurate point clouds that followed the theoretical principles of photogrammetry, but also some artifacts were detected. The point clouds from the Photosynth processing were sparser and noisier, which is to a large extent due to the fact that the method is not optimized for dense point cloud generation. Careful photogrammetric processing with self-calibration is required to achieve the highest accuracy. Our results demonstrate the high performance potential of the approach and that with rigorous processing it is possible to reach results that are consistent with theory. We also point out several further research topics. Based on theoretical and empirical results, we give recommendations for properties of imaging sensor, data collection and processing of UAV image data to ensure accurate point cloud generation

Multi-Scale Evaluation of Drone-Based Multispectral Surface Reflectance and Vegetation Indices in Operational Conditions

This is the final version. Available from MDPI via the DOI in this record. Compact multi-spectral sensors that can be mounted on lightweight drones are now widely available and applied within the geo- and environmental sciences. However; the spatial consistency and radiometric quality of data from such sensors is relatively poorly explored beyond the lab; in operational settings and against other sensors. This study explores the extent to which accurate hemispherical-conical reflectance factors (HCRF) and vegetation indices (specifically: normalised difference vegetation index (NDVI) and chlorophyll red-edge index (CHL)) can be derived from a low-cost multispectral drone-mounted sensor (Parrot Sequoia). The drone datasets were assessed using reference panels and a high quality 1 m resolution reference dataset collected near-simultaneously by an airborne imaging spectrometer (HyPlant). Relative errors relating to the radiometric calibration to HCRF values were in the 4 to 15% range whereas deviations assessed for a maize field case study were larger (5 to 28%). Drone-derived vegetation indices showed relatively good agreement for NDVI with both HyPlant and Sentinel 2 products (R2 = 0.91). The HCRF; NDVI and CHL products from the Sequoia showed bias for high and low reflective surfaces. The spatial consistency of the products was high with minimal view angle effects in visible bands. In summary; compact multi-spectral sensors such as the Parrot Sequoia show good potential for use in index-based vegetation monitoring studies across scales but care must be taken when assuming derived HCRF to represent the true optical properties of the imaged surface.European Space Agency (ESA)European Union’s Horizon 202

SENSORIAMENTO REMOTO POR MEIO DE UMA AERONAVE REMOTAMENTE PILOTADA PARA ESTUDO DO MANGUEZAL DA BAÍA DE VITÓRIA (ES)

O ecossistema manguezal fornece vários serviços ecológicos e econômicos, mas estão entre os ecossistemas mais ameaçados e vulneráveis do mundo. Eles se tornaram foco da atenção no contexto das atuais mudanças climáticas e discussões dos serviços fornecidos por esse ecossistema, como o sequestro de carbono. Neste contexto, o sensoriamento remoto é uma importante ferramenta para detectar, identificar, mapear e monitorar o ecossistema manguezal. É possível obter informações como a densidade e altura das árvores, a dominância de espécies, avaliar processos erosivos, estudar a dinâmica populacional da vegetação, cálculo de biomassa, entre outros estudos. Tais estudos podem ser baseados em diferentes sensores, como fotografia aérea, imagens ópticas de alta e média resolução, dados hiperespectrais e dados de microondas ativos (SAR). A aquisição de dados por meio de sensores orbitais possui algumas lacunas como tempo de revisita e resolução espacial. Já os sensores ópticos multiespectrais de alta resolução espacial embarcados em uma Aeronave Remotamente Pilotada (RPA) é uma tecnologia promissora para o mapeamento detalhado de ecossistemas costeiros embora o processo de calibração radiométrica ainda seja desafiador. Nesta pesquisa utilizou-se ortomosaicos obtidos por uma RPA para análise multiespectral do manguezal da Baía de Vitória e realizou-se análise hiperespectral foliar de três espécies de mangue; R. mangle, L. racemosa e A. schaueriana por meio de espectrorradiometria em laboratório

Empirical Studies on Multiangular, Hyperspectral, and Polarimetric Reflectance of Natural Surfaces

The reflectance factor is a quantity describing the efficiency of a surface to reflect light and affecting the observed brightness of reflected light. It is a complex property that varies with the view and illumination geometries as well as the wavelength and polarization of the light. The reflectance factor response is a peculiar property of each target surface. In optical remote sensing, the observed reflectance properties of natural surfaces are used directly for, e.g., classifying targets. Also, it is possible to extract target physical properties from observations, but generally this requires an understanding and modeling of the reflectance properties of the target. The most direct way to expand our understanding of the reflectance properties of natural surfaces is through empirical measurements. This thesis presents three original measurement setups for obtaining the reflectance properties of natural surfaces and some of the results acquired using them. The first instrument is the Finnish Geodetic Institute Field Goniospectrometer (FIGIFIGO); an instrument for measuring the view angle dependency of polarized hyperspectral reflectance factor on small targets. The second instrument is an unmanned aerial vehicle (UAV) setup with a consumer camera used for taking measurements. The procedure allows 2D-mapping of the reflectance factor view angle dependency over larger areas. The third instrument is a virtual hyperspectral LiDAR, i.e. a setup for acquiring laser scanner point clouds with 3D-referenced reflectance spectra ([x,y,z,R(λ)]). During the research period 2005 2011, the FIGIFIGO was used to measure the angular reflectance properties of nearly 400 remote sensing targets, making the acquired reflectance library one of the largest of its kind in the world. These data have been exploited in a number of studies, including studies dealing with the vicarious calibration of airborne remote sensing sensors and satellite imagery and the development and characterization of reflectance reference targets for airborne remote sensing sensors, and the reflectance measurements have been published as a means of increasing the general understanding of the scattering of selected targets. The two latter instrument prototypes demonstrate emerging technologies that are being used in a novel way in remote sensing. Both measurement concepts have shown promising results, indicating that, in some cases, it can be beneficial to use such a methodology in place of the traditional remote sensing methods. Thus, the author believes that such measurement concepts will be used more widely in the near future. Heijastuskerroin on kullekin kohteelle yksilöllinen ominaisuus joka kuvaa kohteesta heijastuneen valon määrää. Heijastuskertoimen arvo riippuu havainto- ja valaistusgeometriasta sekä valon aallonpituudesta ja polarisaatiosta. Useimmissa optisen kaukokartoituksen menetelmissä mitataan kohteiden heijastuskerrointa. Näitä heijastuskerroinhavaintoja käytetään suoraan esim. kohteiden luokittelussa. Kehittyneemmissä menetelmissä havainnoista on myös mahdollista irrottaa joitain kohteen fysikaalisia ominaisuuksia, mutta yleensä tämä edellyttää kohteen ymmärtämistä sekä valonsironnan mallintamista. Suorin tapa laajentaa ymmärrystä luonnon pintojen valonsironnasta on tehdä empiirisiä mittauksia. Tässä väitöskirjassa esitellään kolme mittalaitetta luonnon pintojen valonsironnan mittaamiseksi sekä näillä laitteilla kerättyjä tuloksia. Ensimmäinen esiteltävä mittalaite on Finnish Geodetic Institute Field Goniospectrometer (FIGIFIGO), jolla voidaan mitata kohteen sirottaman valon suuntariippuvuutta valon aallonpituuden sekä polarisaation funktiona. Toinen mittalaite on automaattinen miehittämätön helikopteri. Kopteriin asennetun kameran sekä kuvien yhdistämismenetelmän avulla maaston valonsironnan suuntariippuvuutta voidaan kartoittaa laajemmilla alueilla kuin FIGIFIGO:a käyttäen. Kolmas mittalaite on virtuaalinen valkean valon LiDAR, jolla voidaan mitata laboratoriokohteen 3D rakenne yhdessä heijastusspektrien kanssa ([x,y,z,R(λ)]). Tutkimusjakson (2005 2011) aikana FIGIFIGO:a on käytetty lähes 400 kaukokartoituskohteen sironnan suuntariippuvuuden mittaamiseen. Näillä mittauksilla kerätty datakirjasto on yksi maailman suurimmista ja kattavimmistaan lajissaan. FIGIFIGO-mittauksia on hyödynnetty useissa tutkimuksissa esim. satelliitti havaintojen ja kaukokartoitus sensoreiden lennonaikaisessa kalibroinnissa ja validoinnissa, sekä ilmakuvauksen heijastuskerroinreferenssikohteiden kehittämisessä. Mittaustulokset on myös julkaistu tieteellisissä julkaisuissa laajentaen yleistä ymmärrystä kaukokartoituskohteiden valonsironnasta. Kaksi jälkimmäistä mittalaitetta ovat prototyyppejä joilla on testattu ja demonstroitu uutta tekniikkaa jota ei ole aiemmin hyödynnetty kaukokartoituksessa tällä tavoin. Molemmat mittauskonseptit tuottivat lupaavia tuloksia mahdollistaen uudentyyppisten mittausten tekemisen. Saadut tulokset antavat ymmärtää että mittauskonseptien kehittämistä kannattaa jatkaa ja on todennäköistä että tämän kaltaiset mittausmenetelmät tulevat jo lähitulevaisuudessa leviämään laajempaan käyttöön kaukokartoituksessa

Empirical Studies on Multiangular, Hyperspectral, and Polarimetric Reflectance of Natural Surfaces

The reflectance factor is a quantity describing the efficiency of a surface to reflect light and affecting the observed brightness of reflected light. It is a complex property that varies with the view and illumination geometries as well as the wavelength and polarization of the light. The reflectance factor response is a peculiar property of each target surface. In optical remote sensing, the observed reflectance properties of natural surfaces are used directly for, e.g., classifying targets. Also, it is possible to extract target physical properties from observations, but generally this requires an understanding and modeling of the reflectance properties of the target. The most direct way to expand our understanding of the reflectance properties of natural surfaces is through empirical measurements. This thesis presents three original measurement setups for obtaining the reflectance properties of natural surfaces and some of the results acquired using them. The first instrument is the Finnish Geodetic Institute Field Goniospectrometer (FIGIFIGO); an instrument for measuring the view angle dependency of polarized hyperspectral reflectance factor on small targets. The second instrument is an unmanned aerial vehicle (UAV) setup with a consumer camera used for taking measurements. The procedure allows 2D-mapping of the reflectance factor view angle dependency over larger areas. The third instrument is a virtual hyperspectral LiDAR, i.e. a setup for acquiring laser scanner point clouds with 3D-referenced reflectance spectra ([x,y,z,R(λ)]). During the research period 2005 2011, the FIGIFIGO was used to measure the angular reflectance properties of nearly 400 remote sensing targets, making the acquired reflectance library one of the largest of its kind in the world. These data have been exploited in a number of studies, including studies dealing with the vicarious calibration of airborne remote sensing sensors and satellite imagery and the development and characterization of reflectance reference targets for airborne remote sensing sensors, and the reflectance measurements have been published as a means of increasing the general understanding of the scattering of selected targets. The two latter instrument prototypes demonstrate emerging technologies that are being used in a novel way in remote sensing. Both measurement concepts have shown promising results, indicating that, in some cases, it can be beneficial to use such a methodology in place of the traditional remote sensing methods. Thus, the author believes that such measurement concepts will be used more widely in the near future. Heijastuskerroin on kullekin kohteelle yksilöllinen ominaisuus joka kuvaa kohteesta heijastuneen valon määrää. Heijastuskertoimen arvo riippuu havainto- ja valaistusgeometriasta sekä valon aallonpituudesta ja polarisaatiosta. Useimmissa optisen kaukokartoituksen menetelmissä mitataan kohteiden heijastuskerrointa. Näitä heijastuskerroinhavaintoja käytetään suoraan esim. kohteiden luokittelussa. Kehittyneemmissä menetelmissä havainnoista on myös mahdollista irrottaa joitain kohteen fysikaalisia ominaisuuksia, mutta yleensä tämä edellyttää kohteen ymmärtämistä sekä valonsironnan mallintamista. Suorin tapa laajentaa ymmärrystä luonnon pintojen valonsironnasta on tehdä empiirisiä mittauksia. Tässä väitöskirjassa esitellään kolme mittalaitetta luonnon pintojen valonsironnan mittaamiseksi sekä näillä laitteilla kerättyjä tuloksia. Ensimmäinen esiteltävä mittalaite on Finnish Geodetic Institute Field Goniospectrometer (FIGIFIGO), jolla voidaan mitata kohteen sirottaman valon suuntariippuvuutta valon aallonpituuden sekä polarisaation funktiona. Toinen mittalaite on automaattinen miehittämätön helikopteri. Kopteriin asennetun kameran sekä kuvien yhdistämismenetelmän avulla maaston valonsironnan suuntariippuvuutta voidaan kartoittaa laajemmilla alueilla kuin FIGIFIGO:a käyttäen. Kolmas mittalaite on virtuaalinen valkean valon LiDAR, jolla voidaan mitata laboratoriokohteen 3D rakenne yhdessä heijastusspektrien kanssa ([x,y,z,R(λ)]). Tutkimusjakson (2005 2011) aikana FIGIFIGO:a on käytetty lähes 400 kaukokartoituskohteen sironnan suuntariippuvuuden mittaamiseen. Näillä mittauksilla kerätty datakirjasto on yksi maailman suurimmista ja kattavimmistaan lajissaan. FIGIFIGO-mittauksia on hyödynnetty useissa tutkimuksissa esim. satelliitti havaintojen ja kaukokartoitus sensoreiden lennonaikaisessa kalibroinnissa ja validoinnissa, sekä ilmakuvauksen heijastuskerroinreferenssikohteiden kehittämisessä. Mittaustulokset on myös julkaistu tieteellisissä julkaisuissa laajentaen yleistä ymmärrystä kaukokartoituskohteiden valonsironnasta. Kaksi jälkimmäistä mittalaitetta ovat prototyyppejä joilla on testattu ja demonstroitu uutta tekniikkaa jota ei ole aiemmin hyödynnetty kaukokartoituksessa tällä tavoin. Molemmat mittauskonseptit tuottivat lupaavia tuloksia mahdollistaen uudentyyppisten mittausten tekemisen. Saadut tulokset antavat ymmärtää että mittauskonseptien kehittämistä kannattaa jatkaa ja on todennäköistä että tämän kaltaiset mittausmenetelmät tulevat jo lähitulevaisuudessa leviämään laajempaan käyttöön kaukokartoituksessa

Acquisition of Bidirectional Reflectance Factor Dataset Using a Micro Unmanned Aerial Vehicle and a Consumer Camera

This paper describes a method for retrieving the bidirectional reflectance factor (BRF) of land-surface areas, using a small consumer camera on board an unmanned aerial vehicle (UAV) and introducing an advanced calibration routine. Images with varying view directions were taken of snow cover using the UAV. The vignetting effect was corrected from the images, and reflectance factor images were calculated using a calibrated white target as a reference. After spatial registration of the images using a corresponding point method, the target surface was divided into a grid, and a BRF was generated for each grid element. Lastly a model was fitted to the BRF dataset for data interpretation. The retrieved BRF were compared to parallel ground measurements. Comparison showed similar BRF and reflectance factor characteristics, which suggests that accurate measurements can be taken with cheap consumer cameras, if enough attention is paid to calibration of the images

Kahden varpukasvin spektrien kaksisuuntaiset heijastussuhdetekijämittaukset

Recent studies have shown the benefits of multiangular remote sensing techniques for characterizing vegetation reflection properties. The study of spectral anisotropy of understory vegetation enables methods for improved plant species identification, and provides valuable input data for radiation scattering models of forests. This thesis presents the applied methods and results of a research effort carried out over the growing season of 2017 for the temporal spectral characterization of two of the economically most important wild berry species in Finland: lingonberry (Vaccinium vitis-idaea) and blueberry (Vaccinium myrtillus). The spectral bidirectional reflectance factor (BRF) data on lingonberry and blueberry shrub samples were collected in a multidirectional measurement geometry using the Finnish Geodetic Institute Goniospectrometer (FIGIFIGO) in laboratory conditions. Leaf reflectance and transmittance spectra on both species were collected with SpectroClip-TR spectral probe. The anisotropic characteristics were analysed in the spectral range from 400 to 2200 nm for view angle dependence (-40° to +40°), illumination angle dependence (+40°, +55°), seasonal dynamics over the growing season (2017), and for berry and flower detection. Both lingonberry and blueberry shrubs have strong backward and notable forward scattering characteristics on the principal plane. In the interspecies comparison, lingonberry is brighter into all view direction in the visible and near infrared wavelengths but darker in the short-wave infrared. Increasing the illumination zenith angle by 15° improves the spectral discrimination of the two dwarf shrub species by inducing a 12% ratio of the spectral responses. Vegetation indices that are commonly used in remote sensing of forests (NDVI, NDVI705, MSI, PSRI) show low sensitivity to the changes in the view- and illumination angles. The presence of lingonberries and lingonberry flowers is indicated as a spectral peak around 679 nm in the spectral ratio of samples with berries or flowers to samples without berries or flowers. It was shown that the analysis of spectral data on the reflectance anisotropy improves the spectral discrimination of the dwarf shrub species. The contribution of the berries on the obtained shrub spectra was shown to be notable enough to justify further studies by applying unmanned aerial vehicle (UAV) platforms. Future studies on the aerial spectral data are suggested to evaluate the potential of berry mapping in larger-scale.Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet monisuunta-spektrometrian hyödyt kasvillisuuden heijastusominaisuuksien karakterisoinnissa kaukokartoituksessa. Aluskasvillisuuden spektrien anisotropian tutkiminen edesauttaa kehittämään menetelmiä kasvilajien tunnistamiseksi ja tarjoaa validointiaineistoa metsien sirontamalleihin. Tämä diplomityö esittää menetelmät ja tulokset Suomen kahden taloudellisesti tärkeimmän luonnonmarjoja tuottavan varpukasvin, mustikan (Vaccinium myrtillus) ja puolukan (Vaccinium vitis-idaea), spektrien temporaalisesta karakterisointikampanjasta kasvukauden 2017 yli. Kaksisuuntainen heijastussuhdetekijä spektriaineisto mitattiin mustikan ja puolukan varpunäytteistä monisuuntamittausgeometriassa FIGIFIGO (Finnish Geodetic Institute Goniospectrometer) goniospektrometrillä laboratorio-olosuhteissa. Lehtien heijastus- ja läpäisyspektrit mitattiin molemmista lajeista käyttäen SpectroClip-TR mittalaitetta. Anisotropiset ominaispiirteet analysointiin aallonpituuksien 400 - 2200 nm välillä katselukulmariippuvuudelle (-40° to +40°), valaistuskulmariippuvuudelle (+40°, +55°), vuodenajan aiheuttamille muutoksille (kasvukausi 2017) sekä marja ja kukintojen tunnistamiselle. Sekä puolukka että mustikka osoittavat voimakasta taaksepäin suuntautuvaa ja huomattavaa eteenpäin suuntautuvaa ominaissirontaa päätasossa. Lajien välisessä vertailussa puolukka on kirkkaampi kaikkiin mitattuihin katselukulmiin näkyvän valon ja lähi-infrapunan aallonpituuksilla, mutta tummempi lyhytaaltoisen infrapunan alueella. Valaistuskulman zeniitin kasvattaminen 15° parantaa lajien spektrien erotettavuutta aiheuttamalla 12 %:n eron lajien heijastusvasteisiin. Yleisesti metsän kaukokartoituksessa käytetyt kasvillisuusindeksit (NDVI, NDVI705, MSI, PSRI) osoittavat matalaa herkkyyttä katselu- ja valaistuskulman muutoksille. Näytteessä olevat puolukanmarjat ja -kukat erottuvat spektrissä piikkinä 679 nm:n kohdalla, kun tarkastellaan marjallisten ja kukallisten näytteiden suhdetta marjattomiin ja kukattomiin. Spektriaineiston heijastus-anisotropian analysoinnin näytettiin edesauttavan varpukasvien erotettavuutta. Marjojen vahva kontribuutio varpunäytteistä mitattuihin spektreihin osoitettiin niin selkeästi, että jatkotutkimuksia UAV (unmanned aerial vehicle) -alustalla voidaan pitää perusteltuina. Ilma-aluksilla kerättyä aineistoa ehdotetaan käytettävän marjojen laajemman kartoituksen potentiaalin selvittämiseksi