Optimal Exploitation of the Sentinel-2 Spectral Capabilities for Crop Leaf Area Index Mapping

The continuously increasing demand of accurate quantitative high quality information on land surface properties will be faced by a new generation of environmental Earth observation (EO) missions. One current example, associated with a high potential to contribute to those demands, is the multi-spectral ESA Sentinel-2 (S2) system. The present study focuses on the evaluation of spectral information content needed for crop leaf area index (LAI) mapping in view of the future sensors. Data from a field campaign were used to determine the optimal spectral sampling from available S2 bands applying inversion of a radiative transfer model (PROSAIL) with look-up table (LUT) and artificial neural network (ANN) approaches. Overall LAI estimation performance of the proposed LUT approach (LUTN₅₀) was comparable in terms of retrieval performances with a tested and approved ANN method. Employing seven- and eight-band combinations, the LUTN₅₀ approach obtained LAI RMSE of 0.53 and normalized LAI RMSE of 0.12, which was comparable to the results of the ANN. However, the LUTN50 method showed a higher robustness and insensitivity to different band settings. Most frequently selected wavebands were located in near infrared and red edge spectral regions. In conclusion, our results emphasize the potential benefits of the Sentinel-2 mission for agricultural applications

Detection of Xylella fastidiosa in almond orchards by synergic use of an epidemic spread model and remotely sensed plant traits

The early detection of Xylella fastidiosa (Xf) infections is critical to the management of this dangerous plan pathogen across the world. Recent studies with remote sensing (RS) sensors at different scales have shown that Xf-infected olive trees have distinct spectral features in the visible and infrared regions (VNIR). However, further work is needed to integrate remote sensing in the management of plant disease epidemics. Here, we research how the spectral changes picked up by different sets of RS plant traits (i.e., pigments, structural or leaf protein content), can help capture the spatial dynamics of Xf spread. We coupled a spatial spread model with the probability of Xf-infection predicted by a RS-driven support vector machine (RS-SVM) model. Furthermore, we analyzed which RS plant traits contribute most to the output of the prediction models. For that, in almond orchards affected by Xf (n = 1426 trees), we conducted a field campaign simultaneously with an airborne campaign to collect high-resolution thermal images and hyperspectral images in the visible-near-infrared (VNIR, 400–850 nm) and short-wave infrared regions (SWIR, 950–1700 nm). The best performing RS-SVM model (OA = 75%; kappa = 0.50) included as predictors leaf protein content, nitrogen indices (NIs), fluorescence and a thermal indicator (Tc), alongside pigments and structural parameters. Leaf protein content together with NIs contributed 28% to the explanatory power of the model, followed by chlorophyll (22%), structural parameters (LAI and LIDFa), and chlorophyll indicators of photosynthetic efficiency. Coupling the RS model with an epidemic spread model increased the accuracy (OA = 80%; kappa = 0.48). In the almond trees where the presence of Xf was assayed by qPCR (n = 318 trees), the combined RS-spread model yielded an OA of 71% and kappa = 0.33, which is higher than the RS-only model and visual inspections (both OA = 64–65% and kappa = 0.26–31). Our work demonstrates how combining spatial epidemiological models and remote sensing can lead to highly accurate predictions of plant disease spatial distribution.Data collection was partially supported by the European Union's Horizon 2020 research and innovation program through grant agreements POnTE (635646) and XF-ACTORS (727987). R. Calderón was supported by a post-doctoral research fellowship from the Alfonso Martin Escudero Foundation (Spain)

Linking Canopy Reflectance and Plant Functioning through Radiative Transfer Models

Von den Tropen bis zur Tundra hat sich die Pflanzenwelt durch Anpassungen an lokale Umwelteinflüsse diversifiziert. Diese Anpassungen sind in der Funktionsweise der Pflanzen manifestiert, welche unter anderem Wachstum, Fortpflanzung, Konkurrenzfähigkeit oder Ausdauer beinhalten. Pflanzenfunktionen haben nicht nur direkten Einfluss auf die Artenzusammensetzung, sondern auch auf großräumige Prozesse wie Bio- und Atmossphäreninteraktionen oder Stoffkreisläufe. Folglich wurden viele Forschungsanstrengungen unternommen um Pflanzenfunktionen weiter zu verstehen und zu erfassen, z.B. darauf abzielend generalisierende Modelle von Pflanzenfunktionen zu entwickeln oder individuelle Pflanzenmerkmale als Indikatoren für Pflanzenfunktion zu identifizieren. Trotz der wissenschaftlichen Fortschritte fehlt ein vollständiges Bild der Funktionsvielfalt der Pflanzenwelt, sowohl in geographischer als auch funktioneller Hinsicht. Dies ist im Wesentlichen auf die Komplexität und die logistischen Einschränkungen bei der Messung von Pflanzenfunktionen im Feld zurückzuführen. Um dieses Bild zu vervollständigen wird insbesondere optischen Erdbeobachtungsdaten ein hohes Potenzial zugeschrieben. Optische Erdbeobachtungssensoren erfassen das vom Kronendach reflektierte Sonnenlicht. Letzteres wird durch verschiedene biochemische und strukturelle Pflanzenmerkmale (im Folgenden optische Merkmale) beeinträchtigt (z.B. Blattchlorophyllgehalt oder Blattwinkel). Das Abfangen und Absorbieren von Sonnenlicht ist die Grundlage des pflanzeneigenen Metabolismus und folglich liegt es Nahe, dass diese optischen Merkmale direkt mit Pflanzenfunktionen zusammenhängen. Der Zusammenhang dieser optische Merkmale mit Pflanzenfunktionen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht, und ebenso ist der Zusammenhang zwischen Pflanzenfunktion und Kronendachreflektion noch nicht vollständig untersucht. Die physikalischen Interaktionen von Licht und optischen Pflanzenmerkmalen sind bereits hinreichend verstanden und in Strahlungstransfermodellen (RTM) für Vegetationskronendächer formuliert. RTM können als prozessbasierte Modelle betrachtet werden, die die Reflektion des Kronendachs in Abhängigkeit von optische Merkmalen, dem Bodenhintergrund und der Sonnen-Sensorgeometrie modellieren. Das Ziel und die Innovation dieser Dissertation war die kausalen Zusammenhänge zwischen Kronendachreflektion und Pflanzenfunktion mittels RTM zu verstehen und zu nutzen. Es wurde gezeigt, dass für die Fernerkundung von Pflanzenfunktionen die Kopplung von Kronendachreflektion und Pflanzenfunktionen durch RTM mehrere Potentiale bietet: Erstens, ermöglichen RTM die Kartierung von Pflanzenmerkmalen. Innerhalb einer Fallstudie wurde gezeigt, dass eine Inversion von RTM mit hyperspektralen Daten eine Kartierung von optischen Merkmalen erlaubt, für die keine Felddaten zur Modellkalibrierung benötigt werden. Die kartierten Merkmale zeigten eine hohe Übereinstimmung mit Merkmalsausprägungen aus unabhängigen Datenbanken und spiegelten die im Feld gemessenen ökologischen Gradienten wider. Dies deutet darauf hin, dass RTM-Inversion als äußerst übertragbare Methode betrachtet werden kann, um räumliche Karten von Pflanzenmerkmalen zu erstellen, die als Proxies für Pflanzenfunktionen dienen können. Allerdings erfordert die Implementierung von RTM Inversionen fundierte Kenntnisse über die Prinzipien der Strahlentransfermodellierung und der zu untersuchenden Vegetationscharakteristiken. Zweitens, ermöglichen RTM die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Pflanzenfunktion und der Kronendachreflektion. In der vorliegenden Thesis wurden simulierte Kronendachspektren aus einem RTM verwendet, um den Beitrag der optischen Merkmale zu den spektralen Unterschieden zwischen Pflanzenfunktionstypen zu erfassen. Die Ergebnisse zeigten die dominanten Pflanzenmerkmale und die entsprechenden spektralen Charakteristiken die für eine fernerkundliche Unterscheidung der Pflanzenfunktion von großer Relevanz sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass RTM-basierte Simulationen Einschränkungen von Fallstudien kompensieren und Kenntnisse über die Zusammenhänge von Pflanzenfunktionen, Pflanzeneigenschaften und Kronendachtreflektion erweitern können. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung und Verbesserung von Sensoren und Algorithmen zur Fernerkundung von Pflanzenfunktionen. Drittens, erweitern RTM und die darin enthaltenen optischen Merkmale unsere Möglichkeiten Unterschiede in der Pflanzenfunktion zu verstehen und zu quantifizieren. Mit Hilfe von in-situ gemessenen Merkmalsausprägungen konnte gezeigt werden, dass die in RTM enthaltenen optischen Merkmale kausal mit primären Pflanzenfunktionen zusammenhängen. Dies wiederum bedeutet, dass die Reflexion des Kronendachs unmittelbar mit den primären Funktionen der Pflanze zusammenhängt (‘Reflektion folgt Funktion’). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass optische Merkmale vergleichbare oder sogar höhere Korrelationen mit den verwendeten pflanzlichen Funktionsgradienten aufweisen als die in der Pflanzenökologie üblich verwendeten Merkmale. Entsprechend bieten RTM sowohl eine alternative Perspektive als auch ein Set von Pflanzenmerkmalen mit denen Unterschiede der Pflanzenfunktion charakterisiert und quantifiziert werden können. Diese Merkmale können somit als wertvolle Ergänzung oder Alternative zu den in der Pflanzenökologie üblichen Merkmalen dienen. Zusammengefasst zeigt diese Thesis, dass RTM unsere Möglichkeiten erweiterten können die funktionelle Vielfalt der globalen Vegetationsbedeckung weiter zu verstehen und zu erfassen und führt zukunftsrelevante Forschungspotentiale auf

The EnMAP Managed Vegetation Scientific Processor

Nach jahrelanger wissenschaftlicher und technischer Vorbereitungszeit wird voraussichtlich Ende des Jahres 2020 der Start der orbitalen Phase einer unbemannten deutschen Weltraum-Mission initiiert. Das Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) wird an Bord des gleichnamigen Satelliten einen hyperspektralen Sensor zur Erfassung terrestrischer Oberflächen tragen. In den Umweltdisziplinen zur Erforschung von Ökosystemen, landwirtschaftlicher, forstwirtschaftlicher und urbaner Flächen, im Bereich der Küsten- und Inlandsgewässer sowie der Geologie und Bodenkunde bereitete man sich im Vorfeld des Starts auf die kommenden Daten vor. Zwar existiert bereits eine Vielzahl an Algorithmen zur wissenschaftlichen Analyse von spektralen Daten, allerdings ergeben sich auch neue Herausforderungen, da die EnMAP-Mission bislang im weltweiten Kontext der Fernerkundung einzigartig ist. Die Abdeckung des vollen optischen Spektrums (420 nm – 2450 nm) in Verbindung mit einer moderaten räumlichen Auflösung von 30 m und einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens 180 im kurzwelligen Infrarot und über 400 im sichtbaren Spektrum, ermöglichen eine Aufnahmequalität, die bislang nur von flugzeuggestützten Systemen erreicht werden konnte. Die Bemühungen in dieser Dissertation umfassen Aktivitäten in der wissenschaftlichen Vorbereitungsphase zu agrargeographischen Fragestellungen. Algorithmen und Tools zur Analyse der hyperspektralen Daten werden kostenlos im QGIS-Plugin EnMAP-Box 3 zur Verfügung gestellt. Die drängenden Fragen im Agrarsektor drehen sich hierbei um die Ableitung biochemischer und biophysikalischer Parameter aus Fernerkundungsdaten, weshalb die übergeordnete Problemstellung des Promotionsvorhabens die Entwicklung eines wissenschaftsbasierten EnMAP-Tools für bewirtschaftete Vegetationsflächen (EnMAP Managed Vegetation Scientific Processor) darstellt. Zu Beginn wurde eine umfassende Feldkampagne geplant, welche ab April 2014 umgesetzt wurde. Neben der spektralen Erfassung von Blatt-, Bestands- und Bodensignaturen in einem Winterweizen- und einem Maisfeld erfolgte auch die Messung wesentlicher Pflanzenparameter an den exakt gleichen Positionen. Hierzu zählt die non-destruktive Ableitung des Blattflächenindex (LAI), des Blattchlorophyllgehalts (Ccab), des Blattwassergehalts (EWT oder Cw), des relativen Blatttrockengewichts (LMA oder Cm), des mittleren Blattneigungswinkels im Bestand (ALIA) sowie weiterer sekundärer Parameter wie Wuchshöhe, das phänologisches Stadium und der Sonnenvektor. Um die Fähigkeit des späteren EnMAP-Satelliten sich um bis zu 30° orthogonal zur Flugrichtung zu kippen nachzustellen, wurden die spektralen Aufnahmen aus verschiedenen Betrachtungswinkeln erstellt, die dieser Aufnahme-Geometrien nachempfunden sind. Ein gängiges Verfahren zur Ableitung der relevanten Pflanzenparameter ist die Verwendung des Strahlungstransfermodells PROSAIL, welches das spektrale Signal einer Vegetationsfläche auf Basis der zugrundeliegenden biophysikalischen und biochemischen Parameter simuliert. Bei der Umkehr dieses Prozesses können ebendiese Variablen von gemessenen spektralen Daten abgeleitet werden. Hierzu wurde eine Datenbank (Look-Up-Table, LUT) aus PROSAIL-Modellläufen aufgebaut und die in den Feldkampagnen gemessenen Spektren mit dieser abgeglichen. Mit dieser Methode der LUT-Invertierung aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln konnten Genauigkeiten bei der LAI-Schätzung von 18 % und bei Blattchlorophyll von 20 % erzielt werden. Eine starke Anisotropie, also eine Reflexionsabhängigkeit von der Beleuchtungs- und Aufnahmerichtung, wurde bei Winterweizen vor allem für frühe Entwicklungsstadien festgestellt. Bei einer anschließenden Studie zur Unsicherheitsanalyse des Spektralmodells wurden PROSAIL-Ergebnisse, bei denen real gemessene Pflanzenparameter als Input dienten, den zugehörigen Reflektanzspektren gegenübergestellt. Es zeigten sich hierbei mitunter starke Abweichungen zwischen gemessenen und modellierten Spektren, die im Falle des Winterweizens einen saisonalen Verlauf zeichneten. Vor allem während frühen Wachstumsstadien tendierte das Modell dazu die Reflektanz im nahen Infrarot zu überschätzen, während es gegen Ende der Wachstumsperiode eher eine Unterschätzung aufwies. Als Unsicherheitsfaktor wurde die Parametrisierung des Modells ausgemacht, wenn der ALIA-Parameter als echter physikalische Blattwinkel interpretiert wird. Es wurde geschlussfolgert, dass eine Separierung von LAI und ALIA bei der Invertierung von PROSAIL eine korrekte Abschätzung der weniger sensitiven Parameter behindert. Die Erstellung des Vegetations-Prozessors erforderte die Verwendung von Regressions-Algorithmen des maschinellen Lernens (MLRA), da eine Verteilung von großen LUTs an die User nicht praktikabel wäre. Die MLRAs wurden an synthetischen Datensätzen trainiert, wobei zunächst die Optimierung der Hyperparameter im Vordergrund stand, bevor die Anwendung an echten Spektraldaten unternommen wurde. Es konnten dabei erst aussagekräftige Ergebnisse produziert werden, als die Trainingsdaten mit einem künstlichen Rauschen belegt wurden, da die Algorithmen unter einer Überanpassung an die Modellumgebung litten. Mithilfe des Prozessors konnten schließlich LAI, ALIA, Ccab und Cw aus hyperspektralen Daten abgeleitet werden. Künstliche neuronale Netze dienen dabei als Blackbox-Modelle, die in kurzer Zeit große Datenmengen verarbeiten können und somit einen entscheidenden Beitrag zur modernen angewandten Fernerkundung für eine breite User-Community leisten.After years of scientific and technical preparation, the launch of an unmanned German space-mission is planned to be initiated in 2020. The Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) is going to provide an equally named hyperspectral imager to map land surfaces. Scientists of environmental disciplines of monitoring of ecosystems, agricultural, forestry and urban areas as well as coastal and inland waters, geology and soils prepared themselves for the upcoming data prior to the actual launch. Although there already exists a variety of useful algorithms for a profound analysis of spectral data, new challenges will arise given the uniqueness of the EnMAP-mission in the global context of remote sensing; i.e. coverage of the full range of the optical spectrum (420 nm – 2450 nm) in combination with a moderate spatial resolution of 30 m and a high signal-to-noise ratio of at least 180 in the shortwave infrared and above 400 in the visible spectrum. This enables an imaging quality which to this date has only been reached by airborne systems. The efforts of this dissertation comprise activities in the scientific preparation phase for agro-geographical tasks. Algorithms and tools for an analysis of hyperspectral data are being provided for free in the QGIS-plugin EnMAP-Box 3. Urgent questions in the agricultural sector revolve around the derivation of biochemical and biophysical parameters from remote sensing data. For this reason, the overarching objective of this promotion is the development of a scientific EnMAP-tool for managed areas of vegetation (EnMAP Managed Vegetation Scientific Processor). At first, an extensive field campaign was planned and then started in April, 2014. Apart from spectral observations of leaves, canopies and soils in a winter wheat and a maize field, also relevant plant parameters were acquired at the exact same spots. Namely, they are the Leaf Area Index (LAI), leaf chlorophyll content (Ccab), leaf water content (EWT or Cw), relative dry leaf weight (LMA or Cm), Average Leaf Inclination Angle (ALIA) as well as other secondary parameters like canopy height, phenological stage and the solar vector. Spectral measurements were captured from different observation angles to match ground data with the sensing geometry of the future EnMAP-satellite, which can be tilted up to 30° orthogonal to its direction of flight. A common procedure to derive relevant crop parameters is to make use of the radiative transfer model PROSAIL, which simulates the spectral signal of a vegetated surface based on biophysical and biochemical input parameters. If this process is reverted, said parameters can be derived from measured spectral data. To do so, a Look-Up-Table (LUT) is built containing model runs of PROSAIL and then subsequently compared against spectra from the field campaigns. With this approach of LUT-inversions from different observation angles, an accuracy of 18 % could be achieved for LAI and 20 % for Ccab. Strong anisotropic effects, i.e. dependence on illumination geometry and sensor orientation, were identified for winter wheat mainly in the early stages of plant development. In a consecutive study about uncertainties of the spectral model, PROSAIL results fed with in situ measured crop parameters as input, were opposed to their associated reflectance signatures. A strong deviation between measured and modelled spectra was observed, which – in the case of winter wheat – showed a seasonal behavior. The model tended to overestimate reflectances in the near infrared for early phenological stages and to underestimate them at end of the growing period. The parametrization of the model was identified as an uncertainty factor if the ALIA parameter is interpreted as true physical leaf inclinations. It was concluded that a separation of LAI and ALIA at inversion of PROSAIL prevents an adequate estimation of the less sensitive parameters. The development of the vegetation processor required the use of Machine Learning Regression Algorithms (MLRA), since distribution of large LUTs to the user would be impracticable. The MLRAs were trained with synthetic datasets with primary importance to optimize their hyperparameters, before attempting to apply the algorithms to real spectral data. Significant results could not be obtained until training data were altered with artificial noise, because algorithms suffered from overfitting to the model environment. Executing the processor allowed to derive LAI, ALIA, Ccab and Cw from hyperspectral data. Artificial neural networks served as black box models, which digest great amount of data in a short period of time and thus make a decisive contribution to modern applied remote sensing with relevance for a broad user-community

The EnMAP Managed Vegetation Scientific Processor

Nach jahrelanger wissenschaftlicher und technischer Vorbereitungszeit wird voraussichtlich Ende des Jahres 2020 der Start der orbitalen Phase einer unbemannten deutschen Weltraum-Mission initiiert. Das Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) wird an Bord des gleichnamigen Satelliten einen hyperspektralen Sensor zur Erfassung terrestrischer Oberflächen tragen. In den Umweltdisziplinen zur Erforschung von Ökosystemen, landwirtschaftlicher, forstwirtschaftlicher und urbaner Flächen, im Bereich der Küsten- und Inlandsgewässer sowie der Geologie und Bodenkunde bereitete man sich im Vorfeld des Starts auf die kommenden Daten vor. Zwar existiert bereits eine Vielzahl an Algorithmen zur wissenschaftlichen Analyse von spektralen Daten, allerdings ergeben sich auch neue Herausforderungen, da die EnMAP-Mission bislang im weltweiten Kontext der Fernerkundung einzigartig ist. Die Abdeckung des vollen optischen Spektrums (420 nm – 2450 nm) in Verbindung mit einer moderaten räumlichen Auflösung von 30 m und einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens 180 im kurzwelligen Infrarot und über 400 im sichtbaren Spektrum, ermöglichen eine Aufnahmequalität, die bislang nur von flugzeuggestützten Systemen erreicht werden konnte. Die Bemühungen in dieser Dissertation umfassen Aktivitäten in der wissenschaftlichen Vorbereitungsphase zu agrargeographischen Fragestellungen. Algorithmen und Tools zur Analyse der hyperspektralen Daten werden kostenlos im QGIS-Plugin EnMAP-Box 3 zur Verfügung gestellt. Die drängenden Fragen im Agrarsektor drehen sich hierbei um die Ableitung biochemischer und biophysikalischer Parameter aus Fernerkundungsdaten, weshalb die übergeordnete Problemstellung des Promotionsvorhabens die Entwicklung eines wissenschaftsbasierten EnMAP-Tools für bewirtschaftete Vegetationsflächen (EnMAP Managed Vegetation Scientific Processor) darstellt. Zu Beginn wurde eine umfassende Feldkampagne geplant, welche ab April 2014 umgesetzt wurde. Neben der spektralen Erfassung von Blatt-, Bestands- und Bodensignaturen in einem Winterweizen- und einem Maisfeld erfolgte auch die Messung wesentlicher Pflanzenparameter an den exakt gleichen Positionen. Hierzu zählt die non-destruktive Ableitung des Blattflächenindex (LAI), des Blattchlorophyllgehalts (Ccab), des Blattwassergehalts (EWT oder Cw), des relativen Blatttrockengewichts (LMA oder Cm), des mittleren Blattneigungswinkels im Bestand (ALIA) sowie weiterer sekundärer Parameter wie Wuchshöhe, das phänologisches Stadium und der Sonnenvektor. Um die Fähigkeit des späteren EnMAP-Satelliten sich um bis zu 30° orthogonal zur Flugrichtung zu kippen nachzustellen, wurden die spektralen Aufnahmen aus verschiedenen Betrachtungswinkeln erstellt, die dieser Aufnahme-Geometrien nachempfunden sind. Ein gängiges Verfahren zur Ableitung der relevanten Pflanzenparameter ist die Verwendung des Strahlungstransfermodells PROSAIL, welches das spektrale Signal einer Vegetationsfläche auf Basis der zugrundeliegenden biophysikalischen und biochemischen Parameter simuliert. Bei der Umkehr dieses Prozesses können ebendiese Variablen von gemessenen spektralen Daten abgeleitet werden. Hierzu wurde eine Datenbank (Look-Up-Table, LUT) aus PROSAIL-Modellläufen aufgebaut und die in den Feldkampagnen gemessenen Spektren mit dieser abgeglichen. Mit dieser Methode der LUT-Invertierung aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln konnten Genauigkeiten bei der LAI-Schätzung von 18 % und bei Blattchlorophyll von 20 % erzielt werden. Eine starke Anisotropie, also eine Reflexionsabhängigkeit von der Beleuchtungs- und Aufnahmerichtung, wurde bei Winterweizen vor allem für frühe Entwicklungsstadien festgestellt. Bei einer anschließenden Studie zur Unsicherheitsanalyse des Spektralmodells wurden PROSAIL-Ergebnisse, bei denen real gemessene Pflanzenparameter als Input dienten, den zugehörigen Reflektanzspektren gegenübergestellt. Es zeigten sich hierbei mitunter starke Abweichungen zwischen gemessenen und modellierten Spektren, die im Falle des Winterweizens einen saisonalen Verlauf zeichneten. Vor allem während frühen Wachstumsstadien tendierte das Modell dazu die Reflektanz im nahen Infrarot zu überschätzen, während es gegen Ende der Wachstumsperiode eher eine Unterschätzung aufwies. Als Unsicherheitsfaktor wurde die Parametrisierung des Modells ausgemacht, wenn der ALIA-Parameter als echter physikalische Blattwinkel interpretiert wird. Es wurde geschlussfolgert, dass eine Separierung von LAI und ALIA bei der Invertierung von PROSAIL eine korrekte Abschätzung der weniger sensitiven Parameter behindert. Die Erstellung des Vegetations-Prozessors erforderte die Verwendung von Regressions-Algorithmen des maschinellen Lernens (MLRA), da eine Verteilung von großen LUTs an die User nicht praktikabel wäre. Die MLRAs wurden an synthetischen Datensätzen trainiert, wobei zunächst die Optimierung der Hyperparameter im Vordergrund stand, bevor die Anwendung an echten Spektraldaten unternommen wurde. Es konnten dabei erst aussagekräftige Ergebnisse produziert werden, als die Trainingsdaten mit einem künstlichen Rauschen belegt wurden, da die Algorithmen unter einer Überanpassung an die Modellumgebung litten. Mithilfe des Prozessors konnten schließlich LAI, ALIA, Ccab und Cw aus hyperspektralen Daten abgeleitet werden. Künstliche neuronale Netze dienen dabei als Blackbox-Modelle, die in kurzer Zeit große Datenmengen verarbeiten können und somit einen entscheidenden Beitrag zur modernen angewandten Fernerkundung für eine breite User-Community leisten.After years of scientific and technical preparation, the launch of an unmanned German space-mission is planned to be initiated in 2020. The Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) is going to provide an equally named hyperspectral imager to map land surfaces. Scientists of environmental disciplines of monitoring of ecosystems, agricultural, forestry and urban areas as well as coastal and inland waters, geology and soils prepared themselves for the upcoming data prior to the actual launch. Although there already exists a variety of useful algorithms for a profound analysis of spectral data, new challenges will arise given the uniqueness of the EnMAP-mission in the global context of remote sensing; i.e. coverage of the full range of the optical spectrum (420 nm – 2450 nm) in combination with a moderate spatial resolution of 30 m and a high signal-to-noise ratio of at least 180 in the shortwave infrared and above 400 in the visible spectrum. This enables an imaging quality which to this date has only been reached by airborne systems. The efforts of this dissertation comprise activities in the scientific preparation phase for agro-geographical tasks. Algorithms and tools for an analysis of hyperspectral data are being provided for free in the QGIS-plugin EnMAP-Box 3. Urgent questions in the agricultural sector revolve around the derivation of biochemical and biophysical parameters from remote sensing data. For this reason, the overarching objective of this promotion is the development of a scientific EnMAP-tool for managed areas of vegetation (EnMAP Managed Vegetation Scientific Processor). At first, an extensive field campaign was planned and then started in April, 2014. Apart from spectral observations of leaves, canopies and soils in a winter wheat and a maize field, also relevant plant parameters were acquired at the exact same spots. Namely, they are the Leaf Area Index (LAI), leaf chlorophyll content (Ccab), leaf water content (EWT or Cw), relative dry leaf weight (LMA or Cm), Average Leaf Inclination Angle (ALIA) as well as other secondary parameters like canopy height, phenological stage and the solar vector. Spectral measurements were captured from different observation angles to match ground data with the sensing geometry of the future EnMAP-satellite, which can be tilted up to 30° orthogonal to its direction of flight. A common procedure to derive relevant crop parameters is to make use of the radiative transfer model PROSAIL, which simulates the spectral signal of a vegetated surface based on biophysical and biochemical input parameters. If this process is reverted, said parameters can be derived from measured spectral data. To do so, a Look-Up-Table (LUT) is built containing model runs of PROSAIL and then subsequently compared against spectra from the field campaigns. With this approach of LUT-inversions from different observation angles, an accuracy of 18 % could be achieved for LAI and 20 % for Ccab. Strong anisotropic effects, i.e. dependence on illumination geometry and sensor orientation, were identified for winter wheat mainly in the early stages of plant development. In a consecutive study about uncertainties of the spectral model, PROSAIL results fed with in situ measured crop parameters as input, were opposed to their associated reflectance signatures. A strong deviation between measured and modelled spectra was observed, which – in the case of winter wheat – showed a seasonal behavior. The model tended to overestimate reflectances in the near infrared for early phenological stages and to underestimate them at end of the growing period. The parametrization of the model was identified as an uncertainty factor if the ALIA parameter is interpreted as true physical leaf inclinations. It was concluded that a separation of LAI and ALIA at inversion of PROSAIL prevents an adequate estimation of the less sensitive parameters. The development of the vegetation processor required the use of Machine Learning Regression Algorithms (MLRA), since distribution of large LUTs to the user would be impracticable. The MLRAs were trained with synthetic datasets with primary importance to optimize their hyperparameters, before attempting to apply the algorithms to real spectral data. Significant results could not be obtained until training data were altered with artificial noise, because algorithms suffered from overfitting to the model environment. Executing the processor allowed to derive LAI, ALIA, Ccab and Cw from hyperspectral data. Artificial neural networks served as black box models, which digest great amount of data in a short period of time and thus make a decisive contribution to modern applied remote sensing with relevance for a broad user-community

Estimating the crop leaf area index using hyperspectral remote sensing

AbstractThe leaf area index (LAI) is an important vegetation parameter, which is used widely in many applications. Remote sensing techniques are known to be effective but inexpensive methods for estimating the LAI of crop canopies. During the last two decades, hyperspectral remote sensing has been employed increasingly for crop LAI estimation, which requires unique technical procedures compared with conventional multispectral data, such as denoising and dimension reduction. Thus, we provide a comprehensive and intensive overview of crop LAI estimation based on hyperspectral remote sensing techniques. First, we compare hyperspectral data and multispectral data by highlighting their potential and limitations in LAI estimation. Second, we categorize the approaches used for crop LAI estimation based on hyperspectral data into three types: approaches based on statistical models, physical models (i.e., canopy reflectance models), and hybrid inversions. We summarize and evaluate the theoretical basis and different methods employed by these approaches (e.g., the characteristic parameters of LAI, regression methods for constructing statistical predictive models, commonly applied physical models, and inversion strategies for physical models). Thus, numerous models and inversion strategies are organized in a clear conceptual framework. Moreover, we highlight the technical difficulties that may hinder crop LAI estimation, such as the “curse of dimensionality” and the ill-posed problem. Finally, we discuss the prospects for future research based on the previous studies described in this review

The retrieval of plant functional traits from canopy spectra through RTM-inversions and statistical models are both critically affected by plant phenology

Plant functional traits play a key role in the assessment of ecosystem processes and properties. Optical remote sensing is ascribed a high potential in capturing those traits and their spatiotemporal patterns. In vegetation remote sensing, reflectance-based retrieval methods are either statistical (relying on empirical observations) or physically-based (based on inversions of a radiative transfer model, RTM). Both trait retrieval approaches remain poorly investigated regarding phenology. However, within the phenology of a plant, its leaf constituents, canopy structure, and the presence of phenology-related organs (i.e., flowers or inflorescence) vary considerably – and so does its reflectance. We, therefore, addressed the question of how plant phenology affects the predictive performance of both statistical and RTM-based methods and how this effect differs between traits. For a complete growing season, we weekly measured traits of 45 herbaceous plant species together with hyperspectral canopy reflectance (ASD FieldSpec III). Plants were grown in an experimental setup. The investigated traits comprised Leaf Area Index (LAI) and the leaf traits chlorophyll, anthocyanins, carotenoids, equivalent water thickness, and leaf mass per area. We compared the predictive performances of PLSR models and three variants of PROSAIL inversions based on (1) all observations and based on (2) a phenological subset where flowering plants were excluded and only those observations most suitable for modeling were kept. Our results show that both statistical and RTM-based trait retrievals were largely affected by phenology. For carotenoids for example, R$^{2}$ decreased from 0.58 at non-flowering canopies to 0.25 at 100% flowering canopies. Temporal trends were diverse. LAI and equivalent water thickness were best estimated earlier in the growing season; chlorophyll and carotenoids towards senescence. PLSR models showed generally higher bias than the PROSAIL-based retrieval approaches. Lookup-table inversion of PROSAIL in combination with a continuous wavelet transformation of reflectance showed highest accuracies. We found RTM-based retrieval not to be as accurate and transferable as previously indicated. Our results suggest that phenology is essential for accurate retrieval of plant functional traits and varies depending on the studied species and functional traits, respectively

Quantifying Vegetation Biophysical Variables from Imaging Spectroscopy Data: A Review on Retrieval Methods

An unprecedented spectroscopic data stream will soon become available with forthcoming Earth-observing satellite missions equipped with imaging spectroradiometers. This data stream will open up a vast array of opportunities to quantify a diversity of biochemical and structural vegetation properties. The processing requirements for such large data streams require reliable retrieval techniques enabling the spatiotemporally explicit quantification of biophysical variables. With the aim of preparing for this new era of Earth observation, this review summarizes the state-of-the-art retrieval methods that have been applied in experimental imaging spectroscopy studies inferring all kinds of vegetation biophysical variables. Identified retrieval methods are categorized into: (1) parametric regression, including vegetation indices, shape indices and spectral transformations; (2) nonparametric regression, including linear and nonlinear machine learning regression algorithms; (3) physically based, including inversion of radiative transfer models (RTMs) using numerical optimization and look-up table approaches; and (4) hybrid regression methods, which combine RTM simulations with machine learning regression methods. For each of these categories, an overview of widely applied methods with application to mapping vegetation properties is given. In view of processing imaging spectroscopy data, a critical aspect involves the challenge of dealing with spectral multicollinearity. The ability to provide robust estimates, retrieval uncertainties and acceptable retrieval processing speed are other important aspects in view of operational processing. Recommendations towards new-generation spectroscopy-based processing chains for operational production of biophysical variables are given

Improving ecological forecasts using model and data constraints

Terrestrial ecosystems are essential to human well-being, but their future remains highly uncertain, as evidenced by the huge disparities in model projections of the land carbon sink. The existence of these disparities despite the recent explosion of novel data streams, including the TRY plant traits database, the Landsat archive, and global eddy covariance tower networks, suggests that these data streams are not being utilized to their full potential by the terrestrial ecosystem modeling community. Therefore, the overarching objective of my dissertation is to identify how these various data streams can be used to improve the precision of model predictions by constraining model parameters. In chapter 1, I use a hierarchical multivariate meta-analysis of the TRY database to assess the dependence of trait correlations on ecological scale and evaluate the utility of these correlations for constraining ecosystem model parameters. I find that global trait correlations are generally consistent within plant functional types, and leveraging the multivariate trait space is an effective way to constrain trait estimates for data-limited traits and plant functional types. My next two chapters assess the ability to measure traits using remote sensing by exploring the links between leaf traits and reflectance spectra. In chapter 2, I introduce a method for estimating traits from spectra via radiative transfer model inversion. I then use this approach to show that although the precise location, width, and quantity of spectral bands significantly affects trait retrieval accuracy, a wide range of sensor configurations are capable of providing trait information. In chapter 3, I apply this approach to a large database of leaf spectra to show that traits vary as much within as across species, and much more across species within a functional type than across functional types. Finally, in chapter 4, I synthesize the findings of the previous chapters to calibrate a vegetation model's representation of canopy radiative transfer against observed remotely-sensed surface reflectance. Although the calibration successfully constrained canopy structural parameters, I identify issues with model representations of wood and soil reflectance that inhibit its ability to accurately reproduce remote sensing observations