Scaling up Semi-Arid Grassland Biochemical Content from the Leaf to the Canopy Level: Challenges and Opportunities

Remote sensing imagery is being used intensively to estimate the biochemical content of vegetation (e.g., chlorophyll, nitrogen, and lignin) at the leaf level. As a result of our need for vegetation biochemical information and our increasing ability to obtain canopy spectral data, a few techniques have been explored to scale leaf-level biochemical content to the canopy level for forests and crops. However, due to the contribution of non-green materials (i.e., standing dead litter, rock, and bare soil) from canopy spectra in semi-arid grasslands, it is difficult to obtain information about grassland biochemical content from remote sensing data at the canopy level. This paper summarizes available methods used to scale biochemical information from the leaf level to the canopy level and groups these methods into three categories: direct extrapolation, canopy-integrated approach, and inversion of physical models. As for semi-arid heterogeneous grasslands, we conclude that all methods are useful, but none are ideal. It is recommended that future research should explore a systematic upscaling framework which combines spatial pattern analysis, canopy-integrated approach, and modeling methods to retrieve vegetation biochemical content at the canopy level

Aerosol Optical Retrieval and Surface Reflectance from Airborne Remote Sensing Data over Land

Quantitative analysis of atmospheric optical properties and surface reflectance can be performed by applying radiative transfer theory in the Atmosphere-Earth coupled system, for the atmospheric correction of hyperspectral remote sensing data. This paper describes a new physically-based algorithm to retrieve the aerosol optical thickness at 550nm (τ550) and the surface reflectance (ρ) from airborne acquired data in the atmospheric window of the Visible and Near-Infrared (VNIR) range. The algorithm is realized in two modules. Module A retrieves τ550 with a minimization algorithm, then Module B retrieves the surface reflectance ρ for each pixel of the image. The method was tested on five remote sensing images acquired by an airborne sensor under different geometric conditions to evaluate the reliability of the method. The results, τ550 and ρ, retrieved from each image were validated with field data contemporaneously acquired by a sun-sky radiometer and a spectroradiometer, respectively. Good correlation index, r, and low root mean square deviations, RMSD, were obtained for the τ550 retrieved by Module A (r2 = 0.75, RMSD = 0.08) and the ρ retrieved by Module B (r2 ≤ 0.9, RMSD ≤ 0.003). Overall, the results are encouraging, indicating that the method is reliable for optical atmospheric studies and the atmospheric correction of airborne hyperspectral images. The method does not require additional at-ground measurements about at-ground reflectance of the reference pixel and aerosol optical thickness

Hyperspectral Unmixing Overview: Geometrical, Statistical, and Sparse Regression-Based Approaches

Imaging spectrometers measure electromagnetic energy scattered in their instantaneous field view in hundreds or thousands of spectral channels with higher spectral resolution than multispectral cameras. Imaging spectrometers are therefore often referred to as hyperspectral cameras (HSCs). Higher spectral resolution enables material identification via spectroscopic analysis, which facilitates countless applications that require identifying materials in scenarios unsuitable for classical spectroscopic analysis. Due to low spatial resolution of HSCs, microscopic material mixing, and multiple scattering, spectra measured by HSCs are mixtures of spectra of materials in a scene. Thus, accurate estimation requires unmixing. Pixels are assumed to be mixtures of a few materials, called endmembers. Unmixing involves estimating all or some of: the number of endmembers, their spectral signatures, and their abundances at each pixel. Unmixing is a challenging, ill-posed inverse problem because of model inaccuracies, observation noise, environmental conditions, endmember variability, and data set size. Researchers have devised and investigated many models searching for robust, stable, tractable, and accurate unmixing algorithms. This paper presents an overview of unmixing methods from the time of Keshava and Mustard's unmixing tutorial [1] to the present. Mixing models are first discussed. Signal-subspace, geometrical, statistical, sparsity-based, and spatial-contextual unmixing algorithms are described. Mathematical problems and potential solutions are described. Algorithm characteristics are illustrated experimentally.Comment: This work has been accepted for publication in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensin

Joint leaf chlorophyll content and leaf area index retrieval from Landsat data using a regularized model inversion system (REGFLEC)

Leaf area index (LAI) and leaf chlorophyll content (Chll) represent key biophysical and biochemical controls on water, energy and carbon exchange processes in the terrestrial biosphere. In combination, LAI and Chll provide critical information on vegetation density, vitality and photosynthetic potentials.However, simultaneous retrieval of LAI and Chll fromspace observations is extremely challenging. Regularization strategies are required to increase the robustness and accuracy of retrieved properties and enable more reliable separation of soil, leaf and canopy parameters. To address these challenges, the REGularized canopy reFLECtance model (REGFLEC) inversion system was refined to incorporate enhanced techniques for exploiting ancillary LAI and temporal information derived from multiple satellite scenes. In this current analysis, REGFLEC is applied to a time-series of Landsat data. A novel aspect of the REGFLEC approach is the fact that no site-specific data are required to calibrate the model, which may be run in a largely automated fashion using information extracted entirely from image-based and other widely available datasets. Validation results, based upon in-situ LAI and Chll observations collected over maize and soybean fields in centralNebraska for the period 2001–2005, demonstrate Chll retrievalwith a relative root-mean-square-deviation (RMSD) on the order of 19% (RMSD = 8.42 μg cm−2). While Chll retrievals were clearly influenced by the version of the leaf optical properties model used (PROSPECT), the application of spatio-temporal regularization constraints was shown to be critical for estimating Chll with sufficient accuracy. REGFLEC also reproduced the dynamics of in-situ measured LAI well (r2 = 0.85), but estimates were biased low, particularly over maize (LAI was underestimated by ~36 %). This disparity may be attributed to differences between effective and true LAI caused by significant foliage clumping not being properly accounted for in the canopy reflectance model (SAIL). Additional advances in the retrieval of canopy biophysical and leaf biochemical constituents will require innovative use of existing remote sensing data within physically realistic canopy reflectancemodels along with the ability to exploit the enhanced spectral and spatial capabilities of upcoming satellite systems

Estimation of leaf area index and its sunlit portion from DSCOVR EPIC data: theoretical basis

This paper presents the theoretical basis of the algorithm designed for the generation of leaf area index and diurnal course of its sunlit portion from NASA's Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) onboard NOAA's Deep Space Climate Observatory (DSCOVR). The Look-up-Table (LUT) approach implemented in the MODIS operational LAI/FPAR algorithm is adopted. The LUT, which is the heart of the approach, has been significantly modified. First, its parameterization incorporates the canopy hot spot phenomenon and recent advances in the theory of canopy spectral invariants. This allows more accurate decoupling of the structural and radiometric components of the measured Bidirectional Reflectance Factor (BRF), improves scaling properties of the LUT and consequently simplifies adjustments of the algorithm for data spatial resolution and spectral band compositions. Second, the stochastic radiative transfer equations are used to generate the LUT for all biome types. The equations naturally account for radiative effects of the three-dimensional canopy structure on the BRF and allow for an accurate discrimination between sunlit and shaded leaf areas. Third, the LUT entries are measurable, i.e., they can be independently derived from both below canopy measurements of the transmitted and above canopy measurements of reflected radiation fields. This feature makes possible direct validation of the LUT, facilitates identification of its deficiencies and development of refinements. Analyses of field data on canopy structure and leaf optics collected at 18 sites in the Hyytiälä forest in southern boreal zone in Finland and hyperspectral images acquired by the EO-1 Hyperion sensor support the theoretical basis.Shared Services Center NAS

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

Land surface temperature and emissivity retrieval from thermal infrared hyperspectral imaging

A new algorithm, optimized land surface temperature and emissivity retrieval (OLSTER), is presented to compensate for atmospheric effects and retrieve land surface temperature (LST) and emissivity from airborne thermal infrared hyperspectral data. The OLSTER algorithm is designed to retrieve properties of both natural and man-made materials. Multi-directional or multi-temporal observations are not required, and the scenes do not have to be dominated by blackbody features. The OLSTER algorithm consists of a preprocessing step, an iterative search for nearblackbody pixels, and an iterative constrained optimization loop. The preprocessing step provides initial estimates of LST per pixel and the atmospheric parameters of transmittance and upwelling radiance for the entire image. Pixels that are under- or overcompensated by the estimated atmospheric parameters are classified as near-blackbody and lower emissivity pixels, respectively. A constrained optimization of the atmospheric parameters using generalized reduced gradients on the near-blackbody pixels ensures physical results. The downwelling radiance is estimated from the upwelling radiance by applying a look-up table of coefficients based on a polynomial regression of radiative transfer model runs for the same sensor altitude. The LST and emissivity per pixel are retrieved simultaneously using the well established ISSTES algorithm. The OLSTER algorithm retrieves land surface temperatures within about ± 1.0 K, and emissivities within about ± 0.01 based on numerical simulation and validation work comparing results from sensor data with ground truth measurements. The OLSTER algorithm is currently one of only a few algorithms available that have been documented to retrieve accurate land surface temperatures and absolute land surface spectral emissivities from passive airborne hyperspectral LWIR sensor imagery