Superresolution Enhancement of Hyperspectral CHRIS/Proba Images With a Thin-Plate Spline Nonrigid Transform Model

Given the hyperspectral-oriented waveband configuration of multiangular CHRIS/Proba imagery, the scope of its application could widen if the present 18-m resolution would be improved. The multiangular images of CHRIS could be used as input for superresolution (SR) image reconstruction. A critical procedure in SR is an accurate registration of the low-resolution images. Conventional methods based on affine transformation may not be effective given the local geometric distortion in high off-nadir angular images. This paper examines the use of a non-rigid transform to improve the result of a nonuniform interpolation and deconvolution SR method. A scale-invariant feature transform is used to collect control points (CPs). To ensure the quality of CPs, a rigorous screening procedure is designed: 1) an ambiguity test; 2) the m-estimator sample consensus method; and 3) an iterative method using statistical characteristics of the distribution of random errors. A thin-plate spline (TPS) nonrigid transform is then used for the registration. The proposed registration method is examined with a Delaunay triangulation-based nonuniform interpolation and reconstruction SR method. Our results show that the TPS nonrigid transform allows accurate registration of angular images. SR results obtained from simulated LR images are evaluated using three quantitative measures, namely, relative mean-square error, structural similarity, and edge stability. Compared to the SR methods that use an affine transform, our proposed method performs better with all three evaluation measures. With a higher level of spatial detail, SR-enhanced CHRIS images might be more effective than the original data in various applications.JRC.H.7-Climate Risk Managemen

First results from the PROBA/CHRIS hyperspectral/multiangular satellite system over land and water targets

The Project for On-Board Autonomy (PROBA) platform developed by the European Space Agency was launched on October 22, 2001. The instrument payload includes the Compact High Resolution Imaging Spectrometer (CHRIS). The coupled system provides high spatial resolution hyperspectral/multi-angular data, which represents a new-generation source of information for Earth observation purposes. The first results obtained from the preprocessing (noise removal and geometric/atmospheric correction) of two different datasets, collected over agricultural crops and inland waters, are presented in this letter. In situ measurements are used to assess the quality of the data and to validate the processing algorithms. The capabilities of this new kind of information for an improved analysis of the surface properties are shown, focusing on the advantages that the coupling between the spectral and the angular domains may have in future Earth observation systems. © 2005 IEEE

a Berlin case study

Durch den Prozess der Urbanisierung verändert die Menschheit die Erdoberfläche in großem Ausmaß und auf unwiederbringliche Weise. Die optische Fernerkundung ist eine Art der Erdbeobachtung, die das Verständnis dieses dynamischen Prozesses und seiner Auswirkungen erweitern kann. Die vorliegende Arbeit untersucht, inwiefern hyperspektrale Daten Informationen über Versiegelung liefern können, die der integrierten Analyse urbaner Mensch-Umwelt-Beziehungen dienen. Hierzu wird die Verarbeitungskette von Vorverarbeitung der Rohdaten bis zur Erstellung referenzierter Karten zu Landbedeckung und Versiegelung am Beispiel von Hyperspectral Mapper Daten von Berlin ganzheitlich untersucht. Die traditionelle Verarbeitungskette wird mehrmals erweitert bzw. abgewandelt. So wird die radiometrische Vorverarbeitung um die Normalisierung von Helligkeitsgradienten erweitert, welche durch die direktionellen Reflexionseigenschaften urbaner Oberflächen entstehen. Die Klassifikation in fünf spektral komplexe Landnutzungsklassen wird mit Support Vector Maschinen ohne zusätzliche Merkmalsextraktion oder Differenzierung von Subklassen durchgeführt...thesi

Automated proximal sensing for estimation of the bidirectional reflectance distribution function in a Mediterranean tree-grass ecosystem

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2015-2016Los sistemas automáticos de proximal sensing permiten adquirir información espectral de las cubiertas terrestres elevada frecuencia temporal, que puede relacionarse con observaciones remotas o de otros tipos de sensores como los sistemas de eddy covariance. Si bien inicialmente los sistemas automáticos empleaban sensores multi-banda, en los últimos años se ha incrementado el uso de sensores hiperespectrales. Si bien estos sensores ofrecen información redundante y de alta resolución espectral, las mediciones están sujetas a múltiples fuentes de incertidumbre; tanto instrumentales (dependencias de la temperatura o el nivel de señal) como direccionales (dependencia de la geometría de observación e iluminación). Las dependencias instrumentales pueden ser minimizadas, por ejemplo, controlando la temperatura del instrumento o el nivel de señal registrado. En otros casos, es necesario parametrizar y emplear modelos para corregir los datos. En la presente tesis doctoral los capítulos 1 al 3 presentan la caracterización completa de un espectrómetro de campo instalado en un sistema automático. Los capítulos 1 y 2 analizan las fuentes de no linealidad en este instrumento, una de las cuales no había sido anteriormente descrita en este tipo de instrumentos. El tercer capítulo muestra el conjunto completo de modelos de corrección de los efectos instrumentales y la cadena de procesado correspondiente. Por otro lado, los sistemas automáticos se enfrentan a efectos direccionales ya que adquieren mediciones continuamente durante el ciclo solar diario y bajo cualquier condición de iluminación. Esto maximiza los rangos de los ángulos de iluminación y también de la fracción difusa de la irradiancia. Esta variabilidad de condiciones de iluminación, combinada con una variación de los ángulos de observación permite obtener la información necesaria para caracterizar las respuestas direccionales de la cubierta observada. Algunos sistemas automáticos multi-angulares ya han sido empleados para realizar esta caracterización mediante la estimación de la Función de Distribución de Reflectividad Bidireccional (BRDF) en ecosistemas homogéneos. Sin embargo, esto no se ha conseguido aún en áreas heterogéneas, como es el caso de los ecosistemas tree-grass o de sabana. Así mismo, los trabajos previos no han considerado los efectos de la radiación difusa en el estudio del BRDF. En el capítulo 4 proponemos una metodología que permite desmezclar y caracterizar simultáneamente la función de distribución de reflectividad hemisférica-direccional de las dos cubiertas de vegetación presentes en el ecosistema, pasto y arbolado. También se analizan los efectos de las diferentes características del método. Finalmente, los resultados se escalan y se comparan con productos globales de satélite como el producto BRDF de MODIS. La conclusión obtenida es que se requieren más esfuerzos en el desarrollo y caracterización de sensores hiperespectrales instalados en sistemas automáticos de campo. Estos sistemas deberían adoptar configuraciones multi-angulares de modo que puedan caracterizarse las respuestas direccionales. Para ello, será necesario considerar los efectos de la radiación difusa; y en algunos casos también la heterogeneidad de la escena

Automated proximal sensing for estimation of the bidirectional reflectance distribution function in a Mediterranean tree-grass ecosystem

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2015-2016Los sistemas automáticos de proximal sensing permiten adquirir información espectral de las cubiertas terrestres elevada frecuencia temporal, que puede relacionarse con observaciones remotas o de otros tipos de sensores como los sistemas de eddy covariance. Si bien inicialmente los sistemas automáticos empleaban sensores multi-banda, en los últimos años se ha incrementado el uso de sensores hiperespectrales. Si bien estos sensores ofrecen información redundante y de alta resolución espectral, las mediciones están sujetas a múltiples fuentes de incertidumbre; tanto instrumentales (dependencias de la temperatura o el nivel de señal) como direccionales (dependencia de la geometría de observación e iluminación). Las dependencias instrumentales pueden ser minimizadas, por ejemplo, controlando la temperatura del instrumento o el nivel de señal registrado. En otros casos, es necesario parametrizar y emplear modelos para corregir los datos. En la presente tesis doctoral los capítulos 1 al 3 presentan la caracterización completa de un espectrómetro de campo instalado en un sistema automático. Los capítulos 1 y 2 analizan las fuentes de no linealidad en este instrumento, una de las cuales no había sido anteriormente descrita en este tipo de instrumentos. El tercer capítulo muestra el conjunto completo de modelos de corrección de los efectos instrumentales y la cadena de procesado correspondiente. Por otro lado, los sistemas automáticos se enfrentan a efectos direccionales ya que adquieren mediciones continuamente durante el ciclo solar diario y bajo cualquier condición de iluminación. Esto maximiza los rangos de los ángulos de iluminación y también de la fracción difusa de la irradiancia. Esta variabilidad de condiciones de iluminación, combinada con una variación de los ángulos de observación permite obtener la información necesaria para caracterizar las respuestas direccionales de la cubierta observada. Algunos sistemas automáticos multi-angulares ya han sido empleados para realizar esta caracterización mediante la estimación de la Función de Distribución de Reflectividad Bidireccional (BRDF) en ecosistemas homogéneos. Sin embargo, esto no se ha conseguido aún en áreas heterogéneas, como es el caso de los ecosistemas tree-grass o de sabana. Así mismo, los trabajos previos no han considerado los efectos de la radiación difusa en el estudio del BRDF. En el capítulo 4 proponemos una metodología que permite desmezclar y caracterizar simultáneamente la función de distribución de reflectividad hemisférica-direccional de las dos cubiertas de vegetación presentes en el ecosistema, pasto y arbolado. También se analizan los efectos de las diferentes características del método. Finalmente, los resultados se escalan y se comparan con productos globales de satélite como el producto BRDF de MODIS. La conclusión obtenida es que se requieren más esfuerzos en el desarrollo y caracterización de sensores hiperespectrales instalados en sistemas automáticos de campo. Estos sistemas deberían adoptar configuraciones multi-angulares de modo que puedan caracterizarse las respuestas direccionales. Para ello, será necesario considerar los efectos de la radiación difusa; y en algunos casos también la heterogeneidad de la escena

Assessment of passive optical remote sensing for mapping macroalgae communities on the Galician coast

[Abstract] Coastal zones represent the transition between terrestrial and aquatic environment being one of the most dynamic and productive ecosystems on the Earth. Benthic algal communities play an important role in coastal ecosystems. Due to their ecological and economic importance there is a strong need for methods that allow collecting quantitative and qualitative information about macroalgal benthic communities, in order to allow their efficient assessment, monitoring and management. Geographical Information Systems (GIS) and remote sensing (RS) have a potential use in the generation of digital geographic information. However, at the beginning of this thesis the lack of information in Galicia related to this field was remarkable. Only little information was available for users and in most of the cases it was too coarse or the administrative process for data acquisition too arduous. For this reason, this thesis was originally designed as a contribution for the generation of digital geographic data for the littoral zone, where this scarcity was more significant. In this sense a shoreline of Galicia was digitized and several kind of remote sensors were assessed to map macroalgal communities. These sensors allowed the differentiation of different macroalgal groups until an specific depth depending on their spectral and spatial resolution.[Resumo] As zonas costeiras representan a transición entre o ambiente acuático e o terrestre sendo un dos ecosistemas máis dinámicos e productivos da Terra. As comunidades de algas bentónicas xogan un papel fundamental neste tipo de ecosistemas. Dada a súa importancia ecolóxia e económica fanse necesarios métodos que permitan unha recolección de información tanto cuantitativa como cualitativa para a súa eficiente valoración, monitorización e xestión. Os Sistemas de Información Xeográfica (SIX) e a teledetección teñen un uso potencial na xeración de información xeográfica. Sen embargo, durante o planteamento desta tese, en Galicia encontrábase dispoñible escasa información para os usuarios e na maioría dos casos era de pouco detalle ou o proceso administrativo para a súa adquisición demasiado arduo. Por esta razón, esta tese foi orixinalmente deseñada como unha contribución á xeración de datos xeográficos dixitales da zona litoral, donde a escaseza é máis significante. Neste sentido, dixitalizouse unha liña de costa de Galicia e valoráronse varios sensores remotos para o cartografiado de comunidades de algas. Estes sensores permitiron a diferenciación de grupos algais ata unha profundidade determinada dependendo da súa resolución espectral e espacial.[Resumen] Las zonas costeras representan la transición entre el ambiente acuático y el terrestre siendo una de los ecosistemas más dinámicos y productivos de la Tierra. Las comunidades de algas bentónicas juegan un papel fundamental en este tipo de ecosistemas. Dada su importancia ecológica y económica se hacen necesarios métodos que permitan una recolección de información tanto cuantitativa como cualitativa para su eficiente valoración, monitorización y gestión. Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) y la teledetección tienen un uso potencial en la generación de información geográfica. Sin embargo, durante el planteamiento de esta tesis, en Galicia se encontraba escasa información disponible para los usuarios y en la mayoría de los casos, esta información era de muy poco detalle o el proceso administrativo para su adquisición demasiado arduo. Por esta razón, esta tesis fue originalmente diseñada como una contribución a la generación de datos geográficos digitales de la zona litoral, donde la escasez es más significante. En este sentido se digitalizó una línea de costa de Galicia y se valoraron varios sensores remotos para el cartografiado de comunidades de algas. Estos sensores permitieron la diferenciación de grupos algales hasta una profundidad determinada dependiendo de su resolución espectral y espacial