Investigation on the potential of hyperspectral and Sentinel-2 data for land-cover / land-use classification

The automated analysis of large areas with respect to land-cover and land-use is nowadays typically performed based on the use of hyperspectral or multispectral data acquired from airborne or spaceborne platforms. While hyperspectral data offer a more detailed description of the spectral properties of the Earth’s surface and thus a great potential for a variety of applications, multispectral data are less expensive and available in shorter time intervals which allows for time series analyses. Particularly with the recent availability of multispectral Sentinel-2 data, it seems desirable to have a comparative assessment of the potential of both types of data for land-cover and land-use classification. In this paper, we focus on such a comparison and therefore involve both types of data. On the one hand, we focus on the potential of hyperspectral data and the commonly applied techniques for data-driven dimensionality reduction or feature selection based on these hyperspectral data. On the other hand, we aim to reason about the potential of Sentinel-2 data and therefore transform the acquired hyperspectral data to Sentinel-2-like data. For performance evaluation, we provide classification results achieved with the different types of data for two standard benchmark datasets representing an urban area and an agricultural area, respectively

Revisiting Existing Classification Approaches for Building Materials Based on Hyperspectral Data

Pollution emissions into the drainage basin have direct impact on surface water quality. These emissions result from human activities that turn into pollution loads when they reach the water bodies, as point or diffuse sources. Their pollution potential depends on the characteristics and quantity of the transported materials. The estimation of pollution loads can assist decision-making in basin management. Knowledge about the potential pollution sources allows for a prioritization of pollution control policies to achieve the desired water quality. Consequently, it helps avoiding problems such as eutrophication of water bodies. The focus of the research described in this study is related to phosphorus emissions into river basins. The study area is the upper Iguazu basin that lies in the northeast region of the State of Paraná, Brazil, covering about 2,965 km² and around 4 million inhabitants live concentrated on just 16% of its area. The MoRE (Modeling of Regionalized Emissions) model was used to estimate phosphorus emissions. MoRE is a model that uses empirical approaches to model processes in analytical units, capable of using spatially distributed parameters, covering both, emissions from point sources as well as non-point sources. In order to model the processes, the basin was divided into 152 analytical units with an average size of 20 km². Available data was organized in a GIS environment. Using e.g. layers of precipitation, the Digital Terrain Model from a 1:10000 scale map as well as soils and land cover, which were derived from remote sensing imagery. Further data is used, such as point pollution discharges and statistical socio-economic data. The model shows that one of the main pollution sources in the upper Iguazu basin is the domestic sewage that enters the river as point source (effluents of treatment stations) and/or as diffuse pollution, caused by failures of sanitary sewer systems or clandestine sewer discharges, accounting for about 56% of the emissions. Second significant shares of emissions come from direct runoff or groundwater, being responsible for 32% of the total emissions. Finally, agricultural erosion and industry pathways represent 12% of emissions. This study shows that MoRE is capable of producing valid emission calculation on a relatively reduced input data basis

Towards a Generalized Machine Learning Approach for Estimating Chlorophyll Values in Inland Waters with Spectral Data

Wasser ist ein wesentliches Element des Lebens. Seine Qualität ist jedoch bedroht, zum Beispiel durch schädliche Algenblüten oder anthropogene Verschmutzungen. Regelmäßige Kontrollen ermöglichen das Erkennen von Veränderungen der Wasserqualität von Binnengewässern. Konventionelle Wasserqualitätskontrollen werden hauptsächlich mittels In-situ-Probenahmen durchgeführt, eine teure und arbeitsintensive Vorgehensweise. Spektrale Fernerkundung kann eine Alternative zu In-situ-Beprobungen sein. Die sichtbare und nahinfrarote Strahlung, die von einem Sensor aufgenommen wird, hat mit dem Wasserkörper und dessen Inhaltsstoffen interagiert. Dadurch enthält die Strahlung Informationen über Absorptions- und Streuprozesse in der Wassersäule. Ein Parameter, der stark mit der Strahlung wechselwirkt, ist das pflanzliche Pigment Chlorophyll a. Chlorophyll a ist ein Proxy für die Phytoplanktonabundanz und kann daher mit der Wasserqualität in Verbindung gebracht werden. Die spektrale Überlappung mit anderen Wasserinhaltsstoffen erschwert die Bestimmung des Chlorophyll a-Gehalts mit spektralen Daten in der Wassersäule. Daher ist ein zuverlässiger Modellierungsansatz erforderlich, um diese nicht-lineare Regressionsaufgabe zu lösen und damit kontinuierliche Chlorophyll a-Werte aus Spektraldaten zu gewinnen. Eine zusätzliche Anforderung an einen solchen Ansatz ist die Anwendbarkeit auf die meisten der weltweiten Binnengewässer, da der Mangel an Referenzdaten nicht erlaubt, spezialisierte Modelle für jeden einzelnen See zu generieren. Diese Generalisierungsanforderung passt perfekt zu Ansätzen des überwachten maschinellen Lernens. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist daher das Trainieren und Evaluieren von überwachten maschinellen Lernverfahren zum Schätzen kontinuierlicher Chlorophyll a-Werte von mehreren Binnengewässern. Die untersuchten Studien stützen sich dabei vollständig auf spektrale In-situ-Messungen. Dieser Aufbau erlaubt eine detailliertere Analyse der Beziehungen zwischen spektralen Daten und Wasserparametern. Außerdem wird der Einfluss der Atmosphäre verringert. Drei verschiedene Datensätze wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgenommen, um den Generalisierungsprozess der generierten Modelle zu untersuchen. Die Variabilität der Datensätze nimmt dabei sukzessive zu. Daher wurden für diese Datensätze drei Studienkonfigurationen entworfen, die sukzessive die Anforderung zur Generalisierung der Modelle erhöhen. In der ersten Konfiguration werden lediglich Modelle untersucht, die sich auf ein einzelnes Gewässer beziehen. Im Gegensatz dazu stützt sich die letzte Konfiguration auf einen vollständig simulierten Datensatz für den Trainingsprozess der Modelle, während deren Evaluierung auf einem völlig unabhängigen Datensatz mit elf verschiedenen Binnengewässern erfolgt. Die Idee hinter diesem Konzept ist, wenn die Modelle die Chlorophyll a-Werte der elf völlig unbekannten Binnengewässer schätzen können, werden sie vermutlich auch weltweit, die Werte ähnlicher Binnengewässer schätzen können. Ein eindimensionales CNN als Vertreter der Deep-Learning-Verfahren hat sich dabei als das Modell mit den besten Generaliserungseigenschaften bei zufriedenstellender Schätzgenauigkeit erwiesen. Ein weiteres Augenmerk wird auf die spektrale Auflösung gelegt. Eine Verringerung der spektralen Auflösung von hyperspektral auf multispektral ist mit einem Informationsverlust verbunden. Die Schätzungsergebnisse aus dem eindimensionalen CNN zeigen, dass eine hyperspektrale Auflösung für ein vollständig generalisierendes Modell notwendig ist. Eine multispektrale Auflösung ist jedoch ausreichend für weniger generalisierende Modelle. Diese Erkenntnisse sind wichtig um im Hinblick auf ein zukünftiges Forschungsvorhaben den Upscaling-Ansatz auf reale Satellitendaten zu realisieren und damit eine flächendeckende Überwachung der Wasserqualität zu verwirklichen

Mapping urban surface materials using imaging spectroscopy data

Die Kartierung der städtische Oberflächenmaterialien ist aufgrund der komplexen räumlichen Muster eine Herausforderung. Daten von bildgebenden Spektrometern können hierbei durch die feine und kontinuierliche Abtastung des elektromagnetischen Spektrums detaillierte spektrale Merkmale von Oberflächenmaterialien erkennen, was mit multispektralen oder RGB-Bildern nicht mit der gleichen Genauigkeit erreicht werden kann. Bislang wurden in zahlreichen Studien zur Kartierung von städtischen Oberflächenmaterialien Daten von flugzeuggestützten abbildenden Spektrometern mit hoher räumlicher Auflösung verwendet, die ihr Potenzial unter Beweis stellen und gute Ergebnisse liefern. Im Vergleich zu diesen Sensoren haben weltraumgestützte abbildende Spektrometer eine regionale oder globale Abdeckung, eine hohe Wiederholbarkeit und vermeiden teure, zeit- und arbeitsaufwändige Flugkampagnen. Allerdings liegt die räumliche Auflösung der aktuellen weltraumgestützten abbildenden Spektroskopiedaten bei etwa 30 m, was zu einem Mischpixelproblem führt, welches mit herkömmlichen Kartierungsansätzen nur schwer zu bewältigen ist. Das Hauptziel dieser Studie ist die Kartierung städtischer Materialien mit bildgebenden Spektroskopiedaten in verschiedenen Maßstäben und die gleichzeitige Nutzung des Informationsgehalts dieser Daten, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Oberflächenmaterialien zu erfassen sowie das Mischpixelproblem zu berücksichtigen. Konkret zielt diese Arbeit darauf ab, (1) photovoltaische Solarmodule mit Hilfe von luftgestützten bildgebenden Spektroskopiedaten auf der Grundlage ihrer spektralen Merkmale zu kartieren; (2) die Robustheit der Stichprobe von städtischen Materialgradienten zu untersuchen; (3) die Übertragbarkeit von städtischen Materialgradienten auf andere Gebiete zu analysieren.Mapping urban surface materials is challenging due to the complex spatial patterns. Data from imaging spectrometers can identify detailed spectral features of surface materials through the fine and continuous sampling of the electromagnetic spectrum, which cannot be achieved with the same accuracy using multispectral or RGB images. To date, numerous studies in urban surface material mapping have been using data from airborne imaging spectrometers with high spatial resolution, demonstrating the potential and providing good results. Compared to these sensors, spaceborne imaging spectrometers have regional or global coverage, high repeatability, and avoid expensive, time-consuming, and labor-intensive flight campaigns. However, the spatial resolution of current spaceborne imaging spectroscopy data (also known as hyperspectral data) is about 30 m, resulting in a mixed pixel problem that is challenging to handle with conventional mapping approaches. The main objective of this study is to perform urban surface material mapping with imaging spectroscopy data at different spatial scales, simultaneously explore the information content of these data to detect the chemical and physical properties of surface materials, and take the mixed-pixel problem into account. Specifically, this thesis aims to (1) map solar photovoltaic modules using airborne imaging spectroscopy data based on their spectral features; (2) investigate the sampling robustness of urban material gradients; (3) analyze the area transferability of urban material gradients

Exploiting the Quantum Advantage for Satellite Image Processing: Review and Assessment

This article examines the current status of quantum computing in Earth observation (EO) and satellite imagery. We analyze the potential limitations and applications of quantum learning models when dealing with satellite data, considering the persistent challenges of profiting from quantum advantage and finding the optimal sharing between high-performance computing (HPC) and quantum computing (QC). We then assess some parameterized quantum circuit models transpiled into a Clifford+T universal gate set. The T-gates shed light on the quantum resources required to deploy quantum models, either on an HPC system or several QC systems. In particular, if the T-gates cannot be simulated efficiently on an HPC system, we can apply a quantum computer and its computational power over conventional techniques. Our quantum resource estimation showed that quantum machine learning (QML) models, with a sufficient number of T-gates, provide the quantum advantage if and only if they generalize on unseen data points better than their classical counterparts deployed on the HPC system and they break the symmetry in their weights at each learning iteration like in conventional deep neural networks. We also estimated the quantum resources required for some QML models as an initial innovation. Lastly, we defined the optimal sharing between an HPC+QC system for executing QML models for hyperspectral satellite images. These are a unique dataset compared to other satellite images since they have a limited number of input qubits and a small number of labeled benchmark images, making them less challenging to deploy on quantum computers.Comment: It could be withdrawn if accepted in IEEE Transaction on Quantum Engineerin

Mapping Prosopis glandulosa (mesquite) invasion in the arid environment of South African using remote sensing techniques

A dissertation submitted to the School of Geography, Archaeology and Environmental Studies, Faculty of Science, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfilment of requirements for the degree of Master of Science in Environmental Sciences. Johannesburg, March 2016.Mapping Prosopis glandulosa (mesquite) invasion in the arid environment of South Africa using remote sensing techniques Mureriwa, Nyasha Abstract Decades after the first introduction of the Prosopis spp. (mesquite) to South Africa in the late 1800s for its benefits, the invasive nature of the species became apparent as its spread in regions of South Africa resulting in devastating effects to biodiversity, ecosystems and the socio-economic wellbeing of affected regions. Various control and management practices that include biological, physical, chemical and integrated methods have been tested with minimal success as compared to the rapid spread of the species. From previous studies, it has been noted that one of the reasons for the low success rates in mesquite control and management is a lack of sufficient information on the species invasion dynamic in relation to its very similar co-existing species. In order to bridge this gap in knowledge, vegetation species mapping techniques that use remote sensing methods need to be tested for the monitoring, detection and mapping of the species spread. Unlike traditional field survey methods, remote sensing techniques are better at monitoring vegetation as they can cover very large areas and are time-effective and cost-effective. Thus, the aim of this research was to examine the possibility of mapping and spectrally discriminating Prosopis glandulosa from its native co-existing species in semi-arid parts of South Africa using remote sensing methods. The specific objectives of the study were to investigate the spectral separability between Prosopis glandulosa and its co-existing species using field spectral data as well as to upscale the results to different satellites resolutions. Two machine learning algorithms (Random Forest (RF) and Support Vector Machines (SVM)) were also tested in the mapping processes. The first chapter of the study evaluated the spectral discrimination of Prosopis glandulosa from three other species (Acacia karoo, Acacia mellifera and Ziziphus mucronata) in the study area using in-situ spectroscopy in conjunction with the newly developed guided regularized random forest (GRRF) algorithm in identifying key wavelengths for multiclass classification. The GRRF algorithm was used as a method of reducing the problem of high dimensionality associated with hyperspectral data. Results showed that there was an increase in the accuracy of discrimination between the four species when the full set of 1825 wavelengths was used in classification (79.19%) as compared to the classification used by the 11 key wavelengths identified by GRRF (88.59%). Results obtained from the second chapter showed that it is possible to spatially discriminate mesquite from its co-existing acacia species and other general land-cover types at a 2 m resolution with overall accuracies of 86.59% for RF classification and 85.98% for SVM classification. The last part of the study tested the use of the more cost effective SPOT-6 imagery and the RF and SVM algorithms in mapping Prosopis glandulosa invasion and its co-existing indigenous species. The 6 m resolution analysis obtained accuracies of 78.46% for RF and 77.62% for SVM. Overall it was concluded that spatial and spectral discrimination of Prosopis glandulosa from its native co-existing species in semi-arid South Africa was possible with high accuracies through the use of (i) two high resolution, new generation sensors namely, WorldView-2 and SPOT-6; (ii) two robust classification algorithms specifically, RF and SVM and (iii) the newly developed GRRF algorithm for variable selection and reducing the high dimensionality problem associated with hyperspectral data. Some recommendations for future studies include the replication of this study on a larger scale in different invaded areas across the country as well as testing the robustness of the RF and SVM classifiers by making use of other machine learning algorithms and classification methods in species discrimination. Keywords: Prosopis glandulosa, field spectroscopy, cost effectiveness, Guided Regularised Random Forest, Support Vector Machines, Worldview-2, Spot-

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