Remote Sensing of Plant Biodiversity

At last, here it is. For some time now, the world has needed a text providing both a new theoretical foundation and practical guidance on how to approach the challenge of biodiversity decline in the Anthropocene. This is a global challenge demanding global approaches to understand its scope and implications. Until recently, we have simply lacked the tools to do so. We are now entering an era in which we can realistically begin to understand and monitor the multidimensional phenomenon of biodiversity at a planetary scale. This era builds upon three centuries of scientific research on biodiversity at site to landscape levels, augmented over the past two decades by airborne research platforms carrying spectrometers, lidars, and radars for larger-scale observations. Emerging international networks of fine-grain in-situ biodiversity observations complemented by space-based sensors offering coarser-grain imagery—but global coverage—of ecosystem composition, function, and structure together provide the information necessary to monitor and track change in biodiversity globally. This book is a road map on how to observe and interpret terrestrial biodiversity across scales through plants—primary producers and the foundation of the trophic pyramid. It honors the fact that biodiversity exists across different dimensions, including both phylogenetic and functional. Then, it relates these aspects of biodiversity to another dimension, the spectral diversity captured by remote sensing instruments operating at scales from leaf to canopy to biome. The biodiversity community has needed a Rosetta Stone to translate between the language of satellite remote sensing and its resulting spectral diversity and the languages of those exploring the phylogenetic diversity and functional trait diversity of life on Earth. By assembling the vital translation, this volume has globalized our ability to track biodiversity state and change. Thus, a global problem meets a key component of the global solution. The editors have cleverly built the book in three parts. Part 1 addresses the theory behind the remote sensing of terrestrial plant biodiversity: why spectral diversity relates to plant functional traits and phylogenetic diversity. Starting with first principles, it connects plant biochemistry, physiology, and macroecology to remotely sensed spectra and explores the processes behind the patterns we observe. Examples from the field demonstrate the rising synthesis of multiple disciplines to create a new cross-spatial and spectral science of biodiversity. Part 2 discusses how to implement this evolving science. It focuses on the plethora of novel in-situ, airborne, and spaceborne Earth observation tools currently and soon to be available while also incorporating the ways of actually making biodiversity measurements with these tools. It includes instructions for organizing and conducting a field campaign. Throughout, there is a focus on the burgeoning field of imaging spectroscopy, which is revolutionizing our ability to characterize life remotely. Part 3 takes on an overarching issue for any effort to globalize biodiversity observations, the issue of scale. It addresses scale from two perspectives. The first is that of combining observations across varying spatial, temporal, and spectral resolutions for better understanding—that is, what scales and how. This is an area of ongoing research driven by a confluence of innovations in observation systems and rising computational capacity. The second is the organizational side of the scaling challenge. It explores existing frameworks for integrating multi-scale observations within global networks. The focus here is on what practical steps can be taken to organize multi-scale data and what is already happening in this regard. These frameworks include essential biodiversity variables and the Group on Earth Observations Biodiversity Observation Network (GEO BON). This book constitutes an end-to-end guide uniting the latest in research and techniques to cover the theory and practice of the remote sensing of plant biodiversity. In putting it together, the editors and their coauthors, all preeminent in their fields, have done a great service for those seeking to understand and conserve life on Earth—just when we need it most. For if the world is ever to construct a coordinated response to the planetwide crisis of biodiversity loss, it must first assemble adequate—and global—measures of what we are losing

LIDAR based semi-automatic pattern recognition within an archaeological landscape

LIDAR-Daten bieten einen neuartigen Ansatz zur Lokalisierung und Überwachung des kulturellen Erbes in der Landschaft, insbesondere in schwierig zu erreichenden Gebieten, wie im Wald, im unwegsamen Gelände oder in sehr abgelegenen Gebieten. Die manuelle Lokalisation und Kartierung von archäologischen Informationen einer Kulturlandschaft ist in der herkömmlichen Herangehensweise eine sehr zeitaufwändige Aufgabe des Fundstellenmanagements (Cultural Heritage Management). Um die Möglichkeiten in der Erkennung und bei der Verwaltung des kulturellem Erbes zu verbessern und zu ergänzen, können computergestützte Verfahren einige neue Lösungsansätze bieten, die darüber hinaus sogar die Identifizierung von für das menschliche Auge bei visueller Sichtung nicht erkennbaren Details ermöglichen. Aus archäologischer Sicht ist die vorliegende Dissertation dadurch motiviert, dass sie LIDAR-Geländemodelle mit archäologischen Befunden durch automatisierte und semiautomatisierte Methoden zur Identifizierung weiterer archäologischer Muster zu Bodendenkmalen als digitale „LIDAR-Landschaft“ bewertet. Dabei wird auf möglichst einfache und freie verfügbare algorithmische Ansätze (Open Source) aus der Bildmustererkennung und Computer Vision zur Segmentierung und Klassifizierung der LIDAR-Landschaften zur großflächigen Erkennung archäologischer Denkmäler zurückgegriffen. Die Dissertation gibt dabei einen umfassenden Überblick über die archäologische Nutzung und das Potential von LIDAR-Daten und definiert anhand qualitativer und quantitativer Ansätze den Entwicklungsstand der semiautomatisierten Erkennung archäologischer Strukturen im Rahmen archäologischer Prospektion und Fernerkundungen. Darüber hinaus erläutert sie Best Practice-Beispiele und den einhergehenden aktuellen Forschungsstand. Und sie veranschaulicht die Qualität der Erkennung von Bodendenkmälern durch die semiautomatisierte Segmentierung und Klassifizierung visualisierter LIDAR-Daten. Letztlich identifiziert sie das Feld für weitere Anwendungen, wobei durch eigene, algorithmische Template Matching-Verfahren großflächige Untersuchungen zum kulturellen Erbe ermöglicht werden. Resümierend vergleicht sie die analoge und computergestützte Bildmustererkennung zu Bodendenkmalen, und diskutiert abschließend das weitere Potential LIDAR-basierter Mustererkennung in archäologischen Kulturlandschaften