Fundamental remote sensing science research program. Part 1: Scene radiation and atmospheric effects characterization project

Brief articles summarizing the status of research in the scene radiation and atmospheric effect characterization (SRAEC) project are presented. Research conducted within the SRAEC program is focused on the development of empirical characterizations and mathematical process models which relate the electromagnetic energy reflected or emitted from a scene to the biophysical parameters of interest

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

Wheat signature modeling and analysis for improved training statistics

The author has identified the following significant results. The spectral, spatial, and temporal characteristics of wheat and other signatures in LANDSAT multispectral scanner data were examined through empirical analysis and simulation. Irrigation patterns varied widely within Kansas; 88 percent of wheat acreage in Finney was irrigated and 24 percent in Morton, as opposed to less than 3 percent for western 2/3's of the State. The irrigation practice was definitely correlated with the observed spectral response; wheat variety differences produced observable spectral differences due to leaf coloration and different dates of maturation. Between-field differences were generally greater than within-field differences, and boundary pixels produced spectral features distinct from those within field centers. Multiclass boundary pixels contributed much of the observed bias in proportion estimates. The variability between signatures obtained by different draws of training data decreased as the sample size became larger; also, the resulting signatures became more robust and the particular decision threshold value became less important

System Engineering Analyses for the Study of Future Multispectral Land Imaging Satellite Sensors for Vegetation Monitoring

Vegetation monitoring is one of the key applications of earth observing systems. Landsat data have spatial resolution of 30 meters, moderate temporal coverage, and reasonable spectral sampling to capture key vegetation features. These characteristics of Landsat make it a good candidate for generating vegetation monitoring products. Recently, the next satellite in the Landsat series has been under consideration and different concepts have been proposed. In this research, we studied the impact on vegetation monitoring of two proposed potential design concepts: a wider field-of-view (FOV) instrument and the addition of red-edge spectral band(s). Three aspects were studied in this thesis: First, inspired by the potential wider FOV design, the impacts of a detector relative spectral response (RSR) central wavelength shift effect at high angles of incidence (AOI) on the radiance signal were studied and quantified. Results indicate: 1) the RSR shift effect is band-dependent and more significant in the green, red and SWIR 2 bands; 2) At high AOI, the impact of the RSR shift effect will exceed sensor noise specifications in all bands except the SWIR 1 band; and 3) The RSR shift will cause SWIR2 band more to be sensitive to atmospheric conditions. Second, also inspired by the potential wider FOV design, the impacts of the potential new wider angular observations on vegetation monitoring scientific products were studied. Both crop classification and biophysical quantity retrieval applications were studied using the simulation code DIRSIG and the canopy radiative transfer model PROSAIL. It should be noted that the RSR shift effect was also considered. Results show that for single view observation based analysis, the higher view angular observations have limited influence on both applications. However, for situations where two different angular observations are available potentially from two platforms, up to 4% improvement for crop classification and 2.9% improvement for leaf chlorophyll content retrieval were found. Third, to quantify the benefits of a potential new design with red-edge band(s), the impact of adding red-edge spectral band(s) in future Landsat instruments on agroecosystem leaf area index (LAI) and canopy chlorophyll content (CCC) retrieval were studied using a real dataset. Three major retrieval approaches were tested, results show that a potential new spectral band located between the Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) red and NIR bands slightly improved the retrieval accuracy (LAI: R2 of 0.787 vs. 0.810 for empirical vegetation index regression approach, 0.806 vs. 0.828 for look-up-table inversion approach, and 0.925 vs. 0.933 for machine learning approach; CCC: R2 of 0.853 vs. 0.875 for empirical vegetation index regression approach, 0.500 vs. 0.570 for look-up-table inversion approach, and 0.854 vs. 0.887 for machine learning approach). In general, for the potential wider FOV design, the RSR shift effect was found to cause noticable radiance signal difference that is higher than detector noise in all OLI bands except SWIR1 band, which is not observed in the current OLI design with its 15 degree FOV. Also both the new wider angular observations and potential red-edge band(s) were found to slightly improve the vegetation monitoring product accuracy. In the future, the RSR shift effect in other optical designs should be evaluated since this study assumed the angle reaching the filter array is the same as the angle reaching the sensor. In addition to improve the accuracy of the off angle imaging study, a 3D vegetation geometry model should be explored for vegetation monitoring related studies instead of the 2D PROSAIL model used in this thesis

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

Evaluation of sensor, environment and operational factors impacting the use of multiple sensor constellations for long term resource monitoring

Moderate resolution remote sensing data offers the potential to monitor the long and short term trends in the condition of the Earth’s resources at finer spatial scales and over longer time periods. While improved calibration (radiometric and geometric), free access (Landsat, Sentinel, CBERS), and higher level products in reflectance units have made it easier for the science community to derive the biophysical parameters from these remotely sensed data, a number of issues still affect the analysis of multi-temporal datasets. These are primarily due to sources that are inherent in the process of imaging from single or multiple sensors. Some of these undesired or uncompensated sources of variation include variation in the view angles, illumination angles, atmospheric effects, and sensor effects such as Relative Spectral Response (RSR) variation between different sensors. The complex interaction of these sources of variation would make their study extremely difficult if not impossible with real data, and therefore, a simulated analysis approach is used in this study. A synthetic forest canopy is produced using the Digital Imaging and Remote Sensing Image Generation (DIRSIG) model and its measured BRDFs are modeled using the RossLi canopy BRDF model. The simulated BRDF matches the real data to within 2% of the reflectance in the red and the NIR spectral bands studied. The BRDF modeling process is extended to model and characterize the defoliation of a forest, which is used in factor sensitivity studies to estimate the effect of each factor for varying environment and sensor conditions. Finally, a factorial experiment is designed to understand the significance of the sources of variation, and regression based analysis are performed to understand the relative importance of the factors. The design of experiment and the sensitivity analysis conclude that the atmospheric attenuation and variations due to the illumination angles are the dominant sources impacting the at-sensor radiance