Assessing the effectiveness of RapidEye multispectral imagery for vegetation mapping in Madeira Island (Portugal)

Madeira Island is a biodiversity hotspot due to its high number of endemic/native plant species. In this work we developed and assessed a methodological framework to produce a RapidEye-based vegetation map. Reasonable accuracies were achieved for a 26 categories classification scheme in two different seasons. We tested pixel and object based approaches and the inclusion of a vegetation index band on top of the pre-processed RapidEye bands stack. Object based generally showed to outperform pixel based classification approaches except for linear or highly scattered classes. The addition of a vegetation index to the workflow increased the separability of the Jeffrey-Matusita least separable class pairs, but not necessarily the overall accuracy. The Pontius accuracy assessment highlighted class specific accuracy tradeoffs related to different combinations of the inputs and methods. The approach to be used, in conclusion, should be carefully considered on the basis of the desired result.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Early mapping of industrial tomato in Central and Southern Italy with Sentinel 2, aerial and RapidEye additional data

Timely crop information, i.e. well before harvesting time and at first stages of crop development, can benefit farmers and producer organizations. The current case study documents the procedure to deliver early data on planted tomato to users, showing the potential of Sentinel 2 to map tomato at the very beginning of the crop season, which is a challenging task. Using satellite data, integrated with ground and aerial data, an initial estimate of area planted with tomato and early tomato maps were generated in seven main production areas in Italy. Estimates of the amount of area planted with tomato provided similar results either when derived from field surveys or from remote sensing-based classification. Tomato early maps showed a producer accuracy > 80% in seven cases out of nine, and a user accuracy > 80% in five cases out of nine, with differences attributed to the varying agricultural characteristics and environmental heterogeneity of the study areas. The additional use of aerial data improved producer accuracy moderately. The ability to identify abrupt growth changes, such as those caused by natural hazards, was also analysed: Sentinel 2 detected significant changes in tomato growth between a hailstorm-affected area and a control area. The study suggests that Sentinel 2, with enhanced spectral capabilities and open data policy, represents very valuable data, allowing crop monitoring at an early development stage

Challenges and opportunities of using ecological and remote sensing variables for crop pest and disease mapping

Crop pest and diseases are responsible for major economic losses in the agricultural systems in Africa resulting in food insecurity. Potential yield losses for major crops across Africa are mainly caused by pests and diseases. Total losses have been estimated at 70% with approximately 30% caused by inefficient crop protection practices. With newly emerging crop pests and disease, monitoring plant health and detecting pathogens early is essential to reduce disease spread and to facilitate effective management practices. While many pest and diseases can be acquired from another host or via the environment, the majority are transmitted by biological vectors. Thus, vector ecology can serve an indirect explanation of disease cycles, outbreaks, and prevalence. Hence, better understanding of the vector niche and the dependence of pest and disease processes on their specific spatial and ecological contexts is therefore required for better management and control. While research in disease ecology has revealed important life history of hosts with the surrounding environment, other aspects need to be explored to better understand vector transmission and control strategies. For instance, choosing appropriate farming practices have proved to be an alternative to the use of synthetic pesticides. For instance, intercropping can serve as a buffer against the spread of plant pests and pathogens by attracting pests away from their host plant and also increasing the distance between plants of the same species, making it more exigent for the pest to target the main crop. Many studies have explored the potential applications of geospatial technology in disease ecology. However, pest and disease mapping in crops is rather crudely done thus far, using Spatial Distribution Models (SDM) on a regional scale. Previous research has explored climatic data to model habitat suitability and the distribution of different crop pests and diseases. However, there are limitation to using climate data since it ignores the dispersal and competition from other factors which determines the distribution of vectors transmitting the disease, thus resulting in model over prediction. For instance, vegetation patterns and heterogeneity at the landscape level has been identified to play a key role in influencing the vector-host-pathogen transmission, including vector distribution, abundance and diversity at large. Such variables can be extracted from remote sensing dataset with high accuracy over a large extent. The use of remotely sensed variables in modeling crop pest and disease has proved to increase the accuracy and precision of the models by reducing over fitting as compared to when only climatic data which are interpolated over large areas thus disregarding landscape heterogeneity.When used, remotely sensed predictors may capture subtle variances in the vegetation characteristic or in the phenology linked with the niche of the vector transmitting the disease which cannot be explained by climatic variables. Subsequently, the full potential of remote sensing applications to detect changes in habitat condition of species remains uncharted. This study aims at exploring the potential behind developing a framework which integrates both ecological and remotely sensed dataset with a robust mapping/modelling approach with aim of developing an integrated pest management approach for pest and disease affecting both annual and perrennial crops and whom currently there is no cure or existing germplasm to control further spread across sub Saharan Africa.Herausforderungen und Möglichkeiten der Verwendung von ökologischen und Fernerkundungsvariablen für die Schädlings- und Krankheitskartierung Pflanzenschädlinge und Krankheiten in der Landwirtschaft sind für große wirtschaftliche Verluste in Afrika verantwortlich, die zu Ernährungsunsicherheit führen. Die Verluste werden auf 70% geschätzt, wobei etwa 30% auf ineffiziente Pflanzenschutzpraktiken zurückzuführen sind. Bei neu auftretenden Pflanzenschädlingen und Krankheiten ist die Überwachung des Pflanzenzustands und die frühzeitige Erkennung von Krankheitserregern unerlässlich, um die Ausbreitung von Krankheiten zu reduzieren und effektive Managementpraktiken zu erleichtern. Während viele Schädlinge und Krankheiten von einem anderen Wirt oder über die Umwelt erworben werden können, wird die Mehrheit durch biologische Vektoren übertragen. Daraus folgt, dass die Vektorökologie als indirekte Erklärung von Krankheitszyklen, Ausbrüchen und Prävalenz untersucht werden sollte. Um effektive Vektorkontrollmaßnahmen zu entwickeln ist ein besseres Verständnis der ökologischen Vektor-Nischen und der Abhängigkeit von Schädlings- und Krankheits-Prozessen von ihrem spezifischen räumlichen und ökologischen Kontext wichtig. Während die Forschung in der Krankheitsökologie wichtige Lebenszyklen von Wirten mit der Umgebung schon gut aufgezeigt hat, müssen weitere Aspekte noch besser untersucht werden, um Vektorübertragungs- und Kontroll-Strategien zu entwickeln. So hat sich beispielsweise die Wahl geeigneter Anbaumethoden als Alternative zum Einsatz synthetischer Pestizide erwiesen. In einigen Fällen wurde der Zwischenfruchtanbau als ‚Puffer' gegen die Ausbreitung von Pflanzenschädlingen und Krankheitserregern vorgeschlagen. Bei diesem Anbausystem werden Schädlinge von ihrer Wirtspflanze abgezogen und auch der Abstand zwischen Pflanzen derselben Art vergrößert (was eine Übertragung erschwert). Viele Studien haben bereits die Einsatzmöglichkeiten von Geodaten in der Krankheitsökologie untersucht. Die Kartierung von Schädlingen und Krankheiten in Nutzpflanzen ist jedoch bisher eher großskalig erfolgt, unter der Zunahme von sogenannten ‚Spatial Distribution Models (SDM)' auf regionaler Ebene. Etliche Studien haben diesbezüglich klimatische Daten verwendet, um die Eignung und Verteilung verschiedener Pflanzenschädlinge und Krankheiten zu modellieren. Es gibt jedoch Einschränkungen bei der Verwendung von Klimadaten, da dabei andere landschaftsbezogene Verbreitungs-Faktoren ignoriert werden, die die Verteilung der Vektoren und Krankheitserreger bestimmen, was zu einer Modell-Überprognose führt. Vegetationsmuster und Heterogenität auf Landschaftsebene beeinflussen maßgeblich die Diversität und Verteilung eines Vektors und spielen somit eine wichtige Rolle bei der Vektor-Wirt-Pathogen-Übertragung. Bei der Verwendung von Fernerkundungsdaten können subtile Abweichungen in der Vegetationscharakteristik oder in der Phänologie, die mit der Nische des Vektors verbunden sind, besser erfasst werden. Es besteht noch Forschungs-Bedarf hinsichtlich der Rolle von Fernerkundungsdaten bei der Verbesserung von Artenmodellen, die zum Ziel haben den Lebensraum von Krankheitsvektoren besser zu erfassen. Ziel dieser Studie ist es, das Potenzial für die Entwicklung eines Rahmens zu untersuchen, der sowohl ökologische als auch aus der Ferne erfasste Daten mit einem robusten Mapping- / Modellierungsansatz kombiniert, um einen integrierten Ansatz zur Schädlingsbekämpfung für Schädlinge und Krankheiten zu entwickeln, der sowohl einjährige als auch mehrjährige Kulturpflanzen betrifft Keine Heilung oder vorhandenes Keimplasma zur weiteren Verbreitung in Afrika südlich der Sahara

Assessing, monitoring and mapping forest resources in the Blue Nile Region of Sudan using an object-based image analysis approach

Following the hierarchical nature of forest resource management, the present work focuses on the natural forest cover at various abstraction levels of details, i.e. categorical land use/land cover (LU/LC) level and a continuous empirical estimation of local operational level. As no single sensor presently covers absolutely all the requirements of the entire levels of forest resource assessment, multisource imagery (i.e. RapidEye, TERRA ASTER and LANDSAT TM), in addition to other data and knowledge have been examined. To deal with this structure, an object-based image analysis (OBIA) approach has been assessed in the destabilized Blue Nile region of Sudan as a potential solution to gather the required information for future forest planning and decision making. Moreover, the spatial heterogeneity as well as the rapid changes observed in the region motivates the inspection for more efficient, flexible and accurate methods to update the desired information. An OBIA approach has been proposed as an alternative analysis framework that can mitigate the deficiency associated with the pixel-based approach. In this sense, the study examines the most popular pixel-based maximum likelihood classifier, as an example of the behavior of spectral classifier toward respective data and regional specifics. In contrast, the OBIA approach analyzes remotely sensed data by incorporating expert analyst knowledge and complimentary ancillary data in a way that somehow simulates human intelligence for image interpretation based on the real-world representation of the features. As the segment is the basic processing unit, various combinations of segmentation criteria were tested to separate similar spectral values into groups of relatively homogeneous pixels. At the categorical subtraction level, rules were developed and optimum features were extracted for each particular class. Two methods were allocated (i.e. Rule Based (RB) and Nearest Neighbour (NN) Classifier) to assign segmented objects to their corresponding classes. Moreover, the study attempts to answer the questions whether OBIA is inherently more precise at fine spatial resolution than at coarser resolution, and how both pixel-based and OBIA approaches can be compared regarding relative accuracy in function of spatial resolution. As anticipated, this work emphasizes that the OBIA approach is can be proposed as an advanced solution particulary for high resolution imagery, since the accuracies were improved at the different scales applied compare with those of pixel-based approach. Meanwhile, the results achieved by the two approaches are consistently high at a finer RapidEye spatial resolution, and much significantly enhanced with OBIA. Since the change in LU/LC is rapid and the region is heterogeneous as well as the data vary regarding the date of acquisition and data source, this motivated the implementation of post-classification change detection rather than radiometric transformation methods. Based on thematic LU/LC maps, series of optimized algorithms have been developed to depict the dynamics in LU/LC entities. Therefore, detailed change “from-to” information classes as well as changes statistics were produced. Furthermore, the produced change maps were assessed, which reveals that the accuracy of the change maps is consistently high. Aggregated to the community-level, social survey of household data provides a comprehensive perspective additionally to EO data. The predetermined hot spots of degraded and successfully recovered areas were investigated. Thus, the study utilized a well-designed questionnaire to address the factors affecting land-cover dynamics and the possible solutions based on local community's perception. At the operational structural forest stand level, the rationale for incorporating these analyses are to offer a semi-automatic OBIA metrics estimates from which forest attribute is acquired through automated segmentation algorithms at the level of delineated tree crowns or clusters of crowns. Correlation and regression analyses were applied to identify the relations between a wide range of spectral and textural metrics and the field derived forest attributes. The acquired results from the OBIA framework reveal strong relationships and precise estimates. Furthermore, the best fitted models were cross-validated with an independent set of field samples, which revealed a high degree of precision. An important question is how the spatial resolution and spectral range used affect the quality of the developed model this was also discussed based on the different sensors examined. To conclude, the study reveals that the OBIA has proven capability as an efficient and accurate approach for gaining knowledge about the land features, whether at the operational forest structural attributes or categorical LU/LC level. Moreover, the methodological framework exhibits a potential solution to attain precise facts and figures about the change dynamics and its driving forces.Da das Waldressourcenmanagement hierarchisch strukturiert ist, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der natürlichen Waldbedeckung auf verschiedenen Abstraktionsebenen, das heißt insbesondere mit der Ebene der kategorischen Landnutzung / Landbedeckung (LU/LC) sowie mit der kontinuierlichen empirischen Abschätzung auf lokaler operativer Ebene. Da zurzeit kein Sensor die Anforderungen aller Ebenen der Bewertung von Waldressourcen und von Multisource-Bildmaterialien (d.h. RapidEye, TERRA ASTER und LANDSAT TM) erfüllen kann, wurden zusätzlich andere Formen von Daten und Wissen untersucht und in die Arbeit mit eingebracht. Es wurde eine objekt-basierte Bildanalyse (OBIA) in einer destabilisierten Region des Blauen Nils im Sudan eingesetzt, um nach möglichen Lösungen zu suchen, erforderliche Informationen für die zukünftigen Waldplanung und die Entscheidungsfindung zu sammeln. Außerdem wurden die räumliche Heterogenität, sowie die sehr schnellen Änderungen in der Region untersucht. Dies motiviert nach effizienteren, flexibleren und genaueren Methoden zu suchen, um die gewünschten aktuellen Informationen zu erhalten. Das Konzept von OBIA wurde als Substitution-Analyse-Rahmen vorgeschlagen, um die Mängel vom früheren pixel-basierten Konzept abzumildern. In diesem Sinne untersucht die Studie die beliebtesten Maximum-Likelihood-Klassifikatoren des pixel-basierten Konzeptes als Beispiel für das Verhalten der spektralen Klassifikatoren in dem jeweiligen Datenbereich und der Region. Im Gegensatz dazu analysiert OBIA Fernerkundungsdaten durch den Einbau von Wissen des Analytikers sowie kostenlose Zusatzdaten in einer Art und Weise, die menschliche Intelligenz für die Bildinterpretation als eine reale Darstellung der Funktion simuliert. Als ein Segment einer Basisverarbeitungseinheit wurden verschiedene Kombinationen von Segmentierungskriterien getestet um ähnliche spektrale Werte in Gruppen von relativ homogenen Pixeln zu trennen. An der kategorische Subtraktionsebene wurden Regeln entwickelt und optimale Eigenschaften für jede besondere Klasse extrahiert. Zwei Verfahren (Rule Based (RB) und Nearest Neighbour (NN) Classifier) wurden zugeteilt um die segmentierten Objekte der entsprechenden Klasse zuzuweisen. Außerdem versucht die Studie die Fragen zu beantworten, ob OBIA in feiner räumlicher Auflösung grundsätzlich genauer ist als eine gröbere Auflösung, und wie beide, das pixel-basierte und das OBIA Konzept sich in einer relativen Genauigkeit als eine Funktion der räumlichen Auflösung vergleichen lassen. Diese Arbeit zeigt insbesondere, dass das OBIA Konzept eine fortschrittliche Lösung für die Bildanalyse ist, da die Genauigkeiten - an den verschiedenen Skalen angewandt - im Vergleich mit denen der Pixel-basierten Konzept verbessert wurden. Unterdessen waren die berichteten Ergebnisse der feineren räumlichen Auflösung nicht nur für die beiden Ansätze konsequent hoch, sondern durch das OBIA Konzept deutlich verbessert. Die schnellen Veränderungen und die Heterogenität der Region sowie die unterschiedliche Datenherkunft haben dazu geführt, dass die Umsetzung von Post-Klassifizierungs- Änderungserkennung besser geeignet ist als radiometrische Transformationsmethoden. Basierend auf thematische LU/LC Karten wurden Serien von optimierten Algorithmen entwickelt, um die Dynamik in LU/LC Einheiten darzustellen. Deshalb wurden für Detailänderung "von-bis"-Informationsklassen sowie Veränderungsstatistiken erstellt. Ferner wurden die erzeugten Änderungskarten bewertet, was zeigte, dass die Genauigkeit der Änderungskarten konstant hoch ist. Aggregiert auf die Gemeinde-Ebene bieten Sozialerhebungen der Haushaltsdaten eine umfassende zusätzliche Sichtweise auf die Fernerkundungsdaten. Die vorher festgelegten degradierten und erfolgreich wiederhergestellten Hot Spots wurden untersucht. Die Studie verwendet einen gut gestalteten Fragebogen um Faktoren die die Dynamik der Änderung der Landbedeckung und mögliche Lösungen, die auf der Wahrnehmung der Gemeinden basieren, anzusprechen. Auf der Ebene des operativen strukturellen Waldbestandes wird die Begründung für die Einbeziehung dieser Analysen angegeben um semi-automatische OBIA Metriken zu schätzen, die aus dem Wald-Attribut durch automatisierte Segmentierungsalgorithmen in den Baumkronen abgegrenzt oder Cluster von Kronen Ebenen erworben wird. Korrelations- und Regressionsanalysen wurden angewandt, um die Beziehungen zwischen einer Vielzahl von spektralen und strukturellen Metriken und den aus den Untersuchungsgebieten abgeleiteten Waldattributen zu identifizieren. Die Ergebnisse des OBIA Rahmens zeigen starke Beziehungen und präzise Schätzungen. Die besten Modelle waren mit einem unabhängigen Satz von kreuz-validierten Feldproben ausgestattet, welche hohe Genauigkeiten ergaben. Eine wichtige Frage ist, wie die räumliche Auflösung und die verwendete Bandbreite die Qualität der entwickelten Modelle auch auf der Grundlage der verschiedenen untersuchten Sensoren beeinflussen. Schließlich zeigt die Studie, dass OBIA in der Lage ist, als ein effizienter und genauer Ansatz Kenntnisse über die Landfunktionen zu erlangen, sei es bei operativen Attributen der Waldstruktur oder auch auf der kategorischen LU/LC Ebene. Außerdem zeigt der methodischen Rahmen eine mögliche Lösung um präzise Fakten und Zahlen über die Veränderungsdynamik und ihre Antriebskräfte zu ermitteln

Assessing, monitoring and mapping forest resources in the Blue Nile Region of Sudan using an object-based image analysis approach

Following the hierarchical nature of forest resource management, the present work focuses on the natural forest cover at various abstraction levels of details, i.e. categorical land use/land cover (LU/LC) level and a continuous empirical estimation of local operational level. As no single sensor presently covers absolutely all the requirements of the entire levels of forest resource assessment, multisource imagery (i.e. RapidEye, TERRA ASTER and LANDSAT TM), in addition to other data and knowledge have been examined. To deal with this structure, an object-based image analysis (OBIA) approach has been assessed in the destabilized Blue Nile region of Sudan as a potential solution to gather the required information for future forest planning and decision making. Moreover, the spatial heterogeneity as well as the rapid changes observed in the region motivates the inspection for more efficient, flexible and accurate methods to update the desired information. An OBIA approach has been proposed as an alternative analysis framework that can mitigate the deficiency associated with the pixel-based approach. In this sense, the study examines the most popular pixel-based maximum likelihood classifier, as an example of the behavior of spectral classifier toward respective data and regional specifics. In contrast, the OBIA approach analyzes remotely sensed data by incorporating expert analyst knowledge and complimentary ancillary data in a way that somehow simulates human intelligence for image interpretation based on the real-world representation of the features. As the segment is the basic processing unit, various combinations of segmentation criteria were tested to separate similar spectral values into groups of relatively homogeneous pixels. At the categorical subtraction level, rules were developed and optimum features were extracted for each particular class. Two methods were allocated (i.e. Rule Based (RB) and Nearest Neighbour (NN) Classifier) to assign segmented objects to their corresponding classes. Moreover, the study attempts to answer the questions whether OBIA is inherently more precise at fine spatial resolution than at coarser resolution, and how both pixel-based and OBIA approaches can be compared regarding relative accuracy in function of spatial resolution. As anticipated, this work emphasizes that the OBIA approach is can be proposed as an advanced solution particulary for high resolution imagery, since the accuracies were improved at the different scales applied compare with those of pixel-based approach. Meanwhile, the results achieved by the two approaches are consistently high at a finer RapidEye spatial resolution, and much significantly enhanced with OBIA. Since the change in LU/LC is rapid and the region is heterogeneous as well as the data vary regarding the date of acquisition and data source, this motivated the implementation of post-classification change detection rather than radiometric transformation methods. Based on thematic LU/LC maps, series of optimized algorithms have been developed to depict the dynamics in LU/LC entities. Therefore, detailed change “from-to” information classes as well as changes statistics were produced. Furthermore, the produced change maps were assessed, which reveals that the accuracy of the change maps is consistently high. Aggregated to the community-level, social survey of household data provides a comprehensive perspective additionally to EO data. The predetermined hot spots of degraded and successfully recovered areas were investigated. Thus, the study utilized a well-designed questionnaire to address the factors affecting land-cover dynamics and the possible solutions based on local community's perception. At the operational structural forest stand level, the rationale for incorporating these analyses are to offer a semi-automatic OBIA metrics estimates from which forest attribute is acquired through automated segmentation algorithms at the level of delineated tree crowns or clusters of crowns. Correlation and regression analyses were applied to identify the relations between a wide range of spectral and textural metrics and the field derived forest attributes. The acquired results from the OBIA framework reveal strong relationships and precise estimates. Furthermore, the best fitted models were cross-validated with an independent set of field samples, which revealed a high degree of precision. An important question is how the spatial resolution and spectral range used affect the quality of the developed model this was also discussed based on the different sensors examined. To conclude, the study reveals that the OBIA has proven capability as an efficient and accurate approach for gaining knowledge about the land features, whether at the operational forest structural attributes or categorical LU/LC level. Moreover, the methodological framework exhibits a potential solution to attain precise facts and figures about the change dynamics and its driving forces.Da das Waldressourcenmanagement hierarchisch strukturiert ist, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der natürlichen Waldbedeckung auf verschiedenen Abstraktionsebenen, das heißt insbesondere mit der Ebene der kategorischen Landnutzung / Landbedeckung (LU/LC) sowie mit der kontinuierlichen empirischen Abschätzung auf lokaler operativer Ebene. Da zurzeit kein Sensor die Anforderungen aller Ebenen der Bewertung von Waldressourcen und von Multisource-Bildmaterialien (d.h. RapidEye, TERRA ASTER und LANDSAT TM) erfüllen kann, wurden zusätzlich andere Formen von Daten und Wissen untersucht und in die Arbeit mit eingebracht. Es wurde eine objekt-basierte Bildanalyse (OBIA) in einer destabilisierten Region des Blauen Nils im Sudan eingesetzt, um nach möglichen Lösungen zu suchen, erforderliche Informationen für die zukünftigen Waldplanung und die Entscheidungsfindung zu sammeln. Außerdem wurden die räumliche Heterogenität, sowie die sehr schnellen Änderungen in der Region untersucht. Dies motiviert nach effizienteren, flexibleren und genaueren Methoden zu suchen, um die gewünschten aktuellen Informationen zu erhalten. Das Konzept von OBIA wurde als Substitution-Analyse-Rahmen vorgeschlagen, um die Mängel vom früheren pixel-basierten Konzept abzumildern. In diesem Sinne untersucht die Studie die beliebtesten Maximum-Likelihood-Klassifikatoren des pixel-basierten Konzeptes als Beispiel für das Verhalten der spektralen Klassifikatoren in dem jeweiligen Datenbereich und der Region. Im Gegensatz dazu analysiert OBIA Fernerkundungsdaten durch den Einbau von Wissen des Analytikers sowie kostenlose Zusatzdaten in einer Art und Weise, die menschliche Intelligenz für die Bildinterpretation als eine reale Darstellung der Funktion simuliert. Als ein Segment einer Basisverarbeitungseinheit wurden verschiedene Kombinationen von Segmentierungskriterien getestet um ähnliche spektrale Werte in Gruppen von relativ homogenen Pixeln zu trennen. An der kategorische Subtraktionsebene wurden Regeln entwickelt und optimale Eigenschaften für jede besondere Klasse extrahiert. Zwei Verfahren (Rule Based (RB) und Nearest Neighbour (NN) Classifier) wurden zugeteilt um die segmentierten Objekte der entsprechenden Klasse zuzuweisen. Außerdem versucht die Studie die Fragen zu beantworten, ob OBIA in feiner räumlicher Auflösung grundsätzlich genauer ist als eine gröbere Auflösung, und wie beide, das pixel-basierte und das OBIA Konzept sich in einer relativen Genauigkeit als eine Funktion der räumlichen Auflösung vergleichen lassen. Diese Arbeit zeigt insbesondere, dass das OBIA Konzept eine fortschrittliche Lösung für die Bildanalyse ist, da die Genauigkeiten - an den verschiedenen Skalen angewandt - im Vergleich mit denen der Pixel-basierten Konzept verbessert wurden. Unterdessen waren die berichteten Ergebnisse der feineren räumlichen Auflösung nicht nur für die beiden Ansätze konsequent hoch, sondern durch das OBIA Konzept deutlich verbessert. Die schnellen Veränderungen und die Heterogenität der Region sowie die unterschiedliche Datenherkunft haben dazu geführt, dass die Umsetzung von Post-Klassifizierungs- Änderungserkennung besser geeignet ist als radiometrische Transformationsmethoden. Basierend auf thematische LU/LC Karten wurden Serien von optimierten Algorithmen entwickelt, um die Dynamik in LU/LC Einheiten darzustellen. Deshalb wurden für Detailänderung "von-bis"-Informationsklassen sowie Veränderungsstatistiken erstellt. Ferner wurden die erzeugten Änderungskarten bewertet, was zeigte, dass die Genauigkeit der Änderungskarten konstant hoch ist. Aggregiert auf die Gemeinde-Ebene bieten Sozialerhebungen der Haushaltsdaten eine umfassende zusätzliche Sichtweise auf die Fernerkundungsdaten. Die vorher festgelegten degradierten und erfolgreich wiederhergestellten Hot Spots wurden untersucht. Die Studie verwendet einen gut gestalteten Fragebogen um Faktoren die die Dynamik der Änderung der Landbedeckung und mögliche Lösungen, die auf der Wahrnehmung der Gemeinden basieren, anzusprechen. Auf der Ebene des operativen strukturellen Waldbestandes wird die Begründung für die Einbeziehung dieser Analysen angegeben um semi-automatische OBIA Metriken zu schätzen, die aus dem Wald-Attribut durch automatisierte Segmentierungsalgorithmen in den Baumkronen abgegrenzt oder Cluster von Kronen Ebenen erworben wird. Korrelations- und Regressionsanalysen wurden angewandt, um die Beziehungen zwischen einer Vielzahl von spektralen und strukturellen Metriken und den aus den Untersuchungsgebieten abgeleiteten Waldattributen zu identifizieren. Die Ergebnisse des OBIA Rahmens zeigen starke Beziehungen und präzise Schätzungen. Die besten Modelle waren mit einem unabhängigen Satz von kreuz-validierten Feldproben ausgestattet, welche hohe Genauigkeiten ergaben. Eine wichtige Frage ist, wie die räumliche Auflösung und die verwendete Bandbreite die Qualität der entwickelten Modelle auch auf der Grundlage der verschiedenen untersuchten Sensoren beeinflussen. Schließlich zeigt die Studie, dass OBIA in der Lage ist, als ein effizienter und genauer Ansatz Kenntnisse über die Landfunktionen zu erlangen, sei es bei operativen Attributen der Waldstruktur oder auch auf der kategorischen LU/LC Ebene. Außerdem zeigt der methodischen Rahmen eine mögliche Lösung um präzise Fakten und Zahlen über die Veränderungsdynamik und ihre Antriebskräfte zu ermitteln

Índices espectrais baseados em programação genética para classificação de imagens de sensoriamento remoto

Orientador: Ricardo da Silva TorresDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Sensoriamento remoto é o conjunto de técnicas que permitem, por meio de sensores, analisar objetos a longas distâncias sem estabelecer contato físico com eles. Atualmente, sua contribuição em ciências naturais é enorme, dado que é possível adquirir imagens de alvos em mais regiões do espectro eletromagnético além do canal visível. Trabalhar com imagens compostas por múltiplas bandas espectrais requer tratar grandes quantidades de informação associada a uma única entidade, coisa que afeta negativamente o desempenho de algoritmos de predição, fazendo nacessário o uso de técnicas de redução da dimensionalidade. Este trabalho apresenta uma abordagem de extração de características baseada em índices espectrais aprendidos por Programação Genética (GP), que projetam os dados associados aos pixels em novos espaços de características, com o objetivo de aprimorar a acurácia de algoritmos de classificação. Índices espectrais são funções que relacionam a refletância, em canais específicos do espectro, com valores reais que podem ser interpretados como a abundância de características de interesse de objetos captados à distância. Com GP é possível aprender índices que maximizam a separabilidade de amostras de duas classes diferentes. Assim que os índices especializados para cada par possível de classes são obtidos, empregam-se duas abordagens diferentes para combiná-los e construir um sistema de classificação de pixels. Os resultados obtidos para os cenários binário e multi-classe mostram que o método proposto é competitivo com respeito a técnicas tradicionais de redução da dimensionalidade. Experimentos adicionais aplicando o método para análise sazonal de biomas tropicais mostram claramente a superioridade de índices aprendidos por GP para propósitos de discriminação, quando comparados a índices desenvolvidos por especialistas, independentemente da especificidade do problemaAbstract: Remote sensing is the set of techniques that allow, by means of sensor technologies, to analyze objects at long distances without making physical contact with them. Currently, its contribution for natural sciences is enormous, since it is possible to acquire images of target objects in more regions of the electromagnetic spectrum than the visible region only. Working with images composed of various spectral bands demands dealing with huge amounts of data associated with single entities, which affects negatively the performance in prediction tasks, and makes necessary the use of dimensionality reduction techniques. This work introduces a feature extraction approach, based on spectral indices learned by Genetic Programming (GP), to project data from pixel values into new feature spaces aiming to improve classification accuracy. Spectral indices are functions that map the reflectance of remotely sensed objects in specific wavelength intervals, into real scalars that can be interpreted as the abundance of features of interest. Through GP, it is possible to learn indices that maximize the separability of samples from two different classes. Once the indices specialized for all the pairs of classes are obtained, they are used in two different approaches to fuse them into a pixel classification system. Results for the binary and multi-class scenarios show that the proposed method is competitive with respect to traditional dimensionality reduction techniques. Additional experiments in tropical biomes seasonal analysis show clearly how superior GP-based spectral indices are for discrimination purposes, when compared to indices developed by experts, regardless the specificity of the problemMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação134089/2015-4CNP

Understanding Striga occurrence and risk under changing climatic conditions across different agroecological farming systems at local and regional scales122

Philosophiae Doctor - PhDThe invasion by Striga in most cereal crop fields in Africa has posed an acute threat to food security and socioeconomic integrity. Consequently, numerous technological and research developments have been made to minimize and even control the Striga impacts on crop production. So far, efforts to control Striga have primarily focused on the manipulation of the genetics of the host crops, as well as understanding the phenological and physiological traits, along with the chemical composition of the weed

Crop monitoring and yield estimation using polarimetric SAR and optical satellite data in southwestern Ontario

Optical satellite data have been proven as an efficient source to extract crop information and monitor crop growth conditions over large areas. In local- to subfield-scale crop monitoring studies, both high spatial resolution and high temporal resolution of the image data are important. However, the acquisition of optical data is limited by the constant contamination of clouds in cloudy areas. This thesis explores the potential of polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite data and the spatio-temporal data fusion approach in crop monitoring and yield estimation applications in southwestern Ontario. Firstly, the sensitivity of 16 parameters derived from C-band Radarsat-2 polarimetric SAR data to crop height and fractional vegetation cover (FVC) was investigated. The results show that the SAR backscatters are affected by many factors unrelated to the crop canopy such as the incidence angle and the soil background and the degree of sensitivity varies with the crop types, growing stages, and the polarimetric SAR parameters. Secondly, the Minimum Noise Fraction (MNF) transformation, for the first time, was applied to multitemporal Radarsat-2 polarimetric SAR data in cropland area mapping based on the random forest classifier. An overall classification accuracy of 95.89% was achieved using the MNF transformation of the multi-temporal coherency matrix acquired from July to November. Then, a spatio-temporal data fusion method was developed to generate Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) time series with both high spatial and high temporal resolution in heterogeneous regions using Landsat and MODIS imagery. The proposed method outperforms two other widely used methods. Finally, an improved crop phenology detection method was proposed, and the phenology information was then forced into the Simple Algorithm for Yield Estimation (SAFY) model to estimate crop biomass and yield. Compared with the SAFY model without forcing the remotely sensed phenology and a simple light use efficiency (LUE) model, the SAFY incorporating the remotely sensed phenology can improve the accuracy of biomass estimation by about 4% in relative Root Mean Square Error (RRMSE). The studies in this thesis improve the ability to monitor crop growth status and production at subfield scale