The data concept behind the data: From metadata models and labelling schemes towards a generic spectral library

Spectral libraries play a major role in imaging spectroscopy. They are commonly used to store end-member and spectrally pure material spectra, which are primarily used for mapping or unmixing purposes. However, the development of spectral libraries is time consuming and usually sensor and site dependent. Spectral libraries are therefore often developed, used and tailored only for a specific case study and only for one sensor. Multi-sensor and multi-site use of spectral libraries is difficult and requires technical effort for adaptation, transformation, and data harmonization steps. Especially the huge amount of urban material specifications and its spectral variations hamper the setup of a complete spectral library consisting of all available urban material spectra. By a combined use of different urban spectral libraries, besides the improvement of spectral inter- and intra-class variability, missing material spectra could be considered with respect to a multi-sensor/ -site use. Publicly available spectral libraries mostly lack the metadata information that is essential for describing spectra acquisition and sampling background, and can serve to some extent as a measure of quality and reliability of the spectra and the entire library itself. In the GenLib project, a concept for a generic, multi-site and multi-sensor usable spectral library for image spectra on the urban focus was developed. This presentation will introduce a 1) unified, easy-to-understand hierarchical labeling scheme combined with 2) a comprehensive metadata concept that is 3) implemented in the SPECCHIO spectral information system to promote the setup and usability of a generic urban spectral library (GUSL). The labelling scheme was developed to ensure the translation of individual spectral libraries with their own labelling schemes and their usually varying level of details into the GUSL framework. It is based on a modified version of the EAGLE classification concept by combining land use, land cover, land characteristics and spectral characteristics. The metadata concept consists of 59 mandatory and optional attributes that are intended to specify the spatial context, spectral library information, references, accessibility, calibration, preprocessing steps, and spectra specific information describing library spectra implemented in the GUSL. It was developed on the basis of existing metadata concepts and was subject of an expert survey. The metadata concept and the labelling scheme are implemented in the spectral information system SPECCHIO, which is used for sharing and holding GUSL spectra. It allows easy implementation of spectra as well as their specification with the proposed metadata information to extend the GUSL. Therefore, the proposed data model represents a first fundamental step towards a generic usable and continuously expandable spectral library for urban areas. The metadata concept and the labelling scheme also build the basis for the necessary adaptation and transformation steps of the GUSL in order to use it entirely or in excerpts for further multi-site and multi-sensor applications

An Engineering Trade Space Analysis for a Space-Based Hyperspectral Chromotomographic Scanner

Hyperspectroscopy for fast transient events such as battlefield explosions is an undeveloped area of spectral imaging. This thesis is a discussion of issues involved with taking a laboratory design for a rotating prism hyperspectral chromotomographic (CT) instrument and producing a first approximation satellite payload design, operating scheme and trade space analysis to support demonstration of this technology in low-earth orbit. This instrument promises the capability of adding a time dimension to the normal spatial and spectral data produced by most hyperspectral imagers. The ultimate goal is to conduct experiments demonstrating the ultimate viability of spectral definition of transient combustion events on the ground from space. The experiment will be designed to use the CT scanner to collect, store and transmit data from any suitable target on the earth surface in the orbit footprint

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

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

Design of a generic end-to-end mission performance simulator and application to the performance analysis of the FLEX/Sentinel-3 mission

La Observación de la Tierra mediante técnicas de teledetección con instrumentos ópticos en satélite tiene como objetivo monitorizar los procesos bio-geofísicos en la superficie y atmósfera terrestre, adquiriendo datos a diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético. Con el fin de asegurar el mantenimiento de las observaciones y las capacidades para entender el sistema Tierra, nuevas misiones satelitales están siendo desarrolladas por agencias espaciales nacionales e internacionales así como organizaciones de investigación. En este contexto, los simuladores de misiones espaciales (E2ES por sus siglas en inglés, End-to-End Mission Performance Simulator) ofrecen a los científicos e ingenieros un marco único para entender el impacto de la configuración del instrumento en los productos finales de la misión y, por tanto, acelerar el desarrollo de una misión desde la fase conceptual hasta el lanzamiento. Al mismo tiempo, estas herramientas permiten definir una metodología para la consolidación de los requisitos y la evaluación de la actuación de estas misiones satelitales, estableciendo criterios para la selección de una misión por las diferentes agencias espaciales. Mientras que el concepto de un E2ES es simple, el diseño de nuevos E2ES y la evolución de los ya existentes tienen una falta de guias y metodología estandarizadas, lo cual se traduce en un caro y complejo proceso de re-ingeniería. Esta tesis cubre dos objetivos principales. Por un lado, se pretende armonizar el trabajo hecho en el campo de los E2ES durante las últimas décadas y proponer una serie de guias y metodologías para desarrollas E2ES para misiones satelitales futuras con instrumentos ópticos pasivos. El primer objetivo es por tanto "Diseñar un simulador de misión genérico que pueda ser fácilmente adaptado para reproducir la mayoría de misiones satelitales, presentes y futuras, con sensores ópticos pasivos". Por otro lado, la misión FLEX/Sentinel-3 de la ESA se usa para validar, a través de la implementación de su propio E2ES, el diseño de la arquitectura genérica tratada en el punto anterior. De este modo, el E2ES para la misión FLEX permite evaluar la actuación de la misión para la obtención de la fluorescencia inducida por radiación solar emitida por la vegetación terrestre. La misión FLEX/Sentinel-3 es una candidata óptima para esta tarea de validación dada la complejidad de la misión (p.ej. vuelo en tandem, multi-plataforma/-instrumento, múltiples rangos y resoluciones espectrales, observaciones multi-angulares, sinergia de productos). El segundo objetivo de esta tesis es por tanto "Evaluar la misión FLEX para la la observación de la emisión de fluorescencia emitida por la vegetación usando un E2ES desarrollado de acuerdo con una arquitectura genérica". La razón fundamental tras esta Tesis es promocionar el uso de una arquitectura genérica común para los E2ES que permita comparar misiones satelitales en procesos de selección competitiva como los Earth Explorer de la ESA así como acelerar el análisis de los requisitos técnicos y el rendimiento de la misión a nivel científico. Particularmente, esto se muestra mediante la implementación de esta arquitectura genérica para el caso específico de la misión FLEX/Sentinel-3 demostrando que: (1) la misión es capaz de obtener con la precisión requerida la emisión de fluorescencia por la vegetación ; y (2) el concepto de esta arquitectura genérica es apto para reproducir la complejidad de la misión FLEX/Sentinel-3 y por tanto se espera que esta metodología pueda ser también aplicable para un gran abanico de misiones ópticas pasivas. Esta base lógica se consigue a partir de una categorización de varias misiones satelitales y la identificación y análisis de los elementos principales que afectan en el rendimiento de la misión e impactan en la arquitectura de un simulador de misión. La arquitectura genérica para E2ES propuesta se valida mediante la implementación del E2ES de la misión FLEX/Sentinel-3 de la ESA teniendo en cuenta ambos satélites, sus instrumentos, y evaluando con este E2ES el rendimiento de la misión FLEX. En esta Tesis, los capítulos 1 y 2 introducen los principales temas de esta Tesis y definen los conceptos básicos. Los capítulos 3 al 5 describe el diseño de la arquitectura genérica para los E2ES en misiones ópticas pasivas. Finalmente, el capítulo 6 resume los principales resultados y las conclusiones derivadas de esta Tesis.Earth observation by satellite optical remote sensing aims to monitor bio-geophysical processes happening in the Earth surface and the atmosphere by acquiring data at different wavelengths of the electromagnetic spectrum. In order to ensure sustained observations and capabilities to fill scientific gaps in our current understanding of the Earth system, new satellite missions are being developed by national and international space agencies and research organisations. In this context, End-to-End Mission Performance Simulator (E2ES) tools offer scientists and engineers a unique framework to understand the impact of instrument configuration in the final mission products and to accelerate the mission development from concept to deployment. At the same time, these cost-effective and flexible tools are capable of defining a methodology for the consolidation of requirements and performance assessment of these new satellite missions, setting the criteria for mission selection by the various space agencies’ programme boards. While the concept of an E2ES is simple, the design of new E2ES and the evolution of existing ones lack from a standard methodology and guidelines, which translates into a complex and costly re-engineering process. This Thesis covers two main objectives. On the one hand, it aims to harmonize the work done in the field of E2ES during the last decades and to propose a set of guidelines or methodology to develop E2ES for future remote sensing satellite passive optical missions. The first main objective, therefore, is: ’To design a generic end-to-end mission performance simulator that can be easily adapted to reproduce most present or future passive optical spaceborne instruments’. On the other hand, the ESA’s FLEX/Sentinel-3 tandem mission is used to validate, through the implementation of its E2ES, the designed generic E2ES architecture and to evaluate the performance of the FLEX mission for the retrieval of Sun-induced fluorescence. The FLEX/Sentinel- 3 mission is optimally suitable for this validation task due to the complexity of the mission (e.g. tandem flight, multi-platform/-instrument mission, multiple spectral ranges and resolutions, multi-angular observations, synergy of products). The second main objective, therefore, is: ’To evaluate the FLEX mission for Sun-induced fluorescence retrievals using a newly developed E2ES in agreement with the designed generic E2ES architecture.’. The rationale behind this Thesis is promoting the use of a common generic E2ES architecture that allows comparing missions in competitive selection process (e.g., ESA’s Earth Explorers) and speeding-up the analysis of the mission technical requirements and scientific performances. Particularly, this is shown by implementing this generic E2ES architecture for the specific case of FLEX/Sentinel-3 mission demonstrating that: (1) the mission is capable of retrieving Sun-induced fluorescence within the required accuracy; and (2) the conceptual generic E2ES architecture is suitable toreproduce the complexity of the FLEX/Sentinel-3 tandem mission and thus it is expected to be also applicable for a wide range of passive optical missions. This rationale is achieved by categorising several satellite missions to identify and analyse the main elements that affect the mission performance and impact the simulator architecture. The proposed generic E2ES architecture is validated by implementing the ESA’s FLEX/Sentinel-3 E2ES, both satellites and their instruments, and testing it through the performance assessment of the FLEX mission products. In this Thesis, Chapters 1 and 2 introduce the main research questions and sets the background concepts. Then Chapters 3–5 describe the design of a generic E2ES architecture for passive optical missions. Finally, Chapter 6 summarizes the main results and conclusions derived in this Thesis

Feasibility Study for an Aquatic Ecosystem Earth Observing System Version 1.2.

International audienceMany Earth observing sensors have been designed, built and launched with primary objectives of either terrestrial or ocean remote sensing applications. Often the data from these sensors are also used for freshwater, estuarine and coastal water quality observations, bathymetry and benthic mapping. However, such land and ocean specific sensors are not designed for these complex aquatic environments and consequently are not likely to perform as well as a dedicated sensor would. As a CEOS action, CSIRO and DLR have taken the lead on a feasibility assessment to determine the benefits and technological difficulties of designing an Earth observing satellite mission focused on the biogeochemistry of inland, estuarine, deltaic and near coastal waters as well as mapping macrophytes, macro-algae, sea grasses and coral reefs. These environments need higher spatial resolution than current and planned ocean colour sensors offer and need higher spectral resolution than current and planned land Earth observing sensors offer (with the exception of several R&D type imaging spectrometry satellite missions). The results indicate that a dedicated sensor of (non-oceanic) aquatic ecosystems could be a multispectral sensor with ~26 bands in the 380-780 nm wavelength range for retrieving the aquatic ecosystem variables as well as another 15 spectral bands between 360-380 nm and 780-1400 nm for removing atmospheric and air-water interface effects. These requirements are very close to defining an imaging spectrometer with spectral bands between 360 and 1000 nm (suitable for Si based detectors), possibly augmented by a SWIR imaging spectrometer. In that case the spectral bands would ideally have 5 nm spacing and Full Width Half Maximum (FWHM), although it may be necessary to go to 8 nm wide spectral bands (between 380 to 780nm where the fine spectral features occur -mainly due to photosynthetic or accessory pigments) to obtain enough signal to noise. The spatial resolution of such a global mapping mission would be between ~17 and ~33 m enabling imaging of the vast majority of water bodies (lakes, reservoirs, lagoons, estuaries etc.) larger than 0.2 ha and ~25% of river reaches globally (at ~17 m resolution) whilst maintaining sufficient radiometric resolution

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

Assessment of Soil erosion parameters in Costa Rica using reflectance hyperspectral and simulated EnMAP imagery

Soil erosion can be linked to relative fractional cover of photosynthetic-active vegetation, non-photosynthetic-active vegetation and bare soil, and terrain characteristics such as the C and LS factors. This study investigates the capacity of EnMAP imagery to map areas prone to soil erosion in a region near San Jose, Costa Rica, characterized by spatially extensive coffee plantations and grazing in a mountainous terrain. Simulated EnMAP imagery is based on airborne hyperspectral HyMap data. Fractional cover estimates are derived using a Multiple End-member Spectral Mixture Analysis approach. The C and LS factors are derived from a digital elevation model. The analysis was done independently for EnMAP and HyMap, the latter treated as reference data as no ground truth is available. Results demonstrate that with EnMAP imagery it is possible to extract quality endmember classes with important spectral features related to PV, NPV and soil, and be able to estimate relative cover fractions. This spectral information is critical to separate soil and NPV which greatly can impact integrated modelling with terrain characteristics. From a regional perspective EnMAP can be used to highlight specific areas that may be prone to erosion where this information can be extract directly from the imagery using automated processes