LINKING MULTIVARIATE OBSERVATIONS OF THE LAND SURFACE TO VEGETATION PROPERTIES AND ECOSYSTEM PROCESSES

Remotely sensed images from satellites and aircrafts, as well as regional networks and monitoring stations such as eddy flux towers, are collecting large volumes of multivariate data that contain information about the land surface and ecosystem processes. To derive from these systems information and knowledge relevant to how the Earth system functions and how it is changing, we need tools that to filter and mine the large data streams currently being acquired at different spatial and temporal scales. A challenge for Earth System Science lies in accurately identifying and portraying the relationships between the measurements at the sensor and quantity o f interest (i.e. ecosystem process or land surface property)

A Comparison of the Classification of Vegetation Characteristics by Spectral Mixture Analysis and Standard Classifiers on Remotely Sensed Imagery within the Siberia Region

As an alternative to the traditional method of inferring vegetation cover characteristics from satellite data by classifying each pixel into a specific land cover type based on predefined classification schemes, the Spectral Mixture Analysis (SMA) method is applied to images of the Siberia region. A linear mixture model was applied to determine proportional estimates of land cover for, (a) agriculture and floodplain soils, (b) broadleaf, and (c) conifer classes, in pixels of 30 m resolution Landsat data. In order to evaluate the areal estimates, results were compared with ground truth data, as well as those estimates derived from more sophisticated method of image classification, providing improved estimates of endmember values and subpixel areal estimates of vegetation cover classes than the traditional approach of using predefined classification schemes with discrete numbers of cover types. This technique enables the estimation of proportional land cover type in a single pixel and could potentially serve as a tool for deriving improved estimates of vegetation parameters that are necessary for modeling carbon processes

Introduction to GlobSnow Snow Extent products with considerations for accuracy assessment

Highlights • GlobSnow Snow Extent provides 17-years data record for Fractional snow cover (FSC). • Snow extent products cover the Northern Hemisphere in 0.01 deg. resolution. • FSC retrieval uses SCAmod method enabling fractional snow mapping also in forests. • Landsat TM/ETM+-based reference is not always representative for validation of FSC

Spatio-temporal mixed pixel analysis of savanna ecosystems : a review

Reliable estimates of savanna vegetation constituents (i.e., woody and herbaceous vegetation) are essential as they are both responders and drivers of global change. The savanna is a highly heterogenous biome with high variability in land cover types while also being very dynamic at both temporal and spatial scales. To understand the spatial-temporal dynamics of savannas, using Earth Observation (EO) data for mixed-pixel analysis is crucial. Mixed pixel analysis provides detailed land cover data at a sub-pixel level which are essential for conservation purposes, understanding food supply for herbivores, quantifying environmental change, such as bush encroachment, and fuel availability essential for understanding fire dynamics, and for accurate estimation of savanna biomass. This review paper consulted 197 studies employing mixed-pixel analysis in savanna ecosystems. The review indicates that studies have so far attempted to resolve the savanna mixed-pixel issues by using mainly coarse resolution data, such as Terra-Aqua MODIS and AVHRR and medium resolution Landsat, to provide fractional cover data. Hence, there is a lack of spatio-temporal mixed-pixel analysis for savannas at high spatial resolutions. Methods used for mixed-pixel analysis include parametric and non-parametric methods which range from pixel-unmixing models, such as linear spectral mixture analysis (SMA), time series decomposition, empirical methods to link the green vegetation parameters with Vegetation Indices (VIs), and machine learning methods, such as regression trees (RT) and random forests (RF). Most studies were undertaken at local and regional scale, highlighting a research gap for savanna mixed pixel studies at national, continental, and global level. Parametric methods for modeling spatio-temporal mixed pixel analysis were preferred for coarse to medium resolution remote sensing data, while non-parametric methods were preferred for very high to high spatial resolution data. The review indicates a gap for long time series spatio-temporal mixed-pixel analysis of savannas using high resolution data at various scales. There is potential to harmonize the available low resolution EO data with new high-resolution sensors to provide long time series of the savanna mixed pixel, which, according to this review, is missing.The Deutscher Akademischer Austauschdienst and the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the framework of the Strategy “Research for Sustainability” (FONA).http://www.mdpi.com/journal/remotesensingpm2022Geography, Geoinformatics and Meteorolog

Automated proximal sensing for estimation of the bidirectional reflectance distribution function in a Mediterranean tree-grass ecosystem

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2015-2016Los sistemas automáticos de proximal sensing permiten adquirir información espectral de las cubiertas terrestres elevada frecuencia temporal, que puede relacionarse con observaciones remotas o de otros tipos de sensores como los sistemas de eddy covariance. Si bien inicialmente los sistemas automáticos empleaban sensores multi-banda, en los últimos años se ha incrementado el uso de sensores hiperespectrales. Si bien estos sensores ofrecen información redundante y de alta resolución espectral, las mediciones están sujetas a múltiples fuentes de incertidumbre; tanto instrumentales (dependencias de la temperatura o el nivel de señal) como direccionales (dependencia de la geometría de observación e iluminación). Las dependencias instrumentales pueden ser minimizadas, por ejemplo, controlando la temperatura del instrumento o el nivel de señal registrado. En otros casos, es necesario parametrizar y emplear modelos para corregir los datos. En la presente tesis doctoral los capítulos 1 al 3 presentan la caracterización completa de un espectrómetro de campo instalado en un sistema automático. Los capítulos 1 y 2 analizan las fuentes de no linealidad en este instrumento, una de las cuales no había sido anteriormente descrita en este tipo de instrumentos. El tercer capítulo muestra el conjunto completo de modelos de corrección de los efectos instrumentales y la cadena de procesado correspondiente. Por otro lado, los sistemas automáticos se enfrentan a efectos direccionales ya que adquieren mediciones continuamente durante el ciclo solar diario y bajo cualquier condición de iluminación. Esto maximiza los rangos de los ángulos de iluminación y también de la fracción difusa de la irradiancia. Esta variabilidad de condiciones de iluminación, combinada con una variación de los ángulos de observación permite obtener la información necesaria para caracterizar las respuestas direccionales de la cubierta observada. Algunos sistemas automáticos multi-angulares ya han sido empleados para realizar esta caracterización mediante la estimación de la Función de Distribución de Reflectividad Bidireccional (BRDF) en ecosistemas homogéneos. Sin embargo, esto no se ha conseguido aún en áreas heterogéneas, como es el caso de los ecosistemas tree-grass o de sabana. Así mismo, los trabajos previos no han considerado los efectos de la radiación difusa en el estudio del BRDF. En el capítulo 4 proponemos una metodología que permite desmezclar y caracterizar simultáneamente la función de distribución de reflectividad hemisférica-direccional de las dos cubiertas de vegetación presentes en el ecosistema, pasto y arbolado. También se analizan los efectos de las diferentes características del método. Finalmente, los resultados se escalan y se comparan con productos globales de satélite como el producto BRDF de MODIS. La conclusión obtenida es que se requieren más esfuerzos en el desarrollo y caracterización de sensores hiperespectrales instalados en sistemas automáticos de campo. Estos sistemas deberían adoptar configuraciones multi-angulares de modo que puedan caracterizarse las respuestas direccionales. Para ello, será necesario considerar los efectos de la radiación difusa; y en algunos casos también la heterogeneidad de la escena

Automated proximal sensing for estimation of the bidirectional reflectance distribution function in a Mediterranean tree-grass ecosystem

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2015-2016Los sistemas automáticos de proximal sensing permiten adquirir información espectral de las cubiertas terrestres elevada frecuencia temporal, que puede relacionarse con observaciones remotas o de otros tipos de sensores como los sistemas de eddy covariance. Si bien inicialmente los sistemas automáticos empleaban sensores multi-banda, en los últimos años se ha incrementado el uso de sensores hiperespectrales. Si bien estos sensores ofrecen información redundante y de alta resolución espectral, las mediciones están sujetas a múltiples fuentes de incertidumbre; tanto instrumentales (dependencias de la temperatura o el nivel de señal) como direccionales (dependencia de la geometría de observación e iluminación). Las dependencias instrumentales pueden ser minimizadas, por ejemplo, controlando la temperatura del instrumento o el nivel de señal registrado. En otros casos, es necesario parametrizar y emplear modelos para corregir los datos. En la presente tesis doctoral los capítulos 1 al 3 presentan la caracterización completa de un espectrómetro de campo instalado en un sistema automático. Los capítulos 1 y 2 analizan las fuentes de no linealidad en este instrumento, una de las cuales no había sido anteriormente descrita en este tipo de instrumentos. El tercer capítulo muestra el conjunto completo de modelos de corrección de los efectos instrumentales y la cadena de procesado correspondiente. Por otro lado, los sistemas automáticos se enfrentan a efectos direccionales ya que adquieren mediciones continuamente durante el ciclo solar diario y bajo cualquier condición de iluminación. Esto maximiza los rangos de los ángulos de iluminación y también de la fracción difusa de la irradiancia. Esta variabilidad de condiciones de iluminación, combinada con una variación de los ángulos de observación permite obtener la información necesaria para caracterizar las respuestas direccionales de la cubierta observada. Algunos sistemas automáticos multi-angulares ya han sido empleados para realizar esta caracterización mediante la estimación de la Función de Distribución de Reflectividad Bidireccional (BRDF) en ecosistemas homogéneos. Sin embargo, esto no se ha conseguido aún en áreas heterogéneas, como es el caso de los ecosistemas tree-grass o de sabana. Así mismo, los trabajos previos no han considerado los efectos de la radiación difusa en el estudio del BRDF. En el capítulo 4 proponemos una metodología que permite desmezclar y caracterizar simultáneamente la función de distribución de reflectividad hemisférica-direccional de las dos cubiertas de vegetación presentes en el ecosistema, pasto y arbolado. También se analizan los efectos de las diferentes características del método. Finalmente, los resultados se escalan y se comparan con productos globales de satélite como el producto BRDF de MODIS. La conclusión obtenida es que se requieren más esfuerzos en el desarrollo y caracterización de sensores hiperespectrales instalados en sistemas automáticos de campo. Estos sistemas deberían adoptar configuraciones multi-angulares de modo que puedan caracterizarse las respuestas direccionales. Para ello, será necesario considerar los efectos de la radiación difusa; y en algunos casos también la heterogeneidad de la escena

Mapping vegetation density and water inundation in a recovering wetland : the Mesopotamian Marshlands

Once considered the largest wetland in Central Asia, the Mesopotamian Marshlands of Southeastern Iraq have nearly disappeared. Various hydrological projects by the Iraqi government and dam construction in the region have nearly destroyed these once rich freshwater wetlands by over 90%. With the launching of Operation Iraqi Freedom recent attempts at restoration have been undertaken. To assess these changes and determine the success of restoration attempts this study is using 275-m multiangular MISR imagery to measure vegetation densities and water inundation patterns. By implementing a mapping method called spectral linear unmixing, fractional estimates of vegetation and water have been determined for six images from 2000-2005. Three subsets of the MISR imagery are compared: multispectral + multiangular, multispectral bands only, and multiangular bands only. Spectral linear unmixing, from all three subsets show a change in vegetation coverage from an average of 4490 km2 in 2000, to 9584 km2 in 2005 representing an increase of 114%. Results for water inundation also indicate an average increase of 109% from 3814 km2 in 2000 to 7986 km2 in 2005. To validate the MISR estimates, I compared these results with fractional estimates of vegetation and water derived from high spatial resolution 2-m QuickBird imagery based on data from 2002 and 2005. Each MISR image is rescaled to the 2-m spatial resolution of QuickBird so that a pixel-by-pixel comparison can be made. The validation results for 2002 and 2005 shows the multispectral + multiangular MISR approach identifies 28% of the water that QuickBird detects. Separately, multispectral and multiangular subsets were only able to detect 11% each. When examining vegetation coverage the multispectral subset is able to detect 69% whereas the multispectral + multiangular, and multiangular subsets detect 61% and 21%, respectively. Results presented in this paper are encouraging and suggest that the Mesopotamian Marshlands is recovering as vegetation is establishing and water is once again present. Interseasonal and interannual images may improve results and be more representative of the region

Characteristics of Taiga and Tundra Snowpack in Development and Validation of Remote Sensing of Snow

Remote sensing of snow is a method to measure snow cover characteristics without direct physical contact with the target from airborne or space-borne platforms. Reliable estimates of snow cover extent and snow properties are vital for several applications including climate change research and weather and hydrological forecasting. Optical remote sensing methods detect the extent of snow cover based on its high reflectivity compared to other natural surfaces. A universal challenge for snow cover mapping is the high spatiotemporal variability of snow properties and heterogeneous landscapes such as the boreal forest biome. The optical satellite sensor’s footprint may extend from tens of meters to a kilometer; the signal measured by the sensor can simultaneously emerge from several target categories within individual satellite pixels. By use of spectral unmixing or inverse model-based methods, the fractional snow cover (FSC) within the satellite image pixel can be resolved from the recorded electromagnetic signal. However, these algorithms require knowledge of the spectral reflectance properties of the targets present within the satellite scene and the accuracy of snow cover maps is dependent on the feasibility of these spectral model parameters. On the other hand, abrupt changes in land cover types with large differences in their snow properties may be located within a single satellite image pixel and complicate the interpretation of the observations. Ground-based in-situ observations can be used to validate the snow parameters derived by indirect methods, but these data are affected by the chosen sampling. This doctoral thesis analyses laboratory-based spectral reflectance information on several boreal snow types for the purpose of the more accurate reflectance representation of snow in mapping method used for the detection of fractional snow cover. Multi-scale reflectance observations representing boreal spectral endmembers typically used in optical mapping of snow cover, are exploited in the thesis. In addition, to support the interpretation of remote sensing observations in boreal and tundra environments, extensive in-situ dataset of snow depth, snow water equivalent and snow density are exploited to characterize the snow variability and to assess the uncertainty and representativeness of these point-wise snow measurements applied for the validation of remote sensing observations. The overall goal is to advance knowledge about the spectral endmembers present in boreal landscape to improve the accuracy of the FSC estimates derived from the remote sensing observations and support better interpretation and validation of remote sensing observations over these heterogeneous landscapes. The main outcome from the work is that laboratory-controlled experiments that exclude disturbing factors present in field circumstances may provide more accurate representation of wet (melting) snow endmember reflectance for the FSC mapping method. The behavior of snow band reflectance is found to be insensitive to width and location differences between visible satellite sensor bands utilized in optical snow cover mapping which facilitates the use of various sensors for the construction of historical data records. The results also reveal the high deviation of snow reflectance due to heterogeneity in snow macro- and microstructural properties. The quantitative statistics of bulk snow properties show that areal averages derived from in-situ measurements and used to validate remote sensing observations are dependent on the measurement spacing and sample size especially over land covers with high absolute snow depth variability, such as barren lands in tundra. Applying similar sampling protocol (sample spacing and sample size) over boreal and tundra land cover types that represent very different snow characteristics will yield to non-equal representativeness of the areal mean values. The extensive datasets collected for this work demonstrate that observations measured at various scales can provide different view angle to the same challenge but at the same time any dataset individually cannot provide a full understanding of the target complexity. This work and the collected datasets directly facilitate further investigation of uncertainty in fractional snow cover maps retrieved by optical remote sensing and the interpretation of satellite observations in boreal and tundra landscapes.Lumen kaukokartoitus on menetelmä, jolla mitataan lumen ominaisuuksia ilmasta tai avaruudesta käsin ilman fyysistä kontaktia kohteeseen. Luotettavat arviot lumipeitteen laajuudesta ja lumen ominaisuuksista ovat elintärkeitä useille menetelmille mukaan lukien ilmastonmuutoksen tutkimus sekä hydrologinen ennustaminen ja sään ennustaminen. Optiset kaukokartoitusmenetelmät havaitsevat lumipeitteen laajuuden lumen korkean heijastavuuden perusteella. Lumen ominaisuuksien korkea ajallinen ja alueellinen vaihtelu sekä heterogeeniset maastotyypit ovat yleinen haaste lumipeitteen laajuuden kaukokartoitukselle. Satelliitin optisen sensorin jalanjälki voi ulottua muutamista kymmenistä metreistä kilometriin; sensorin mittaama signaali voi samanaikaisesti nousta useista eri kohteista saman satelliittipikselin sisällä. Käyttämällä metodeja, joissa pyritään ratkaisemaan erilaisten kohdetyyppien osuus mitatussa signaalissa tai käänteismallintamalla, lumen osuus satelliittipikselin sisällä voidaan ratkaista mitatusta elektromagneettisesta signaalista. Nämä menetelmät kuitenkin vaativat tietoa pikselissä olevien kohteiden – mallimuuttujien – spektraalisista ominaisuuksista. Tuotetun lumipeitekartan tarkkuus on suoraan riippuvainen näille muuttujille asetettujen arvojen käyttökelpoisuudesta. Toisaalta saman satelliittipikselin sisällä lumipeitteen ominaisuuksissa voi olla jyrkkiäkin muutoksia, jotka vaikeuttavat satelliittihavaintojen tulkintaa. Epäsuorilla menetelmillä havaittuja lumen estimaatteja voidaan varmentaa hyödyntämällä maanpinnalla kerättyjä maastohavaintoja, mutta myös nämä aineistot sisältävät epätarkkuutta ja virhettä. Tämä väitöskirja analysoi laboratoriossa useista boreaalisista lumityypeistä kerättyjä spektraalisia mittauksia, joiden tarkoitus on tarjota tarkempia lumen heijastusarvoja hyödynnettäväksi menetelmässä, jota käytetään lumipeitteen laajuuden kartoituksessa. Boreaalisella metsävyöhykkeellä olevia spektraalisia mallimuuttujia, joita tyypillisesti käytetään optisissa lumen kartoitusmenetelmissä, kuvataan väitöstyössä usean eri mittakaavan havainnoilla. Lisäksi mittavaa lumensyvyyden, lumen vesiarvon sekä lumen tiheyden maastomittausaineistoa hyödynnetään kaukokartoitushavaintojen tulkinnan tukemiseksi boreaalisella vyöhykkeellä sekä tundralla. Aineiston avulla kuvataan lumen ominaisuuksien alueellista ja ajallista vaihtelua sekä tutkitaan pistemäisesti kerättyjen maastohavaintojen epätarkkuutta sekä edustavuutta, kun niitä käytetään kaukokartoitushavaintojen validoinnissa. Väitöstyön yleisenä tarkoituksena on edistää tietoutta boreaalisen vyöhykkeen spektraalisista mallimuuttujista, jotta optisella kaukokartoituksella tuotettujen lumipeitehavaintojen tarkkuus paranee ja tukea kaukokartoitushavaintojen parempaa tulkintaa ja validointia epähomogeenisissa satelliittipikseleissä. Väitöstyön pääasiallinen viesti on, että laboratorio-olosuhteissa kerätyillä mittauksilla voidaan tuottaa tarkempia arvoja lumipeitteen kaukokartoitushavaintojen tulkinta-algoritmeille, koska maastomittauksissa läsnä olevia häiritseviä tekijöitä voidaan sulkea pois. Lumipeitteen kaukokartoituksessa hyödynnettävien sensorien hieman toisistaan poikkeavat optiset kaistat eivät näytä merkittävästi vaikuttavan lumen heijastusarvoon. Tämä tukee historiallisten aineistojen rakentamista eri sensoreilla kerätyistä havainnoista. Tulokset myös paljastavat, että lumen heijastusarvoissa on suurta hajontaa, joka liittyy lumen makro- ja mikrostruktruuristen ominaisuuksien vaihteluun. Lisäksi tulokset osoittivat, että maastomittauksista saadut alueelliset lumensyvyyden keskiarvot, joita usein käytetään karkeamman resoluution kaukokartoitushavaintojen validoinnissa, ovat riippuvaisia mittausten välisestä etäisyydestä sekä mittausten lukumäärästä. Näin on erityisesti maanpeiteluokissa, joilla lumensyvyyden vaihtelu on erityisen suurta, kuten paljakat tundralla. Soveltamalla samaa mittausprotokollaa boreaalisiin ja tundran maanpeiteluokkiin, jotka edustavat hyvin erilaisia lumiolosuhteita, saadaan keskenään eriävästi edustavia alueellisia keskiarvoja. Tässä työssä kerätyt laajamittaiset havaintoaineistot osoittavat, että eri mittakaavoilla kerätyt havainnot voivat tarjota eri näkökulman samaan ongelmaan, mutta samaan aikaan yksittäinen havaintoaineisto on riittämätön tarjotakseen täyden ymmärryksen tiettyyn haasteeseen, kuten epähomogeenisen satelliittipikselin tulkintaan. Tämä väitöstyö ja siinä kerätyt aineistot hyödyttävät suoraan tutkimusta, joka koskee lumipeitteen laajuuden optisen kaukokartoituksen epätarkkuuksia sekä satelliittihavaintojen tulkintaa boreaalisella metsävyöhykkeellä sekä tundralla

Characteristics of Taiga and Tundra Snowpack in Development and Validation of Remote Sensing of Snow

Remote sensing of snow is a method to measure snow cover characteristics without direct physical contact with the target from airborne or space-borne platforms. Reliable estimates of snow cover extent and snow properties are vital for several applications including climate change research and weather and hydrological forecasting. Optical remote sensing methods detect the extent of snow cover based on its high reflectivity compared to other natural surfaces. A universal challenge for snow cover mapping is the high spatiotemporal variability of snow properties and heterogeneous landscapes such as the boreal forest biome. The optical satellite sensor’s footprint may extend from tens of meters to a kilometer; the signal measured by the sensor can simultaneously emerge from several target categories within individual satellite pixels. By use of spectral unmixing or inverse model-based methods, the fractional snow cover (FSC) within the satellite image pixel can be resolved from the recorded electromagnetic signal. However, these algorithms require knowledge of the spectral reflectance properties of the targets present within the satellite scene and the accuracy of snow cover maps is dependent on the feasibility of these spectral model parameters. On the other hand, abrupt changes in land cover types with large differences in their snow properties may be located within a single satellite image pixel and complicate the interpretation of the observations. Ground-based in-situ observations can be used to validate the snow parameters derived by indirect methods, but these data are affected by the chosen sampling. This doctoral thesis analyses laboratory-based spectral reflectance information on several boreal snow types for the purpose of the more accurate reflectance representation of snow in mapping method used for the detection of fractional snow cover. Multi-scale reflectance observations representing boreal spectral endmembers typically used in optical mapping of snow cover, are exploited in the thesis. In addition, to support the interpretation of remote sensing observations in boreal and tundra environments, extensive in-situ dataset of snow depth, snow water equivalent and snow density are exploited to characterize the snow variability and to assess the uncertainty and representativeness of these point-wise snow measurements applied for the validation of remote sensing observations. The overall goal is to advance knowledge about the spectral endmembers present in boreal landscape to improve the accuracy of the FSC estimates derived from the remote sensing observations and support better interpretation and validation of remote sensing observations over these heterogeneous landscapes. The main outcome from the work is that laboratory-controlled experiments that exclude disturbing factors present in field circumstances may provide more accurate representation of wet (melting) snow endmember reflectance for the FSC mapping method. The behavior of snow band reflectance is found to be insensitive to width and location differences between visible satellite sensor bands utilized in optical snow cover mapping which facilitates the use of various sensors for the construction of historical data records. The results also reveal the high deviation of snow reflectance due to heterogeneity in snow macro- and microstructural properties. The quantitative statistics of bulk snow properties show that areal averages derived from in-situ measurements and used to validate remote sensing observations are dependent on the measurement spacing and sample size especially over land covers with high absolute snow depth variability, such as barren lands in tundra. Applying similar sampling protocol (sample spacing and sample size) over boreal and tundra land cover types that represent very different snow characteristics will yield to non-equal representativeness of the areal mean values. The extensive datasets collected for this work demonstrate that observations measured at various scales can provide different view angle to the same challenge but at the same time any dataset individually cannot provide a full understanding of the target complexity. This work and the collected datasets directly facilitate further investigation of uncertainty in fractional snow cover maps retrieved by optical remote sensing and the interpretation of satellite observations in boreal and tundra landscapes.Lumen kaukokartoitus on menetelmä, jolla mitataan lumen ominaisuuksia ilmasta tai avaruudesta käsin ilman fyysistä kontaktia kohteeseen. Luotettavat arviot lumipeitteen laajuudesta ja lumen ominaisuuksista ovat elintärkeitä useille menetelmille mukaan lukien ilmastonmuutoksen tutkimus sekä hydrologinen ennustaminen ja sään ennustaminen. Optiset kaukokartoitusmenetelmät havaitsevat lumipeitteen laajuuden lumen korkean heijastavuuden perusteella. Lumen ominaisuuksien korkea ajallinen ja alueellinen vaihtelu sekä heterogeeniset maastotyypit ovat yleinen haaste lumipeitteen laajuuden kaukokartoitukselle. Satelliitin optisen sensorin jalanjälki voi ulottua muutamista kymmenistä metreistä kilometriin; sensorin mittaama signaali voi samanaikaisesti nousta useista eri kohteista saman satelliittipikselin sisällä. Käyttämällä metodeja, joissa pyritään ratkaisemaan erilaisten kohdetyyppien osuus mitatussa signaalissa tai käänteismallintamalla, lumen osuus satelliittipikselin sisällä voidaan ratkaista mitatusta elektromagneettisesta signaalista. Nämä menetelmät kuitenkin vaativat tietoa pikselissä olevien kohteiden – mallimuuttujien – spektraalisista ominaisuuksista. Tuotetun lumipeitekartan tarkkuus on suoraan riippuvainen näille muuttujille asetettujen arvojen käyttökelpoisuudesta. Toisaalta saman satelliittipikselin sisällä lumipeitteen ominaisuuksissa voi olla jyrkkiäkin muutoksia, jotka vaikeuttavat satelliittihavaintojen tulkintaa. Epäsuorilla menetelmillä havaittuja lumen estimaatteja voidaan varmentaa hyödyntämällä maanpinnalla kerättyjä maastohavaintoja, mutta myös nämä aineistot sisältävät epätarkkuutta ja virhettä. Tämä väitöskirja analysoi laboratoriossa useista boreaalisista lumityypeistä kerättyjä spektraalisia mittauksia, joiden tarkoitus on tarjota tarkempia lumen heijastusarvoja hyödynnettäväksi menetelmässä, jota käytetään lumipeitteen laajuuden kartoituksessa. Boreaalisella metsävyöhykkeellä olevia spektraalisia mallimuuttujia, joita tyypillisesti käytetään optisissa lumen kartoitusmenetelmissä, kuvataan väitöstyössä usean eri mittakaavan havainnoilla. Lisäksi mittavaa lumensyvyyden, lumen vesiarvon sekä lumen tiheyden maastomittausaineistoa hyödynnetään kaukokartoitushavaintojen tulkinnan tukemiseksi boreaalisella vyöhykkeellä sekä tundralla. Aineiston avulla kuvataan lumen ominaisuuksien alueellista ja ajallista vaihtelua sekä tutkitaan pistemäisesti kerättyjen maastohavaintojen epätarkkuutta sekä edustavuutta, kun niitä käytetään kaukokartoitushavaintojen validoinnissa. Väitöstyön yleisenä tarkoituksena on edistää tietoutta boreaalisen vyöhykkeen spektraalisista mallimuuttujista, jotta optisella kaukokartoituksella tuotettujen lumipeitehavaintojen tarkkuus paranee ja tukea kaukokartoitushavaintojen parempaa tulkintaa ja validointia epähomogeenisissa satelliittipikseleissä. Väitöstyön pääasiallinen viesti on, että laboratorio-olosuhteissa kerätyillä mittauksilla voidaan tuottaa tarkempia arvoja lumipeitteen kaukokartoitushavaintojen tulkinta-algoritmeille, koska maastomittauksissa läsnä olevia häiritseviä tekijöitä voidaan sulkea pois. Lumipeitteen kaukokartoituksessa hyödynnettävien sensorien hieman toisistaan poikkeavat optiset kaistat eivät näytä merkittävästi vaikuttavan lumen heijastusarvoon. Tämä tukee historiallisten aineistojen rakentamista eri sensoreilla kerätyistä havainnoista. Tulokset myös paljastavat, että lumen heijastusarvoissa on suurta hajontaa, joka liittyy lumen makro- ja mikrostruktruuristen ominaisuuksien vaihteluun. Lisäksi tulokset osoittivat, että maastomittauksista saadut alueelliset lumensyvyyden keskiarvot, joita usein käytetään karkeamman resoluution kaukokartoitushavaintojen validoinnissa, ovat riippuvaisia mittausten välisestä etäisyydestä sekä mittausten lukumäärästä. Näin on erityisesti maanpeiteluokissa, joilla lumensyvyyden vaihtelu on erityisen suurta, kuten paljakat tundralla. Soveltamalla samaa mittausprotokollaa boreaalisiin ja tundran maanpeiteluokkiin, jotka edustavat hyvin erilaisia lumiolosuhteita, saadaan keskenään eriävästi edustavia alueellisia keskiarvoja. Tässä työssä kerätyt laajamittaiset havaintoaineistot osoittavat, että eri mittakaavoilla kerätyt havainnot voivat tarjota eri näkökulman samaan ongelmaan, mutta samaan aikaan yksittäinen havaintoaineisto on riittämätön tarjotakseen täyden ymmärryksen tiettyyn haasteeseen, kuten epähomogeenisen satelliittipikselin tulkintaan. Tämä väitöstyö ja siinä kerätyt aineistot hyödyttävät suoraan tutkimusta, joka koskee lumipeitteen laajuuden optisen kaukokartoituksen epätarkkuuksia sekä satelliittihavaintojen tulkintaa boreaalisella metsävyöhykkeellä sekä tundralla

The identification of sub-pixel components from remotely sensed data: an evaluation of an artificial neural network approach

Until recently, methodologies to extract sub-pixel information from remotely sensed data have focused on linear un-mixing models and so called fuzzy classifiers. Recent research has suggested that neural networks have the potential for providing sub- pixel information. Neural networks offer an attractive alternative as they are non- parametric, they are not restricted to any number of classes, they do not assume that the spectral signatures of pixel components mix linearly and they do not necessarily have to be trained with pure pixels. The thesis tests the validity of neural networks for extracting sub-pixel information using a combination of qualitative and quantitative analysis tools. Previously published experiments use data sets that are often limited in terms of numbers of pixels and numbers of classes. The data sets used in the thesis reflect the complexity of the landscape. Preparation for the experiments is canied out by analysing the data sets and establishing that the network is not sensitive to particular choices of parameters. Classification results using a conventional type of target with which to train the network show that the response of the network to mixed pixels is different from the response of the network to pure pixels. Different target types are then tested. Although targets which provide detailed compositional information produce higher accuracies of classification for subsidiary classes, there is a trade off between the added information and added complexity which can decrease classification accuracy. Overall, the results show that the network seems to be able to identify the classes that are present within pixels but not their proportions. Experiments with a very accurate data set show that the network behaves like a pattern matching algorithm and requires examples of mixed pixels in the training data set in order to estimate pixel compositions for unseen pixels. The network does not function like an unmixing model and cannot interpolate between pure classes