Spectral unmixing approach in hyperspectral remote sensing: a tool for oil palm mapping

Las plantaciones de palma de aceite típicamente abarcan grandes áreas, por esto, la teledetección remota se ha convertido en una herramienta útil para el monitoreo avanzado de este cultivo. Este trabajo revisa y evalúa dos enfoques para analizar las plantaciones de palma de aceite a partir de datos de teledetección remota hiperespectral: desmezclado espectral lineal y variabilidad espectral. Además, se propone un marco computacional basado en el desmezclado espectral para la estimación de las fracciones de abundancias de cultivos de palma de aceite. Este enfoque también considera la variabilidad espectral de las firmas en las imágenes hiperespectrales. El marco computacional propuesto modifica el modelo de mezcla lineal mediante la introducción de un vector de pesos, de manera que se puedan identificar las bandas espectrales que menos contribuyen a la estimación de fracciones de abundancias erróneas. Este enfoque aprovecha la detección de los árboles de palma de aceite, ya que permite diferenciarlos de otros materiales en términos de fracciones de abundancia. Los resultados experimentales obtenidos a partir de datos de teledetección remota hiperespectral en el rango de 410-990 nm, muestran mejoras de un 8.18 % en la métrica de Precisión del Usuario (Uacc) en la identificación de palmas de aceite por el marco propuesto con respecto a los métodos tradicionales de desmezclado espectral; el método propuesto logró un 95 % de Uacc. Esto confirma las capacidades del marco computacional formulado y facilita la gestión y el monitoreo de grandes áreas de plantaciones de palma de aceite.Oil palm plantations typically span large areas; therefore, remote sensing has become a useful tool for advanced oil palm monitoring. This work reviews and evaluates two approaches to analyze oil palm plantations based on hyperspectral remote sensing data: linear spectral unmixing and spectral variability. Moreover, a computational framework based on spectral unmixing for the estimation of fractional abundances of oil palm plantations is proposed in this study. Such approach also considers the spectral variability of hyperspectral image signatures. More specifically, the proposed computational framework modifies the linear mixing model by introducing a weighting vector, so that the spectral bands that contribute the least to the estimation of erroneous fractional abundances can be identified. This approach improves palm detection as it allows to differentiate them from other materials in terms of fractional abundances. Experimental results obtained from hyperspectral remote sensing data in the range 410-990 nm show improvements of 8.18 % in User Accuracy (Uacc) in the identification of oil palms by the proposed framework with respect to traditional unmixing methods. Thus, the proposed method achieved a 95% Uacc. This confirms the capabilities of the proposed computational framework and facilitates the management and monitoring of large areas of oil palm plantations

Un estudio comparativo de algoritmos de detección de objetivos en imágenes hiperespectrales aplicados a cultivos agrícolas en Colombia

Background: (HSI) Hyperspectral Images contain high spectral resolution information, in hundreds of contiguous bands over a specific range of the electromagnetic spectrum. In science and industry, hyperspectral information is exploited by means of classification, anomaly and target detections algorithms. Specifically, in the last two decades a wide variety of hyperspectral target detection algorithms have been proposed. However, an optimal target detection algorithm with a remarkable performance over different kinds of targets and scenarios is still an active matter of research, due to the high spectral variability and diversity of real-world scenarios.Aim: This work presents a comparative study of target detection algorithms in hyperspectral imagery applied to agricultural crops in Colombia for evaluate performance in different scenarios.Method: The evaluations were performed on 20 real HSI acquired by the satellite Hyperion sensor, and 6 synthetic HSI with different noise levels. 5 synthetic targets were implemented; more than 115 spectral real signatures were extracted, 11 of those signatures were used as target in the testing process, allowing to characterize 5 agricultural crops of Colombian northeastern in 5 different areas.Results: The results show that the Adaptive Coherence Estimator (ACE) algorithm has a better performance in terms of detection probabilities PD > 90% for different scenarios and targets of agricultural type, in both synthetic and real images.Conclusions: In applications for target detection in HSI, it is critical to find an algorithm to have optimal performance for different scenarios and targets, due to the spectral variability generated by the geographical conditions countrywide. On the other hand, this work shows that is possible the development of new research fields and applications at the national level, taking advantage of hyperspectral imaging techniques for spectral detection, specifically for Colombian agriculture.Contexto: Las imágenes hiperespectrales (HSI) contienen información en alta resolución espectral, en cientos de bandas contiguas sobre un rango del espectro electromagnético. Se ha tomado ventaja de la información espectral mediante algoritmos de clasificación, detección de cambios, de anomalías o detección de objetivos. Específicamente, en las dos últimas décadas han sido propuestos diferentes algoritmos para detectar objetivos en HSI. Sin embargo, encontrar un algoritmo de detección con un desempeño óptimo para diferentes escenarios y objetivos, aún es materia de investigación, debido a la alta variabilidad espectral y diversidad de escenarios del mundo real.Objetivo: La presente investigación realiza un estudio comparativo de algoritmos de detección de objetivos en imágenes hiperespectrales aplicados a la agricultura colombiana.Método: Las evaluaciones se realizaron sobre 20 HSI reales adquiridas por el sensor satelital Hyperion y 6 HSI sintéticas con diferentes niveles de ruido. En el desarrollo de la investigación se implantaron 5 objetivos sintéticos; y se extrajeron más de 115 firmas espectrales reales, 11 de ellas fueron usadas como objetivo en la evaluación de los algoritmos, permitiendo la caracterización de 5 cultivos agrícolas del nororiente colombiano en 5 áreas de estudio diferentes. Los resultados muestran que el algoritmo de Estimación de Coherencia Adaptativo (ACE) presenta un mejor desempeño con probabilidades de detección PD > 90% para diferentes escenarios y objetivos de tipo agrícola, tanto en imágenes sintéticas como reales.Conclusiones: En aplicaciones de detección de objetivos en HSI, es crítico encontrar un algoritmo que presente un rendimiento óptimo para diferentes escenarios y objetivos, debido a la variabilidad espectral generada por las diferentes condiciones geográficas de Colombia. Por otra parte, este trabajo permite mostrar que es posible realizar nuevas investigaciones y aplicaciones a nivel nacional tomando ventaja de las técnicas de imágenes hiperespectrales y algoritmos de detección espectral; específicamente en el sector de la agricultura colombiana

Spectral unmixing approach in hyperspectral remote sensing: a tool for oil palm mapping

Oil palm plantations typically span large areas; therefore, remote sensing has become a useful tool for advanced oil palm monitoring. This work reviews and evaluates two approaches to analyze oil palm plantations based on hyperspectral remote sensing data: linear spectral unmixing and spectral variability. Moreover, a computational framework based on spectral unmixing for the estimation of fractional abundances of oil palm plantations is proposed in this study. Such approach also considers the spectral variability of hyperspectral image signatures. More specifically, the proposed computational framework modifies the linear mixing model by introducing a weighting vector, so that the spectral bands that contribute the least to the estimation of erroneous fractional abundances can be identified. This approach improves palm detection as it allows to differentiate them from other materials in terms of fractional abundances. Experimental results obtained from hyperspectral remote sensing data in the range 410-990 nm show improvements of 8.18 % in User Accuracy (Uacc) in the identification of oil palms by the proposed framework with respect to traditional unmixing methods. Thus, the proposed method achieved a 95% Uacc. This confirms the capabilities of the proposed computational framework and facilitates the management and monitoring of large areas of oil palm plantations.Las plantaciones de palma de aceite típicamente abarcan grandes áreas, por esto, la teledetección remota se ha convertido en una herramienta útil para el monitoreo avanzado de este cultivo. Este trabajo revisa y evalúa dos enfoques para analizar las plantaciones de palma de aceite a partir de datos de teledetección remota hiperespectral: desmezclado espectral lineal y variabilidad espectral. Además, se propone un marco computacional basado en el desmezclado espectral para la estimación de las fracciones de abundancias de cultivos de palma de aceite. Este enfoque también considera la variabilidad espectral de las firmas en las imágenes hiperespectrales. El marco computacional propuesto modifica el modelo de mezcla lineal mediante la introducción de un vector de pesos, de manera que se puedan identificar las bandas espectrales que menos contribuyen a la estimación de fracciones de abundancias erróneas. Este enfoque aprovecha la detección de los árboles de palma de aceite, ya que permite diferenciarlos de otros materiales en términos de fracciones de abundancia. Los resultados experimentales obtenidos a partir de datos de teledetección remota hiperespectral en el rango de 410-990 nm, muestran mejoras de un 8.18 % en la métrica de Precisión del Usuario (Uacc) en la identificación de palmas de aceite por el marco propuesto con respecto a los métodos tradicionales de desmezclado espectral; el método propuesto logró un 95 % de Uacc. Esto confirma las capacidades del marco computacional formulado y facilita la gestión y el monitoreo de grandes áreas de plantaciones de palma de aceite

Un estudio comparativo de algoritmos de detección de objetivos en imágenes hiperespectrales aplicados a cultivos agrícolas en Colombia

Background: (HSI) Hyperspectral Images contain high spectral resolution information, in hundreds of contiguous bands over a specific range of the electromagnetic spectrum. In science and industry, hyperspectral information is exploited by means of classification, anomaly and target detections algorithms. Specifically, in the last two decades a wide variety of hyperspectral target detection algorithms have been proposed. However, an optimal target detection algorithm with a remarkable performance over different kinds of targets and scenarios is still an active matter of research, due to the high spectral variability and diversity of real-world scenarios.Aim: This work presents a comparative study of target detection algorithms in hyperspectral imagery applied to agricultural crops in Colombia for evaluate performance in different scenarios.Method: The evaluations were performed on 20 real HSI acquired by the satellite Hyperion sensor, and 6 synthetic HSI with different noise levels. 5 synthetic targets were implemented; more than 115 spectral real signatures were extracted, 11 of those signatures were used as target in the testing process, allowing to characterize 5 agricultural crops of Colombian northeastern in 5 different areas.Results: The results show that the Adaptive Coherence Estimator (ACE) algorithm has a better performance in terms of detection probabilities PD > 90% for different scenarios and targets of agricultural type, in both synthetic and real images.Conclusions: In applications for target detection in HSI, it is critical to find an algorithm to have optimal performance for different scenarios and targets, due to the spectral variability generated by the geographical conditions countrywide. On the other hand, this work shows that is possible the development of new research fields and applications at the national level, taking advantage of hyperspectral imaging techniques for spectral detection, specifically for Colombian agriculture.Contexto: Las imágenes hiperespectrales (HSI) contienen información en alta resolución espectral, en cientos de bandas contiguas sobre un rango del espectro electromagnético. Se ha tomado ventaja de la información espectral mediante algoritmos de clasificación, detección de cambios, de anomalías o detección de objetivos. Específicamente, en las dos últimas décadas han sido propuestos diferentes algoritmos para detectar objetivos en HSI. Sin embargo, encontrar un algoritmo de detección con un desempeño óptimo para diferentes escenarios y objetivos, aún es materia de investigación, debido a la alta variabilidad espectral y diversidad de escenarios del mundo real.Objetivo: La presente investigación realiza un estudio comparativo de algoritmos de detección de objetivos en imágenes hiperespectrales aplicados a la agricultura colombiana.Método: Las evaluaciones se realizaron sobre 20 HSI reales adquiridas por el sensor satelital Hyperion y 6 HSI sintéticas con diferentes niveles de ruido. En el desarrollo de la investigación se implantaron 5 objetivos sintéticos; y se extrajeron más de 115 firmas espectrales reales, 11 de ellas fueron usadas como objetivo en la evaluación de los algoritmos, permitiendo la caracterización de 5 cultivos agrícolas del nororiente colombiano en 5 áreas de estudio diferentes. Los resultados muestran que el algoritmo de Estimación de Coherencia Adaptativo (ACE) presenta un mejor desempeño con probabilidades de detección PD > 90% para diferentes escenarios y objetivos de tipo agrícola, tanto en imágenes sintéticas como reales.Conclusiones: En aplicaciones de detección de objetivos en HSI, es crítico encontrar un algoritmo que presente un rendimiento óptimo para diferentes escenarios y objetivos, debido a la variabilidad espectral generada por las diferentes condiciones geográficas de Colombia. Por otra parte, este trabajo permite mostrar que es posible realizar nuevas investigaciones y aplicaciones a nivel nacional tomando ventaja de las técnicas de imágenes hiperespectrales y algoritmos de detección espectral; específicamente en el sector de la agricultura colombiana

A comparative study of target detection algorithms in hyperspectral imagery applied to agricultural crops in Colombia

Background: (HSI) Hyperspectral Images contain high spectral resolution information, in hundreds of contiguous bands over a specific range of the electromagnetic spectrum. In science and industry, hyperspectral information is exploited by means of classification, anomaly and target detections algorithms. Specifically, in the last two decades a wide variety of hyperspectral target detection algorithms have been proposed. However, an optimal target detection algorithm with a remarkable performance over different kinds of targets and scenarios is still an active matter of research, due to the high spectral variability and diversity of real-world scenarios.Aim: This work presents a comparative study of target detection algorithms in hyperspectral imagery applied to agricultural crops in Colombia for evaluate performance in different scenarios.Method: The evaluations were performed on 20 real HSI acquired by the satellite Hyperion sensor, and 6 synthetic HSI with different noise levels. 5 synthetic targets were implemented; more than 115 spectral real signatures were extracted, 11 of those signatures were used as target in the testing process, allowing to characterize 5 agricultural crops of Colombian northeastern in 5 different areas.Results: The results show that the Adaptive Coherence Estimator (ACE) algorithm has a better performance in terms of detection probabilities PD > 90% for different scenarios and targets of agricultural type, in both synthetic and real images.Conclusions: In applications for target detection in HSI, it is critical to find an algorithm to have optimal performance for different scenarios and targets, due to the spectral variability generated by the geographical conditions countrywide. On the other hand, this work shows that is possible the development of new research fields and applications at the national level, taking advantage of hyperspectral imaging techniques for spectral detection, specifically for Colombian agriculture.Contexto: Las imágenes hiperespectrales (HSI) contienen información en alta resolución espectral, en cientos de bandas contiguas sobre un rango del espectro electromagnético. Se ha tomado ventaja de la información espectral mediante algoritmos de clasificación, detección de cambios, de anomalías o detección de objetivos. Específicamente, en las dos últimas décadas han sido propuestos diferentes algoritmos para detectar objetivos en HSI. Sin embargo, encontrar un algoritmo de detección con un desempeño óptimo para diferentes escenarios y objetivos, aún es materia de investigación, debido a la alta variabilidad espectral y diversidad de escenarios del mundo real.Objetivo: La presente investigación realiza un estudio comparativo de algoritmos de detección de objetivos en imágenes hiperespectrales aplicados a la agricultura colombiana.Método: Las evaluaciones se realizaron sobre 20 HSI reales adquiridas por el sensor satelital Hyperion y 6 HSI sintéticas con diferentes niveles de ruido. En el desarrollo de la investigación se implantaron 5 objetivos sintéticos; y se extrajeron más de 115 firmas espectrales reales, 11 de ellas fueron usadas como objetivo en la evaluación de los algoritmos, permitiendo la caracterización de 5 cultivos agrícolas del nororiente colombiano en 5 áreas de estudio diferentes. Los resultados muestran que el algoritmo de Estimación de Coherencia Adaptativo (ACE) presenta un mejor desempeño con probabilidades de detección PD > 90% para diferentes escenarios y objetivos de tipo agrícola, tanto en imágenes sintéticas como reales.Conclusiones: En aplicaciones de detección de objetivos en HSI, es crítico encontrar un algoritmo que presente un rendimiento óptimo para diferentes escenarios y objetivos, debido a la variabilidad espectral generada por las diferentes condiciones geográficas de Colombia. Por otra parte, este trabajo permite mostrar que es posible realizar nuevas investigaciones y aplicaciones a nivel nacional tomando ventaja de las técnicas de imágenes hiperespectrales y algoritmos de detección espectral; específicamente en el sector de la agricultura colombiana

Aplicaciones y retos del sensado remoto hiperespectral en la geología colombiana

El Sensado Remoto (SR) es una técnica que permite captar información de una escena sin entrar en contacto físico con ella, mediante el empleo de sensores ubicados, principalmente, en plataformas aéreas, los cuales captan información en diferentes rangos del espectro electromagnético, incluyendo el visible (VIS), el cercano al infrarrojo (NIR) y el de ondas cortas del infrarrojo (SWIR). Teniendo en cuenta que cada material presente en una escena tiene características espectrales diferentes, es posible, a través del análisis de las firmas espectrales, realizar su identificación o clasificación mediante algoritmos. Las Imágenes Hiperespectrales (HSI) captadas por sensores remotos en cientos de bandas espectrales son de importancia en áreas como la geología, la mineralogía, la agronomía y la ecología, entre otras; sin embargo, el gran volumen de literatura dispersa en diferentes líneas (SR, HSI y geología) dificulta su acceso y análisis. Este trabajo presenta un compendio de conceptos, principios básicos y fundamentos matemáticos del SR, e incluye investigaciones y tendencias de él, destacando su desarrollo y sus retos en Colombia, y un caso de uso de HSI en la geología colombiana, cuyas evaluaciones muestran la capacidad de detección del sensor hiperespectral Hyperion, ubicado en el satélite EO-1, para el mapeo geológico en un sitio de prueba al noroccidente del municipio de Girón, departamento de Santander. Los resultados de las evaluaciones son satisfactorios; espectralmente, el coeficiente de correlación fue alto y la relación espacial entre la firma espectral obtenida y la geología conocida del área fue aceptable y correspondió al análisis de Difracción de Rayos X (DRX) realizado a muestras tomadas del área de estudio.