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Integrating Satellite Remote Sensing and In-situ Measurements to Estimate the Biophysical Parameters of Agricultural crop using Multispectral and Radar Data

  • A large portion of the earth's surface is covered with various vegetation classes (i.e. grassland, wetland and agricultural area, forest) of many diverse species and canopy configurations. The ability to assess and to monitor canopy parameters, such as biomass, leaf area index, and vegetation water content, is of vital importance to the study of different agronomic processes. Remote sensing techniques provide a unique capability towards probing different vegetation types and canopy by operating at different bands, observation angle etc. Over the past decades, significant progress has been made in remote sensing techniques of land processes specially vegetation characteristics through development of advanced ground-based, airborne and space-borne microwave sensors, methods and approaches such as theoretical, semi-empirical and empirical models, needed for analyzing the data. These activities have sharply increased in recent years since the launch of different active and passive satellites and sensors. Remote Sensing (RS) science and techniques combined with ground truth data can provide new tools for advanced agricultural crop applications. It has been demonstrated that RS has the ability to estimate biophysical parameters of agricultural crops over time at local, regional, and global scales. In this study, RS images in visible/near infrared (VIS/NIR) domain as well as microwave domain combined with ground truth data were used to assess biophysical parameters of agricultural crop during their whole growing season at Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Information Network (DEMMIN) test site in North East Germany. Ground truth studies were carried out for 31 weeks during 17th April – 13th November 2013 over three crop lands including winter wheat, barley and canola. Landsat 8 OLI, Landsat 7 ETM+ were used for the VIS/NIR studies and TerraSAR-X synthetic aperture radar (SAR) images were used to study biophysical parameters of agricultural crops in microwave part of electromagnetic spectrum. The analysis was conducted by calculating different vegetation indices (VIs) to estimate the biomass (fresh and dry), LAI, and vegetation water content (VWC) of three crops using Landsat 8 OLI and Landsat 7 ETM+ combined with ground truth data. A new concept of Soil Line retrieval from Landsat 8 image was also developed to estimate plant biophysical parameters using soil line related vegetation indices in optical domain of electromagnetic spectrum. Different approaches including univariate, multivariate stepwise regression and semi-empirical water cloud model was also used to estimate the biophysical parameters of agricultural crop using TerraSAR-X data in microwave domain of electromagnetic spectrum. Perhaps the most important conclusion of this study is that the RS approach can provide useful information about estimating agricultural crop parameters over time and local scale, which can therefore provide valuable information to aid the agronomy community.
  • Einen großen Teil der Erdoberfläche bedecken verschiedene Vegetationsformationen (Grasland, Moore/Feuchtgrünland, landwirtschaftliche Nutzflächen, Wälder) mit einer Vielzahl an Arten und Ausprägungen der Vegetationsoberfläche. Die Möglichkeit, Parameter der Vegetationsoberfläche zu beurteilen und zu beobachten, wie etwa Biomasse, Blattflächenindex und Wassergehalt, ist von entscheidender Bedeutung für das Studium verschiedener landwirtschaftlicher Prozesse. Fernerkundungstechniken verfügen über ein großes Potenzial zur Untersuchung verschiedenster Vegetationstypen und –oberflächen, indem sie mit unterschiedlichen Bändern, Beobachtungswinkeln etc. arbeiten. Während der vergangenen Jahrzehnte wurden große Fortschritte in der Fernerkundung von Landoberflächenprozessen, insbesondere im Blick auf Vegetations¬charakteristiken, erreicht. Es können heute insbesondere deutlich verbesserte Mikrowellensensoren am Boden, vom Flugzeug oder vom Satelliten aus genutzt werden, auch wurden neue Ansätze und Methoden für die Auswertung der Daten entwickelt, wie theoretische, semi-empirische und empirische Modelle. Der Zuwachs an Möglichkeiten wurde gerade in den letzten Jahren signifikant gesteigert durch den Betriebsbeginn verschiedener aktiver und passiver Sensoren auf Satelliten. Die Wissenschaft und Technik der Fernerkundung in Verbindung mit Bodenbeobachtungsdaten (ground trouth) stellt neue Werkzeuge zur Verfügung gerade für fortgeschrittene Anwendungen mit Blick auf landwirtschaftliche Anbaufrüchte. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Fernerkundung biophysikalische Parameter landwirtschaftlich relevanter Anbaufrüchte in Zeitreihen lokal, regional und global abgeschätzt werden können. In dieser Studie wurden Fernerkundungsdaten im sichtbaren Spektralbereich, im nahen Infrarot und im Mikrowellenbereich in Verbindung mit umfangreichen Ground Truth-Daten genutzt, um biophysikalische Parameter landwirtschaftlicher Anbaufrüchte während ihrer gesamten Vegeta-tionsperiode abzuschätzen. Die Untersuchungen fanden am Teststandort DEMMIN (Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Network) im Nordosten Deutschlands statt. Die Ground Truth-Daten wurden über 31 Wochen zwischen dem 17. April und dem 13. November 2013 auf drei Ackerarealen für Winterweizen, Gerste und Raps gewonnen. Für die Untersuchungen im sichtbaren und nahen Infrarot-Spektralbereich wurden Fernerkundungsdaten der Systeme Landsat 8 OLI und Landsat 7 ETM genutzt, für den Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums Daten von TerraSAR-X mit synthetischer Radar-Apertur. Es wurden verschiedene Vegetationsindizes (VIs) berechnet, um Biomasse (frisch und trocken), Blattflächenindex (LAI) und Wassergehalt der Vegetation (VWC) für drei Anbaufrüchte unter Nutzung der Daten von Landsat 8 OLI und Landsat 7 ETM+, in Verbindungen mit Ground Truth-Daten, abzuschätzen. Außerdem wurde ein neues Konzept zur Ermittlung der Soil Line aus Landsat 8-Bildern entwickelt, um biophysikalische Pflanzenparameter mit Hilfe Soil Line-bezogener Vegetationsindizes im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abschätzen zu können. Außerdem wurden verschiedene Ansätze erprobt, um biophysikalische Parameter landwirtschaftlicher Anbaufrüchte unter Nutzung von TerraSAT-X-Daten aus dem Mikrowellenbereich zu ermitteln (univariate und multivariate schrittweise Regression sowie ein semi-empirisches Water/Cloud-Modell). Zusammenfassend erbringt diese Studie den Nachweis, dass der Fernerkundungsansatz sehr nützliche Informationen zur Abschätzung von Vegetationsparametern landwirtschaftlicher Anbaufrüchte auf zeitlicher und lokaler Raumskala liefert, die von hohem Wert für die Landwirtschaft sind.

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Metadaten
Author: Nima Ahmadian
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002860-2
Title Additional (English):Integrating Satellite Remote Sensing and In-situ Measurements to Estimate the Biophysical Parameters of Agricultural crop using Multispectral and Radar Data
Title Additional (German):Integration von Satelliten-Fernerkundung und In-situ-Messungen zur Schätzung biophysikalischer Parameter von landwirtschaftlichen Kulturen mit Hilfe von multispektralen und Radar-Daten
Advisor:Prof. Dr. Reinhard Zölitz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2017/08/11
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/07/11
Release Date:2017/08/11
Tag:Fernerkundung, In-situ-Messungen, biophysikalischer Parameter, landwirtschaftlichen Kulturen
Agricultural crop, Biophysical Parameters, In-situ Measurements, Remote Sensing
GND Keyword:Fernerkundung, In-situ-Messungen, biophysikalischer Parameter, landwirtschaftlichen Kulturen
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geographie und Geologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie