Statistical and image processing techniques for remote sensing in agricultural monitoring and mapping
Throughout most of history, increasing agricultural production has been largely driven by expanded land use, and – especially in the 19th and 20th century – by technological innovation in breeding, genetics and agrochemistry as well as intensification through mechanization and industrialization. More recently, information technology, digitalization and automation have started to play a more significant role in achieving higher productivity with lower environmental impact and reduced use of resources. This includes two trends on opposite scales: precision farming applying detailed observations on sub-field level to support local management, and large-scale agricultural monitoring observing regional patterns in plant health and crop productivity to help manage macroeconomic and environmental trends. In both contexts, remote sensing imagery plays a crucial role that is growing due to decreasing costs and increasing accessibility of both data and means of processing and analysis. The large archives of free imagery with global coverage, can be expected to further increase adoption of remote sensing techniques in coming years. This thesis addresses multiple aspects of remote sensing in agriculture by presenting new techniques in three distinct research topics: (1) remote sensing data assimilation in dynamic crop models; (2) agricultural field boundary detection from remote sensing observations; and (3) contour extraction and field polygon creation from remote sensing imagery. These key objectives are achieved through combining methods of probability analysis, uncertainty quantification, evolutionary learning and swarm intelligence, graph theory, image processing, deep learning and feature extraction. Four new techniques have been developed. Firstly, a new data assimilation technique based on statistical distance metrics and probability distribution analysis to achieve a flexible representation of model- and measurement-related uncertainties. Secondly, a method for detecting boundaries of agricultural fields based on remote sensing observations designed to only rely on image-based information in multi-temporal imagery. Thirdly, an improved boundary detection approach based on deep learning techniques and a variety of image features. Fourthly, a new active contours method called Graph-based Growing Contours (GGC) that allows automatized extractionof complex boundary networks from imagery. The new approaches are tested and evaluated on multiple study areas in the states of Schleswig-Holstein, Niedersachsen and Sachsen-Anhalt, Germany, based on combine harvester measurements, cadastral data and manual mappings. All methods were designed with flexibility and applicability in mind. They proved to perform similarly or better than other existing methods and showed potential for large-scale application and their synergetic use. Thanks to low data requirements and flexible use of inputs, their application is neither constrained to the specific applications presented here nor the use of a specific type of sensor or imagery. This flexibility, in theory, enables their use even outside of the field of remote sensing.
Landwirtschaftliche Produktivitätssteigerung wurde historisch hauptsächlich durch Erschließung neuer Anbauflächen und später, insbesondere im 19. und 20. Jahrhundert, durch technologische Innovation in Züchtung, Genetik und Agrarchemie sowie Intensivierung in Form von Mechanisierung und Industrialisierung erreicht. In jüngerer Vergangenheit spielen jedoch Informationstechnologie, Digitalisierung und Automatisierung zunehmend eine größere Rolle, um die Produktivität bei reduziertem Umwelteinfluss und Ressourcennutzung weiter zu steigern. Daraus folgen zwei entgegengesetzte Trends: Zum einen Precision Farming, das mithilfe von Detailbeobachtungen die lokale Feldarbeit unterstützt, und zum anderen großskalige landwirtschaftliche Beobachtung von Bestands- und Ertragsmustern zur Analyse makroökonomischer und ökologischer Trends. In beiden Fällen spielen Fernerkundungsdaten eine entscheidende Rolle und gewinnen dank sinkender Kosten und zunehmender Verfügbarkeit, sowohl der Daten als auch der Möglichkeiten zu ihrer Verarbeitung und Analyse, weiter an Bedeutung. Die Verfügbarkeit großer, freier Archive von globaler Abdeckung werden in den kommenden Jahren voraussichtlich zu einer zunehmenden Verwendung führen. Diese Dissertation behandelt mehrere Aspekte der Fernerkundungsanwendung in der Landwirtschaft und präsentiert neue Methoden zu drei Themenbereichen: (1) Assimilation von Fernerkundungsdaten in dynamischen Agrarmodellen; (2) Erkennung von landwirtschaftlichen Feldgrenzen auf Basis von Fernerkundungsbeobachtungen; und (3) Konturextraktion und Erstellung von Polygonen aus Fernerkundungsaufnahmen. Zur Bearbeitung dieser Zielsetzungen werden verschiedene Techniken aus der Wahrscheinlichkeitsanalyse, Unsicherheitsquantifizierung, dem evolutionären Lernen und der Schwarmintelligenz, der Graphentheorie, dem Bereich der Bildverarbeitung, Deep Learning und Feature-Extraktion kombiniert. Es werden vier neue Methoden vorgestellt. Erstens, eine neue Methode zur Datenassimilation basierend auf statistischen Distanzmaßen und Wahrscheinlichkeitsverteilungen zur flexiblen Abbildung von Modell- und Messungenauigkeiten. Zweitens, eine neue Technik zur Erkennung von Feldgrenzen, ausschließlich auf Basis von Bildinformationen aus multi-temporalen Fernerkundungsdaten. Drittens, eine verbesserte Feldgrenzenerkennung basierend auf Deep Learning Methoden und verschiedener Bildmerkmale. Viertens, eine neue Aktive Kontur Methode namens Graph-based Growing Contours (GGC), die es erlaubt, komplexe Netzwerke von Konturen aus Bildern zu extrahieren. Alle neuen Ansätze werden getestet und evaluiert anhand von Mähdreschermessungen, Katasterdaten und manuellen Kartierungen in verschiedenen Testregionen in den Bundesländern Schleswig-Holstein, Niedersachsen und Sachsen-Anhalt. Alle vorgestellten Methoden sind auf Flexibilität und Anwendbarkeit ausgelegt. Im Vergleich zu anderen Methoden zeigten sie vergleichbare oder bessere Ergebnisse und verdeutlichten das Potenzial zur großskaligen Anwendung sowie kombinierter Verwendung. Dank der geringen Anforderungen und der flexiblen Verwendung verschiedener Eingangsdaten ist die Nutzung nicht nur auf die hier beschriebenen Anwendungen oder bestimmte Sensoren und Bilddaten beschränkt. Diese Flexibilität erlaubt theoretisch eine breite Anwendung, auch außerhalb der Fernerkundung.
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