Automated and robust geometric and spectral fusion of multi-sensor, multi-spectral satellite images

Abstract

Die in den letzten Jahrzehnten aufgenommenen Satellitenbilder zur Erdbeobachtung bieten eine ideale Grundlage für eine genaue Langzeitüberwachung und Kartierung der Erdoberfläche und Atmosphäre. Unterschiedliche Sensoreigenschaften verhindern jedoch oft eine synergetische Nutzung. Daher besteht ein dringender Bedarf heterogene Multisensordaten zu kombinieren und als geometrisch und spektral harmonisierte Zeitreihen nutzbar zu machen. Diese Dissertation liefert einen vorwiegend methodischen Beitrag und stellt zwei neu entwickelte Open-Source-Algorithmen zur Sensorfusion vor, die gründlich evaluiert, getestet und validiert werden. AROSICS, ein neuer Algorithmus zur Co-Registrierung und geometrischen Harmonisierung von Multisensor-Daten, ermöglicht eine robuste und automatische Erkennung und Korrektur von Lageverschiebungen und richtet die Daten an einem gemeinsamen Koordinatengitter aus. Der zweite Algorithmus, SpecHomo, wurde entwickelt, um unterschiedliche spektrale Sensorcharakteristika zu vereinheitlichen. Auf Basis von materialspezifischen Regressoren für verschiedene Landbedeckungsklassen ermöglicht er nicht nur höhere Transformationsgenauigkeiten, sondern auch die Abschätzung einseitig fehlender Spektralbänder. Darauf aufbauend wurde in einer dritten Studie untersucht, inwieweit sich die Abschätzung von Brandschäden aus Landsat mittels synthetischer Red-Edge-Bänder und der Verwendung dichter Zeitreihen, ermöglicht durch Sensorfusion, verbessern lässt. Die Ergebnisse zeigen die Effektivität der entwickelten Algorithmen zur Verringerung von Inkonsistenzen bei Multisensor- und Multitemporaldaten sowie den Mehrwert einer geometrischen und spektralen Harmonisierung für nachfolgende Produkte. Synthetische Red-Edge-Bänder erwiesen sich als wertvoll bei der Abschätzung vegetationsbezogener Parameter wie z. B. Brandschweregraden. Zudem zeigt die Arbeit das große Potenzial zur genaueren Überwachung und Kartierung von sich schnell entwickelnden Umweltprozessen, das sich aus einer Sensorfusion ergibt.

Earth observation satellite data acquired in recent years and decades provide an ideal data basis for accurate long-term monitoring and mapping of the Earth's surface and atmosphere. However, the vast diversity of different sensor characteristics often prevents synergetic use. Hence, there is an urgent need to combine heterogeneous multi-sensor data to generate geometrically and spectrally harmonized time series of analysis-ready satellite data. This dissertation provides a mainly methodical contribution by presenting two newly developed, open-source algorithms for sensor fusion, which are both thoroughly evaluated as well as tested and validated in practical applications. AROSICS, a novel algorithm for multi-sensor image co-registration and geometric harmonization, provides a robust and automated detection and correction of positional shifts and aligns the data to a common coordinate grid. The second algorithm, SpecHomo, was developed to unify differing spectral sensor characteristics. It relies on separate material-specific regressors for different land cover classes enabling higher transformation accuracies and the estimation of unilaterally missing spectral bands. Based on these algorithms, a third study investigated the added value of synthesized red edge bands and the use of dense time series, enabled by sensor fusion, for the estimation of burn severity and mapping of fire damage from Landsat. The results illustrate the effectiveness of the developed algorithms to reduce multi-sensor, multi-temporal data inconsistencies and demonstrate the added value of geometric and spectral harmonization for subsequent products. Synthesized red edge information has proven valuable when retrieving vegetation-related parameters such as burn severity. Moreover, using sensor fusion for combining multi-sensor time series was shown to offer great potential for more accurate monitoring and mapping of quickly evolving environmental processes.