Remote SensingRemote Sensing in in

Precision AgriculturePrecision Agriculture

Remote SensingRemote Sensing

• The science and art of obtaining The science and art of obtaining information about an object, area, or information about an object, area, or phenomenon through the analysis of phenomenon through the analysis of data acquired by a device that is not data acquired by a device that is not in contact with object, area, or in contact with object, area, or phenomenon under investigation.phenomenon under investigation.

Four Divisions of Remote Four Divisions of Remote SensingSensing

• Remote Sensing can divide into four Remote Sensing can divide into four stages or division based on altitude stages or division based on altitude of the sensor.of the sensor.– Ground Observation - approximately 0 - Ground Observation - approximately 0 -

50 ft.50 ft.– Low Altitude Airplane - <10,000 ftLow Altitude Airplane - <10,000 ft– High Altitude Airplane - > 10,000 ftHigh Altitude Airplane - > 10,000 ft– Satellite > 150 milesSatellite > 150 miles

Advantages of Ground Level Advantages of Ground Level SensorsSensors

• Lowest per unit costLowest per unit cost• With a self-contained light source, With a self-contained light source,

have complete control over incident have complete control over incident light, which simplifies calibration and light, which simplifies calibration and correction.correction.

• Ability to collect data at any time.Ability to collect data at any time.• Potential for very high resolution Potential for very high resolution

data collection.data collection.

• Data can be easily georeferenced for Data can be easily georeferenced for use in a GIS .use in a GIS .

Disadvantages of Ground Level Disadvantages of Ground Level SensingSensing

• Relatively high costs to scan large Relatively high costs to scan large areas unless part of another field areas unless part of another field operation.operation.

• Cannot simultaneously scan entire Cannot simultaneously scan entire fields.fields.

Turf Scanned with OSU SensorTurf Scanned with OSU Sensor

100.00 200.00 300.00 400.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

Possible Configuration of a Possible Configuration of a Sensor/ApplicatorSensor/Applicator

OSU/Patchen Active Lighted Sensor with OSU/Patchen Active Lighted Sensor with GPS Mounted on an ATVGPS Mounted on an ATV

40 ac of Wheat Pasture Center Scanned with 40 ac of Wheat Pasture Center Scanned with ATVATV

Interpolated Surface from ATV Interpolated Surface from ATV Scanned DataScanned Data

Noble Foundation - Pepsi Field OSU/Patchen Noble Foundation - Pepsi Field OSU/Patchen ATV Sensor ScanATV Sensor Scan

############################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################

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##################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################

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Noble Foundation Pepsi Field NDVI Noble Foundation Pepsi Field NDVI Classified Fixed Interval Scale with KrigingClassified Fixed Interval Scale with Kriging

Noble Foundation Pepsi Field NDVI – Noble Foundation Pepsi Field NDVI – Natural Breaks ClassificationNatural Breaks Classification

Advantages of Aerial Remote SensingAdvantages of Aerial Remote Sensing

• Can quickly scan large area.Can quickly scan large area.

• Cost/ac when scanning large areas is Cost/ac when scanning large areas is relatively low.relatively low.

• Data can be collected at high Data can be collected at high resolution < 1m.resolution < 1m.

• User has some control over when User has some control over when data are collected.data are collected.

Disadvantages of Aerial Remote SensingDisadvantages of Aerial Remote Sensing

• Images must be rectified and Images must be rectified and georeferenced.georeferenced.

• Cost to scan small areas is high.Cost to scan small areas is high.• Data can’t be collected at night or in Data can’t be collected at night or in

bad weather.bad weather.• Radiometric calibration must be Radiometric calibration must be

performed on the images for performed on the images for temporal comparisons.temporal comparisons.

Methods of Optical SensingMethods of Optical Sensing

• PhotographicPhotographic

• Digital ImagingDigital Imaging

NDVI of OSU Experiment Station NDVI of OSU Experiment Station 1m Resolution1m Resolution

Detail of Southwest CornerDetail of Southwest Corner

False Color Image Noble Foundation Red False Color Image Noble Foundation Red River Ranch Illustrating Slope Aspect and River Ranch Illustrating Slope Aspect and

Bi-directional ReflectanceBi-directional Reflectance

Corn at Shelton, NE Corn at Shelton, NE NDVI - Late Sept. 1997NDVI - Late Sept. 1997

3/25/98 Wheat Pasture Center 1-m 3/25/98 Wheat Pasture Center 1-m Resolution NDVI ImageResolution NDVI Image

4/23/98 Wheat Pasture Center 1-m 4/23/98 Wheat Pasture Center 1-m Resolution NDVI ImageResolution NDVI Image

False Color (green, red, NIR) ImageFalse Color (green, red, NIR) Image < 1 m Resolution - Raw Radiometric Data < 1 m Resolution - Raw Radiometric Data

(Courtesy F. Schiebe, SST Development Group)(Courtesy F. Schiebe, SST Development Group)

False Color (green, red, NIR) ImageFalse Color (green, red, NIR) Image < 1 m Resolution – Reflectance Corrected < 1 m Resolution – Reflectance Corrected

Radiometric Data Radiometric Data (Courtesy F. Schiebe SST Dev.)(Courtesy F. Schiebe SST Dev.)

Gray Scale Image < 1 m Resolution – Reflectance Gray Scale Image < 1 m Resolution – Reflectance Corrected NDVI Corrected NDVI (Courtesy F. Schiebe, SST Dev. Grp.)(Courtesy F. Schiebe, SST Dev. Grp.)

Reflectance Corrected Gray Scale Image < 1 m Reflectance Corrected Gray Scale Image < 1 m Resolution – Green to Near Infrafed RatioResolution – Green to Near Infrafed Ratio

(Courtesy F. Schiebe, SST Dev. Grp.)(Courtesy F. Schiebe, SST Dev. Grp.)

Advantage of Satellite SensingAdvantage of Satellite Sensing

• Historical data are readily available.Historical data are readily available.

• Cost/ac of large area images is vary Cost/ac of large area images is vary low.low.

• Very large areas can be scanned Very large areas can be scanned nearly instantaneously.nearly instantaneously.

• Data for radiometric bands up to 16 Data for radiometric bands up to 16 micro meters are available.micro meters are available.

Disadvantages of Satellite SensingDisadvantages of Satellite Sensing

• Resolution is lower than other Resolution is lower than other sources.sources.

• Cannot control when an area is Cannot control when an area is scanned, e.g. each area is scanned scanned, e.g. each area is scanned every 16 to 26 days.every 16 to 26 days.

• Correction of radiometric data is Correction of radiometric data is challenging because of atmospheric challenging because of atmospheric interference.interference.

Remote Sensing System Remote Sensing System Measures of PerformanceMeasures of Performance

• Spatial ResolutionSpatial Resolution

• Spectral ResponseSpectral Response

• Spectral ResolutionSpectral Resolution

• Frequency of CoverageFrequency of Coverage

Landsat Satellite ProgramLandsat Satellite Program

• United States NASA satellitesUnited States NASA satellites

• Images from Landsat 5 and 7 are Images from Landsat 5 and 7 are available from Space Imaging available from Space Imaging Corporation - Corporation - www.spaceimaging.com (formerly www.spaceimaging.com (formerly EOSATEOSAT

• Images from Landsat 7 available Images from Landsat 7 available from USGS, Sioux Falls,from USGS, Sioux Falls, South Dakota South Dakota

Landsat SatellitesLandsat Satellites

• Landsat SceneLandsat Scene - 185 km x 185 km- 185 km x 185 km

• TM quantatization Range 256 (8 bits)TM quantatization Range 256 (8 bits)

• 16 day repeat cycle per satellite 16 day repeat cycle per satellite

• Currently only one satellite is Currently only one satellite is operationaloperational

• Satellite crosses the equator at 9:45 Satellite crosses the equator at 9:45 local time (North to Southlocal time (North to South Pass) Pass)

Sensor Used on Current Landsat Sensor Used on Current Landsat SatellitesSatellites

Sensor Sensitivity(m)

Resolution(m)

MSS 0.5 – 0.6 82MultispectralScanner 0.6 - 0.7 82

0.8 – 1.1 82

Landsat Thematic Mapper (TM)Landsat Thematic Mapper (TM)

Band Sensitivity(m)

Resolution(m)

1 0.45 – 0.52 302 0.52 – 0.60 303 0.63 – 0.69 304 0.76 – 0.90 305 1.55 – 1.75 306 10.4 – 12.5 1207 2.08 – 2.35 30

Landsat 5

TM Spectral BandsTM Spectral Bands

Band 10.45-0.52 m

Blue Mapping coastal water, soilvegetation discrimination foresttype mapping, & cultural featureidentification

Band 20.52-0.60 m

Green Vegetation discrimination andvigor assessment and culturalfeature identification

Band 30.63-0.69 m

Red Chlorophyl absorption region.Also useful for plant speciesidentification and culturalfeatures.

Landsat TM BandsLandsat TM Bands

Band 40.76-0.90 m

NearInfrared

Determination ofvegetation types, vigor,biomass content. Alsodelineation of water bodiesand soil moisture

Band 51.55-1.75 m

MidInfrared

Plant moisture content andsoil moisture. Alsodifferentiate snow fromclouds

Band 610.4-12.5

ThermalInfrared

Vegetation moisturecontent, soil moisturediscrimination, and thermalmapping applications

Landsat TM BandsLandsat TM Bands

Band 72.08-2.35 m

MidInfrared

Discrimination of mineral androck types. Sensitive to plantmoisture content

TM Image North Central Oklahoma April, 1998TM Image North Central Oklahoma April, 1998

April 23,1998 TM Scene over North Central Oklahoma

Systeme Pour l’Observation Systeme Pour l’Observation de la Terre (SPOT)de la Terre (SPOT)

• Orbit repeats every 26 daysOrbit repeats every 26 days

• 60 km wide field-of-view per camera 60 km wide field-of-view per camera or 117 km field of view with both or 117 km field of view with both unitsunits

• Quantatization Range 256 (8 bits)Quantatization Range 256 (8 bits)

• Images available through Images available through www.spot.comwww.spot.com

Systeme Pour l’Observation Systeme Pour l’Observation de la Terre (SPOT)de la Terre (SPOT)

Band Resolution

Panchromatic0.51 – 0.73 m

10 m

0.50 – 0.59 m 20 m

0.61 – 0.68 m 20 m

0.79 – 0.89 m 20 m

SPOT XS imageSPOT XS image

SPOT Pan imageSPOT Pan image

Indian Research SatelliteIndian Research SatelliteIRS - LISS 3 SatellitesIRS - LISS 3 Satellites

• 23 m Resolution 4 bands 23 m Resolution 4 bands

• 5 m Resolution - Panchromatic5 m Resolution - Panchromatic

• 142 by 145 km Image Size142 by 145 km Image Size

• 24 day repeat cycle24 day repeat cycle

• Images available through Images available through Spaceimaging at Spaceimaging at www.spaceimaging.com www.spaceimaging.com

IRS-LISSIRS-LISS

IKONISIKONIS

• ResolutionResolution– 4 m multispectral4 m multispectral– 1 m Panchromatic1 m Panchromatic

• Scene size is approximately 7 miles by 7 Scene size is approximately 7 miles by 7 milesmiles

• Scenes are available from Space ImagingScenes are available from Space Imaging• Farm size images marketed by Earthscan Farm size images marketed by Earthscan

Network, a subsidiary of DTNNetwork, a subsidiary of DTN

IKONOSIKONOS

Ball Aerospace –QuickBird 2Ball Aerospace –QuickBird 2

Scene Size Approximated 16.5 by 16.5 km Scene Size Approximated 16.5 by 16.5 km Bands:Bands:

Panchromatic – 70 cm resolutionPanchromatic – 70 cm resolutionB & WB & W 450-900 nm450-900 nm

Multispectral – 2.8 m resolutionMultispectral – 2.8 m resolutionBlueBlue 450-520 nm450-520 nmGreenGreen 520-600 nm520-600 nmRedRed 630-690 nm630-690 nmNIRNIR 760-900 nm760-900 nm

8 or 16 Bits per Pixel8 or 16 Bits per PixelPositional AccuracyPositional Accuracy

23 m 90% CE23 m 90% CE 14 m RMSE 14 m RMSE

QuickBird Example From Digital QuickBird Example From Digital GlobeGlobe

http://www.digitalglobe.com/

Steps to Utilize Remote Sensed Steps to Utilize Remote Sensed Data (modified from JD textData (modified from JD text

• Collect dataCollect data• Process image data (rectification, Process image data (rectification,

radiometric correction, and radiometric correction, and georeferencing)georeferencing)

• Examine image and analyze statistical Examine image and analyze statistical datadata

• Perform ground truthing of remote-Perform ground truthing of remote-sensed datasensed data

Steps to Utilize Remote Sensed Steps to Utilize Remote Sensed Data (modified from JD textData (modified from JD text

• Incorporate remote sensed and ground Incorporate remote sensed and ground truth data into a GIStruth data into a GIS

• Develop calibration equations for remote Develop calibration equations for remote sensed datasensed data

• Identify cause-effect relationships among Identify cause-effect relationships among measured variables and crop conditionsmeasured variables and crop conditions

• Treat regions in fields (management Treat regions in fields (management zones) based on information generatedzones) based on information generated

Marshall Wheat Pasture Center Calibration Marshall Wheat Pasture Center Calibration DataData

Wheat Yiield vs NDVI

0

10

20

30

40

50

60

70

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80NDVI

Wh

eat

Yie

ld (

Bu

/acr

e)

LISS III 97 (May 18)

TM 98 (April 23)

TM 93 (April 25)

TM 94 (March 27)