Architecture et filtres pour la détection des chenaux dans la glace de l'océan Arctique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Télédétection du carbone organique des lacs boréaux

Une estimation des quantités de carbone organique dissous dans les millions de lacs boréaux est nécessaire pour améliorer notre connaissance du cycle global du carbone. Les teneurs en carbone organique dissous sont corrélées avec les quantités de matière organique dissoute colorée qui est visible depuis l’espace. Cependant, les capteurs actuels offrent une radiométrie et une résolution spatiale qui sont limitées par rapport à la taille et l’opacité des lacs boréaux. Landsat 8, lancé en février 2013, offrira une radiométrie et une résolution spatiale améliorées, et produira une couverture à grande échelle des régions boréales. Les limnologistes ont accumulé des années de campagnes de terrain dans les régions boréales pour lesquelles une image Landsat 8 sera disponible. Pourtant, la possibilité de combiner des données de terrain existantes avec une image satellite récente n'a pas encore été évaluée. En outre, les différentes stratégies envisageables pour sélectionner et combiner des mesures répétées au cours du temps, sur le terrain et depuis le satellite, n'ont pas été évaluées. Cette étude présente les possibilités et les limites d’utiliser des données de terrain existantes avec des images satellites récentes pour développer des modèles de prédiction du carbone organique dissous. Les méthodes se basent sur des données de terrain recueillies au Québec dans 53 lacs boréaux et 10 images satellites acquises par le capteur prototype de Landsat 8. Les délais entre les campagnes de terrain et les images satellites varient de 1 mois à 6 ans. Le modèle de prédiction obtenu se compare favorablement avec un modèle basé sur des campagnes de terrain synchronisées avec les images satellite. L’ajout de mesures répétées sur le terrain, sur le satellite, et les corrections atmosphériques des images, n’améliorent pas la qualité du modèle de prédiction. Deux images d’application montrent des distributions différentes de teneurs en carbone organique dissous et de volumes, mais les quantités de carbone organique dissous par surface de paysage restent de même ordre pour les deux sites. Des travaux additionnels pour intégrer les sédiments dans l’estimation sont nécessaires pour améliorer le bilan du carbone des régions boréales.

A construção da paisagem na raia divisória São Paulo-Paraná-Mato Grosso do Sul: um estudo por teledetecção

Pós-graduação em Geografia - FCT

Search for satellites near comet 67P/Churyumov-Gerasimenko using Rosetta/OSIRIS images

Context. The European Space Agency Rosetta mission reached and started escorting its main target, the Jupiter-family comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, at the beginning of August 2014. Within the context of solar system small bodies, satellite searches from approaching spacecraft were extensively used in the past to study the nature of the visited bodies and their collisional environment. Aims. During the approaching phase to the comet in July 2014, the OSIRIS instrument onboard Rosetta performed a campaign aimed at detecting objects in the vicinity of the comet nucleus and at measuring these objects' possible bound orbits. In addition to the scientific purpose, the search also focused on spacecraft security to avoid hazardous material in the comet's environment. Methods. Images in the red spectral domain were acquired with the OSIRIS Narrow Angle Camera, when the spacecraft was at a distance between 5785 km and 5463 km to the comet, following an observational strategy tailored to maximize the scientific outcome. From the acquired images, sources were extracted and displayed to search for plausible displacements of all sources from image to image. After stars were identified, the remaining sources were thoroughly analyzed. To place constraints on the expected displacements of a potential satellite, we performed Monte Carlo simulations on the apparent motion of potential satellites within the Hill sphere. Results. We found no unambiguous detections of objects larger than similar to 6 m within similar to 20 km and larger than similar to 1 m between similar to 20 km and similar to 110 km from the nucleus, using images with an exposure time of 0.14 s and 1.36 s, respectively. Our conclusions are consistent with independent works on dust grains in the comet coma and on boulders counting on the nucleus surface. Moreover, our analysis shows that the comet outburst detected at the end of April 2014 was not strong enough to eject large objects and to place them into a stable orbit around the nucleus. Our findings underline that it is highly unlikely that large objects survive for a long time around cometary nuclei.

Identification of geostationary satellites using polarization data from unresolved images

In order to protect critical military and commercial space assets, the United States Space Surveillance Network must have the ability to positively identify and characterize all space objects. Unfortunately, positive identification and characterization of space objects is a manual and labor intensive process today since even large telescopes cannot provide resolved images of most space objects. Since resolved images of geosynchronous satellites are not technically feasible with current technology, another method of distinguishing space objects was explored that exploits the polarization signature from unresolved images. The objective of this study was to collect and analyze visible-spectrum polarization data from unresolved images of geosynchronous satellites taken over various solar phase angles. Different collection geometries were used to evaluate the polarization contribution of solar arrays, thermal control materials, antennas, and the satellite bus as the solar phase angle changed. Since materials on space objects age due to the space environment, it was postulated that their polarization signature may change enough to allow discrimination of identical satellites launched at different times. The instrumentation used in this experiment was a United States Air Force Academy (USAFA) Department of Physics system that consists of a 20-inch Ritchey-Chrétien telescope and a dual focal plane optical train fed with a polarizing beam splitter. A rigorous calibration of the system was performed that included corrections for pixel bias, dark current, and response. Additionally, the two channel polarimeter was calibrated by experimentally determining the Mueller matrix for the system and relating image intensity at the two cameras to Stokes parameters S0 and S1. After the system calibration, polarization data was collected during three nights on eight geosynchronous satellites built by various manufacturers and launched several years apart. Three pairs of the eight satellites were identical buses to determine if identical buses could be correctly differentiated. When Stokes parameters were plotted against time and solar phase angle, the data indicates that there were distinguishing features in S0 (total intensity) and S1 (linear polarization) that may lead to positive identification or classification of each satellite.

Very high resolution optical satellites for DEM generation : a review

The advent of very high resolution (VHR) optical satellites capable of producing stereo images led to a new era in extracting digital elevation model which commenced with the launch of IKONOS. The special specifications of VHR optical satellites besides, the significant economic profit stimulated other countries and companies to have their constellations such as EROS-A1 and EROS-B1 as the cooperation between Israel and ImageSat. QuickBird, WorldView-1 and WorldVew-2 were launched by DigitalGlobe. ALOS and GeoEye-1 were offered by Japan and GeoEye Respectively. In addition to aforementioned satellites, Indian and South Korea initiated their own constellation by launching CartoSat-1 and KOPOSAT-2 respectively.The availability of all so-called satellites make a huge market of stereo images for extracting of digital elevation model and other correspondent applications such as, producing orthorectifcatin images and updating maps. Therefore, there is a need for a comprehensive comparison for scientific and commercial clients to choose appropriate satellite images and methods of generating digital elevation model to obtain optimum results. This paper will thus give a review about the specifications of VHR optical satellites. Then it will discuss the automatic elaborating of digital elevation model. Finally an overview of studies and corresponding results is reported.

Toward a High-Resolution Monitoring of Continental Surface Water Extent and Dynamics, at Global Scale: from GIEMS (Global Inundation Extent from Multi-Satellites) to SWOT (Surface Water Ocean Topography)

Up to now, high-resolution mapping of surface water extent from satellites has only been available for a few regions, over limited time periods. The extension of the temporal and spatial coverage was difficult, due to the limitation of the remote sensing technique e.g., the interaction of the radiation with vegetation or cloud for visible observations or the temporal sampling with the synthetic aperture radar (SAR)]. The advantages and the limitations of the various satellite techniques are reviewed. The need to have a global and consistent estimate of the water surfaces over long time periods triggered the development of a multi-satellite methodology to obtain consistent surface water all over the globe, regardless of the environments. The Global Inundation Extent from Multi-satellites (GIEMS) combines the complementary strengths of satellite observations from the visible to the microwave, to produce a low-resolution monthly dataset () of surface water extent and dynamics. Downscaling algorithms are now developed and applied to GIEMS, using high-spatial-resolution information from visible, near-infrared, and synthetic aperture radar (SAR) satellite images, or from digital elevation models. Preliminary products are available down to 500-m spatial resolution. This work bridges the gaps and prepares for the future NASA/CNES Surface Water Ocean Topography (SWOT) mission to be launched in 2020. SWOT will delineate surface water extent estimates and their water storage with an unprecedented spatial resolution and accuracy, thanks to a SAR in an interferometry mode. When available, the SWOT data will be adopted to downscale GIEMS, to produce a long time series of water surfaces at global scale, consistent with the SWOT observations.

Détection de points chauds de déforestation à Bornéo de 2000 à 2009 à partir d'images MODIS

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherches appuyé par le Conseil de recherches en sciences humaines du Canada.

Développement d'un indice de vulnérabilité à l'érosion éolienne à partir d'images satellitales, dans le Bassin arachidier du Sénégal : cas de la région de Thiès.

L’érosion éolienne est un problème environnemental parmi les plus sévères dans les régions arides, semi-arides et les régions sèches sub-humides de la planète. L’érosion des sols accélérée par le vent provoque des dommages à la fois localement et régionalement. Sur le plan local, elle cause la baisse des nutriments par la mobilisation des particules les plus fines et de la matière organique. Cette mobilisation est une des causes de perte de fertilité des sols avec comme conséquence, une chute de la productivité agricole et une réduction de la profondeur de la partie arable. Sur le plan régional, les tempêtes de poussières soulevées par le vent ont un impact non négligeable sur la santé des populations, et la déposition des particules affecte les équipements hydrauliques tels que les canaux à ciel ouvert ainsi que les infrastructures notamment de transport. Dans les régions où les sols sont fréquemment soumis à l’érosion éolienne, les besoins pour des études qui visent à caractériser spatialement les sols selon leur degré de vulnérabilité sont grands. On n’a qu’à penser aux autorités administratives qui doivent décider des mesures à prendre pour préserver et conserver les potentialités agropédologiques des sols, souvent avec des ressources financières modestes mises à leur disposition. Or, dans certaines de ces régions, comme notre territoire d’étude, la région de Thiès au Sénégal, ces études font défaut. En effet, les quelques études effectuées dans cette région ou dans des contextes géographiques similaires ont un caractère plutôt local et les approches suivies (modèles de pertes des sols) nécessitent un nombre substantiel de données pour saisir la variabilité spatiale de la dynamique des facteurs qui interviennent dans le processus de l’érosion éolienne. La disponibilité de ces données est particulièrement problématique dans les pays en voie de développement, à cause de la pauvreté en infrastructures et des problèmes de ressources pour le monitoring continu des variables environnementales. L’approche mise de l’avant dans cette recherche vise à combler cette lacune en recourant principalement à l’imagerie satellitale, et plus particulièrement celle provenant des satellites Landsat-5 et Landsat-7. Les images Landsat couvrent la presque totalité de la zone optique du spectre exploitable par télédétection (visible, proche infrarouge, infrarouge moyen et thermique) à des résolutions relativement fines (quelques dizaines de mètres). Elles permettant ainsi d’étudier la distribution spatiale des niveaux de vulnérabilité des sols avec un niveau de détails beaucoup plus fin que celui obtenu avec des images souvent utilisées dans des études environnementales telles que AVHRR de la série de satellites NOAA (résolution kilométrique). De plus, l’archive complet des images Landsat-5 et Landsat-7 couvrant une période de plus de 20 ans est aujourd’hui facilement accessible. Parmi les paramètres utilisés dans les modèles d’érosion éolienne, nous avons identifiés ceux qui sont estimables par l’imagerie satellitale soit directement (exemple, fraction du couvert végétal) soit indirectement (exemple, caractérisation des sols par leur niveau d’érodabilité). En exploitant aussi le peu de données disponibles dans la région (données climatiques, carte morphopédologique) nous avons élaboré une base de données décrivant l’état des lieux dans la période de 1988 à 2002 et ce, selon les deux saisons caractéristiques de la région : la saison des pluies et la saison sèche. Ces données par date d’acquisition des images Landsat utilisées ont été considérées comme des intrants (critères) dans un modèle empirique que nous avons élaboré en modulant l’impact de chacun des critères (poids et scores). À l’aide de ce modèle, nous avons créé des cartes montrant les degrés de vulnérabilité dans la région à l’étude, et ce par date d’acquisition des images Landsat. Suite à une série de tests pour valider la cohérence interne du modèle, nous avons analysé nos cartes afin de conclure sur la dynamique du processus pendant la période d’étude. Nos principales conclusions sont les suivantes : 1) le modèle élaboré montre une bonne cohérence interne et est sensible aux variations spatiotemporelles des facteurs pris en considération 2); tel qu’attendu, parmi les facteurs utilisés pour expliquer la vulnérabilité des sols, la végétation vivante et l’érodabilité sont les plus importants ; 3) ces deux facteurs présentent une variation importante intra et inter-saisonnière de sorte qu’il est difficile de dégager des tendances à long terme bien que certaines parties du territoire (Nord et Est) aient des indices de vulnérabilité forts, peu importe la saison ; 4) l’analyse diachronique des cartes des indices de vulnérabilité confirme le caractère saisonnier des niveaux de vulnérabilité dans la mesure où les superficies occupées par les faibles niveaux de vulnérabilité augmentent en saison des pluies, donc lorsque l’humidité surfacique et la végétation active notamment sont importantes, et décroissent en saison sèche ; 5) la susceptibilité, c’est-à-dire l’impact du vent sur la vulnérabilité est d’autant plus forte que la vitesse du vent est élevée et que la vulnérabilité est forte. Sur les zones où la vulnérabilité est faible, les vitesses de vent élevées ont moins d’impact. Dans notre étude, nous avons aussi inclus une analyse comparative entre les facteurs extraits des images Landsat et celles des images hyperspectrales du satellite expérimental HYPERION. Bien que la résolution spatiale de ces images soit similaire à celle de Landsat, les résultats obtenus à partir des images HYPERION révèlent un niveau de détail supérieur grâce à la résolution spectrale de ce capteur permettant de mieux choisir les bandes spectrales qui réagissent le plus avec le facteur étudié. Cette étude comparative démontre que dans un futur rapproché, l’amélioration de l’accessibilité à ce type d’images permettra de raffiner davantage le calcul de l’indice de vulnérabilité par notre modèle. En attendant cette possibilité, on peut de contenter de l’imagerie Landsat qui offre un support d’informations permettant tout de même d’évaluer le niveau de fragilisation des sols par l’action du vent et par la dynamique des caractéristiques des facteurs telles que la couverture végétale aussi bien vivante que sénescente.

The strands of the F ring disturbed by its closest satellites

Some Voyager images showed that the F ring of Saturn is composed of at least four separate, non-intersecting, strands covering about 45 degrees in longitude. According to Murray et al. [Murray, C.D., Gordon, M., Giuliatti Winter, S.M. Unraveling the strands of Saturn's F ring. Icarus 129, 304, 1997.] this structure may be caused by undetected satellites embedded in the gaps.Due to precession, the satellites Prometheus and Pandora and the ring particles can experience periodic close encounters. Giuliatti Winter et al. [Giuliatti Winter, S.M, Murray, C.D., Gordon, M. Perturbations to Saturn's F-ring strands at their closest approach to Prometheus. Plan. Space Sciences, 48, 817, 2000.] analysed the behaviour of these four strands at closest approach with the satellite Prometheus. Their work suggests that Prometheus can induce the ring particles to scatter in the direction of the planet, thus increasing the population of small bodies in this region.In this work we analysed the effects of Prometheus on the radial structure of Saturn's F ring during the Voyager and early Cassini epochs. Our results show that at Voyager epoch Prometheus, and also Pandora, had a negligible influence in the strands. However, during the Cassini encounter Prometheus could affect the strands significantly, scattering particles of the inner strand in the direction of the planet. This process can contribute to the replenishment of material in the region between the F ring and the A ring, where two rings have recently been discovered [Porco, C. et al. Cassini imaging science. Initial results on Saturn's rings and small Satellites. Science, 307, 1226, 2005].We also analyse the behaviour of undetected satellites under the effects of these two satellites by computing the Lyapunov Characteristic Exponent. Our results show that these satellites have a chaotic behaviour which leads to a much more complex scenario. The new satellite S/2004 S6 also presents a chaotic behaviour with can alter the dynamic of the system, since this satellite crosses the orbit of the strands. (C) 2006 COSPAR. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Cyanobacteria detection in Guarapiranga Reservoir (São Paulo State, Brazil) using Landsat TM and ETM+ images

Algae bloom is one of the major consequences of the eutrophication of aquatic systems, including algae capable of producing toxic substances. Among these are several species of cyanobacteria, also known as blue-green algae, that have the capacity to adapt themselves to changes in the water column. Thus, the horizontal distribution of cyanobacteria harmful algae blooms (CHABs) is essential, not only to the environment, but also for public health. The use of remote sensing techniques for mapping CHABs has been explored by means of bio-optical modeling of phycocyanin (PC), a unique inland waters cyanobacteria pigment. However, due to the small number of sensors with a spectral band of the PC absorption feature, it is difficult to develop semi-analytical models. This study evaluated the use of an empirical model to identify CHABs using TM and ETM+ sensors aboard Landsat 5 and 7 satellites. Five images were acquired for applying the model. Besides the images, data was also collected in the Guarapiranga Reservoir, in São Paulo Metropolitan Region, regarding the cyanobacteria cell count (cells/mL), which was used as an indicator of CHABs biomass. When model values were analyzed excluding calibration factors for temperate lakes, they showed a medium correlation (R²=0.81, p=0.036), while when the factors were included the model showed a high correlation (R²=0.96, p=0.003) to the cyanobacteria cell count. The empirical model analyzed proved useful as an important tool for policy makers, since it provided information regarding the horizontal distribution of CHABs which could not be acquired from traditional monitoring techniques.

Toward reduction of artifacts in fused images

Most fusion satellite image methodologies at pixel-level introduce false spatial details, i.e.artifacts, in the resulting fusedimages. In many cases, these artifacts appears because image fusion methods do not consider the differences in roughness or textural characteristics between different land covers. They only consider the digital values associated with single pixels. This effect increases as the spatial resolution image increases. To minimize this problem, we propose a new paradigm based on local measurements of the fractal dimension (FD). Fractal dimension maps (FDMs) are generated for each of the source images (panchromatic and each band of the multi-spectral images) with the box-counting algorithm and by applying a windowing process. The average of source image FDMs, previously indexed between 0 and 1, has been used for discrimination of different land covers present in satellite images. This paradigm has been applied through the fusion methodology based on the discrete wavelet transform (DWT), using the à trous algorithm (WAT). Two different scenes registered by optical sensors on board FORMOSAT-2 and IKONOS satellites were used to study the behaviour of the proposed methodology. The implementation of this approach, using the WAT method, allows adapting the fusion process to the roughness and shape of the regions present in the image to be fused. This improves the quality of the fusedimages and their classification results when compared with the original WAT method