Validation of Canopy Height Profile methodology for small-footprint full-waveform airborne LiDAR data in a discontinuous canopy environment

A Canopy Height Profile (CHP) procedure presented in Harding et al. (2001) for large footprint LiDAR data was tested in a closed canopy environment as a way of extracting vertical foliage profiles from LiDAR raw-waveform. In this study, an adaptation of this method to small-footprint data has been shown, tested and validated in an Australian sparse canopy forest at plot- and site-level. Further, the methodology itself has been enhanced by implementing a dataset-adjusted reflectance ratio calculation according to Armston et al. (2013) in the processing chain, and tested against a fixed ratio of 0.5 estimated for the laser wavelength of 1550nm. As a by-product of the methodology, effective leaf area index (LAIe) estimates were derived and compared to hemispherical photography-derived values. To assess the influence of LiDAR aggregation area size on the estimates in a sparse canopy environment, LiDAR CHPs and LAIes were generated by aggregating waveforms to plot- and site-level footprints (plot/site-aggregated) as well as in 5m grids (grid-processed). LiDAR profiles were then compared to leaf biomass field profiles generated based on field tree measurements. The correlation between field and LiDAR profiles was very high, with a mean R2 of 0.75 at plot-level and 0.86 at site-level for 55 plots and the corresponding 11 sites. Gridding had almost no impact on the correlation between LiDAR and field profiles (only marginally improvement), nor did the dataset-adjusted reflectance ratio. However, gridding and the dataset-adjusted reflectance ratio were found to improve the correlation between raw-waveform LiDAR and hemispherical photography LAIe estimates, yielding the highest correlations of 0.61 at plot-level and of 0.83 at site-level. This proved the validity of the approach and superiority of dataset-adjusted reflectance ratio of Armston et al. (2013) over a fixed ratio of 0.5 for LAIe estimation, as well as showed the adequacy of small-footprint LiDAR data for LAIe estimation in discontinuous canopy forests.

Building roof contour extraction from LiDAR data

This paper proposes a method for the automatic extraction of building roof contours from a LiDAR-derived digital surface model (DSM). The method is based on two steps. First, to detect aboveground objects (buildings, trees, etc.), the DSM is segmented through a recursive splitting technique followed by a region merging process. Vectorization and polygonization are used to obtain polyline representations of the detected aboveground objects. Second, building roof contours are identified from among the aboveground objects by optimizing a Markov-random-field-based energy function that embodies roof contour attributes and spatial constraints. Preliminary results have shown that the proposed methodology works properly.

Utilizzo metrico di immagini panoramiche satellitari CORONA

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Il lavoro presentato è relativo all’utilizzo a fini metrici di immagini satellitari storiche a geometria panoramica; in particolare sono state elaborate immagini satellitari acquisite dalla piattaforma statunitense CORONA, progettata ed impiegata essenzialmente a scopi militari tra gli anni ’60 e ’70 del secolo scorso, e recentemente soggette ad una declassificazione che ne ha consentito l’accesso anche a scopi ed utenti non militari. Il tema del recupero di immagini aeree e satellitari del passato è di grande interesse per un ampio spettro di applicazioni sul territorio, dall’analisi dello sviluppo urbano o in ambito regionale fino ad indagini specifiche locali relative a siti di interesse archeologico, industriale, ambientale. Esiste infatti un grandissimo patrimonio informativo che potrebbe colmare le lacune della documentazione cartografica, di per sé, per ovvi motivi tecnici ed economici, limitata a rappresentare l’evoluzione territoriale in modo asincrono e sporadico, e con “forzature” e limitazioni nel contenuto informativo legate agli scopi ed alle modalità di rappresentazione delle carte nel corso del tempo e per diversi tipi di applicazioni. L’immagine di tipo fotografico offre una rappresentazione completa, ancorché non soggettiva, dell’esistente e può complementare molto efficacemente il dato cartografico o farne le veci laddove questo non esista. La maggior parte del patrimonio di immagini storiche è certamente legata a voli fotogrammetrici che, a partire dai primi decenni del ‘900, hanno interessato vaste aree dei paesi più avanzati, o regioni di interesse a fini bellici. Accanto a queste, ed ovviamente su periodi più vicini a noi, si collocano le immagini acquisite da piattaforma satellitare, tra le quali rivestono un grande interesse quelle realizzate a scopo di spionaggio militare, essendo ad alta risoluzione geometrica e di ottimo dettaglio. Purtroppo, questo ricco patrimonio è ancora oggi in gran parte inaccessibile, anche se recentemente sono state avviate iniziative per permetterne l’accesso a fini civili, in considerazione anche dell’obsolescenza del dato e della disponibilità di altre e migliori fonti di informazione che il moderno telerilevamento ci propone. L’impiego di immagini storiche, siano esse aeree o satellitari, è nella gran parte dei casi di carattere qualitativo, inteso ad investigare sulla presenza o assenza di oggetti o fenomeni, e di rado assume un carattere metrico ed oggettivo, che richiederebbe tra l’altro la conoscenza di dati tecnici (per esempio il certificato di calibrazione nel caso delle camere aerofotogrammetriche) che sono andati perduti o sono inaccessibili. Va ricordato anche che i mezzi di presa dell’epoca erano spesso soggetti a fenomeni di distorsione ottica o altro tipo di degrado delle immagini che ne rendevano difficile un uso metrico. D’altra parte, un utilizzo metrico di queste immagini consentirebbe di conferire all’analisi del territorio e delle modifiche in esso intercorse anche un significato oggettivo che sarebbe essenziale per diversi scopi: per esempio, per potere effettuare misure su oggetti non più esistenti o per potere confrontare con precisione o co-registrare le immagini storiche con quelle attuali opportunamente georeferenziate. Il caso delle immagini Corona è molto interessante, per una serie di specificità che esse presentano: in primo luogo esse associano ad una alta risoluzione (dimensione del pixel a terra fino a 1.80 metri) una ampia copertura a terra (i fotogrammi di alcune missioni coprono strisce lunghe fino a 250 chilometri). Queste due caratteristiche “derivano” dal principio adottato in fase di acquisizione delle immagini stesse, vale a dire la geometria panoramica scelta appunto perché l’unica che consente di associare le due caratteristiche predette e quindi molto indicata ai fini spionaggio. Inoltre, data la numerosità e la frequenza delle missioni all’interno dell’omonimo programma, le serie storiche di questi fotogrammi permettono una ricostruzione “ricca” e “minuziosa” degli assetti territoriali pregressi, data appunto la maggior quantità di informazioni e l’imparzialità associabili ai prodotti fotografici. Va precisato sin dall’inizio come queste immagini, seppur rappresentino una risorsa “storica” notevole (sono datate fra il 1959 ed il 1972 e coprono regioni moto ampie e di grandissimo interesse per analisi territoriali), siano state molto raramente impiegate a scopi metrici. Ciò è probabilmente imputabile al fatto che il loro trattamento a fini metrici non è affatto semplice per tutta una serie di motivi che saranno evidenziati nei capitoli successivi. La sperimentazione condotta nell’ambito della tesi ha avuto due obiettivi primari, uno generale ed uno più particolare: da un lato il tentativo di valutare in senso lato le potenzialità dell’enorme patrimonio rappresentato da tali immagini (reperibili ad un costo basso in confronto a prodotti simili) e dall’altro l’opportunità di indagare la situazione territoriale locale per una zona della Turchia sud orientale (intorno al sito archeologico di Tilmen Höyük) sulla quale è attivo un progetto condotto dall’Università di Bologna (responsabile scientifico il Prof. Nicolò Marchetti del Dipartimento di Archeologia), a cui il DISTART collabora attivamente dal 2005. L’attività è condotta in collaborazione con l’Università di Istanbul ed il Museo Archeologico di Gaziantep. Questo lavoro si inserisce, inoltre, in un’ottica più ampia di quelle esposta, dello studio cioè a carattere regionale della zona in cui si trovano gli scavi archeologici di Tilmen Höyük; la disponibilità di immagini multitemporali su un ampio intervallo temporale, nonché di tipo multi sensore, con dati multispettrali, doterebbe questo studio di strumenti di conoscenza di altissimo interesse per la caratterizzazione dei cambiamenti intercorsi. Per quanto riguarda l’aspetto più generale, mettere a punto una procedura per il trattamento metrico delle immagini CORONA può rivelarsi utile all’intera comunità che ruota attorno al “mondo” dei GIS e del telerilevamento; come prima ricordato tali immagini (che coprono una superficie di quasi due milioni di chilometri quadrati) rappresentano un patrimonio storico fotografico immenso che potrebbe (e dovrebbe) essere utilizzato sia a scopi archeologici, sia come supporto per lo studio, in ambiente GIS, delle dinamiche territoriali di sviluppo di quelle zone in cui sono scarse o addirittura assenti immagini satellitari dati cartografici pregressi. Il lavoro è stato suddiviso in 6 capitoli, di cui il presente costituisce il primo. Il secondo capitolo è stato dedicato alla descrizione sommaria del progetto spaziale CORONA (progetto statunitense condotto a scopo di fotoricognizione del territorio dell’ex Unione Sovietica e delle aree Mediorientali politicamente correlate ad essa); in questa fase vengono riportate notizie in merito alla nascita e all’evoluzione di tale programma, vengono descritti piuttosto dettagliatamente gli aspetti concernenti le ottiche impiegate e le modalità di acquisizione delle immagini, vengono riportati tutti i riferimenti (storici e non) utili a chi volesse approfondire la conoscenza di questo straordinario programma spaziale. Nel terzo capitolo viene presentata una breve discussione in merito alle immagini panoramiche in generale, vale a dire le modalità di acquisizione, gli aspetti geometrici e prospettici alla base del principio panoramico, i pregi ed i difetti di questo tipo di immagini. Vengono inoltre presentati i diversi metodi rintracciabili in bibliografia per la correzione delle immagini panoramiche e quelli impiegati dai diversi autori (pochi per la verità) che hanno scelto di conferire un significato metrico (quindi quantitativo e non solo qualitativo come è accaduto per lungo tempo) alle immagini CORONA. Il quarto capitolo rappresenta una breve descrizione del sito archeologico di Tilmen Höyuk; collocazione geografica, cronologia delle varie campagne di studio che l’hanno riguardato, monumenti e suppellettili rinvenute nell’area e che hanno reso possibili una ricostruzione virtuale dell’aspetto originario della città ed una più profonda comprensione della situazione delle capitali del Mediterraneo durante il periodo del Bronzo Medio. Il quinto capitolo è dedicato allo “scopo” principe del lavoro affrontato, vale a dire la generazione dell’ortofotomosaico relativo alla zona di cui sopra. Dopo un’introduzione teorica in merito alla produzione di questo tipo di prodotto (procedure e trasformazioni utilizzabili, metodi di interpolazione dei pixel, qualità del DEM utilizzato), vengono presentati e commentati i risultati ottenuti, cercando di evidenziare le correlazioni fra gli stessi e le problematiche di diversa natura incontrate nella redazione di questo lavoro di tesi. Nel sesto ed ultimo capitolo sono contenute le conclusioni in merito al lavoro in questa sede presentato. Nell’appendice A vengono riportate le tabelle dei punti di controllo utilizzati in fase di orientamento esterno dei fotogrammi.

The Advantages of Parametric Modeling for the Reconstruction of Historic Buildings

Consecrated in 1297 as the monastery church of the four years earlier founded St. Catherine’s monastery, the Gothic Church of St. Catherine was largely destroyed in a devastating bombing raid on January 2nd 1945. To counteract the process of disintegration, the departments of geo-information and lower monument protection authority of the City of Nuremburg decided to getting done a three dimensional building model of the Church of St. Catherine’s. A heterogeneous set of data was used for preparation of a parametric architectural model. In effect the modeling of historic buildings can profit from the so called BIM method (Building Information Modeling), as the necessary structuring of the basic data renders it into very sustainable information. The resulting model is perfectly suited to deliver a vivid impression of the interior and exterior of this former mendicant orders’ church to present observers.

Comparison of Airborne Laser Scanning Methods for Estimating Forest Structure Indicators Based on Lorenz Curves

The purpose of this study was to compare a number of state-of-the-art methods in airborne laser scan- ning (ALS) remote sensing with regards to their capacity to describe tree size inequality and other indi- cators related to forest structure. The indicators chosen were based on the analysis of the Lorenz curve: Gini coefficient ( GC ), Lorenz asymmetry ( LA ), the proportions of basal area ( BALM ) and stem density ( NSLM ) stocked above the mean quadratic diameter. Each method belonged to one of these estimation strategies: (A) estimating indicators directly; (B) estimating the whole Lorenz curve; or (C) estimating a complete tree list. Across these strategies, the most popular statistical methods for area-based approach (ABA) were used: regression, random forest (RF), and nearest neighbour imputation. The latter included distance metrics based on either RF (NN–RF) or most similar neighbour (MSN). In the case of tree list esti- mation, methods based on individual tree detection (ITD) and semi-ITD, both combined with MSN impu- tation, were also studied. The most accurate method was direct estimation by best subset regression, which obtained the lowest cross-validated coefficients of variation of their root mean squared error CV(RMSE) for most indicators: GC (16.80%), LA (8.76%), BALM (8.80%) and NSLM (14.60%). Similar figures [CV(RMSE) 16.09%, 10.49%, 10.93% and 14.07%, respectively] were obtained by MSN imputation of tree lists by ABA, a method that also showed a number of additional advantages, such as better distributing the residual variance along the predictive range. In light of our results, ITD approaches may be clearly inferior to ABA with regards to describing the structural properties related to tree size inequality in for- ested areas.

Unplanned land clearing of Colombian rainforests: Spreading like disease?

Deforestation often occurs as temporal waves and in localized fronts termed 'deforestation hotspots' driven by economic pulses and population pressure. Of particular concern for conservation planning are 'biodiversity hotspots' where high concentrations of endemic species undergo rapid loss and fragmentation of habitat. We investigate the deforestation process in Caqueta, a biodiversity hotspot and major colonization front of the Colombian Amazon using multi-temporal satellite imagery of the periods 1989-1996-1999-2002. The probabilities of deforestation and regeneration were modeled against soil fertility, accessibility and neighborhood terms, using logistic regression analysis. Deforestation and regeneration patterns and rates were highly variable across the colonization front. The regional average annual deforestation rate was 2.6%, but varied locally between -1.8% (regeneration) and 5.3%, with maximum rates in landscapes with 40-60% forest cover and highest edge densities, showing an analogous pattern to the spread of disease. Soil fertility and forest and secondary vegetation neighbors showed positive and significant relationships with the probability of deforestation. For forest regeneration, soil fertility had a significant negative effect while the other parameters were marginally significant. The logistic regression models across all periods showed a high level of discrimination power for both deforestation and forest regeneration, with ROC values > 0.80. We document the effect of policies and institutional changes on the land clearing process, such as the failed peace process between government and guerillas in 1999-2002, which redirected the spread of deforestation and increased forest regeneration. The implications for conservation in biologically rich areas, such as Caqueta are discussed. (c) 2005 Elsevier B.V All rights reserved.

Forest cover monitoring in the Bara district (Nepal) with remote sensing and geographic information systems

Dissertation submitted in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies

Urban land cover change detection analysis and modeling spatio-temporal Growth dynamics using Remote Sensing and GIS Techniques: A case study of Dhaka, Bangladesh

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Unsupervised classification of remote sensing images combining Self Organizing Maps and segmentation techniques

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Land cover mapping analysis and urban growth modeling using remote sensing techniques

The rapid growth of big cities has been noticed since 1950s when the majority of world population turned to live in urban areas rather than villages, seeking better job opportunities and higher quality of services and lifestyle circumstances. This demographic transition from rural to urban is expected to have a continuous increase. Governments, especially in less developed countries, are going to face more challenges in different sectors, raising the essence of understanding the spatial pattern of the growth for an effective urban planning. The study aimed to detect, analyse and model the urban growth in Greater Cairo Region (GCR) as one of the fast growing mega cities in the world using remote sensing data. Knowing the current and estimated urbanization situation in GCR will help decision makers in Egypt to adjust their plans and develop new ones. These plans should focus on resources reallocation to overcome the problems arising in the future and to achieve a sustainable development of urban areas, especially after the high percentage of illegal settlements which took place in the last decades. The study focused on a period of 30 years; from 1984 to 2014, and the major transitions to urban were modelled to predict the future scenarios in 2025. Three satellite images of different time stamps (1984, 2003 and 2014) were classified using Support Vector Machines (SVM) classifier, then the land cover changes were detected by applying a high level mapping technique. Later the results were analyzed for higher accurate estimations of the urban growth in the future in 2025 using Land Change Modeler (LCM) embedded in IDRISI software. Moreover, the spatial and temporal urban growth patterns were analyzed using statistical metrics developed in FRAGSTATS software. The study resulted in an overall classification accuracy of 96%, 97.3% and 96.3% for 1984, 2003 and 2014’s map, respectively. Between 1984 and 2003, 19 179 hectares of vegetation and 21 417 hectares of desert changed to urban, while from 2003 to 2014, the transitions to urban from both land cover classes were found to be 16 486 and 31 045 hectares, respectively. The model results indicated that 14% of the vegetation and 4% of the desert in 2014 will turn into urban in 2025, representing 16 512 and 24 687 hectares, respectively.

Analyzing Geospatial patterns of syrian refugee flows in southeastern Turkey by use of remote sensing and complementary data

Crisis-affected communities and global organizations for international aid are becoming increasingly digital as consequence geotechnology popularity. Humanitarian sector changed in profound ways by adopting new technical approach to obtain information from area with difficult geographical or political access. Since 2011, turkey is hosting a growing number of Syrian refugees along southeastern region. Turkish policy of hosting them in camps and the difficulty created by governors to international aid group expeditions to get information, made such international organizations to investigate and adopt other approach in order to obtain information needed. They intensified its remote sensing approach. However, the majority of studies used very high-resolution satellite imagery (VHRSI). The study area is extensive and the temporal resolution of VHRSI is low, besides it is infeasible only using these sensors as unique approach for the whole area. The focus of this research, aims to investigate the potentialities of mid-resolution imagery (here only Landsat) to obtain information from region in crisis (here, southeastern Turkey) through a new web-based platform called Google Earth Engine (GEE). Hereby it is also intended to verify GEE currently reliability once the Application Programming Interface (API) is still in beta version. The finds here shows that the basic functions are trustworthy. Results pointed out that Landsat can recognize change in the spectral resolution clearly only for the first settlement. The ongoing modifications vary for each case. Overall, Landsat demonstrated high limitations, but need more investigations and may be used, with restriction, as a support of VHRSI.