Investigations on the full polarimetric PALSAR data to discriminate macrophytes species in the Amazon floodplain wetland

The purpose of this work is to evaluate the capacity of full polarimetric L band data to discriminate macrophyte species in Amazon wetland. Fieldwork was carried out almost simultaneously to the acquisition of the full polarimetric PALSAR data. Coherent and incoherent attributes were extracted from the image, and macrophyte morphological variables were measured on the ground. The image attributes and the macrophyte variables were compared in order to evaluate their application for discriminating macrophytes species. The findings suggest that polarimetric information could be adopted to discriminate plant species based on morphology, and that estimation of plant biomass and productivity could be improved by using the polarimetric information. © 2010 IEEE.

Initial analysis from a Lidar observation campaign of sugar cane fires in the central and western portion of the S̃ao Paulo State - Brazil

The central and western portion of the S̃ao Paulo State has large areas of sugar cane plantations, and due to the growing demand for biofuels, the production is increasing every year. During the harvest period some plantation areas are burnt a few hours before the manual cutting, causing significant quantities of biomass burning aerosol to be injected into the atmosphere. During August 2010, a field campaign has been carried out in Ourinhos, situated in the south-western region of S̃ao Paulo State. A 2-channel Raman Lidar system and two meteorological S-Band Doppler Radars are used to indentify and quantify the biomass burning plumes. In addiction, CALIPSO Satellite observations were used to compare the aerosol optical properties detected in that region with those retrieved by Raman Lidar system. Although the campaign yielded 30 days of measurements, this paper will be focusing only one case study, when aerosols released from nearby sugar cane fires were detected by the Lidar system during a CALIPSO overpass. The meteorological radar, installed in Bauru, approximately 110 km northeast from the experimental site, had recorded echoes (dense smoke comprising aerosols) from several fires occurring close to the Raman Lidar system, which also detected an intense load of aerosol in the atmosphere. HYSPLIT model forward trajectories presented a strong indication that both instruments have measured the same air masss parcels, corroborated with the Lidar Ratio values from the 532 nm elastic and 607 nm Raman N2 channel analyses and data retrieved from CALIPSO have indicated the predominance of aerosol from biomass burning sources. © 2011 SPIE.

Inverse Modeling of GPS Multipath for Snow Depth Estimation-Part I: Formulation and Simulations

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Inverse Modeling of GPS Multipath for Snow Depth Estimation-Part II: Application and Validation

GPS multipath reflectometry (GPS-MR) is a technique that uses geodetic quality GPS receivers to estimate snow depth. The accuracy and precision of GPS-MR retrievals are evaluated at three different sites: grasslands, alpine, and forested. The assessment yields a correlation of 0.98 and an rms error of 6-8 cm for observed snow depths of up to 2.5 m. GPS-MR underestimates in situ snow depth by 10%-15% at these three sites, although the validation methods do not measure the same footprint as GPS-MR.

Verkehrsmonitoring mit Hilfe von Radarfernerkundung

Für die Zukunft wird eine Zunahme an Verkehr prognostiziert, gleichzeitig herrscht ein Mangel an Raum und finanziellen Mitteln, um weitere Straßen zu bauen. Daher müssen die vorhandenen Kapazitäten durch eine bessere Verkehrssteuerung sinnvoller genutzt werden, z.B. durch Verkehrsleitsysteme. Dafür werden räumlich aufgelöste, d.h. den Verkehr in seiner flächenhaften Verteilung wiedergebende Daten benötigt, die jedoch fehlen. Bisher konnten Verkehrsdaten nur dort erhoben werden, wo sich örtlich feste Meßeinrichtungen befinden, jedoch können damit die fehlenden Daten nicht erhoben werden. Mit Fernerkundungssystemen ergibt sich die Möglichkeit, diese Daten flächendeckend mit einem Blick von oben zu erfassen. Nach jahrzehntelangen Erfahrungen mit Fernerkundungsmethoden zur Erfassung und Untersuchung der verschiedensten Phänomene auf der Erdoberfläche wird nun diese Methodik im Rahmen eines Pilotprojektes auf den Themenbereich Verkehr angewendet. Seit Ende der 1990er Jahre wurde mit flugzeuggetragenen optischen und Infrarot-Aufnahmesystemen Verkehr beobachtet. Doch bei schlechten Wetterbedingungen und insbesondere bei Bewölkung, sind keine brauchbaren Aufnahmen möglich. Mit einem abbildenden Radarverfahren werden Daten unabhängig von Wetter- und Tageslichtbedingungen oder Bewölkung erhoben. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit mit Hilfe von flugzeuggetragenem synthetischem Apertur Radar (SAR) Verkehrsdaten aufgenommen, verarbeitet und sinnvoll angewendet werden können. Nicht nur wird die neue Technik der Along-Track Interferometrie (ATI) und die Prozessierung und Verarbeitung der aufgenommenen Verkehrsdaten ausführlich dargelegt, es wird darüberhinaus ein mit dieser Methodik erstellter Datensatz mit einer Verkehrssimulation verglichen und bewertet. Abschließend wird ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen der Radarfernerkundung zur Verkehrsdatenerfassung gegeben.

Analyse des signaux radars polarimétriques en bandes C et L pour le suivi de l'humidité du sol de sites forestiers

Résumé : Dans les couverts forestiers, le suivi de l’humidité du sol permet de prévenir plusieurs désastres tels que la paludification, les incendies et les inondations. Comme ce paramètre est très dynamique dans l’espace et dans le temps, son estimation à grande échelle présente un grand défi, d’où le recours à la télédétection radar. Le capteur radar à synthèse d’ouverture (RSO) est couramment utilisé grâce à sa vaste couverture et sa résolution spatiale élevée. Contrairement aux sols nus et aux zones agricoles, le suivi de l’humidité du sol en zone forestière est très peu étudié à cause de la complexité des processus de diffusion dans ce type de milieu. En effet, la forte atténuation de la contribution du sol par la végétation et la forte contribution de volume issue de la végétation réduisent énormément la sensibilité du signal radar à l’humidité du sol. Des études portées sur des couverts forestiers ont montré que le signal radar en bande C provient principalement de la couche supérieure et sature vite avec la densité de la végétation. Cependant, très peu d’études ont exploré le potentiel des paramètres polarimétriques, dérivés d’un capteur polarimétrique comme RADARSAT-2, pour suivre l’humidité du sol sur les couverts forestiers. L’effet du couvert végétal est moins important avec la bande L en raison de son importante profondeur de pénétration qui permet de mieux informer sur l’humidité du sol. L’objectif principal de ce projet est de suivre l’humidité du sol à partir de données radar entièrement polarimétriques en bandes C et L sur des sites forestiers. Les données utilisées sont celles de la campagne terrain Soil Moisture Active Passive Validation EXperiment 2012 (SMAPVEX12) tenue du 6 juin au 17 juillet 2012 au Manitoba (Canada). Quatre sites forestiers de feuillus ont été échantillonnés. L’espèce majoritaire présente est le peuplier faux-tremble. Les données utilisées incluent des mesures de l’humidité du sol, de la rugosité de surface du sol, des caractéristiques des sites forestiers (arbres, sous-bois, litières…) et des données radar entièrement polarimétriques aéroportées et satellitaires acquises respectivement, en bande L (UAVSAR) à 30˚ et 40˚ et en bande C (RADARSAT-2) entre 20˚ et 30˚. Plusieurs paramètres polarimétriques ont été dérivés des données UAVSAR et RADARSAT-2 : les coefficients de corrélation (ρHHVV, φHHVV, etc); la hauteur du socle; l’entropie (H), l’anisotropie (A) et l’angle alpha extraits de la décomposition de Cloude-Pottier; les puissances de diffusion de surface (Ps), de double bond (Pd) extraites de la décomposition de Freeman-Durden, etc. Des relations entre les données radar (coefficients de rétrodiffusion multifréquences et multipolarisations (linéaires et circulaires) et les paramètres polarimétriques) et l’humidité du sol ont été développées et analysées. Les résultats ont montré que 1) En bande L, plusieurs paramètres optimaux permettent le suivi de l’humidité du sol en zone forestière avec un coefficient de corrélation significatif (p-value < 0,05): σ[indice supérieur 0] linéaire et σ[indice supérieur 0] circulaire (le coefficient de corrélation, r, varie entre 0,60 et 0,96), Ps (r entre 0,59 et 0,84), Pd (r entre 0,6 et 0,82), ρHHHV_30˚, ρVVHV_30˚, φHHHV_30˚ and φHHVV_30˚ (r entre 0,56 et 0,81) alors qu’en bande C, ils sont réduits à φHHHV, φVVHV et φHHVV (r est autour de 0,90). 2) En bande L, les paramètres polarimétriques n’ont pas montré de valeur ajoutée par rapport aux signaux conventionnels multipolarisés d’amplitude, pour le suivi de l’humidité du sol sur les sites forestiers. En revanche, en bande C, certains paramètres polarimétriques ont montré de meilleures relations significatives avec l’humidité du sol que les signaux conventionnels multipolarisés d’amplitude.

DopSCAT: A mission concept for simultaneous measurements of marine winds and surface currents

A radar scatterometer operates by transmitting a pulse of microwave energy toward the ocean's surface and measuring the normalized (per-unit-surface) radar backscatter coefficient (σ°). The primary application of scatterometry is the measurement of near-surface ocean winds. By combining σ° measurements from different azimuth angles, the 10 m vector wind can be determined through a Geophysical Model Function (GMF), which relates wind and backscatter. This paper proposes a mission concept for the measurement of both oceanic winds and surface currents, which makes full use of earlier C-band radar remote sensing experience. For the determination of ocean currents, in particular, the novel idea of using two chirps of opposite slope is introduced. The fundamental processing steps required to retrieve surface currents are given together with their associated accuracies. A detailed description of the mission proposal and comparisons between real and retrieved surface currents are presented. The proposed ocean Doppler scatterometer can be used to generate global surface ocean current maps with accuracies better than 0.2 m/s at a spatial resolution better than 25 km (i.e., 12.5 km spatial sampling) on a daily basis. These maps will allow gaining some insights on the upper ocean mesoscale dynamics. The work lies at a frontier, given that the present inability to measure ocean currents from space in a consistent and synoptic manner represents one of the greatest weaknesses in ocean remote sensing.

Three-dimensional space-borne synthetic aperture radar (SAR) imaging with multiple pass processing

Three-dimensional (3D) synthetic aperture radar (SAR) imaging via multiple-pass processing is an extension of interferometric SAR imaging. It exploits more than two flight passes to achieve a desired resolution in elevation. In this paper, a novel approach is developed to reconstruct a 3D space-borne SAR image with multiple-pass processing. It involves image registration, phase correction and elevational imaging. An image model matching is developed for multiple image registration, an eigenvector method is proposed for the phase correction and the elevational imaging is conducted using a Fourier transform or a super-resolution method for enhancement of elevational resolution. 3D SAR images are obtained by processing simulated data and real data from the first European Remote Sensing satellite (ERS-1) with the proposed approaches.

Phase correction for passive radar using targets of opportunity

This paper presents a novel phase correction technique for Passive Radar which uses targets of opportunity present in the target area as references. The proposed methodology is quite simple and enables the use of low cost hardware with independent oscillators for the reference and surveillance channels which can be geographically distributed. © 2014 IEEE.

Digital beamforming and moving target indication for future spaceborne synthetic aperture radar

During the last decade the interest on space-borne Synthetic Aperture Radars (SAR) for remote sensing applications has grown as testified by the number of recent and forthcoming missions as TerraSAR-X, RADARSAT-2, COSMO-kyMed, TanDEM-X and the Spanish SEOSAR/PAZ. In this sense, this thesis proposes to study and analyze the performance of the state-of-the-Art space-borne SAR systems, with modes able to provide Moving Target Indication capabilities (MTI), i.e. moving object detection and estimation. The research will focus on the MTI processing techniques as well as the architecture and/ or configuration of the SAR instrument, setting the limitations of the current systems with MTI capabilities, and proposing efficient solutions for the future missions. Two European projects, to which the Universitat Politècnica de Catalunya provides support, are an excellent framework for the research activities suggested in this thesis. NEWA project proposes a potential European space-borne radar system with MTI capabilities in order to fulfill the upcoming European security policies. This thesis will critically review the state-of-the-Art MTI processing techniques as well as the readiness and maturity level of the developed capabilities. For each one of the techniques a performance analysis will be carried out based on the available technologies, deriving a roadmap and identifying the different technological gaps. In line with this study a simulator tool will be developed in order to validate and evaluate different MTI techniques in the basis of a flexible space-borne radar configuration. The calibration of a SAR system is mandatory for the accurate formation of the SAR images and turns to be critical in the advanced operation modes as MTI. In this sense, the SEOSAR/PAZ project proposes the study and estimation of the radiometric budget. This thesis will also focus on an exhaustive analysis of the radiometric budget considering the current calibration concepts and their possible limitations. In the framework of this project a key point will be the study of the Dual Receive Antenna (DRA) mode, which provides MTI capabilities to the mission. An additional aspect under study is the applicability of the Digital Beamforming on multichannel and/or multistatic radar platforms, which conform potential solutions for the NEWA project with the aim to fully exploit its capability jointly with MTI techniques.

Enhanced radar precipitation estimates using a combined clutter and beam blockage correction technique

Weather radar observations are currently the most reliable method for remote sensing of precipitation. However, a number of factors affect the quality of radar observations and may limit seriously automated quantitative applications of radar precipitation estimates such as those required in Numerical Weather Prediction (NWP) data assimilation or in hydrological models. In this paper, a technique to correct two different problems typically present in radar data is presented and evaluated. The aspects dealt with are non-precipitating echoes - caused either by permanent ground clutter or by anomalous propagation of the radar beam (anaprop echoes) - and also topographical beam blockage. The correction technique is based in the computation of realistic beam propagation trajectories based upon recent radiosonde observations instead of assuming standard radio propagation conditions. The correction consists of three different steps: 1) calculation of a Dynamic Elevation Map which provides the minimum clutter-free antenna elevation for each pixel within the radar coverage; 2) correction for residual anaprop, checking the vertical reflectivity gradients within the radar volume; and 3) topographical beam blockage estimation and correction using a geometric optics approach. The technique is evaluated with four case studies in the region of the Po Valley (N Italy) using a C-band Doppler radar and a network of raingauges providing hourly precipitation measurements. The case studies cover different seasons, different radio propagation conditions and also stratiform and convective precipitation type events. After applying the proposed correction, a comparison of the radar precipitation estimates with raingauges indicates a general reduction in both the root mean squared error and the fractional error variance indicating the efficiency and robustness of the procedure. Moreover, the technique presented is not computationally expensive so it seems well suited to be implemented in an operational environment.

Caractérisation des occupations du sol en milieu urbain par imagerie radar

Cette étude vise à tester la pertinence des images RSO - de moyenne et de haute résolution - à la caractérisation des types d’occupation du sol en milieu urbain. Elle s’est basée sur des approches texturales à partir des statistiques de deuxième ordre. Plus spécifiquement, on recherche les paramètres de texture les plus pertinents pour discriminer les objets urbains. Il a été utilisé à cet égard des images Radarsat-1 en mode fin en polarisation HH et Radarsat-2 en mode fin en double et quadruple polarisation et en mode ultrafin en polarisation HH. Les occupations du sol recherchées étaient le bâti dense, le bâti de densité moyenne, le bâti de densité faible, le bâti industriel et institutionnel, la végétation de faible densité, la végétation dense et l’eau. Les neuf paramètres de textures analysés ont été regroupés, en familles selon leur définition mathématique. Les paramètres de ressemblance/dissemblance regroupent l’Homogénéité, le Contraste, la Similarité et la Dissimilarité. Les paramètres de désordre sont l’Entropie et le Deuxième Moment Angulaire. L’Écart-Type et la Corrélation sont des paramètres de dispersion et la Moyenne est une famille à part. Il ressort des expériences que certaines combinaisons de paramètres de texture provenant de familles différentes utilisés dans les classifications donnent de très bons résultants alors que d’autres associations de paramètres de texture de définition mathématiques proches génèrent de moins bons résultats. Par ailleurs on constate que si l’utilisation de plusieurs paramètres de texture améliore les classifications, la performance de celle-ci plafonne à partir de trois paramètres. Malgré la bonne performance de cette approche basée sur la complémentarité des paramètres de texture, des erreurs systématiques dues aux effets cardinaux subsistent sur les classifications. Pour pallier à ce problème, il a été développé un modèle de compensation radiométrique basé sur la section efficace radar (SER). Une simulation radar à partir du modèle numérique de surface du milieu a permis d'extraire les zones de rétrodiffusion des bâtis et d'analyser les rétrodiffusions correspondantes. Une règle de compensation des effets cardinaux fondée uniquement sur les réponses des objets en fonction de leur orientation par rapport au plan d'illumination par le faisceau du radar a été mise au point. Des applications de cet algorithme sur des images RADARSAT-1 et RADARSAT-2 en polarisations HH, HV, VH, et VV ont permis de réaliser de considérables gains et d’éliminer l’essentiel des erreurs de classification dues aux effets cardinaux.

L’utilisation de la polarimétrie radar et de la décomposition de Touzi pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales des milieux humides : le cas du Lac Saint-Pierre.

Les milieux humides remplissent plusieurs fonctions écologiques d’importance et contribuent à la biodiversité de la faune et de la flore. Même s’il existe une reconnaissance croissante sur l’importante de protéger ces milieux, il n’en demeure pas moins que leur intégrité est encore menacée par la pression des activités humaines. L’inventaire et le suivi systématique des milieux humides constituent une nécessité et la télédétection est le seul moyen réaliste d’atteindre ce but. L’objectif de cette thèse consiste à contribuer et à améliorer la caractérisation des milieux humides en utilisant des données satellites acquises par des radars polarimétriques en bande L (ALOS-PALSAR) et C (RADARSAT-2). Cette thèse se fonde sur deux hypothèses (chap. 1). La première hypothèse stipule que les classes de physionomies végétales, basées sur la structure des végétaux, sont plus appropriées que les classes d’espèces végétales car mieux adaptées au contenu informationnel des images radar polarimétriques. La seconde hypothèse stipule que les algorithmes de décompositions polarimétriques permettent une extraction optimale de l’information polarimétrique comparativement à une approche multipolarisée basée sur les canaux de polarisation HH, HV et VV (chap. 3). En particulier, l’apport de la décomposition incohérente de Touzi pour l’inventaire et le suivi de milieux humides est examiné en détail. Cette décomposition permet de caractériser le type de diffusion, la phase, l’orientation, la symétrie, le degré de polarisation et la puissance rétrodiffusée d’une cible à l’aide d’une série de paramètres extraits d’une analyse des vecteurs et des valeurs propres de la matrice de cohérence. La région du lac Saint-Pierre a été sélectionnée comme site d’étude étant donné la grande diversité de ses milieux humides qui y couvrent plus de 20 000 ha. L’un des défis posés par cette thèse consiste au fait qu’il n’existe pas de système standard énumérant l’ensemble possible des classes physionomiques ni d’indications précises quant à leurs caractéristiques et dimensions. Une grande attention a donc été portée à la création de ces classes par recoupement de sources de données diverses et plus de 50 espèces végétales ont été regroupées en 9 classes physionomiques (chap. 7, 8 et 9). Plusieurs analyses sont proposées pour valider les hypothèses de cette thèse (chap. 9). Des analyses de sensibilité par diffusiogramme sont utilisées pour étudier les caractéristiques et la dispersion des physionomies végétales dans différents espaces constitués de paramètres polarimétriques ou canaux de polarisation (chap. 10 et 12). Des séries temporelles d’images RADARSAT-2 sont utilisées pour approfondir la compréhension de l’évolution saisonnière des physionomies végétales (chap. 12). L’algorithme de la divergence transformée est utilisé pour quantifier la séparabilité entre les classes physionomiques et pour identifier le ou les paramètres ayant le plus contribué(s) à leur séparabilité (chap. 11 et 13). Des classifications sont aussi proposées et les résultats comparés à une carte existante des milieux humide du lac Saint-Pierre (14). Finalement, une analyse du potentiel des paramètres polarimétrique en bande C et L est proposé pour le suivi de l’hydrologie des tourbières (chap. 15 et 16). Les analyses de sensibilité montrent que les paramètres de la 1re composante, relatifs à la portion dominante (polarisée) du signal, sont suffisants pour une caractérisation générale des physionomies végétales. Les paramètres des 2e et 3e composantes sont cependant nécessaires pour obtenir de meilleures séparabilités entre les classes (chap. 11 et 13) et une meilleure discrimination entre milieux humides et milieux secs (chap. 14). Cette thèse montre qu’il est préférable de considérer individuellement les paramètres des 1re, 2e et 3e composantes plutôt que leur somme pondérée par leurs valeurs propres respectives (chap. 10 et 12). Cette thèse examine également la complémentarité entre les paramètres de structure et ceux relatifs à la puissance rétrodiffusée, souvent ignorée et normalisée par la plupart des décompositions polarimétriques. La dimension temporelle (saisonnière) est essentielle pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales (chap. 12, 13 et 14). Des images acquises au printemps (avril et mai) sont nécessaires pour discriminer les milieux secs des milieux humides alors que des images acquises en été (juillet et août) sont nécessaires pour raffiner la classification des physionomies végétales. Un arbre hiérarchique de classification développé dans cette thèse constitue une synthèse des connaissances acquises (chap. 14). À l’aide d’un nombre relativement réduit de paramètres polarimétriques et de règles de décisions simples, il est possible d’identifier, entre autres, trois classes de bas marais et de discriminer avec succès les hauts marais herbacés des autres classes physionomiques sans avoir recours à des sources de données auxiliaires. Les résultats obtenus sont comparables à ceux provenant d’une classification supervisée utilisant deux images Landsat-5 avec une exactitude globale de 77.3% et 79.0% respectivement. Diverses classifications utilisant la machine à vecteurs de support (SVM) permettent de reproduire les résultats obtenus avec l’arbre hiérarchique de classification. L’exploitation d’une plus forte dimensionalitée par le SVM, avec une précision globale maximale de 79.1%, ne permet cependant pas d’obtenir des résultats significativement meilleurs. Finalement, la phase de la décomposition de Touzi apparaît être le seul paramètre (en bande L) sensible aux variations du niveau d’eau sous la surface des tourbières ouvertes (chap. 16). Ce paramètre offre donc un grand potentiel pour le suivi de l’hydrologie des tourbières comparativement à la différence de phase entre les canaux HH et VV. Cette thèse démontre que les paramètres de la décomposition de Touzi permettent une meilleure caractérisation, de meilleures séparabilités et de meilleures classifications des physionomies végétales des milieux humides que les canaux de polarisation HH, HV et VV. Le regroupement des espèces végétales en classes physionomiques est un concept valable. Mais certaines espèces végétales partageant une physionomie similaire, mais occupant un milieu différent (haut vs bas marais), ont cependant présenté des différences significatives quant aux propriétés de leur rétrodiffusion.

Radar cross-section enhancement of dihedral corner reflector using fractal-based metallo-dielectric structures

Effective use of fractal-based metallo-dielectric structures for enhancing the radar cross-section (RCS) of dihedral corner reflectors is reported. RCS enhancement of about 30 dBsm is obtained for corner reflectors with corner angles other than 90deg. This may find application in remote sensing and synthetic aperture radar.