Evaluation of positioning error-induced pixel shifts on satellite linear push-broom imagery

Georeferencing is one of the major tasks of satellite-borne remote sensing. Compared to traditional indirect methods, direct georeferencing through a Global Positioning System/inertial navigation system requires fewer and simpler steps to obtain exterior orientation parameters of remotely sensed images. However, the pixel shift caused by geographic positioning error, which is generally derived from boresight angle as well as terrain topography variation, can have a great impact on the precision of georeferencing. The distribution of pixel shifts introduced by the positioning error on a satellite linear push-broom image is quantitatively analyzed. We use the variation of the object space coordinate to simulate different kinds of positioning errors and terrain topography. Then a total differential method was applied to establish a rigorous sensor model in order to mathematically obtain the relationship between pixel shift and positioning error. Finally, two simulation experiments are conducted using the imaging parameters of Chang’ E-1 satellite to evaluate two different kinds of positioning errors. The experimental results have shown that with the experimental parameters, the maximum pixel shift could reach 1.74 pixels. The proposed approach can be extended to a generic application for imaging error modeling in remote sensing with terrain variation.

Exploiting satellite-based rainfall for weather index insurance: the challenges of spatial and temporal aggregation

Lack of access to insurance exacerbates the impact of climate variability on smallholder famers in Africa. Unlike traditional insurance, which compensates proven agricultural losses, weather index insurance (WII) pays out in the event that a weather index is breached. In principle, WII could be provided to farmers throughout Africa. There are two data-related hurdles to this. First, most farmers do not live close enough to a rain gauge with sufficiently long record of observations. Second, mismatches between weather indices and yield may expose farmers to uncompensated losses, and insurers to unfair payouts – a phenomenon known as basis risk. In essence, basis risk results from complexities in the progression from meteorological drought (rainfall deficit) to agricultural drought (low soil moisture). In this study, we use a land-surface model to describe the transition from meteorological to agricultural drought. We demonstrate that spatial and temporal aggregation of rainfall results in a clearer link with soil moisture, and hence a reduction in basis risk. We then use an advanced statistical method to show how optimal aggregation of satellite-based rainfall estimates can reduce basis risk, enabling remotely sensed data to be utilized robustly for WII.

Combining Satellite And Gauge Precipitation Data With Co-Kriging Method For Jakarta Region

Jakarta is vulnerable to flooding mainly caused by prolonged and heavy rainfall and thus a robust hydrological modeling is called for. A good quality of spatial precipitation data is therefore desired so that a good hydrological model could be achieved. Two types of rainfall sources are available: satellite and gauge station observations. At-site rainfall is considered to be a reliable and accurate source of rainfall. However, the limited number of stations makes the spatial interpolation not very much appealing. On the other hand, the gridded rainfall nowadays has high spatial resolution and improved accuracy, but still, relatively less accurate than its counterpart. To achieve a better precipitation data set, the study proposes cokriging method, a blending algorithm, to yield the blended satellite-gauge gridded rainfall at approximately 10-km resolution. The Global Satellite Mapping of Precipitation (GSMaP, 0.1⁰×0.1⁰) and daily rainfall observations from gauge stations are used. The blended product is compared with satellite data by cross-validation method. The newly-yield blended product is then utilized to re-calibrate the hydrological model. Several scenarios are simulated by the hydrological models calibrated by gauge observations alone and blended product. The performance of two calibrated hydrological models is then assessed and compared based on simulated and observed runoff.

Temporal analysis of the reduction in gas emission in areas of mechanically-harvested sugarcane using satellite imagery

The primary objective of this study was to estimate the amount of gas not emitted into the air in areas cultivated with sugarcane (Saccharum officinarum) that were mechanically harvested. Satellite images CBERS-2/CCD, from 08-13-2004, 08-14-2005, 08-15-2006 and 08-16-2007, of northwestern São Paulo State were processed using the Geographic Information System (GIS)-IDRISI 15.0. Areas of interest (the mechanically-harvested sugarcane fields) were identified and quantified based on the spectral response of the bands studied. Based on these data, the amount of gas that was not emitted was evaluated, according to the estimate equation proposed by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The results of 396.65 km(2) (5.91% for 2004); 447.56 km(2) (6.67% for 2005); 511.54 km(2) (7.62% in 2006); and 474.60 km(2) (7.07% for 2007), calculated from a total area of 6,710.89 km(2) with sugarcane, showed a significant increase of mechanical harvesting in the study area and a reduction of gas emissions of more than 300,000 t yr(-1).

Analysis of tectonic-controlled fluvial morphology and sedimentary processes of the western Amazon Basin: an approach using satellite images and digital elevation model

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Evaluation of the Tropical Rainfall Measuring Mission 3B43 product over an inland area in Brazil and the effects of satellite boost on rainfall estimates

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Toward Satellite-Based Land Cover Classification Through Optimum-Path Forest

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Water productivity of different land uses in watersheds assessed from satellite imagery Landsat 5 Thematic Mapper

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Recent shift from forest to savanna burning in the Amazon Basin observed by satellite

The numbers of fires detected on forest, savanna and transition lands during the 2002-10 biomass burning seasons in Amazonia are shown using fire count data and co-located land cover classifications from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The ratio of forest fires to savanna fires has varied substantially over the study period, with a maximum ratio of 0.65:1 in 2005 and a minimum ratio of 0.27:1 in 2009, with the four lowest years occurring in 2007-10. The burning during the droughts of 2007 and 2010 is attributed to a higher number of savanna fires relative to the drought of 2005. A decrease in the regional mean single scattering albedo of biomass burning aerosols, consistent with the shift from forest to savanna burning, is also shown. During the severe drought of 2010, forest fire detections were lower in many areas compared with 2005, even though the drought was more severe in 2010. This result suggests that improved fire management practices, including stricter burning regulations as well as lower deforestation burning, may have reduced forest fires in 2010 relative to 2005 in some areas of the Amazon Basin.

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.

Development of oil spill detection techniques for satellite optical sensors and their application to monitor oil spill discharge in Mediterranean sea

Satellite remote sensing has proved to be an effective support in timely detection and monitoring of marine oil pollution, mainly due to illegal ship discharges. In this context, we have developed a new methodology and technique for optical oil spill detection, which make use of MODIS L2 and MERIS L1B satellite top of atmosphere (TOA) reflectance imagery, for the first time in a highly automated way. The main idea was combining wide swaths and short revisit times of optical sensors with SAR observations, generally used in oil spill monitoring. This arises from the necessity to overcome the SAR reduced coverage and long revisit time of the monitoring area. This can be done now, given the MODIS and MERIS higher spatial resolution with respect to older sensors (250-300 m vs. 1 km), which consents the identification of smaller spills deriving from illicit discharge at sea. The procedure to obtain identifiable spills in optical reflectance images involves removal of oceanic and atmospheric natural variability, in order to enhance oil-water contrast; image clustering, which purpose is to segment the oil spill eventually presents in the image; finally, the application of a set of criteria for the elimination of those features which look like spills (look-alikes). The final result is a classification of oil spill candidate regions by means of a score based on the above criteria.

Satellite and in situ data integrated analysis to study the upper ocean an coastal environment of the Italian seas

The thesis objectives are to develop new methodologies for study of the space and time variability of Italian upper ocean ecosystem through the combined use of multi-sensors satellite data and in situ observations and to identify the capability and limits of remote sensing observations to monitor the marine state at short and long time scales. Three oceanographic basins have been selected and subjected to different types of analyses. The first region is the Tyrrhenian Sea where a comparative analysis of altimetry and lagrangian measurements was carried out to study the surface circulation. The results allowed to deepen the knowledge of the Tyrrhenian Sea surface dynamics and its variability and to defined the limitations of satellite altimetry measurements to detect small scale marine circulation features. Channel of Sicily study aimed to identify the spatial-temporal variability of phytoplankton biomass and to understand the impact of the upper ocean circulation on the marine ecosystem. An combined analysis of the satellite of long term time series of chlorophyll, Sea Surface Temperature and Sea Level field data was applied. The results allowed to identify the key role of the Atlantic water inflow in modulating the seasonal variability of the phytoplankton biomass in the region. Finally, Italian coastal marine system was studied with the objective to explore the potential capability of Ocean Color data in detecting chlorophyll trend in coastal areas. The most appropriated methodology to detect long term environmental changes was defined through intercomparison of chlorophyll trends detected by in situ and satellite. Then, Italian coastal areas subject to eutrophication problems were identified. This work has demonstrated that satellites data constitute an unique opportunity to define the features and forcing influencing the upper ocean ecosystems dynamics and can be used also to monitor environmental variables capable of influencing phytoplankton productivity.

Generating vegetation-spectra as a basis for global monitoring of annual vegetation cycles using DOAS satellite observations

Vegetation-cycles are of general interest for many applications. Be it for harvest-predictions, global monitoring of climate-change or as input to atmospheric models.rnrnCommon Vegetation Indices use the fact that for vegetation the difference between Red and Near Infrared reflection is higher than in any other material on Earth’s surface. This gives a very high degree of confidence for vegetation-detection.rnrnThe spectrally resolving data from the GOME and SCIAMACHY satellite-instrumentsrnprovide the chance to analyse finer spectral features throughout the Red and Near Infrared spectrum using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). Although originally developed to retrieve information on atmospheric trace gases, we use it to gain information on vegetation. Another advantage is that this method automatically corrects for changes in the atmosphere. This renders the vegetation-information easily comparable over long time-spans.rnThe first results using previously available reference spectra were encouraging, but also indicated substantial limitations of the available reflectance spectra of vegetation. This was the motivation to create new and more suitable vegetation reference spectra within this thesis.rnThe set of reference spectra obtained is unique in its extent and also with respect to its spectral resolution and the quality of the spectral calibration. For the first time, this allowed a comprehensive investigation of the high-frequency spectral structures of vegetation reflectance and of their dependence on the viewing geometry.rnrnThe results indicate that high-frequency reflectance from vegetation is very complex and highly variable. While this is an interesting finding in itself, it also complicates the application of the obtained reference spectra to the spectral analysis of satellite observations.rnrnThe new set of vegetation reference spectra created in this thesis opens new perspectives for research. Besides refined satellite analyses, these spectra might also be used for applications on other platforms such as aircraft. First promising studies have been presented in this thesis, but the full potential for the remote sensing of vegetation from satellite (or aircraft) could bernfurther exploited in future studies.

Mappatura dell'impervious e consumo di suolo tramite analisi di change detection in telerilevamento

Il telerilevamento rappresenta un efficace strumento per il monitoraggio dell’ambiente e del territorio, grazie alla disponibilità di sensori che riprendono con cadenza temporale fissa porzioni della superficie terrestre. Le immagini multi/iperspettrali acquisite sono in grado di fornire informazioni per differenti campi di applicazione. In questo studio è stato affrontato il tema del consumo di suolo che rappresenta un’importante sfida per una corretta gestione del territorio, poiché direttamente connesso con i fenomeni del runoff urbano, della frammentazione ecosistemica e con la sottrazione di importanti territori agricoli. Ancora non esiste una definizione unica, ed anche una metodologia di misura, del consumo di suolo; in questo studio è stato definito come tale quello che provoca impermeabilizzazione del terreno. L’area scelta è quella della Provincia di Bologna che si estende per 3.702 km2 ed è caratterizzata a nord dalla Pianura Padana e a sud dalla catena appenninica; secondo i dati forniti dall’ISTAT, nel periodo 2001-2011 è stata la quarta provincia in Italia con più consumo di suolo. Tramite classificazione pixel-based è stata fatta una mappatura del fenomeno per cinque immagini Landsat. Anche se a media risoluzione, e quindi non in grado di mappare tutti i dettagli, esse sono particolarmente idonee per aree estese come quella scelta ed inoltre garantiscono una più ampia copertura temporale. Il periodo considerato va dal 1987 al 2013 e, tramite procedure di change detection applicate alle mappe prodotte, si è cercato di quantificare il fenomeno, confrontarlo con i dati esistenti e analizzare la sua distribuzione spaziale.

Perennial Snow and Ice Variations (2000-2008) in the Arctic Circumpolar Land Area from Satellite Observations

Perennial snow and ice (PSI) extent is an important parameter of mountain environments with regard to its involvement in the hydrological cycle and the surface energy budget. We investigated interannual variations of PSI in nine mountain regions of interest (ROI) between 2000 and 2008. For that purpose, a novel MODIS data set processed at the Canada Centre for Remote Sensing at 250 m spatial resolution was utilized. The extent of PSI exhibited significant interannual variations, with coefficients of variation ranging from 5% to 81% depending on the ROI. A strong negative relationship was found between PSI and positive degree-days (threshold 0°C) during the summer months in most ROIs, with linear correlation coefficients (r) being as low as r = −0.90. In the European Alps and Scandinavia, PSI extent was significantly correlated with annual net glacier mass balances, with r = 0.91 and r = 0.85, respectively, suggesting that MODIS-derived PSI extent may be used as an indicator of net glacier mass balances. Validation of PSI extent in two land surface classifications for the years 2000 and 2005, GLC-2000 and Globcover, revealed significant discrepancies of up to 129% for both classifications. With regard to the importance of such classifications for land surface parameterizations in climate and land surface process models, this is a potential source of error to be investigated in future studies. The results presented here provide an interesting insight into variations of PSI in several ROIs and are instrumental for our understanding of sensitive mountain regions in the context of global climate change assessment.