Impact de l'agroenvironnement sur la qualité microbiologique des eaux récréatives dans une perspective de santé publique

La pollution microbienne des eaux récréatives peut engendrer un risque pour la santé des populations exposées. La contamination fécale de ces eaux représente une composante importante de ce risque, notamment par la présence possible d’agents pathogènes et par l’exposition à des micro-organismes résistants aux antimicrobiens. Les sources de pollution fécale sont multiples et incluent entre autres les activités agricoles et les productions animales. Ce projet visait donc à mieux comprendre les facteurs influençant la qualité microbiologique des eaux récréatives du Québec méridional, en ciblant le rôle possible des activités agricoles, ainsi qu`à proposer et évaluer de nouvelles sources de données pouvant contribuer à l’identification de ces facteurs. Dans un premier temps, une évaluation de la présence d’Escherichia coli résistants aux antimicrobiens dans les eaux récréatives à l’étude a été effectuée. À la lumière des résultats de cette première étude, ces eaux représenteraient une source de micro-organismes résistants aux antimicrobiens pour les personnes pratiquant des activités aquatiques, mais l’impact en santé publique d’une telle exposition demeure à déterminer. Les déterminants agroenvironnementaux associés à la présence de micro-organismes résistants aux antimicrobiens ont par la suite été explorés. Les résultats de ce chapitre suggèrent que les activités agricoles, et plus spécifiquement l’épandage de fumier liquide, seraient reliées à la contamination des eaux récréatives par des bactéries résistantes aux antimicrobiens. Le chapitre suivant visait à identifier des déterminants agroenvironnementaux temps-indépendants d’importance associés à la contamination fécale des eaux à l’étude. Différentes variables, regroupées en trois classes (activités agricoles, humaines et caractéristiques géohydrologiques), ont été explorées à travers un modèle de régression logistique multivarié. Il en est ressorti que les eaux récréatives ayant des sites de productions de ruminants à proximité, et en particulier à l’intérieur d’un rayon de 2 km, possédaient un risque plus élevé de contamination fécale. Une association positive a également été notée entre le niveau de contamination fécale et le fait que les plages soient situées à l’intérieur d’une zone urbaine. Cette composante nous permet donc de conclure qu’en regard à la santé publique, les eaux récréatives pourraient être contaminées par des sources de pollution fécale tant animales qu’humaines, et que celles-ci pourraient représenter un risque pour la santé des utilisateurs. Pour terminer, un modèle de régression logistique construit à l’aide de données issues de la télédétection et mettant en association un groupe de déterminants agroenvironnementaux et la contamination fécale des eaux récréatives a été mis au point. Ce chapitre visait à évaluer l’utilité de telles données dans l’identification de ces déterminants, de même qu`à discuter des avantages et contraintes associées à leur emploi dans le contexte de la surveillance de la qualité microbiologique des eaux récréatives. À travers cette étude, des associations positives ont été mises en évidence entre le niveau de contamination fécale des eaux et la superficie des terres agricoles adjacentes, de même qu’avec la présence de surfaces imperméables. Les données issues des images d’observation de la Terre pourraient donc constituer une valeur ajoutée pour les programmes de suivi de la qualité microbiologique de ces eaux en permettant une surveillance des déterminants y étant associés.

Suivi des changements des utilisations/occupations du sol en milieu urbain par imagerie satellitale de résolution spatiale moyenne : le cas de la région métropolitaine de Montréal

De nos jours les cartes d’utilisation/occupation du sol (USOS) à une échelle régionale sont habituellement générées à partir d’images satellitales de résolution modérée (entre 10 m et 30 m). Le National Land Cover Database aux États-Unis et le programme CORINE (Coordination of information on the environment) Land Cover en Europe, tous deux fondés sur les images LANDSAT, en sont des exemples représentatifs. Cependant ces cartes deviennent rapidement obsolètes, spécialement en environnement dynamique comme les megacités et les territoires métropolitains. Pour nombre d’applications, une mise à jour de ces cartes sur une base annuelle est requise. Depuis 2007, le USGS donne accès gratuitement à des images LANDSAT ortho-rectifiées. Des images archivées (depuis 1984) et des images acquises récemment sont disponibles. Sans aucun doute, une telle disponibilité d’images stimulera la recherche sur des méthodes et techniques rapides et efficaces pour un monitoring continue des changements des USOS à partir d’images à résolution moyenne. Cette recherche visait à évaluer le potentiel de telles images satellitales de résolution moyenne pour obtenir de l’information sur les changements des USOS à une échelle régionale dans le cas de la Communauté Métropolitaine de Montréal (CMM), une métropole nord-américaine typique. Les études précédentes ont démontré que les résultats de détection automatique des changements dépendent de plusieurs facteurs tels : 1) les caractéristiques des images (résolution spatiale, bandes spectrales, etc.); 2) la méthode même utilisée pour la détection automatique des changements; et 3) la complexité du milieu étudié. Dans le cas du milieu étudié, à l’exception du centre-ville et des artères commerciales, les utilisations du sol (industriel, commercial, résidentiel, etc.) sont bien délimitées. Ainsi cette étude s’est concentrée aux autres facteurs pouvant affecter les résultats, nommément, les caractéristiques des images et les méthodes de détection des changements. Nous avons utilisé des images TM/ETM+ de LANDSAT à 30 m de résolution spatiale et avec six bandes spectrales ainsi que des images VNIR-ASTER à 15 m de résolution spatiale et avec trois bandes spectrales afin d’évaluer l’impact des caractéristiques des images sur les résultats de détection des changements. En ce qui a trait à la méthode de détection des changements, nous avons décidé de comparer deux types de techniques automatiques : (1) techniques fournissant des informations principalement sur la localisation des changements et (2)techniques fournissant des informations à la fois sur la localisation des changements et sur les types de changement (classes « de-à »). Les principales conclusions de cette recherche sont les suivantes : Les techniques de détection de changement telles les différences d’image ou l’analyse des vecteurs de changements appliqués aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image exacte des lieux où un changement est survenu d’une façon rapide et efficace. Elles peuvent donc être intégrées dans un système de monitoring continu à des fins d’évaluation rapide du volume des changements. Les cartes des changements peuvent aussi servir de guide pour l’acquisition d’images de haute résolution spatiale si l’identification détaillée du type de changement est nécessaire. Les techniques de détection de changement telles l’analyse en composantes principales et la comparaison post-classification appliquées aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image relativement exacte de classes “de-à” mais à un niveau thématique très général (par exemple, bâti à espace vert et vice-versa, boisés à sol nu et vice-versa, etc.). Les images ASTER-VNIR avec une meilleure résolution spatiale mais avec moins de bandes spectrales que LANDSAT n’offrent pas un niveau thématique plus détaillé (par exemple, boisés à espace commercial ou industriel). Les résultats indiquent que la recherche future sur la détection des changements en milieu urbain devrait se concentrer aux changements du couvert végétal puisque les images à résolution moyenne sont très sensibles aux changements de ce type de couvert. Les cartes indiquant la localisation et le type des changements du couvert végétal sont en soi très utiles pour des applications comme le monitoring environnemental ou l’hydrologie urbaine. Elles peuvent aussi servir comme des indicateurs des changements de l’utilisation du sol. De techniques telles l’analyse des vecteurs de changement ou les indices de végétation son employées à cette fin.

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.

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.

Vegetation changes in a river oasis on the southern rim of the Taklamakan Desert in China between 1956 and 2000

The indigenous vegetation surrounding the river oases on the southern rim of the Taklamakan Desert has drastically diminished due to overexploitation as a source of fodder, timber and fuel for the human population. The change in the spatial extent of landscape forms and vegetation types around the Qira oasis was analyzed by comparing SPOT satellite images from 1998 with aerial photographs from 1956. The analysis was supplemented by field surveys in 1999 and 2000. The study is part of a joint Chinese-European project with the aim of assessing the current state of the foreland vegetation, of gathering information on the regeneration potential and of suggesting procedures for a sustainable management. With 33 mm of annual precipitation, plants can only grow if they have access to groundwater, lakes or rivers. Most of the available water comes into the desert via rivers in the form of seasonal flooding events resulting from snow melt in the Kun Lun Mountains. This water is captured in canal systems and used for irrigation of arable fields. Among the eight herbaceous and woody vegetation types and the type of open sand without any plant life that were mapped in 2000 in the oasis foreland, only the latter, the oasis border between cultivated land and open Populus euphratica forests and Tamarix ramosissima-Phragmites australis riverbed vegetation could be clearly identified on the photographs from 1956. The comparison of the images revealed that the oasis increased in area between 1956 and 2000. Shifting sand was successfully combated near to the oasis borders but increased in extent at the outward border of the foreland vegetation. In contrast to expectations, the area covered with Populus trees was smaller in 1956 than today due to some new forests in the north of the oasis that have grown up since 1977. Subfossil wood and leaf remnants of Populus euphratica that were found in many places in the foreland must have originated from forests destroyed before 1956. In the last 50 years, the main Qira River has shifted its bed significantly northward and developed a new furcation with a large new bed in 1986. The natural river dynamics are not only an important factor in forming the oasis’ landscape but also in providing the only possible regeneration sites for all occurring plant species. The conclusion of the study is that the oasis landscape has changed considerably in the last 50 years due to natural floodings and to vegetation degradation by human overexploitation. The trend towards decreasing width of the indigenous vegetation belt resulting from the advancing desert and the expansion of arable land is particularly alarming because a decrease in its protective function against shifting sand can be expected in the future.

Changes of traditional farming systems and their effects on land degradation and socio-economic conditions in the Inle Lake region, Myanmar

At many locations in Myanmar, ongoing changes in land use have negative environmental impacts and threaten natural ecosystems at local, regional and national scales. In particular, the watershed area of Inle Lake in eastern Myanmar is strongly affected by the environmental effects of deforestation and soil erosion caused by agricultural intensification and expansion of agricultural land, which are exacerbated by the increasing population pressure and the growing number of tourists. This thesis, therefore, focuses on land use changes in traditional farming systems and their effects on socio-economic and biophysical factors to improve our understanding of sustainable natural resource management of this wetland ecosystem. The main objectives of this research were to: (1) assess the noticeable land transformations in space and time, (2) identify the typical farming systems as well as the divergent livelihood strategies, and finally, (3) estimate soil erosion risk in the different agro-ecological zones surrounding the Inle Lake watershed area. GIS and remote sensing techniques allowed to identify the dynamic land use and land cover changes (LUCC) during the past 40 years based on historical Corona images (1968) and Landsat images (1989, 2000 and 2009). In this study, 12 land cover classes were identified and a supervised classification was used for the Landsat datasets, whereas a visual interpretation approach was conducted for the Corona images. Within the past 40 years, the main landscape transformation processes were deforestation (- 49%), urbanization (+ 203%), agricultural expansion (+ 34%) with a notably increase of floating gardens (+ 390%), land abandonment (+ 167%), and marshlands losses in wetland area (- 83%) and water bodies (- 16%). The main driving forces of LUCC appeared to be high population growth, urbanization and settlements, a lack of sustainable land use and environmental management policies, wide-spread rural poverty, an open market economy and changes in market prices and access. To identify the diverse livelihood strategies in the Inle Lake watershed area and the diversity of income generating activities, household surveys were conducted (total: 301 households) using a stratified random sampling design in three different agro-ecological zones: floating gardens (FG), lowland cultivation (LL) and upland cultivation (UP). A cluster and discriminant analysis revealed that livelihood strategies and socio-economic situations of local communities differed significantly in the different zones. For all three zones, different livelihood strategies were identified which differed mainly in the amount of on-farm and off-farm income, and the level of income diversification. The gross margin for each household from agricultural production in the floating garden, lowland and upland cultivation was US$ 2108, 892 and 619 ha-1 respectively. Among the typical farming systems in these zones, tomato (Lycopersicon esculentum L.) plantation in the floating gardens yielded the highest net benefits, but caused negative environmental impacts given the overuse of inorganic fertilizers and pesticides. The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and spatial analysis within GIS were applied to estimate soil erosion risk in the different agricultural zones and for the main cropping systems of the study region. The results revealed that the average soil losses in year 1989, 2000 and 2009 amounted to 20, 10 and 26 t ha-1, respectively and barren land along the steep slopes had the highest soil erosion risk with 85% of the total soil losses in the study area. Yearly fluctuations were mainly caused by changes in the amount of annual precipitation and the dynamics of LUCC such as deforestation and agriculture extension with inappropriate land use and unsustainable cropping systems. Among the typical cropping systems, upland rainfed rice (Oryza sativa L.) cultivation had the highest rate of soil erosion (20 t ha-1yr-1) followed by sebesten (Cordia dichotoma) and turmeric (Curcuma longa) plantation in the UP zone. This study indicated that the hotspot region of soil erosion risk were upland mountain areas, especially in the western part of the Inle lake. Soil conservation practices are thus urgently needed to control soil erosion and lake sedimentation and to conserve the wetland ecosystem. Most farmers have not yet implemented soil conservation measures to reduce soil erosion impacts such as land degradation, sedimentation and water pollution in Inle Lake, which is partly due to the low economic development and poverty in the region. Key challenges of agriculture in the hilly landscapes can be summarized as follows: fostering the sustainable land use of farming systems for the maintenance of ecosystem services and functions while improving the social and economic well-being of the population, integrated natural resources management policies and increasing the diversification of income opportunities to reduce pressure on forest and natural resources.

Towards Detecting Changes in Underwater Image Sequences

Detecting changes between images of the same scene taken at different times is of great interest for monitoring and understanding the environment. It is widely used for on-land application but suffers from different constraints. Unfortunately, Change detection algorithms require highly accurate geometric and photometric registration. This requirement has precluded their use in underwater imagery in the past. In this paper, the change detection techniques available nowadays for on-land application were analyzed and a method to automatically detect the changes in sequences of underwater images is proposed. Target application scenarios are habitat restoration sites, or area monitoring after sudden impacts from hurricanes or ship groundings. The method is based on the creation of a 3D terrain model from one image sequence over an area of interest. This model allows for synthesizing textured views that correspond to the same viewpoints of a second image sequence. The generated views are photometrically matched and corrected against the corresponding frames from the second sequence. Standard change detection techniques are then applied to find areas of difference. Additionally, the paper shows that it is possible to detect false positives, resulting from non-rigid objects, by applying the same change detection method to the first sequence exclusively. The developed method was able to correctly find the changes between two challenging sequences of images from a coral reef taken one year apart and acquired with two different cameras

Large-Area Photo-Mosaics Using Global Alignment and Navigation Data

Seafloor imagery is a rich source of data for the study of biological and geological processes. Among several applications, still images of the ocean floor can be used to build image composites referred to as photo-mosaics. Photo-mosaics provide a wide-area visual representation of the benthos, and enable applications as diverse as geological surveys, mapping and detection of temporal changes in the morphology of biodiversity. We present an approach for creating globally aligned photo-mosaics using 3D position estimates provided by navigation sensors available in deep water surveys. Without image registration, such navigation data does not provide enough accuracy to produce useful composite images. Results from a challenging data set of the Lucky Strike vent field at the Mid Atlantic Ridge are reported

Using airborne laser altimetry to improve river flood extents delineated from SAR data

Flood extent maps derived from SAR images are a useful source of data for validating hydraulic models of river flood flow. The accuracy of such maps is reduced by a number of factors, including changes in returns from the water surface caused by different meteorological conditions and the presence of emergent vegetation. The paper describes how improved accuracy can be achieved by modifying an existing flood extent delineation algorithm to use airborne laser altimetry (LiDAR) as well as SAR data. The LiDAR data provide an additional constraint that waterline (land-water boundary) heights should vary smoothly along the flooded reach. The method was tested on a SAR image of a flood for which contemporaneous aerial photography existed, together with LiDAR data of the un-flooded reach. Waterline heights of the SAR flood extent conditioned on both SAR and LiDAR data matched the corresponding heights from the aerial photo waterline significantly more closely than those from the SAR flood extent conditioned only on SAR data.

Causes of the apparent scale independence of fractal indices associated with forest fragmentation in Bolivia

In a recent investigation, Landsat TM and ETM+ data were used to simulate different resolutions of remotely-sensed images (from 30 to 1100 m) and to analyze the effect of resolution on a range of landscape metrics associated with spatial patterns of forest fragmentation in Chapare, Bolivia since the mid-1980s. Whereas most metrics were found to be highly dependent on pixel size, several fractal metrics (DLFD, MPFD, and AWMPFD) were apparently independent of image resolution, in contradiction with a sizeable body of literature indicating that fractal dimensions of natural objects depend strongly on image characteristics. The present re-analysis of the Chapare images, using two alternative algorithms routinely used for the evaluation of fractal dimensions, shows that the values of the box-counting and information fractal dimensions are systematically larger, sometimes by as much as 85%, than the "fractal" indices DLFD, MPFD, and AWMFD for the same images. In addition, the geometrical fractal features of the forest and non-forest patches in the Chapare region strongly depend on the resolution of images used in the analysis. The largest dependency on resolution occurs for the box-counting fractal dimension in the case of the non-forest patches in 1993, where the difference between the 30 and I 100 m-resolution images corresponds to 24% of the full theoretical range (1.0 to 2.0) of the mass fractal dimension. The observation that the indices DLFD, MPFD, and AWMPFD, unlike the classical fractal dimensions, appear relatively unaffected by resolution in the case of the Chapare images seems due essentially to the fact that these indices are based on a heuristic, "non-geometric" approach to fractals. Because of their lack of a foundation in fractal geometry, nothing guarantees that these indices will be resolution-independent in general. (C) 2006 International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Inc. (ISPRS). Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Moving towards a more mechanistic approach in the determination of soil heat flux from remote measurements - I. A universal approach to calculate thermal inertia

In this paper we pledge that physically based equations should be combined with remote sensing techniques to enable a more theoretically rigorous estimation of area-average soil heat flux, G. A standard physical equation (i.e. the analytical or exact method) for the estimation of G, in combination with a simple, but theoretically derived, equation for soil thermal inertia (F), provides the basis for a more transparent and readily interpretable method for the estimation of G; without the requirement for in situ instrumentation. Moreover, such an approach ensures a more universally applicable method than those derived from purely empirical studies (employing vegetation indices and albedo, for example). Hence, a new equation for the estimation of Gamma(for homogeneous soils) is discussed in this paper which only requires knowledge of soil type, which is readily obtainable from extant soil databases and surveys, in combination with a coarse estimate of moisture status. This approach can be used to obtain area-averaged estimates of Gamma(and thus G, as explained in paper II) which is important for large-scale energy balance studies that employ aircraft or satellite data. Furthermore, this method also relaxes the instrumental demand for studies at the plot and field scale (no requirement for in situ soil temperature sensors, soil heat flux plates and/or thermal conductivity sensors). In addition, this equation can be incorporated in soil-vegetation-atmosphere-transfer models that use the force restore method to update surface temperatures (such as the well-known ISBA model), to replace the thermal inertia coefficient.

Moving towards a more mechanistic approach in the determination of soil heat flux from remote measurements - II. Diurnal shape of soil heat flux

For vegetated surfaces, calculation of soil heat flux, G, with the Exact or Analytical method requires a harmonic analysis of below-canopy soil surface temperature, to obtain the shape of the diurnal course of G. When determining G with remote sensing methods, only composite (vegetation plus soil) radiometric brightness temperature is available. This paper presents a simple equation that relates the sum of the harmonic terms derived for the composite radiometric surface temperature to that of belowcanopy soil surface temperature. The thermal inertia, Gamma(,) for which a simple equation has been presented in a companion paper, paper I, is used to set the magnitude of G. To assess the success of the method proposed in this paper for the estimation of the diurnal shape of G, a comparison was made between 'remote' and in situ calculated values from described field sites. This indicated that the proposed method was suitable for the estimation of the shape of G for a variety of vegetation types and densities. The approach outlined in paper I, to obtain Gamma, was then combined with the estimated harmonic terms to predict estimates of G, which were compared to values predicted by empirical remote methods found in the literature. This indicated that the method proposed in the combination of papers I and II gave reliable estimates of G, which, in comparison to the other methods, resulted in more realistic predictions for vegetated surfaces. This set of equations can also be used for bare and sparsely vegetated soils, making it a universally applicable method. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Remote estimation of thermal inertia and soil heat flux for bare soil

A method is presented which allows thermal inertia (the soil heat capacity times the square root of the soil thermal diffusivity, C(h)rootD(h)), to be estimated remotely from micrometeorological observations. The method uses the drop in surface temperature, T-s, between sunset and sunrise, and the average night-time net radiation during that period, for clear, still nights. A Fourier series analysis was applied to analyse the time series of T-s . The Fourier series constants, together with the remote estimate of thermal inertia, were used in an analytical expression to calculate diurnal estimates of the soil heat flux, G. These remote estimates of C(h)rootD(h) and G compared well with values derived from in situ sensors. The remote and in situ estimates of C(h)rootD(h) both correlated well with topsoil moisture content. This method potentially allows area-average estimates of thermal inertia and soil heat flux to be derived from remote sensing, e.g. METEOSAT Second Generation, where the area is determined by the sensor's height and viewing angle. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Extraction of tidal channel networks from aerial photographs alone and combined with laser altimetry

Tidal channel networks play an important role in the intertidal zone, exerting substantial control over the hydrodynamics and sediment transport of the region and hence over the evolution of the salt marshes and tidal flats. The study of the morphodynamics of tidal channels is currently an active area of research, and a number of theories have been proposed which require for their validation measurement of channels over extensive areas. Remotely sensed data provide a suitable means for such channel mapping. The paper describes a technique that may be adapted to extract tidal channels from either aerial photographs or LiDAR data separately, or from both types of data used together in a fusion approach. Application of the technique to channel extraction from LiDAR data has been described previously. However, aerial photographs of intertidal zones are much more commonly available than LiDAR data, and most LiDAR flights now involve acquisition of multispectral images to complement the LiDAR data. In view of this, the paper investigates the use of multispectral data for semiautomatic identification of tidal channels, firstly from only aerial photographs or linescanner data, and secondly from fused linescanner and LiDAR data sets. A multi-level, knowledge-based approach is employed. The algorithm based on aerial photography can achieve a useful channel extraction, though may fail to detect some of the smaller channels, partly because the spectral response of parts of the non-channel areas may be similar to that of the channels. The algorithm for channel extraction from fused LiDAR and spectral data gives an increased accuracy, though only slightly higher than that obtained using LiDAR data alone. The results illustrate the difficulty of developing a fully automated method, and justify the semi-automatic approach adopted.