Segmentação de texturas em imagens digitais utilizando wavelets redundantes

Pós-graduação em Matematica Aplicada e Computacional - FCT

O cultivo da soja no oeste do estado do Paraná: contribuição metodológica para a análise espaço-temporal

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Multitemporal assessment of the geomorphologic evolution of the Restinga of Marambaia, Rio de Janeiro, Brazil

The Restinga of Marambaia is an emerged sand bar located between the Sepetiba Bay and the South Atlantic Ocean, on the south-east coast of Brazil. The objective of this study was to observe the geomorphologic evolution of the coastal zone of the Restinga of Marambaia using multitemporal satellite images acquired by multisensors from 1975 to 2004. The images were digitally segmented by a region growth algorithm and submitted to an unsupervised classification procedure (ISOSEG) followed by a raster edit based on visual interpretation. The image time-series showed a general trend of decrease in the total sand bar area with values varying from 80.61km(2) in 1975 to 78.15km(2) in 2004. The total area calculation based on the 1975 and 1978 Landsat MSS data was shown to be super-estimated in relation to the Landsat TM, Landsat ETM+, and CBERS-2 CCD data. These differences can also be associated to the relatively poorer spatial resolution of the MSS data, nominally 79m, against the 20m of the CCD data and 30m of the TM and ETM+ data. For the estimates of the width in the central portion of the sand bar the variation was from 158m (1975) to 100m (2004). The formation of a spit in the northern region of the study area was visually observed. The area of the spit was estimated, with values varying from 0.82km(2) (1975) to 0.55km(2) (2004).

Participative site-specific agriculture analysis for smallholders

Site-specific agriculture has been adopted in a high-tech context using, for instance, in situ sensors, satellite images for remote sensing analysis, and some other technological devices. However, farmers and smallholders without the economic resources and required knowledge to use and to access the latest technology seem to find an impediment to precision agricultural practices. This article discusses the possibility of adopting precision agriculture (PA) principles for site-specific management but in a low technology context for such farmers. The proposed methodology to support PA combines low technology dependency and a participatory approach by involving smallholders, farmers and experts. The case studies demonstrate how the interplay of low technology and a participative approach may be suitable for smallholders for site-specific agriculture analysis.

Classificação híbrida: pixel a pixel e baseada em objetos para o monitoramento da condição da superfície dos pavimentos rodoviários

Monitorar a condição de uso de toda a extensão das rodovias brasileiras é tarefa dispendiosa e demorada. Este trabalho trata de novas técnicas que permitem o levantamento da condição da superfície dos pavimentos rodoviários de forma ágil utilizando imagens hiperespectrais de sensor digital aeroembarcado. Nos últimos anos, um número crescente de imagens de alta resolução espacial tem surgido no mercado mundial com o aparecimento dos novos satélites e sensores aeroembarcados de sensoriamento remoto. Propõe-se uma metodologia para identificação dos pavimentos asfálticos e classificação das principais ocorrências dos defeitos na superfície do pavimento. A primeira etapa da metodologia é a identificação da superfície asfáltica na imagem, utilizando uma classificação híbrida baseada inicialmente em pixel e depois refinada por objetos. A segunda etapa da metodologia é a identificação e classificação das ocorrências dos principais defeitos nos pavimentos flexíveis que são observáveis nas imagens de alta resolução espacial. Esta última etapa faz uso intensivo das novas técnicas de classificação de imagens baseadas em objetos. O resultado final é a geração de índices da condição da superfície do pavimento a partir das imagens que possam ser comparados com os indicadores vigentes da condição da superfície do pavimento já normatizados pelos órgãos competentes no país.

Calibration of a Species-Specific Spectral Vegetation Index for Leaf Area Index (LAI) Monitoring: Example with MODIS Reflectance Time-Series on Eucalyptus Plantations

The leaf area index (LAI) is a key characteristic of forest ecosystems. Estimations of LAI from satellite images generally rely on spectral vegetation indices (SVIs) or radiative transfer model (RTM) inversions. We have developed a new and precise method suitable for practical application, consisting of building a species-specific SVI that is best-suited to both sensor and vegetation characteristics. Such an SVI requires calibration on a large number of representative vegetation conditions. We developed a two-step approach: (1) estimation of LAI on a subset of satellite data through RTM inversion; and (2) the calibration of a vegetation index on these estimated LAI. We applied this methodology to Eucalyptus plantations which have highly variable LAI in time and space. Previous results showed that an RTM inversion of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) near-infrared and red reflectance allowed good retrieval performance (R-2 = 0.80, RMSE = 0.41), but was computationally difficult. Here, the RTM results were used to calibrate a dedicated vegetation index (called "EucVI") which gave similar LAI retrieval results but in a simpler way. The R-2 of the regression between measured and EucVI-simulated LAI values on a validation dataset was 0.68, and the RMSE was 0.49. The additional use of stand age and day of year in the SVI equation slightly increased the performance of the index (R-2 = 0.77 and RMSE = 0.41). This simple index opens the way to an easily applicable retrieval of Eucalyptus LAI from MODIS data, which could be used in an operational way.

Analysis of NDVI time series using cross-correlation and forecasting methods for monitoring sugarcane fields in Brazil

Brazil is the largest sugarcane producer in the world and has a privileged position to attend to national and international market places. To maintain the high production of sugarcane, it is fundamental to improve the forecasting models of crop seasons through the use of alternative technologies, such as remote sensing. Thus, the main purpose of this article is to assess the results of two different statistical forecasting methods applied to an agroclimatic index (the water requirement satisfaction index; WRSI) and the sugarcane spectral response (normalized difference vegetation index; NDVI) registered on National Oceanic and Atmospheric Administration Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA-AVHRR) satellite images. We also evaluated the cross-correlation between these two indexes. According to the results obtained, there are meaningful correlations between NDVI and WRSI with time lags. Additionally, the adjusted model for NDVI presented more accurate results than the forecasting models for WRSI. Finally, the analyses indicate that NDVI is more predictable due to its seasonality and the WRSI values are more variable making it difficult to forecast.

A MODIS-Based Energy Balance to Estimate Evapotranspiration for Clear-Sky Days in Brazilian Tropical Savannas

Evapotranspiration (ET) plays an important role in global climate dynamics and in primary production of terrestrial ecosystems; it represents the mass and energy transfer from the land to atmosphere. Limitations to measuring ET at large scales using ground-based methods have motivated the development of satellite remote sensing techniques. The purpose of this work is to evaluate the accuracy of the SEBAL algorithm for estimating surface turbulent heat fluxes at regional scale, using 28 images from MODIS. SEBAL estimates are compared with eddy-covariance (EC) measurements and results from the hydrological model MGB-IPH. SEBAL instantaneous estimates of latent heat flux (LE) yielded r(2) = 0.64 and r(2) = 0.62 over sugarcane croplands and savannas when compared against in situ EC estimates. At the same sites, daily aggregated estimates of LE were r(2) = 0.76 and r(2) = 0.66, respectively. Energy balance closure showed that turbulent fluxes over sugarcane croplands were underestimated by 7% and 9% over savannas. Average daily ET from SEBAL is in close agreement with estimates from the hydrological model for an overlay of 38,100 km(2) (r(2) = 0.88). Inputs to which the algorithm is most sensitive are vegetation index (NDVI), gradient of temperature (dT) to compute sensible heat flux (H) and net radiation (Re). It was verified that SEBAL has a tendency to overestimate results both at local and regional scales probably because of low sensitivity to soil moisture and water stress. Nevertheless the results confirm the potential of the SEBAL algorithm, when used with MODIS images for estimating instantaneous LE and daily ET from large areas.

Spectroradiometry of soil and comparison with orbital sensors

The aim of this study was to characterize and compare the spectral behavior of different soil classes obtained by orbital and terrestrial sensors. For this, an area of 184 ha in Rafard (SP) Brazil was staked on a regular grid of 100x100 m and soil samples were collected and georeferenced. After that, soil spectral curves were obtained with IRIS sensor and the sample points were overlaid at Landsat and ASTER images for spectral data collection. The soil samples were classified and mean soil curves for all sensors were generated by soil classes. The soil classes were differentiated by texture, organic matter and total iron for all sensors studied, the orbital sensors despite the lower spectral resolution, maintained the characteristics of the soil and the curves of reflectance intensity.

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.

Multitemporal analysis of satellite imagery: implementation of a land evolution model in ALCS (ATSR LAND CLASSIFICATION SYSTEM)

In this report it was designed an innovative satellite-based monitoring approach applied on the Iraqi Marshlands to survey the extent and distribution of marshland re-flooding and assess the development of wetland vegetation cover. The study, conducted in collaboration with MEEO Srl , makes use of images collected from the sensor (A)ATSR onboard ESA ENVISAT Satellite to collect data at multi-temporal scales and an analysis was adopted to observe the evolution of marshland re-flooding. The methodology uses a multi-temporal pixel-based approach based on classification maps produced by the classification tool SOIL MAPPER ®. The catalogue of the classification maps is available as web service through the Service Support Environment Portal (SSE, supported by ESA). The inundation of the Iraqi marshlands, which has been continuous since April 2003, is characterized by a high degree of variability, ad-hoc interventions and uncertainty. Given the security constraints and vastness of the Iraqi marshlands, as well as cost-effectiveness considerations, satellite remote sensing was the only viable tool to observe the changes taking place on a continuous basis. The proposed system (ALCS – AATSR LAND CLASSIFICATION SYSTEM) avoids the direct use of the (A)ATSR images and foresees the application of LULCC evolution models directly to „stock‟ of classified maps. This approach is made possible by the availability of a 13 year classified image database, conceived and implemented in the CARD project (http://earth.esa.int/rtd/Projects/#CARD).The approach here presented evolves toward an innovative, efficient and fast method to exploit the potentiality of multi-temporal LULCC analysis of (A)ATSR images. The two main objectives of this work are both linked to a sort of assessment: the first is to assessing the ability of modeling with the web-application ALCS using image-based AATSR classified with SOIL MAPPER ® and the second is to evaluate the magnitude, the character and the extension of wetland rehabilitation.

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.

Eisströme und Schelfeise an der Küste der Amundsen See (West-Antarktis), beobachtet mit ERS-SAR /// Es stehen 2 Dateien zur Auswahl: pdf-Datei Abbildungen nur schwarz-weiss, zip-Datei Abbildungen farbig

In der vorliegenden Diplomarbeit erfolgte die Beobachtung von Eisströmen und Schelfeisen an der Küste der Amundsen See in der West-Antarktis, unter Verwendung von ERS-SAR-Amplitudenbildprodukten. Bestandteile dieser Beobachtung waren die Erstellung eines Gletscherinventares, die Erstellung von Multitemporalbildern, die Auswertung von Veränderungen der Eisfronpositionen und - schwerpunktmäßig - die Bestimmung von Eisfließgeschwindigkeiten und deren räumlicher und zeitlicher Vergleich.

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.

Analisi di morfologie carsiche o crio-carsiche in relazione alla mobilizzazione di fluidi nella regione di Arabia Terra, Marte.

This thesis tries to interpret the origin and evolution of karst-like forms present in Arabia Terra, a region of Mars that develops in the equatorial zone of the planet. The work has been carried out specifically in the craters Crommelin (4o 91’ N-10o 51’ E), 12000088 (3o 48’ N-1o 30’ E), NE 12000088 (4° 20’ N-2° 50’ E), C "2" (3° 54’ N-1° W), and in their surrounding areas. These craters contain layered deposits characterized by a high albedo and on which erosion is very pronounced. The area containing the craters is a plateau that has the same characteristics of albedo and texture. The preliminary morphological study has made use of instrumentation such as the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), in particular HiRISE images (High Resolution Imaging Science Experiment), CTX (Context Camera) and CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometers for Mars). A regional geomorphological map has been drawn up containing the main morphotypes, and detailed geomorphological maps were prepared for different karst-like morphologies. The analysis of spectral data collected from CRISM instrumentation has allowed to identify the footprint of sulphate minerals in the external area. Data were collected for morphometric negative forms (karst-like) and positive forms (mud volcanoes, dikes and pingos). For the analysis of the relief forms DTMs (Digital Terrain Models) produced by the union of stereographic CTX couples or HiRISE were used. From the analysis of high-resolution images morphological footprints similar to periglacial environments have been identified, including the presence of patterned ground and polygonal cracks found all over the area of investigation, and relief structures similar to pingos present in the crater C "2". These observations allow us to imagine a geological past with a cold climate at the equator able to freeze the few fluids present in the Martian arid terrain. The development of karst-like landforms, on the other hand, can be attributed to a subsequent improval of the weather conditions that led to a normal climate regime for the equatorial areas, resulting in the degradation of the permafrost. The melt waters have thus allowed the partial dissolution of the sulphate layers. The karst-like forms look rather fresh suggesting them to be not that old.