Fusão de dados multisensor para a identificação e o mapeamento de ambientes flúvio-estuarinos da Amazônia

A fusão de imagens multisensor tem sido um procedimento amplamente utilizado em função da natureza complementar dos vários conjuntos de dados. Este artigo compara o desempenho de quatro métodos diferentes para fusão de imagens Landsat-7 ETM+ e RADARSAT-1 W1. A comparação foi baseada nas características espectrais das imagens, utilizando-se de análise estatística e visual dos produtos gerados. Quatro métodos foram usados para a fusão das imagens Landsat-7 ETM+ e RADARSAT-1 W1: i) fusão do SAR (radar de abertura sintética) com a tríade selecionada pelo OIF (Optimum Index Factor); ii) realce por decorrelação da tríade selecionada pelo OIF, seguida da fusão com SAR; iii) ACP (Análise por Componentes Principais) para as seis bandas ETM+ do espectro refletido (1, 2, 3, 4, 5 e 7) e posterior fusão das três primeiras componentes principais (1CP; 2CP; 3CP) com o SAR; iv) SPC-SAR (Principal Componente Seletivo - SAR). O produto SPC-SAR mostrou melhor desempenho na identificação das feições costeiras e permitiu o realce mais efetivo dos diferentes ambientes.

Land cover classification of Lago Grande de Curuai floodplain (Amazon, Brazil) using multi-sensor and image fusion techniques

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Combining ALOS/PALSAR derived vegetation structure and inundation patterns to characterize major vegetation types in the Mamiraua Sustainable Development Reserve, Central Amazon floodplain, Brazil

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

Applicazione della tecnica PsinSAR™ allo studio di fenomeni franosi lenti: casi di studio in Emilia-Romagna

La mia tesi dal titolo ”Applicazione della tecnica PSinSAR™ allo studio di fenomeni franosi lenti: casi di studio in Emilia-Romagna” ha avuto come obiettivo quello di mostrare le potenzialità e i limiti della tecnica PSinSAR nel monitoraggio di fenomeni franosi localizzati in Val Marecchia. Ho svolto, nel capitolo due, un’analisi preliminare dell’area di studio andando a evidenziare prima le caratteristiche climatiche, piogge medie annue e le temperature minime e massime, e a seguire sono passato a descrivere l’inquadramento geologico e geomorfologico. L’area della Val Marecchia è, da questo punto di vista, molto particolare poggiando su quella che è definita dagli autori “coltre della Val Marecchia”; essa è un complesso alloctono sovrascorso ai terreni autoctoni della successione Umbro – Romagnola - Marchigiana. La traslazione verso Est della coltre avvenne per "scatti", in funzione delle principali fasi tettoniche appenniniche, separati da momenti di pausa in cui sedimentarono le formazioni più recenti le quali poi si spostarono in modo solidale con la coltre. La coltre, infatti, è costituita da un insieme di formazioni di età diverse e in particolare ritroviamo, partendo da quella più antica l’unità ligure, l’unità subligure e infine l’unità epiligure. La presenza di formazioni più recenti sopra ad altre più antiche rende unica la morfologia della vallata con enormi blocchi rocciosi poggianti su un substrato in genere argilloso come nell’esempio più famoso della rupe di San Leo. Da queste analisi è emersa un’altra caratteristica peculiare della valle cioè la forte tendenza a essere interessata da dissesti di varie tipologie. Gli indici di franosità mostrano che nella zona alta della vallata circa il 50% del territorio è interessato da dissesti, valore che decresce leggermente nella parte media e bassa della valle. Il motivo di tale instabilità è da imputare in parte alla forte erosione che avviene sulle placche epiliguri e in parte alle caratteristiche scadenti del substrato che è per lo più composto di argille e arenarie. Per quanto riguarda le tipologie di frane in Val Marecchia la situazione è molto eterogenea; in particolari le tre tipologie più frequenti sono il colamento lento, lo scivolamento rotazionale/traslativo e le frane di tipo complesso. Nel terzo capitolo ho descritto la tecnica PSinSAR; essa si basa sull’elaborazione di scene riprese da satellite per giungere alla formazione di una rete di punti, i PS, di cui conosciamo i movimenti nel tempo. I Permanent Scatterer (PS) sono dei bersagli radar individuati sulla superficie terrestre dal sensori satellitari caratterizzati per il fatto di possedere un’elevata stabilità nel tempo alla risposta elettromagnetica. I PS nella maggior parte dei casi corrispondono a manufatti presenti sulla superficie quali edifici, monumenti, strade, antenne e tralicci oppure ad elementi naturali come per esempio rocce esposte o accumuli di detrito. Lo spostamento viene calcolato lungo la linea di vista del satellite, per cui il dato in uscita non mostra lo spostamento effettivo del terreno, ma l'allontanamento o l'avvicinamento del punto rispetto al satellite. La misure sono sempre differenziali, ovvero sono riferite spazialmente a un punto noto a terra chiamato reference point, mentre temporalmente alla data di acquisizione della prima immagine. La tecnica PSinSAR proprio per la sua natura è "cieca" rispetto ai movimenti in direzione Nord-Sud. Le scene utilizzate per la creazione dei dataset di PS derivano quasi interamente dai satelliti ERS e ENVISAT. Tuttora sono disponibili anche le scene dei satelliti TerraSAR-X, RADARSAT e Cosmo Skymed. I sensori utilizzati in questo ambito sono i SAR (Synthetic Aperture Radar) che sono sensori attivi, cioè emettono loro stessi l'energia necessaria per investigare la superficie terrestre al contrario dei sensori ottici. Questo permette di poter acquisire scene anche di notte e in condizioni di cielo nuvoloso. La tecnica PSinSAR presenta molti vantaggi rispetto alle tecniche interferometriche tradizionali essa, infatti, è immune agli errori di decorrelamento temporale e spaziale oltre agli errori atmosferici, che portavano ad avere precisioni non inferiori a qualche cm, mentre ora l’errore di misura sulla velocità media di spostamento si attesta in genere sui 2 mm. La precisione che si ha nella georeferenziazione dei punti è in genere di circa 4-7 m lungo la direzione Est e circa 1-2 m in quella Nord. L’evoluzione di PSinSAR, SqueeSAR, permette un numero maggiore di punti poiché oltre ai Permanent Scatterers PS, tramite un apposito algoritmo, calcola anche i Distribuited Scatterer DS. I dataset di dati PS che ho utilizzato nel mio lavoro di tesi (PSinSAR) derivano, come detto in precedenza, sia da scene riprese dal satellite ERS che da ENVISAT nelle due modalità ascendenti e discendenti; nel primo caso si hanno informazioni sui movimenti avvenuti tra il 1992 e il 2000 mentre per l’ENVISAT tra il 2002 e il 2008. La presenza di dati PS nelle due modalità di ripresa sulla stessa zona permette tramite alcuni calcoli di ricavare la direzione effettiva di spostamento. È importante però sottolineare che, a seconda della modalità di ripresa, alcune aree possono risultare in ombra, per questo nell’analisi dei vari casi di studio non sempre sono stati utilizzabili tutti i dataset. Per l'analisi dei vari casi di studio, presentati nel capitolo 4, ho utilizzato diverso materiale cartografico. In particolare mi sono servito delle Carte Tecniche Regionali (CTR) a scala 1:10000 e 1:5000, in formato digitale, come base cartografica. Sempre in formato digitale ho utilizzato anche le carte geologiche e geomorfologiche dell'area della Val Marecchia (fogli 266, 267, 278) oltre, per finire, agli shapefile presi dal database online del Piano stralcio dell’Assetto Idrogeologico PAI. Il software usato per la realizzazione del lavoro di tesi è stato ArcGIS di proprietà di ESRI. Per ogni caso di studio ho per prima cosa effettuato un'analisi dal punto di vista geologico e geomorfologico, in modo da fare un quadro delle formazioni presenti oltre ad eventuali fenomeni franosi mostrati dalle carte. A seguire ho svolto un confronto fra il dato PS, e quindi i valori di spostamento, e la perimetrazione mostrata nel PAI. Per alcuni casi di studio il dato PS ha mostrato movimenti in aree già perimetrate nel PAI come "in dissesto", mentre in altri il dato satellitare ha permesso di venire a conoscenza di fenomeni non conosciuti (come ad esempio nel caso di Monte Gregorio). Per ogni caso di studio ho inoltre scelto alcuni PS caratteristici (solitamente quelli a coerenza maggiore) e ho ricavato la relativa serie storica. In questo modo è stato possibile verificare lo spostamento durante tutti gli anni in cui sono state prese le scene (dal 1992 al 2000 per dati ERS, dal 2002 al 2008 per dati ENVISAT) potendo quindi mettere in luce accelerazioni o assestamenti dei fenomeni nel tempo, oltre a escludere la presenza di trend di spostamento anomali imputabili nella maggior parte dei casi a errori nel dato. L’obiettivo della tesi è stato da una parte di verificare la bontà del dato PS nell’interpretazione dei movimenti dovuti a dissesti franosi e dall’altra di fare un confronto tra il dato di spostamento ricavato dai PS e i vari inventari o carte di piano. Da questo confronto sono emerse informazioni molti interessanti perché è stato possibile avere conferme di movimento su dissesti già conosciuti (Sant’Agata Feltria, San Leo e altri) ma anche di venire a conoscenza di fenomeni non conosciuti (Monte Gregorio). In conclusione è emerso dal mio lavoro che il monitoraggio tramite tecnica PSinSAR necessita di essere integrato con le tecniche tradizionali poiché presenta alcune limitazioni importanti come l’impossibilità di "vedere" movimenti veloci o lungo la direzione Nord-Sud, oltre ad avere dati in aree vegetate o scarsamente abitate. I vantaggi sono però notevoli potendo monitorare con un’unica ripresa vaste porzioni di territorio oltre ad avere serie storiche consistenti, in grado di evidenziare i movimenti avvenuti nel passato. Tale tecnica quindi, secondo il mio parere, può essere utilizzata come supporto alla stesura di cartografia di fenomeni franosi fornendo informazioni aggiuntive rispetto alle varie tecniche tradizionali come il GPS, sondaggi geotecnici e sondaggi inclinometrici.

Spatiotemporal characteristics of the Huangtupo landslide in the Three Gorges region (China) constrained by radar interferometry

The Huangtupo landslide is one of the largest in the Three Gorges region, China. The county-seat town of Badong, located on the south shore between the Xiling and Wu gorges of the Yangtze River, was moved to this unstable slope prior to the construction of the Three Gorges Project, since the new Three Gorges reservoir completely submerged the location of the old city. The instability of the slope is affecting the new town by causing residential safety problems. The Huangtupo landslide provides scientists an opportunity to understand landslide response to fluctuating river water level and heavy rainfall episodes, which is essential to decide upon appropriate remediation measures. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) techniques provide a very useful tool for the study of superficial and spatially variable displacement phenomena. In this paper, three sets of radar data have been processed to investigate the Huangtupo landslide. Results show that maximum displacements are affecting the northwest zone of the slope corresponding to Riverside slumping mass I#. The other main landslide bodies (i.e. Riverside slumping mass II#, Substation landslide and Garden Spot landslide) exhibit a stable behaviour in agreement with in situ data, although some active areas have been recognized in the foot of the Substation landslide and Garden Spot landslide. InSAR has allowed us to study the kinematic behaviour of the landslide and to identify its active boundaries. Furthermore, the analysis of the InSAR displacement time-series has helped recognize the different displacement patterns on the slope and their relationships with various triggering factors. For those persistent scatterers, which exhibit long-term displacements, they can be decomposed into a creep model (controlled by geological conditions) and a superimposed recoverable term (dependent on external factors), which appears closely correlated with reservoir water level changes close to the river's edge. These results, combined with in situ data, provide a comprehensive analysis of the Huangtupo landslide, which is essential for its management.

Twenty-year advanced DInSAR analysis of severe land subsidence: The Alto Guadalentín Basin (Spain) case study

A twenty-year period of severe land subsidence evolution in the Alto Guadalentín Basin (southeast Spain) is monitored using multi-sensor SAR images, processed by advanced differential interferometric synthetic aperture radar (DInSAR) techniques. The SAR images used in this study consist of four datasets acquired by ERS-1/2, ENVISAT, ALOS and COSMO-SkyMed satellites between 1992 and 2012. The integration of ground surface displacement maps retrieved for different time periods allows us to quantify up to 2.50 m of cumulated displacements that occurred between 1992 and 2012 in the Alto Guadalentín Basin. DInSAR results were locally compared with global positioning system (GPS) data available for two continuous stations located in the study area, demonstrating the high consistency of local vertical motion measurements between the two different surveying techniques. An average absolute error of 4.6 ± 4 mm for the ALOS data and of 4.8 ± 3.5 mm for the COSMO-SkyMed data confirmed the reliability of the analysis. The spatial analysis of DInSAR ground surface displacement reveals a direct correlation with the thickness of the compressible alluvial deposits. Detected ground subsidence in the past 20 years is most likely a consequence of a 100–200 m groundwater level drop that has persisted since the 1970s due to the overexploitation of the Alto Guadalentín aquifer system. The negative gradient of the pore pressure is responsible for the extremely slow consolidation of a very thick (> 100 m) layer of fine-grained silt and clay layers with low vertical hydraulic permeability (approximately 50 mm/h) wherein the maximum settlement has still not been reached.

Subsidence damage assessment of a Gothic church using differential interferometry and field data

The Santas Justa and Rufina Gothic church (fourteenth century) has suffered several physical, mechanical, chemical, and biochemical types of pathologies along its history: rock alveolization, efflorescence, biological activity, and capillary ascent of groundwater. However, during the last two decades, a new phenomenon has seriously affected the church: ground subsidence caused by aquifer overexploitation. Subsidence is a process that affects the whole Vega Baja of the Segura River basin and consists of gradual sinking in the ground surface caused by soil consolidation due to a pore pressure decrease. This phenomenon has been studied by differential synthetic aperture radar interferometry techniques, which illustrate settlements up to 100 mm for the 1993–2009 period for the whole Orihuela city. Although no differential synthetic aperture radar interferometry information is available for the church due to the loss of interferometric coherence, the spatial analysis of nearby deformation combined with fieldwork has advanced the current understanding on the mechanisms that affect the Santas Justa and Rufina church. These results show the potential interest and the limitations of using this remote sensing technique as a complementary tool for the forensic analysis of building structures.

A novel method for studying the cortical processing of human swallowing using Synthetic Aperture Magnetometry(SAM)

Background/Aims: Positron emission tomography has been applied to study cortical activation during human swallowing, but employs radio-isotopes precluding repeated experiments and has to be performed supine, making the task of swallowing difficult. Here we now describe Synthetic Aperture Magnetometry (SAM) as a novel method of localising and imaging the brain's neuronal activity from magnetoencephalographic (MEG) signals to study the cortical processing of human volitional swallowing in the more physiological prone position. Methods: In 3 healthy male volunteers (age 28–36), 151-channel whole cortex MEG (Omega-151, CTF Systems Inc.) was recorded whilst seated during the conditions of repeated volitional wet swallowing (5mls boluses at 0.2Hz) or rest. SAM analysis was then performed using varying spatial filters (5–60Hz) before co-registration with individual MRI brain images. Activation areas were then identified using standard sterotactic space neuro-anatomical maps. In one subject repeat studies were performed to confirm the initial study findings. Results: In all subjects, cortical activation maps for swallowing could be generated using SAM, the strongest activations being seen with 10–20Hz filter settings. The main cortical activations associated with swallowing were in: sensorimotor cortex (BA 3,4), insular cortex and lateral premotor cortex (BA 6,8). Of relevance, each cortical region displayed consistent inter-hemispheric asymmetry, to one or other hemisphere, this being different for each region and for each subject. Intra-subject comparisons of activation localisation and asymmetry showed impressive reproducibility. Conclusion: SAM analysis using MEG is an accurate, repeatable, and reproducible method for studying the brain processing of human swallowing in a more physiological manner and provides novel opportunities for future studies of the brain-gut axis in health and disease.

The investigation of oscillatory changes in the visual cortex using synthetic aperture magnetometry

This thesis is an exploration of the oscillatory changes occurring in the visual cortex as measured by a functional imaging technique known as Synthetic Aperture Magnetometry (SAM), and how these compare to the BOLD response, across a number of different experimental paradigms. In chapter one the anatomy and physiology of the visual pathways and cortex are outlined, introducing the reader to structures and terms used throughout the thesis whilst chapter two introduces both the technology and analysis techniques required to record MEG and fMRI and also outlines the theory behind SAM. In chapter three the temporal frequency tuning of both striate and extrastriate cortex is investigated, showing fundamental differences in both tuning characteristics and oscillatory power changes between the two areas. Chapter four introduces the concept of implied-motion and investigates the role of area V5 / MT in the perception of such stimuli and shows, for the first time, the temporal evolution of the response in this area. Similarly a close link is shown between the early evoked potential, produced by the stimulus, and previous BOLD responses. Chapter five investigates the modulation of cortical oscillations to both shifts in attention and varying stimulus contrast. It shows that there are both induced and evoked modulation changes with attention, consistent with areas previously known to show BOLD responses. Chapter six involves a direct comparison of cortical oscillatory changes with those of the BOLD response in relation to the parametric variation of a motion coherence stimulus. It is shown that various cortical areas show a linear BOLD response to motion coherence and, for the first time, that both induced oscillatory and evoked activity also vary linearly in areas coincidental with the BOLD response. The final chapter is a summary of the main conclusions and suggests further work.

Analysis and Optimization of Synthetic Aperture Ultrasound Imaging Using the Effective Aperture Approach

An effective aperture approach is used as a tool for analysis and parameter optimization of mostly known ultrasound imaging systems - phased array systems, compounding systems and synthetic aperture imaging systems. Both characteristics of an imaging system, the effective aperture function and the corresponding two-way radiation pattern, provide information about two of the most important parameters of images produced by an ultrasound system - lateral resolution and contrast. Therefore, in the design, optimization of the effective aperture function leads to optimal choice of such parameters of an imaging systems that influence on lateral resolution and contrast of images produced by this imaging system. It is shown that the effective aperture approach can be used for optimization of a sparse synthetic transmit aperture (STA) imaging system. A new two-stage algorithm is proposed for optimization of both the positions of the transmitted elements and the weights of the receive elements. The proposed system employs a 64-element array with only four active elements used during transmit. The numerical results show that Hamming apodization gives the best compromise between the contrast of images and the lateral resolution.

Weighted least-squares phase unwrapping algorithm based on derivative variance correlation map

Among different phase unwrapping approaches, the weighted least-squares minimization methods are gaining attention. In these algorithms, weighting coefficient is generated from a quality map. The intrinsic drawbacks of existing quality maps constrain the application of these algorithms. They often fail to handle wrapped phase data contains error sources, such as phase discontinuities, noise and undersampling. In order to deal with those intractable wrapped phase data, a new weighted least-squares phase unwrapping algorithm based on derivative variance correlation map is proposed. In the algorithm, derivative variance correlation map, a novel quality map, can truly reflect wrapped phase quality, ensuring a more reliable unwrapped result. The definition of the derivative variance correlation map and the principle of the proposed algorithm are present in detail. The performance of the new algorithm has been tested by use of a simulated spherical surface wrapped data and an experimental interferometric synthetic aperture radar (IFSAR) wrapped data. Computer simulation and experimental results have verified that the proposed algorithm can work effectively even when a wrapped phase map contains intractable error sources. (c) 2006 Elsevier GmbH. All rights reserved.