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.

Analisi di dati telerilevati ottici e radar per la gestione dei disastri: le alluvioni nel Bangladesh.

Abstract L’utilizzo dei dati satellitari per la gestione dei disastri naturali è fondamentale nei paesi in via di sviluppo, dove raramente esiste un censimento ed è difficile per i governi aggiornare le proprie banche dati con le tecniche di rilevamento e metodi di mappatura tradizionali che sono entrambe lunghe e onerose. A supporto dell’importanza dell’impiego del telerilevamento e per favorirne l’uso nel caso di catastrofi, vi è l’operato di diverse organizzazioni internazionali promosse da enti di ricerca, da agenzie governative o da organismi sopranazionali, le quali svolgono un lavoro di cruciale valore, fornendo sostegno tecnico a chi si occupa di far giungere alle popolazioni colpite gli aiuti umanitari e i soccorsi nel più breve tempo possibile. L’attività di tesi è nata proprio dalla collaborazione con una di esse, ITHACA (Information Technology for Humanitarian Assistance, Cooperation and Action), organizzazione no-profit, fondata dal Politecnico di Torino e SiTI (Istituto Superiore sui Sistemi Territoriali per l’Innovazione), la quale a sua volta collabora con il WFP (World Food Programme) delle Nazioni Unite, realizzando cartografie speditive necessarie per la valutazione delle conseguenze di un evento catastrofico, attraverso l’impiego di dati acquisiti da satellite. Su questo tema si è inserito il presente lavoro che ha come obiettivo quello di dimostrare la valenza dei dati telerilevati, siano essi di tipo ottico o Radar, nel caso di alcuni dei disastri naturali più catastrofici, le alluvioni. In particolare è stata studiata la vulnerabilità del Bangladesh, il quale annualmente si trova ad affrontare eventi alluvionali, spesso di grave intensità. Preliminarmente allo studio, è stata condotta una ricerca bibliografica al fine di avere una buona conoscenza dell’area sia in termini geografici e fisici che di sviluppo e tipologia di urbanizzazione. E’stata indagata in particolare l’alluvione che ha colpito il paese nel Luglio del 2004, attraverso delle immagini satellitari multispettrali, in particolare Landsat 7, per un inquadramento pre-evento, ed ASTER per studiare la situazione a distanza di tre mesi dall’accaduto (immagine rilevata il 20 Ottobre 2004). Su tali immagini sono state condotte delle classificazioni supervisionate con il metodo della massima verosimiglianza che hanno portato la suddivisione del territorio in quattro classi di destinazione d’uso del suolo: urbano (Build-up), campi e vegetazione (Crops&Vegetation), sabbia e scavi (Sand&Excavation), idrografia e zone alluvionate (Water). Dalla sperimentazione è emerso come tali immagini multispettrali si prestino molto bene per l’analisi delle differenti caratteristiche del territorio, difatti la validazione condotta sulla mappa tematica derivata dall’immagine Landsat 7 ha portato ad un’accuratezza del 93% circa, mentre la validazione dell’immagine ASTER è stata solo di tipo qualitativo, in quanto, considerata l’entità della situazione rilevata, non è stato possibile avere un confronto con dei punti da assumere come verità a terra. Un’interpretazione della mappa tematica derivante dalla classificazione dell’immagine ASTER è stata elaborata incrociandola in ambiente GIS con dati forniti dal CEGIS (Center for Environmental and Geographic Information Services) riguardanti il landuse della zona in esame; da ciò è emerso che le zone destinate alla coltivazione del riso sono più vulnerabili alle inondazioni ed in particolare nell’Ottobre 2004 il 95% delle aree esondate ha interessato tali colture. Le immagini ottiche presentano un grosso limite nel caso delle alluvioni: la rilevante copertura nuvolosa che spesso accompagna siffatti eventi impedisce ai sensori satellitari operanti nel campo dell’ottico di rilevare il territorio, e per questo di frequente essi non si prestano ad essere impiegati per un’indagine nella fase di prima emergenza. In questa circostanza, un valido aiuto giunge dall’impiego di immagini Radar, le quali permettono osservazioni ad ogni ora del giorno e della notte, anche in presenza di nuvole, rendendole di fondamentale importanza nelle situazioni descritte. Per dimostrare la validità di questi sensori si sono analizzati due subset derivanti da un mosaico di immagini della nuova costellazione italiana ad alta risoluzione CosmoSkymed: il primo va dalla città di Dhaka al Golfo del Bengala ed il secondo copre la zona più a Nord nel distretto di Sylhet. Dalla sperimentazione condotta su tali immagini radar, che ha comportato come ovvio problematiche del tutto differenti rispetto alle elaborazioni tradizionalmente condotte su immagini nel campo dell’ottico, si è potuto verificare come l’estrazione dei corpi d’acqua e più in generale dell’idrografia risulti valida e di veloce computazione. Sono emersi tuttavia dei problemi, per esempio per quanto riguarda la classificazione dell’acqua in presenza di rilievi montuosi; tali complicazioni sono dovute alla presenza di zone d’ombra che risultano erroneamente assegnate alla classe water, ma è stato possibile correggere tali errori di attribuzione mascherando i rilievi con l’ausilio di una mappa delle pendenze ricavata da modelli di elevazione SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission). La validazione dei risultati della classificazione, condotta con un grande numero di check points, ha fornito risultati molto incoraggianti (ca. 90%). Nonostante le problematiche riscontrate, il Radar, in sé o in accoppiamento con altri dati di diversa origine, si presta dunque a fornire in breve tempo informazioni sull’estensione dell’esondazione, sul grado di devastazione, sulle caratteristiche delle aree esondate, sulle vie di fuga più adatte, diventando un’importante risorsa per chi si occupa di gestire l’emergenza in caso di eventi calamitosi. L’integrazione con i dati di tipo ottico è inoltre essenziale per pervenire ad una migliore caratterizzazione del fenomeno, sia in termini di change detection che di monitoraggio post-evento.

On-line adaptive visual tracking

Visual tracking is the problem of estimating some variables related to a target given a video sequence depicting the target. Visual tracking is key to the automation of many tasks, such as visual surveillance, robot or vehicle autonomous navigation, automatic video indexing in multimedia databases. Despite many years of research, long term tracking in real world scenarios for generic targets is still unaccomplished. The main contribution of this thesis is the definition of effective algorithms that can foster a general solution to visual tracking by letting the tracker adapt to mutating working conditions. In particular, we propose to adapt two crucial components of visual trackers: the transition model and the appearance model. The less general but widespread case of tracking from a static camera is also considered and a novel change detection algorithm robust to sudden illumination changes is proposed. Based on this, a principled adaptive framework to model the interaction between Bayesian change detection and recursive Bayesian trackers is introduced. Finally, the problem of automatic tracker initialization is considered. In particular, a novel solution for categorization of 3D data is presented. The novel category recognition algorithm is based on a novel 3D descriptors that is shown to achieve state of the art performances in several applications of surface matching.

Il contributo del telerilevamento multi ed iperspettrale per la caratterizzazione del territorio e la sostenibilità ambientale

L’evoluzione dei sensori multispettrali e la prospettiva di sviluppo dei sensori iperspettrali nel campo del telerilevamento ottico offrono nuovi strumenti per l’indagine del territorio e rinnovano la necessità di ridefinire potenzialità, limiti e accuratezza delle metodologie tradizionali. Nel caso delle immagini iperspettrali, in particolare, l’elevatissima risoluzione spettrale apre nuove possibilità di sviluppo di modelli fisicamente basati per correlare grandezze radiometriche con indicatori fisico-chimici caratteristici delle superfici osservate, a prezzo però di maggiori oneri nella gestione del dato. Il presente lavoro mira appunto ad esaminare, per alcune applicazioni di carattere ambientale e attraverso casi di studio specifici, le criticità del problema del rilevamento da remoto nel suo complesso: dai problemi di correzione radiometrica delle immagini, all'acquisizione di dati di calibrazione sul campo, infine all'estrazione delle informazioni di interesse dal dato telerilevato. A tal fine sono stati sperimentati diversi modelli di trasferimento radiativo ed è stata sviluppata un’interfaccia per la gestione del modello 6SV. Per quest’ultimo sono state inoltre sviluppate routine specifiche per il supporto dei sensori Hyperion e World View 2. La ricerca svolta intende quindi offrire un contributo alla definizione di procedure operative ripetibili, per alcune applicazioni intimamente connesse all’indagine conoscitiva ed al monitoraggio dei processi in atto sul territorio. Nello specifico, si è scelto il caso di studio dell’oasi del Fayyum, in Egitto, per valutare il contenuto informativo delle immagini satellitari sotto tre diversi profili, soltanto in apparenza distinti: la classificazione della litologia superficiale, la valutazione dello stato di qualità delle acque ed il monitoraggio delle opere di bonifica. Trattandosi di un’oasi, le aree coltivate del Fayyum sono circondate dai suoli aridi del deserto libico. La mancanza di copertura vegetale rappresenta una condizione privilegiata per l’osservazione della litologia superficiale da remoto, auspicabile anche per la scarsa accessibilità di alcune aree. Il fabbisogno idrico dell’oasi è garantito dall’apporto di acque del fiume Nilo attraverso una rete di irrigazione che ha, come recettore finale, il lago Qarun, situato nella porzione più depressa dell’oasi. Questo lago, privo di emissari, soffre enormi problemi di salinizzazione, visto il clima iper-arido in cui si trova, e di inquinamento da fertilizzanti agricoli. Il problema della sostenibilità ambientale dello sfruttamento agricolo intensivo dell’oasi è un problema di deterioramento della qualità dell’acqua e della qualità dei suoli. È un problema che richiede una adeguata conoscenza del contesto geologico in cui questi terreni sono inseriti ed una capacità di monitoraggio degli interventi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto; entrambe conoscenze necessarie alla definizione di un piano di sviluppo economico sostenibile. Con l’intento di contribuire ad una valutazione delle effettive potenzialità del telerilevamento come strumento di informazione territoriale, sono state sperimentate tecniche di classificazione di immagini multispettrali ASTER ed iperspettrali Hyperion di archivio per discriminare la litologia superficiale sulle aree adiacenti al lago Qarun nell’oasi del Fayyum. Le stesse immagini Hyperion di archivio più altre appositamente acquisite sono state utilizzate, assieme ad immagini multispettrali ALI, per la valutazione qualitativa e quantitativa di parametri di qualità delle acque, attraverso l’applicazione di modelli empirici di correlazione. Infine, per valutare l’ipotesi che il deterioramento della qualità delle acque possa essere correlato ai processi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto negli ultimi decenni, le immagini dell’archivio Landsat sono state utilizzate per analisi di change detection. Per quanto riguarda il problema della validazione dei risultati, si è fatto uso di alcuni dati di verità a terra acquisiti nel corso di un survey preliminare effettuato nell’Ottobre 2010. I campioni di roccia prelevati e le misure di conducibilità elettrica delle acque del lago, benché in numero estremamente limitato per la brevità della missione e le ovvie difficoltà logistiche, consentono alcune valutazioni preliminari sui prodotti ottenuti dalle elaborazioni. Sui campioni di roccia e sabbie sciolte, in particolare, sono state effettuate misure di riflettività in laboratorio ed analisi mineralogiche dettagliate. Per la valutazione della qualità delle acque, più precisamente delle concentrazioni di clorofilla, la metodologia utilizzata per il caso di studio egiziano è stata applicata anche sul tratto costiero adriatico antistante le foci dei fiumi Tronto e Salinello. In questo sito sono state effettuate misure in situ di conducibilità elettrica ed il prelievo di campioni di acqua per la determinazione in laboratorio delle concentrazioni di clorofilla. I risultati ottenuti hanno evidenziato le potenzialità offerte dall’informazione spettrale contenuta nelle immagini satellitari e consentono l’individuazione di alcune pratiche operative. D’altro canto hanno anche messo in luce le carenze dei modelli attualmente esistenti, nonché le criticità legate alla correzione atmosferica delle grandezze radiometriche rilevate.

Tecniche di utilizzo e classificazione di immagini satellitari multispettrali in un'ottica di pianificazione e gestione delle emergenze umanitarie

Il presente lavoro è inserito nel contesto di applicazioni che riguardano la pianificazione e gestione delle emergenze umanitarie. Gli aspetti che si sono voluti mettere in evidenza sono due. Da un lato l'importanza di conoscere le potenzialità dei dati che si hanno di fronte per poterli sfruttare al meglio. Dall'altro l'esigenza di creare prodotti che siano facilmente consultabili da parte dell'utente utilizzando due diverse tecniche per comprenderne le peculiarità. Gli strumenti che hanno permesso il presente studio sono stati tre: i principi del telerilevamento, il GIS e l'analisi di Change Detection.

DESIGN AND FABRICATION OF RESONANT GAS SENSOR FOR HIGH SENSITIVITY IN THE PRESENCE OF AIR DAMPING

Gas sensors have been used widely in different important area including industrial control, environmental monitoring, counter-terrorism and chemical production. Micro-fabrication offers a promising way to achieve sensitive and inexpensive gas sensors. Over the years, various MEMS gas sensors have been investigated and fabricated. One significant type of MEMS gas sensors is based on mass change detection and the integration with specific polymer. This dissertation aims to make contributions to the design and fabrication of MEMS resonant mass sensors with capacitance actuation and sensing that lead to improved sensitivity. To accomplish this goal, the research has several objectives: (1) Define an effective measure for evaluating the sensitivity of resonant mass devices; (2) Model the effects of air damping on microcantilevers and validate models using laser measurement system (3) Develop design guidelines for improving sensitivity in the presence of air damping; (4) Characterize the degree of uncertainty in performance arising from fabrication variation for one or more process sequences, and establish design guidelines for improved robustness. Work has been completed toward these objectives. An evaluation measure has been developed and compared to an RMS based measure. Analytic models of air damping for parallel plate that include holes are compared with a COMSOL model. The models have been used to identify cantilever design parameters that maximize sensitivity. Additional designs have been modeled with COMSOL and the development of an analytical model for Fixed-free cantilever geometries with holes has been developed. Two process flows have been implemented and compared. A number of cantilever designs have been fabricated and the uncertainty in process has been investigated. Variability from processing have been evaluated and characterized.

BEYOND ROOTS ALONE: NOVEL METHODOLOGIES FOR ANALYZING COMPLEX SOIL AND MINIRHIZOTRON IMAGERY USING IMAGE PROCESSING AND GIS TOOLS

Quantifying belowground dynamics is critical to our understanding of plant and ecosystem function and belowground carbon cycling, yet currently available tools for complex belowground image analyses are insufficient. We introduce novel techniques combining digital image processing tools and geographic information systems (GIS) analysis to permit semi-automated analysis of complex root and soil dynamics. We illustrate methodologies with imagery from microcosms, minirhizotrons, and a rhizotron, in upland and peatland soils. We provide guidelines for correct image capture, a method that automatically stitches together numerous minirhizotron images into one seamless image, and image analysis using image segmentation and classification in SPRING or change analysis in ArcMap. These methods facilitate spatial and temporal root and soil interaction studies, providing a framework to expand a more comprehensive understanding of belowground dynamics.

The assessment of visual short-term memory in considering the underlying processes and their relation to psychometric intelligence

By means of fixed-links modeling the present study assessed processes involved in visual short-term memory functioning and investigates how these processes are related to intelligence. Using a color change detection task, short-term memory demands increased across three experimental conditions as a function of number of presented stimuli. We measured amount of information retained in visual short-term memory by hit rate as well as speed of visual short-term memory scanning by reaction time. For both measures, fixed-links modeling revealed a constant process reflecting processes irrespective of task manipulation as well as two increasing processes reflecting the increasing short-term memory demands. For visual short-term memory scanning, a negative association between intelligence and the constant process was found but no relationship between intelligence and the increasing processes. Thus, basic processing speed, rather than speed influenced by visual short-term memory demands, differentiates between high- and low-intelligent individuals. Intelligence was positively related to the experimental processes of shortterm memory retention but not to the constant process. In sum, significant associations with intelligence were only obtained when the specific processes of short-term memory were decomposed emphasizing the importance of a thorough assessment of cognitive processes when investigating their relation to intelligence.

The Dissociation of Location and Object Working Memory using fMRI and MEG

Visual working memory (VWM) involves maintaining and processing visual information, often for the purpose of making immediate decisions. Neuroimaging experiments of VWM provide evidence in support of a neural system mainly involving a fronto-parietal neuronal network, but the role of specific brain areas is less clear. A proposal that has recently generated considerable debate suggests that a dissociation of object and location VWM occurs within the prefrontal cortex, in dorsal and ventral regions, respectively. However, re-examination of the relevant literature presents a more robust distribution suggestive of a general caudal-rostral dissociation from occipital and parietal structures, caudally, to prefrontal regions, rostrally, corresponding to location and object memory, respectively. The purpose of the present study was to identify a dissociation of location and object VWM across two imaging methods (magnetoencephalography, MEG, and functional magnetic imaging, fMRI). These two techniques provide complimentary results due the high temporal resolution of MEG and the high spatial resolution of fMRI. The use of identical location and object change detection tasks was employed across techniques and reported for the first time. Moreover, this study is the first to use matched stimulus displays across location and object VWM conditions. The results from these two imaging methods provided convergent evidence of a location and object VWM dissociation favoring a general caudal-rostral rather than the more common prefrontal dorsal-ventral view. Moreover, neural activity across techniques was correlated with behavioral performance for the first time and provided convergent results. This novel approach of combining imaging tools to study memory resulted in robust evidence suggesting a novel interpretation of location and object memory. Accordingly, this study presents a novel context within which to explore the neural substrates of WM across imaging techniques and populations.

Extraversion and short-term memory for chromatic stimuli: an event-related potential analysis.

The present study investigated extraversion-related individual differences in visual short-term memory (VSTM) functioning. Event related potentials were recorded from 50 introverts and 50 extraverts while they performed a VSTM task based on a color-change detection paradigm with three different set sizes. Although introverts and extraverts showed almost identical hit rates and reaction times, introverts displayed larger N1 amplitudes than extraverts independent of color change or set size. Extraverts also showed larger P3 amplitudes compared to introverts when there was a color change, whereas no extraversion-related difference in P3 amplitude was found in the no-change condition. Our findings provided the first experimental evidence that introverts' greater reactivity to punctuate physical stimulation, as indicated by larger N1 amplitude, also holds for complex visual stimulus patterns. Furthermore, P3 amplitude in the change condition was larger for extraverts than introverts suggesting higher sensitivity to context change. Finally, there were no extraversion-related differences in P3 amplitude dependent on set size. This latter finding does not support the resource allocation explanation as a source of differences between introverts and extraverts.

Detecting single-target changes in multiple object tracking: The case of peripheral vision

In the current study it is investigated whether peripheral vision can be used to monitor multi-ple moving objects and to detect single-target changes. For this purpose, in Experiment 1, a modified MOT setup with a large projection and a constant-position centroid phase had to be checked first. Classical findings regarding the use of a virtual centroid to track multiple ob-jects and the dependency of tracking accuracy on target speed could be successfully replicat-ed. Thereafter, the main experimental variations regarding the manipulation of to-be-detected target changes could be introduced in Experiment 2. In addition to a button press used for the detection task, gaze behavior was assessed using an integrated eye-tracking system. The anal-ysis of saccadic reaction times in relation to the motor response shows that peripheral vision is naturally used to detect motion and form changes in MOT because the saccade to the target occurred after target-change offset. Furthermore, for changes of comparable task difficulties, motion changes are detected better by peripheral vision than form changes. Findings indicate that capabilities of the visual system (e.g., visual acuity) affect change detection rates and that covert-attention processes may be affected by vision-related aspects like spatial uncertainty. Moreover, it is argued that a centroid-MOT strategy might reduce the amount of saccade-related costs and that eye-tracking seems to be generally valuable to test predictions derived from theories on MOT. Finally, implications for testing covert attention in applied settings are proposed.

Evidence for a perception memory continuum: an EEG study in a healthy population

In line with current memory theories of a perception-memory continuum along the ventral visual pathway, there is evidence that the specific profile of enhanced memory in special populations (e.g. synaesthesia) is based on increased perceptual sensitivity. The main goal of this study was to test in a more general population, if increased perceptual sensitivity is indeed associated with enhanced memory performance. We measured ERPs in response to simple perceptual stimuli biasing either the ventral or the dorsal route and established if perceptual sensitivity in response to ventrally (but not dorsally) processed stimuli is associated with visual short term memory performance in a change detection task. Preliminary results confirm the hypothesis and strengthen the assumption of a perceptual-memory-continuum.

Mapping decadal land cover changes in the woodlands of north eastern Namibia using the Landsat satellite archive (1975-2014)

Woodland savannahs provide essential ecosystem functions and services to communities. On the African continent, they are widely utilized and converted to intensive land uses. This study investigates the land cover changes of 108,038 km**2 in NE Namibia using multi-temporal, multi-sensor Landsat imagery, at decadal intervals from 1975 to 2014, with a post-classification change detection method and supervised Regression Tree classifiers. We discuss likely impacts of land tenure and reforms over the past four decades on changes in land use and land cover. These changes included losses, gains and exchanges between predominant land cover classes. Exchanges comprised logical conversions between woodland and agricultural classes, implying woodland clearing for arable farming, cropland abandonment and vegetation succession. The most dominant change was a reduction in the area of the woodland class due to the expansion of the agricultural class, specifically, small-scale cereal and pastoral production. Woodland area decreased from 90% of the study area in 1975 to 83% in 2014, while cleared land increased from 9% to 14%. We found that the main land cover changes are conversion from woodland to agricultural and urban land uses, driven by urban expansion and woodland clearing for subsistence-based agriculture and pastoralism.

Transformada Wavelet Compleja de Doble Árbol (DT-CWT) y su aplicación en Teledetección. Nuevos modelos y aplicaciones

La teledetección o percepción remota (remote sensing) es la ciencia que abarca la obtención de información (espectral, espacial, temporal) sobre un objeto, área o fenómeno a través del análisis de datos adquiridos por un dispositivo que no está en contacto con el elemento estudiado. Los datos obtenidos a partir de la teledetección para la observación de la superficie terrestre comúnmente son imágenes, que se caracterizan por contar con un sinnúmero de aplicaciones que están en continua evolución, por lo cual para solventar los constantes requerimientos de nuevas aplicaciones a menudo se proponen nuevos algoritmos que mejoran o facilitan algún proceso en particular. Para el desarrollo de dichos algoritmos, es preciso hacer uso de métodos matemáticos que permitan la manipulación de la información con algún fin específico. Dentro de estos métodos, el análisis multi-resolución se caracteriza por permitir analizar una señal en diferentes escalas, lo que facilita trabajar con datos que puedan tener resoluciones diferentes, tal es el caso de las imágenes obtenidas mediante teledetección. Una de las alternativas para la implementación de análisis multi-resolución es la Transformada Wavelet Compleja de Doble Árbol (DT-CWT). Esta transformada se implementa a partir de dos filtros reales y se caracteriza por presentar invariancia a traslaciones, precio a pagar por su característica de no ser críticamente muestreada. A partir de las características de la DT-CWT se propone su uso en el diseño de algoritmos de procesamiento de imagen, particularmente imágenes de teledetección. Estos nuevos algoritmos de procesamiento digital de imágenes de teledetección corresponden particularmente a fusión y detección de cambios. En este contexto esta tesis presenta tres algoritmos principales aplicados a fusión, evaluación de fusión y detección de cambios en imágenes. Para el caso de fusión de imágenes, se presenta un esquema general que puede ser utilizado con cualquier algoritmo de análisis multi-resolución; este algoritmo parte de la implementación mediante DT-CWT para luego extenderlo a un método alternativo, el filtro bilateral. En cualquiera de los dos casos la metodología implica que la inyección de componentes pueda realizarse mediante diferentes alternativas. En el caso del algoritmo de evaluación de fusión se presenta un nuevo esquema que hace uso de procesos de clasificación, lo que permite evaluar los resultados del proceso de fusión de forma individual para cada tipo de cobertura de uso de suelo que se defina en el proceso de evaluación. Esta metodología permite complementar los procesos de evaluación tradicionales y puede facilitar el análisis del impacto de la fusión sobre determinadas clases de suelo. Finalmente, los algoritmos de detección de cambios propuestos abarcan dos enfoques. El primero está orientado a la obtención de mapas de sequía en datos multi-temporales a partir de índices espectrales. El segundo enfoque propone la utilización de un índice global de calidad espectral como filtro espacial. La utilización de dicho filtro facilita la comparación espectral global entre dos imágenes, esto unido a la utilización de umbrales, conlleva a la obtención de imágenes diferencia que contienen la información de cambio. ABSTRACT Remote sensing is a science relates to information gathering (spectral, spatial, temporal) about an object, area or phenomenon, through the analysis of data acquired by a device that is not in contact with the studied item. In general, data obtained from remote sensing to observe the earth’s surface are images, which are characterized by having a number of applications that are constantly evolving. Therefore, to solve the constant requirements of applications, new algorithms are proposed to improve or facilitate a particular process. With the purpose of developing these algorithms, each application needs mathematical methods, such as the multiresolution analysis which allows to analyze a signal at different scales. One of the options is the Dual Tree Complex Wavelet Transform (DT-CWT) which is implemented from two real filters and is characterized by invariance to translations. Among the advantages of this transform is its successful application in image fusion and change detection areas. In this regard, this thesis presents three algorithms applied to image fusion, assessment for image fusion and change detection in multitemporal images. For image fusion, it is presented a general outline that can be used with any multiresolution analysis technique; this algorithm is proposed at first with DT-CWT and then extends to an alternative method, the bilateral filter. In either case the method involves injection of components by various means. For fusion assessment, the proposal is focused on a scheme that uses classification processes, which allows evaluating merger results individually for each type of land use coverage that is defined in evaluation process. This methodology allows complementing traditional assessment processes and can facilitate impact analysis of the merger on certain kinds of soil. Finally, two approaches of change detection algorithms are included. The first is aimed at obtaining drought maps in multitemporal data from spectral indices. The second one takes a global index of spectral quality as a spatial filter. The use of this filter facilitates global spectral comparison between two images and by means of thresholding, allows imaging containing change information.

Spatial distribution and morphometric analysis of thermokarst lakes and other water bodies : Case study from the sporadic permafrost region, Tavvavuoma, Sweden

Projected air and ground temperatures are expected to be higher in Arctic and sub-Arcticlatitudes and with temperatures already close to the limit where permafrost can exist,resistance against degradation is low. With thawing permafrost, the landscape is modifiedwith depression in which thermokarst lakes emerge. In permafrost soils a considerableamount of soil organic carbon is stored, with the potential of altering climate even furtherif expansion and formation of new thermokarst lakes emerge, as decay releasesgreenhouse gases (C02 and CH4) to the atmosphere. Analyzing the spatial distribution andmorphometry over time of thermokarst lakes and other water bodies, is of importance inaccurately predict carbon budget and feedback mechanisms, as well as to assess futurelandscape layout and these features interaction. Different types of high-spatial resolutionaerial and satellite imageries from 1963, 1975, 2003, 2010 and 2015, were used in bothpre- and post-classification change detection analyses. Using object oriented segmentationin eCognition combined with manual adjustments, resulted in digitalized water bodies>28m2 from which direction of change and morphometric values were extracted. Thequantity of thermokarst lakes and other water bodies was in 1963 n=92, with succeedingyears as a trend decreased in numbers, until 2010-2015 when eleven water bodies wereadded in 2015 (n=74 to n=85). In 1963-2003, area of these water bodies decreased with50 651m2 (189 446-138 795m2) and continued to decrease in 2003-2015 ending at 129337m2. Limnicity decreased from 19.9% in 1963 to 14.6% in 2003 (-5.3%). In 2010 and2015 13.7-13.6%. The late increase in water bodies differs from an earlier hypothesis thatsporadic permafrost regions experience decrease in both area and quantity of thermokarstlakes and water bodies. During 1963-2015, land gain has been in dominance of the ratiobetween the two competing processes of expansion and drainage. In 1963-1975, 55/45%,followed by 90/10% in 1975-2003. After major drainage events, land loss increased to62/38% in 2010-2015. Drainage and infilling rates, calculated for 15 shorelines werevaried across both landscape and parts of shorelines, with in average 0.17/0.15/0.14m/yr.Except for 1963-1975 when rate of change in average was in opposite direction (-0.09m/yr.), likely due to evident expansion of a large thermokarst lake. Using a squaregrid, distribution of water bodies was determined, with an indistinct cluster located in NEand central parts. Especially for water bodies <250m2, which is the dominant area classthroughout 1963-2015 ranging from n=39-51. With a heterogeneous composition of bothsmall and large thermokarst lakes, and with both expansion and drainage altering thelandscape in Tavvavuoma, both positive and negative climate feedback mechanisms are inplay - given that sporadic permafrost still exist.