Geospatial assessment of pest-induced forest damage through the use of UAV-bases NIR imaging and Gi-technology

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Caracterização espectral da água do reservatório de Itupararanga, SP, a partir de imagens hiperespectrais hyperion e análise derivativa

The current accessibility to hyperspectral images of Hyperion/EO1 orbital sensor has brought new perspectives for studies of aquatic environments for allowing the remote estimative of several optically active constituents (OACs) in water body. The changes in the composition and concentration of OACs cause different patterns of absorption and scattering of electromagnetic radiation, likely to be detected using hyperspectral data. Therefore, an investigation was conducted taking into account the spectral characterization of water of a reservoir intended for public supply (Itupararanga Reservoir), from Hyperion/EO1 images and derivative analysis technique applied to spectral curves generated. Simultaneously to the acquisition of a Hyperion/EO1 image, a field campaign was carried out to collect limnological data in situ in georeferenced points. After radiometric correction of the image, reflectance curves of pixels were extracted for each station and the curves obtained were subjected to the technique of derivative analysis, which revealed features of absorption and scattering mainly associated to the presence of algal pigments. The results obtained show the presence of phytoplankton and algal activity, matching the field observation.

Orientação de imagens CBERS-2B usando o modelo rigoroso de colinearidade com dados orbitais

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

Monitoring spinach shelf-life with hyperspectral image through

Different procedures for monitoring the evolution of leafy vegetables, under plastic covers during cold storage, have been studied. Fifteen spinach leaves were put inside Petri dishes covered with three different plastic films and stored at 4 °C for 21 days. Hyperspectral images were taken during this storage. A radiometric correction is proposed in order to avoid the variation in transmittance of the plastic films during time in the hyperspectral images. Afterwards, three spectral pre-processing procedures (no pre-process, Savitsky–Golay and Standard Normal Variate, combined with Principal Component Analysis) were applied to obtain different models. The corresponding artificial images of scores were studied by means of Analysis of Variance to compare their ability to sense the aging of the leaves. All models were able to monitor the aging through storage. Radiometric correction seemed to work properly and could allow the supervision of shelf-life in leafy vegetables through commercial transparent films.

Características espectrais da soja ao longo do ciclo vegetativo com imagens landsat 5/TM em área agrícola no oeste do Paraná

The objective of this study was to analyze changes in the spectral behavior of the soybean crop through spectral profiles of the vegetation indexes NDVI and GVI, expressed by different physical values such as apparent bi-directional reflectance factor (BRF), surface BRF, and normalized BRF derived from images of the Landsat 5/TM. A soybean area located in Cascavel, Paraná, was monitored by using five images of Landsat 5/TM during the 2004/2005 harvesting season. The images were submitted to radiometric transformation, atmospheric correction and normalization, determining physical values of apparent BRF, surface BRF and normalized BRF. NDVI and GVI images were generated in order to distinguish the soybean biomass spectral response. The treatments showed different results for apparent, surface and normalized BRF. Through the profiles of average NDVI and GVI, it was possible to monitor the entire soybean cycle, characterizing its development. It was also observed that the data from normalized BRF negatively affected the spectral curve of soybean crop, mainly, during the phase of vegetative growth, in the 12-9-2004 image.

Class II Correction with the Cantilever Bite Jumper

Objective: To identify the skeletal, dentoalveolar, and soft tissue changes that occur during Class II correction with the Cantilever Bite Jumper (CBJ). Materials and Methods: This prospective cephalometric study was conducted on 26 subjects with Class II division 1 malocclusion treated with the CBJ appliance. A comparison was made with 26 untreated subjects with Class II malocclusion. Lateral head films from before and after CBJ therapy were analyzed through conventional cephalometric and Johnston analyses. Results: Class II correction was accomplished by means of 2.9 mm apical base change, 1.5 mm distal movement of the maxillary molars, and 1.1 mm mesial movement of the mandibular molars. The CBJ exhibited good control of the vertical dimension. The main side effect of the CBJ is that the vertical force vectors of the telescope act as lever arms and can produce mesial tipping of the mandibular molars. Conclusions: The Cantilever Bite Jumper corrects Class II malocclusions with similar percentages of skeletal and dentoalveolar effects. (Angle Orthod. 2009:79;)

Offline Detection, Identification, and Correction of Branch Parameter Errors Based on Several Measurement Snapshots

This paper proposes a three-stage offline approach to detect, identify, and correct series and shunt branch parameter errors. In Stage 1 the branches suspected of having parameter errors are identified through an Identification Index (II). The II of a branch is the ratio between the number of measurements adjacent to that branch, whose normalized residuals are higher than a specified threshold value, and the total number of measurements adjacent to that branch. Using several measurement snapshots, in Stage 2 the suspicious parameters are estimated, in a simultaneous multiple-state-and-parameter estimation, via an augmented state and parameter estimator which increases the V - theta state vector for the inclusion of suspicious parameters. Stage 3 enables the validation of the estimation obtained in Stage 2, and is performed via a conventional weighted least squares estimator. Several simulation results (with IEEE bus systems) have demonstrated the reliability of the proposed approach to deal with single and multiple parameter errors in adjacent and non-adjacent branches, as well as in parallel transmission lines with series compensation. Finally the proposed approach is confirmed on tests performed on the Hydro-Quebec TransEnergie network.

Friction loss correction in flowing well discharge tests

Artesian confined aquifers do not need pumping energy, and water from the aquifer flows naturally at the wellhead. This study proposes correcting the method for analyzing flowing well tests presented by Jacob and Lohman (1952) by considering the head losses due to friction in the well casing. The application of the proposed correction allowed the determination of a transmissivity (T = 411 m(2)/d) and storage coefficient (S = 3 x 10(-4)) which appear to be representative for the confined Guarani Aquifer in the study area. Ignoring the correction due to head losses in the well casing, the error in transmissivity evaluation is about 18%. For the storage coefficient the error is of 5 orders of magnitude, resulting in physically unacceptable value. The effect of the proposed correction on the calculated radius of the cone of depression and corresponding well interference is also discussed.

Quantum error correction for continuously detected errors

We show that quantum feedback control can be used as a quantum-error-correction process for errors induced by a weak continuous measurement. In particular, when the error model is restricted to one, perfectly measured, error channel per physical qubit, quantum feedback can act to perfectly protect a stabilizer codespace. Using the stabilizer formalism we derive an explicit scheme, involving feedback and an additional constant Hamiltonian, to protect an (n-1)-qubit logical state encoded in n physical qubits. This works for both Poisson (jump) and white-noise (diffusion) measurement processes. Universal quantum computation is also possible in this scheme. As an example, we show that detected-spontaneous emission error correction with a driving Hamiltonian can greatly reduce the amount of redundancy required to protect a state from that which has been previously postulated [e.g., Alber , Phys. Rev. Lett. 86, 4402 (2001)].

Bayesian analysis of the error correction model

This paper presents a method for estimating the posterior probability density of the cointegrating rank of a multivariate error correction model. A second contribution is the careful elicitation of the prior for the cointegrating vectors derived from a prior on the cointegrating space. This prior obtains naturally from treating the cointegrating space as the parameter of interest in inference and overcomes problems previously encountered in Bayesian cointegration analysis. Using this new prior and Laplace approximation, an estimator for the posterior probability of the rank is given. The approach performs well compared with information criteria in Monte Carlo experiments. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Two-dimensional approximation for tidal dynamics in coastal aquifers: Capillarity correction

Most previous investigations on tide-induced watertable fluctuations in coastal aquifers have been based on one-dimensional models that describe the processes in the cross-shore direction alone, assuming negligible along-shore variability. A recent study proposed a two-dimensional approximation for tide-induced watertable fluctuations that took into account coastline variations. Here, we further develop this approximation in two ways, by extending the approximation to second order and by taking into account capillary effects. Our results demonstrate that both effects can markedly influence watertable fluctuations. In particular, with the first-order approximation, the local damping rate of the tidal signal could be subject to sizable errors.

The design of planar gradient coils. Part I: A winding path correction method

In this work a new approach for designing planar gradient coils is outlined for the use in an existing MRI apparatus. A technique that allows for gradient field corrections inside the diameter-sensitive volume is deliberated. These corrections are brought about by making changes to the wire paths that constitute the coil windings, and hence, is called the path correction method. The existing well-known target held method is used to gauge the performance of a typical gradient coil. The gradient coil design methodology is demonstrated for planar openable gradient coils that can be inserted into an existing MRI apparatus. The path corrected gradient coil is compared to the coil obtained using the target field method. It is shown that using a wire path correction with optimized variables, winding patterns that can deliver high magnetic gradient field strengths and large imaging regions can be obtained.

Surgical Correction of Aesthetically Deformed Eyebrows Using Local Transposition Flaps

Eyebrow positions differ in many ways. They vary in shape, thickness, length, and distance between the eyebrows, making the face more or less harmonious. When a large distance exists between the eyebrows and the medial brow is slanting downward, the glabellar area is larger, giving the face an awkward appearance. To correct this deformity, the authors propose using two Z-plasties to allow transposition of flaps in the region of the medial brow. The Z-shaped flap is outlined at the medial third of the brow, in the glabellar region, with the eyebrow centered in the lower portion of the ""Z"" and the hairless skin in the upper portion. The flaps then are transposed and sutured. Transposition of the flaps, lifting the brow flap to the glabellar region, results in horizontal positioning of the medial and central third of the eyebrow. The proposed transpositioning of ""Z"" flaps in this region corrects this type of deformity of the medial and central portions of the eyebrows, with an aesthetically satisfactory result.