Modeled monthly local topographic lapse rates, Pacific Northwest, USA

An emerging approach to downscaling the projections from General Circulation Models (GCMs) to scales relevant for basin hydrology is to use output of GCMs to force higher-resolution Regional Climate Models (RCMs). With spatial resolution often in the tens of kilometers, however, even RCM output will likely fail to resolve local topography that may be climatically significant in high-relief basins. Here we develop and apply an approach for downscaling RCM output using local topographic lapse rates (empirically-estimated spatially and seasonally variable changes in climate variables with elevation). We calculate monthly local topographic lapse rates from the 800-m Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model (PRISM) dataset, which is based on regressions of observed climate against topographic variables. We then use these lapse rates to elevationally correct two sources of regional climate-model output: (1) the North American Regional Reanalysis (NARR), a retrospective dataset produced from a regional forecasting model constrained by observations, and (2) a range of baseline climate scenarios from the North American Regional Climate Change Assessment Program (NARCCAP), which is produced by a series of RCMs driven by GCMs. By running a calibrated and validated hydrologic model, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), using observed station data and elevationally-adjusted NARR and NARCCAP output, we are able to estimate the sensitivity of hydrologic modeling to the source of the input climate data. Topographic correction of regional climate-model data is a promising method for modeling the hydrology of mountainous basins for which no weather station datasets are available or for simulating hydrology under past or future climates.

Enhanced processing of SPOT multispectral satellite imagery for environmental monitoring and modelling

The Taita Hills in southeastern Kenya form the northernmost part of Africa’s Eastern Arc Mountains, which have been identified by Conservation International as one of the top ten biodiversity hotspots on Earth. As with many areas of the developing world, over recent decades the Taita Hills have experienced significant population growth leading to associated major changes in land use and land cover (LULC), as well as escalating land degradation, particularly soil erosion. Multi-temporal medium resolution multispectral optical satellite data, such as imagery from the SPOT HRV, HRVIR, and HRG sensors, provides a valuable source of information for environmental monitoring and modelling at a landscape level at local and regional scales. However, utilization of multi-temporal SPOT data in quantitative remote sensing studies requires the removal of atmospheric effects and the derivation of surface reflectance factor. Furthermore, for areas of rugged terrain, such as the Taita Hills, topographic correction is necessary to derive comparable reflectance throughout a SPOT scene. Reliable monitoring of LULC change over time and modelling of land degradation and human population distribution and abundance are of crucial importance to sustainable development, natural resource management, biodiversity conservation, and understanding and mitigating climate change and its impacts. The main purpose of this thesis was to develop and validate enhanced processing of SPOT satellite imagery for use in environmental monitoring and modelling at a landscape level, in regions of the developing world with limited ancillary data availability. The Taita Hills formed the application study site, whilst the Helsinki metropolitan region was used as a control site for validation and assessment of the applied atmospheric correction techniques, where multiangular reflectance field measurements were taken and where horizontal visibility meteorological data concurrent with image acquisition were available. The proposed historical empirical line method (HELM) for absolute atmospheric correction was found to be the only applied technique that could derive surface reflectance factor within an RMSE of < 0.02 ps in the SPOT visible and near-infrared bands; an accuracy level identified as a benchmark for successful atmospheric correction. A multi-scale segmentation/object relationship modelling (MSS/ORM) approach was applied to map LULC in the Taita Hills from the multi-temporal SPOT imagery. This object-based procedure was shown to derive significant improvements over a uni-scale maximum-likelihood technique. The derived LULC data was used in combination with low cost GIS geospatial layers describing elevation, rainfall and soil type, to model degradation in the Taita Hills in the form of potential soil loss, utilizing the simple universal soil loss equation (USLE). Furthermore, human population distribution and abundance were modelled with satisfactory results using only SPOT and GIS derived data and non-Gaussian predictive modelling techniques. The SPOT derived LULC data was found to be unnecessary as a predictor because the first and second order image texture measurements had greater power to explain variation in dwelling unit occurrence and abundance. The ability of the procedures to be implemented locally in the developing world using low-cost or freely available data and software was considered. The techniques discussed in this thesis are considered equally applicable to other medium- and high-resolution optical satellite imagery, as well the utilized SPOT data.

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.

Aspectos topográficos na dinâmica espaço-temporal do saldo de radiação

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Integrating JERS-1 imaging radar and elevation models for mapping tropical rainforest communities in far North Queensland, Australia

The Wet Tropics World Heritage Area in Far North Queens- land, Australia consists predominantly of tropical rainforest and wet sclerophyll forest in areas of variable relief. Previous maps of vegetation communities in the area were produced by a labor-intensive combination of field survey and air-photo interpretation. Thus,. the aim of this work was to develop a new vegetation mapping method based on imaging radar that incorporates topographical corrections, which could be repeated frequently, and which would reduce the need for detailed field assessments and associated costs. The method employed G topographic correction and mapping procedure that was developed to enable vegetation structural classes to be mapped from satellite imaging radar. Eight JERS-1 scenes covering the Wet Tropics area for 1996 were acquired from NASDA under the auspices of the Global Rainforest Mapping Project. JERS scenes were geometrically corrected for topographic distortion using an 80 m DEM and a combination of polynomial warping and radar viewing geometry modeling. An image mosaic was created to cover the Wet Tropics region, and a new technique for image smoothing was applied to the JERS texture bonds and DEM before a Maximum Likelihood classification was applied to identify major land-cover and vegetation communities. Despite these efforts, dominant vegetation community classes could only be classified to low levels of accuracy (57.5 percent) which were partly explained by the significantly larger pixel size of the DEM in comparison to the JERS image (12.5 m). In addition, the spatial and floristic detail contained in the classes of the original validation maps were much finer than the JERS classification product was able to distinguish. In comparison to field and aerial photo-based approaches for mapping the vegetation of the Wet Tropics, appropriately corrected SAR data provides a more regional scale, all-weather mapping technique for broader vegetation classes. Further work is required to establish an appropriate combination of imaging radar with elevation data and other environmental surrogates to accurately map vegetation communities across the entire Wet Tropics.

Cone location and correction of keratoconus with rigid gas-permeable contact lenses

Purpose To evaluate the influence of cone location and corneal cylinder on RGP corrected visual acuities and residual astigmatism in patients with keratoconus. Methods In this prospective study, 156 eyes from 134 patients were enrolled. Complete ophthalmologic examination including manifest refraction, Best spectacle visual acuity (BSCVA), slit-lamp biomicroscopy was performed and corneal topography analysis was done. According to the cone location on the topographic map, the patients were divided into central and paracentral cone groups. Trial RGP lenses were selected based on the flat Sim K readings and a ‘three-point touch’ fitting approach was used. Over contact lens refraction was performed, residual astigmatism (RA) was measured and best-corrected RGP visual acuities (RGPVA) were recorded. Results The mean age (±SD) was 22.1 ± 5.3 years. 76 eyes (48.6%) had central and 80 eyes (51.4%) had paracentral cone. Prior to RGP lenses fitting mean (±SD) subjective refraction spherical equivalent (SRSE), subjective refraction astigmatism (SRAST) and BSCVA (logMAR) were −5.04 ± 2.27 D, −3.51 ± 1.68 D and 0.34 ± 0.14, respectively. There were statistically significant differences between central and paracentral cone groups in mean values of SRSE, SRAST, flat meridian (Sim K1), steep meridian (Sim K2), mean K and corneal cylinder (p-values < 0.05). Comparison of BSCVA to RGPVA shows that vision has improved 0.3 logMAR by RGP lenses (p < 0.0001). Mean (±SD) RA was −0.72 ± 0.39 D. There were no statistically significant differences between RGPVAs and RAs of central and paracentral cone groups (p = 0.22) and (p = 0.42), respectively. Pearson's correlation analysis shows that there is a statistically significant relationship between corneal cylinder and BSCVA and RGPVA, However, the relationship between corneal cylinder and residual astigmatism was not significant. Conclusions Cone location has no effect on the RGP corrected visual acuities and residual astigmatism in patients with keratoconus. Corneal cylinder and Sim K values influence RGP-corrected visual acuities but do not influence residual astigmatism.

Outcomes of correction of internal hip rotation in patients with spastic cerebral palsy using proximal femoral osteotomy

Internal hip rotation (IHR) is the major cause of intoeing gait in patients with cerebral palsy (CP). Femoral derotation osteotomy (FDO) is the preferred treatment to correct excessive anteversion, however the condition may persist or recur postoperatively. Retrospective clinical and kinematic evaluation of 75 spastic diplegic CP patients was conducted for a mean duration of 22 months following proximal FDO. The patients were divided into two groups depending on the correction or persistence of IHR evident at kinematics after surgery. If corrected, mean patient follow-up was extended to 53 months. Outcomes were analyzed using Two Proportions Equality, Mann-Whitney and Wilcoxon tests. IHR persisted in 33.3% of cases at mean follow-up of 22 months and subtrochanteric femur osteotomy was more frequent in this group (p = 0.033). Thirty-five of the fifty-four patients with first-round gait correction were monitored during the extended follow-up. Those for whom IHR recurred (9.5%) had undergone FDO at a comparatively younger age. Patient gender, operations prior to or at the time of femoral osteotomy, topographic classification, GMFCS level, or the extent of preoperative clinical and kinematic abnormalities had no apparent influence on persistence or recurrence of abnormal gait. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Omega propagation correction tables for 10.2 kHz.

Mode of access: Internet.

Loran-C RHO-RHO secondary phase correction table : north Atlantic /

Chiefly tables.