Mapping Macrophyte Species in the Amazon Floodplain Wetlands Using Fully Polarimetric ALOS/PALSAR Data

The purpose of this paper was to evaluate attributes derived from fully polarimetric PALSAR data to discriminate and map macrophyte species in the Amazon floodplain wetlands. Fieldwork was carried out almost simultaneously to the radar acquisition, and macrophyte biomass and morphological variables were measured in the field. Attributes were calculated from the covariance matrix [C] derived from the single-look complex data. Image attributes and macrophyte variables were compared and analyzed to investigate the sensitivity of the attributes for discriminating among species. Based on these analyses, a rule-based classification was applied to map macrophyte species. Other classification approaches were tested and compared to the rule-based method: a classification based on the Freeman-Durden and Cloude-Pottier decomposition models, a hybrid classification (Wishart classifier with the input classes based on the H/a plane), and a statistical-based classification (supervised classification using Wishart distance measures). The findings show that attributes derived from fully polarimetric L-band data have good potential for discriminating herbaceous plant species based on morphology and that estimation of plant biomass and productivity could be improved by using these polarimetric attributes.

L’utilisation de la polarimétrie radar et de la décomposition de Touzi pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales des milieux humides : le cas du Lac Saint-Pierre.

Les milieux humides remplissent plusieurs fonctions écologiques d’importance et contribuent à la biodiversité de la faune et de la flore. Même s’il existe une reconnaissance croissante sur l’importante de protéger ces milieux, il n’en demeure pas moins que leur intégrité est encore menacée par la pression des activités humaines. L’inventaire et le suivi systématique des milieux humides constituent une nécessité et la télédétection est le seul moyen réaliste d’atteindre ce but. L’objectif de cette thèse consiste à contribuer et à améliorer la caractérisation des milieux humides en utilisant des données satellites acquises par des radars polarimétriques en bande L (ALOS-PALSAR) et C (RADARSAT-2). Cette thèse se fonde sur deux hypothèses (chap. 1). La première hypothèse stipule que les classes de physionomies végétales, basées sur la structure des végétaux, sont plus appropriées que les classes d’espèces végétales car mieux adaptées au contenu informationnel des images radar polarimétriques. La seconde hypothèse stipule que les algorithmes de décompositions polarimétriques permettent une extraction optimale de l’information polarimétrique comparativement à une approche multipolarisée basée sur les canaux de polarisation HH, HV et VV (chap. 3). En particulier, l’apport de la décomposition incohérente de Touzi pour l’inventaire et le suivi de milieux humides est examiné en détail. Cette décomposition permet de caractériser le type de diffusion, la phase, l’orientation, la symétrie, le degré de polarisation et la puissance rétrodiffusée d’une cible à l’aide d’une série de paramètres extraits d’une analyse des vecteurs et des valeurs propres de la matrice de cohérence. La région du lac Saint-Pierre a été sélectionnée comme site d’étude étant donné la grande diversité de ses milieux humides qui y couvrent plus de 20 000 ha. L’un des défis posés par cette thèse consiste au fait qu’il n’existe pas de système standard énumérant l’ensemble possible des classes physionomiques ni d’indications précises quant à leurs caractéristiques et dimensions. Une grande attention a donc été portée à la création de ces classes par recoupement de sources de données diverses et plus de 50 espèces végétales ont été regroupées en 9 classes physionomiques (chap. 7, 8 et 9). Plusieurs analyses sont proposées pour valider les hypothèses de cette thèse (chap. 9). Des analyses de sensibilité par diffusiogramme sont utilisées pour étudier les caractéristiques et la dispersion des physionomies végétales dans différents espaces constitués de paramètres polarimétriques ou canaux de polarisation (chap. 10 et 12). Des séries temporelles d’images RADARSAT-2 sont utilisées pour approfondir la compréhension de l’évolution saisonnière des physionomies végétales (chap. 12). L’algorithme de la divergence transformée est utilisé pour quantifier la séparabilité entre les classes physionomiques et pour identifier le ou les paramètres ayant le plus contribué(s) à leur séparabilité (chap. 11 et 13). Des classifications sont aussi proposées et les résultats comparés à une carte existante des milieux humide du lac Saint-Pierre (14). Finalement, une analyse du potentiel des paramètres polarimétrique en bande C et L est proposé pour le suivi de l’hydrologie des tourbières (chap. 15 et 16). Les analyses de sensibilité montrent que les paramètres de la 1re composante, relatifs à la portion dominante (polarisée) du signal, sont suffisants pour une caractérisation générale des physionomies végétales. Les paramètres des 2e et 3e composantes sont cependant nécessaires pour obtenir de meilleures séparabilités entre les classes (chap. 11 et 13) et une meilleure discrimination entre milieux humides et milieux secs (chap. 14). Cette thèse montre qu’il est préférable de considérer individuellement les paramètres des 1re, 2e et 3e composantes plutôt que leur somme pondérée par leurs valeurs propres respectives (chap. 10 et 12). Cette thèse examine également la complémentarité entre les paramètres de structure et ceux relatifs à la puissance rétrodiffusée, souvent ignorée et normalisée par la plupart des décompositions polarimétriques. La dimension temporelle (saisonnière) est essentielle pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales (chap. 12, 13 et 14). Des images acquises au printemps (avril et mai) sont nécessaires pour discriminer les milieux secs des milieux humides alors que des images acquises en été (juillet et août) sont nécessaires pour raffiner la classification des physionomies végétales. Un arbre hiérarchique de classification développé dans cette thèse constitue une synthèse des connaissances acquises (chap. 14). À l’aide d’un nombre relativement réduit de paramètres polarimétriques et de règles de décisions simples, il est possible d’identifier, entre autres, trois classes de bas marais et de discriminer avec succès les hauts marais herbacés des autres classes physionomiques sans avoir recours à des sources de données auxiliaires. Les résultats obtenus sont comparables à ceux provenant d’une classification supervisée utilisant deux images Landsat-5 avec une exactitude globale de 77.3% et 79.0% respectivement. Diverses classifications utilisant la machine à vecteurs de support (SVM) permettent de reproduire les résultats obtenus avec l’arbre hiérarchique de classification. L’exploitation d’une plus forte dimensionalitée par le SVM, avec une précision globale maximale de 79.1%, ne permet cependant pas d’obtenir des résultats significativement meilleurs. Finalement, la phase de la décomposition de Touzi apparaît être le seul paramètre (en bande L) sensible aux variations du niveau d’eau sous la surface des tourbières ouvertes (chap. 16). Ce paramètre offre donc un grand potentiel pour le suivi de l’hydrologie des tourbières comparativement à la différence de phase entre les canaux HH et VV. Cette thèse démontre que les paramètres de la décomposition de Touzi permettent une meilleure caractérisation, de meilleures séparabilités et de meilleures classifications des physionomies végétales des milieux humides que les canaux de polarisation HH, HV et VV. Le regroupement des espèces végétales en classes physionomiques est un concept valable. Mais certaines espèces végétales partageant une physionomie similaire, mais occupant un milieu différent (haut vs bas marais), ont cependant présenté des différences significatives quant aux propriétés de leur rétrodiffusion.

Informação polarimétrica PALSAR/ALOS aplicada à discriminação de espécies e estimação de parâmetros morfológicos de macrófitas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Investigations on the full polarimetric PALSAR data to discriminate macrophytes species in the Amazon floodplain wetland

The purpose of this work is to evaluate the capacity of full polarimetric L band data to discriminate macrophyte species in Amazon wetland. Fieldwork was carried out almost simultaneously to the acquisition of the full polarimetric PALSAR data. Coherent and incoherent attributes were extracted from the image, and macrophyte morphological variables were measured on the ground. The image attributes and the macrophyte variables were compared in order to evaluate their application for discriminating macrophytes species. The findings suggest that polarimetric information could be adopted to discriminate plant species based on morphology, and that estimation of plant biomass and productivity could be improved by using the polarimetric information. © 2010 IEEE.

In Situ Observation of the Thermal Decomposition of Weddelite by Heating Stage Environmental Scanning Electron Microscopy

The morphological and chemical changes occurring during the thermal decomposition of weddelite, CaC2O4·2H2O, have been followed in real time in a heating stage attached to an Environmental Scanning Electron Microscope operating at a pressure of 2 Torr, with a heating rate of 10 °C/min and an equilibration time of approximately 10 min. The dehydration step around 120 °C and the loss of CO around 425 °C do not involve changes in morphology, but changes in the composition were observed. The final reaction of CaCO3 to CaO while evolving CO2 around 600 °C involved the formation of chains of very small oxide particles pseudomorphic to the original oxalate crystals. The change in chemical composition could only be observed after cooling the sample to 350 °C because of the effects of thermal radiation.

Thermal decomposition of the synthetic hydrotalcite iowaite

The thermal stability and thermal decomposition pathways for synthetic iowaite have been determined using thermogravimetry in conjunction with evolved gas mass spectrometry. Chemical analysis showed the formula of the synthesised iowaite to be Mg6.27Fe1.73(Cl)1.07(OH)16(CO3)0.336.1H2O and X-ray diffraction confirms the layered structure. Dehydration of the iowaite occurred at 35 and 79°C. Dehydroxylation occurred at 254 and 291°C. Both steps were associated with the loss of CO2. Hydrogen chloride gas was evolved in two steps at 368 and 434°C. The products of the thermal decomposition were MgO and a spinel MgFe2O4. Experimentally it was found to be difficult to eliminate CO2 from inclusion in the interlayer during the synthesis of the iowaite compound and in this way the synthesised iowaite resembled the natural mineral.

Composite load model decomposition : induction motor contribution

In this thesis, a new technique has been developed for determining the composition of a collection of loads including induction motors. The application would be to provide a representation of the dynamic electrical load of Brisbane so that the ability of the power system to survive a given fault can be predicted. Most of the work on load modelling to date has been on post disturbance analysis, not on continuous on-line models for loads. The post disturbance methods are unsuitable for load modelling where the aim is to determine the control action or a safety margin for a specific disturbance. This thesis is based on on-line load models. Dr. Tania Parveen considers 10 induction motors with different power ratings, inertia and torque damping constants to validate the approach, and their composite models are developed with different percentage contributions for each motor. This thesis also shows how measurements of a composite load respond to normal power system variations and this information can be used to continuously decompose the load continuously and to characterize regarding the load into different sizes and amounts of motor loads.