A One Year Landsat 8 Conterminous United States Study of Cirrus and Non-Cirrus Clouds

The first year of available Landsat 8 data over the conterminous United States (CONUS), composed of 11,296 acquisitions sensed over more than 11 thousand million 30 m pixel locations, was analyzed comparing the spatial and temporal incidence of 30 m cloud and cirrus states available in the standard Landsat 8 Level 1 product suite. This comprehensive data analysis revealed that on average over a year of CONUS observations (i) 35.9% were detected with high confidence cloud, with spatio-temporal patterns similar to those observed by previous Landsat 5 and 7 cloud analyses; (ii) 28.2% were high confidence cirrus; (iii) 20.1% were both high confidence cloud and high confidence cirrus; and (iv) 6.9% were detected as high confidence cirrus but low confidence cloud. The results illustrate the potential of the 30 m cloud and cirrus states available in the standard Landsat 8 Level 1 product suite but imply that the historical CONUS Landsat archive has about 7% of undetected cirrus contaminated pixels. Systematic cloud detection commission errors over a minority of highly reflective exposed soil/sand surfaces were found and it is recommended that caution be taken when using the currently available Landsat 8 cloud data over similar surfaces

Evaluating Landsat 8 evapotranspiration for water use mapping in the Colorado River Basin

AbstractEvapotranspiration (ET) mapping at the Landsat spatial resolution (100m) is essential to fully understand water use and water availability at the field scale. Water use estimates in the Colorado River Basin (CRB), which has diverse ecosystems and complex hydro-climatic regions, will be helpful to water planners and managers. Availability of Landsat 8 images, starting in 2013, provides the opportunity to map ET in the CRB to assess spatial distribution and patterns of water use. The Operational Simplified Surface Energy Balance (SSEBop) model was used with 528 Landsat 8 images to create seamless monthly and annual ET estimates at the inherent 100m thermal band resolution. Annual ET values were summarized by land use/land cover classes. Croplands were the largest consumer of “blue” water while shrublands consumed the most “green” water. Validation using eddy covariance (EC) flux towers and water balance approaches showed good accuracy levels with R2 ranging from 0.74 to 0.95 and the Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient ranging from 0.66 to 0.91. The root mean square error (and percent bias) ranged from 0.48mm (13%) to 0.60mm (22%) for daily (days of satellite overpass) ET and from 7.75mm (2%) to 13.04mm (35%) for monthly ET. The spatial and temporal distribution of ET indicates the utility of Landsat 8 for providing important information about ET dynamics across the landscape. Annual crop water use was estimated for five selected irrigation districts in the Lower CRB where annual ET per district ranged between 681mm to 772mm. Annual ET by crop type over the Maricopa Stanfield irrigation district ranged from a low of 384mm for durum wheat to a high of 990mm for alfalfa fields. A rainfall analysis over the five districts suggested that, on average, 69% of the annual ET was met by irrigation. Although the enhanced cloud-masking capability of Landsat 8 based on the cirrus band and utilization of the Fmask algorithm improved the removal of contaminated pixels, the ability to reliably estimate ET over clouded areas remains an important challenge. Overall, the performance of Landsat 8 based ET compared to available EC datasets and water balance estimates for a complex basin such as the CRB demonstrates the potential of using Landsat 8 for annual water use estimation at a national scale. Future efforts will focus on (a) use of consistent methodology across years, (b) integration of multiple sensors to maximize images used, and (c) employing cloud-computing platforms for large scale processing capabilities

Enhancing Landsat time series through multi-sensor fusion and integration of meteorological data

Over 50 years ago, the United States Interior Secretary, Stewart Udall, directed space agencies to gather "facts about the natural resources of the earth." Today global climate change and human modification make earth observations from all variety of sensors essential to understand and adapt to environmental change. The Landsat program has been an invaluable source for understanding the history of the land surface, with consistent observations from the Thematic Mapper (TM) and Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) sensors since 1982. This dissertation develops and explores methods for enhancing the TM/ETM+ record by fusing other data sources, specifically, Landsat 8 for future continuity, radar data for tropical forest monitoring, and meteorological data for semi-arid vegetation dynamics. Landsat 8 data may be incorporated into existing time series of Landsat 4-7 data for applications like change detection, but vegetation trend analysis requires calibration, especially when using the near-infrared band. The improvements in radiometric quality and cloud masking provided by Landsat 8 data reduce noise compared to previous sensors. Tropical forests are notoriously difficult to monitor with Landsat alone because of clouds. This dissertation developed and compared two approaches for fusing Synthetic Aperture Radar (SAR) data from the Advanced Land Observation Satellite (ALOS-1) with Landsat in Peru, and found that radar data increased accuracy of deforestation. Simulations indicate that the benefit of using radar data increased with higher cloud cover. Time series analysis of vegetation indices from Landsat in semi-arid environments is complicated by the response of vegetation to high variability in timing and amount of precipitation. We found that quantifying dynamics in precipitation and drought index data improved land cover change detection performance compared to more traditional harmonic modeling for grasslands and shrublands in California. This dissertation enhances the value of Landsat data by combining it with other data sources, including other optical sensors, SAR data, and meteorological data. The methods developed here show the potential for data fusion and are especially important in light of recent and upcoming missions, like Sentinel-1, Sentinel-2, and NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR)

Characterization of Landsat-7 to Landsat-8 Reflective Wavelength and Normalized Difference Vegetation Index Continuity

At over 40 years, the Landsat satellites provide the longest temporal record of space-based land surface observations, and the successful 2013 launch of the Landsat-8 is continuing this legacy. Ideally, the Landsat data record should be consistent over the Landsat sensor series. The Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) has improved calibration, signal to noise characteristics, higher 12-bit radiometric resolution, and spectrally narrower wavebands than the previous Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper (ETM +). Reflective wavelength differences between the two Landsat sensors depend also on the surface reflectance and atmospheric state which are difficult to model comprehensively. The orbit and sensing geometries of the Landsat-8 OLI and Landsat-7 ETM + provide swath edge overlapping paths sensed only one day apart. The overlap regions are sensed in alternating backscatter and forward scattering orientations so Landsat bi-directional reflectance effects are evident but approximately balanced between the two sensors when large amounts of time series data are considered. Taking advantage of this configuration a total of 59 million 30 m corresponding sensor observations extracted from 6317 Landsat-7 ETM + and Landsat-8 OLI images acquired over three winter and three summer months for all the conterminous United States (CONUS) are compared. Results considering different stages of cloud and saturation filtering, and filtering to reduce one day surface state differences, demonstrate the importance of appropriate per-pixel data screening. Top of atmosphere (TOA) and atmospherically corrected surface reflectance for the spectrally corresponding visible, near infrared and shortwave infrared bands, and derived normalized difference vegetation index (NDVI), are compared and their differences quantified. On average the OLI TOA reflectance is greater than the ETM + TOA reflectance for all bands, with greatest differences in the near-infrared (NIR) and the shortwave infrared bands due to the quite different spectral response functions between the sensors. The atmospheric correction reduces the mean difference in the NIR and shortwave infrared but increases the mean difference in the visible bands. Regardless of whether TOA or surface reflectance are used to generate NDVI, on average, for vegetated soil and vegetation surfaces (0 ≤ NDVI ≤ 1), the OLI NDVI is greater than the ETM + NDVI. Statistical functions to transform between the comparable sensor bands and sensor NDVI values are presented so that the user community may apply them in their own research to improve temporal continuity between the Landsat-7 ETM + and Landsat-8 OLI sensor data. The transformation functions were developed using ordinary least squares (OLS) regression and were fit quite reliably (r2 values \u3e 0.7 for the reflectance data and \u3e 0.9 for the NDVI data, p-values \u3c 0.0001)

A first assessment of the Sentinel-2 Level 1-C cloud mask product to support informed surface analyses

Abstract Cloud detection in optical remote sensing images is a crucial problem because undetected clouds can produce misleading results in the analyses of surface and atmospheric parameters. Sentinel-2 provides high spatial resolution satellite data distributed with associated cloud masks. In this paper, we evaluate the ability of Sentinel-2 Level-1C cloud mask products to discriminate clouds over a variety of biogeographic scenarios and in different cloudiness conditions. Reference cloud masks for the identification of misdetection were generated by applying a local thresholding method that analyses Sentinel-2 Band 2 (0.490 μm) and Band 10 (1.375 μm) separately; histogram-based thresholds were locally tuned by checking the single bands and the natural color composite (B4B3B2); in doubtful cases, NDVI and DEM were also analyzed to refine the masks; the B2B11B12 composite was used to separate snow. The analysis of the cloud classification errors obtained for our test sites allowed us to get important inferences of general value. The L1C cloud mask generally underestimated the presence of clouds (average Omission Error, OE, 37.4%); this error increased (OE > 50%) for imagery containing opaque clouds with a large transitional zone (between the cloud core and clear areas) and cirrus clouds, fragmentation emerged as a major source of omission errors (R2 0.73). Overestimation was prevalently found in the presence of holes inside the main cloud bodies. Two extreme environments were particularly critical for the L1C cloud mask product. Detection over Amazonian rainforests was highly inefficient (OE > 70%) due to the presence of complex cloudiness and high water vapor content. On the other hand, Alpine orography under dry atmosphere created false cirrus clouds. Altogether, cirrus detection was the most inefficient. According to our results, Sentinel-2 L1C users should take some simple precautions while waiting for ESA improved cloud detection products

Harmonization of Landsat and Sentinel 2 for Crop Monitoring in Drought Prone Areas: Case Studies of Ninh Thuan (Vietnam) and Bekaa (Lebanon)

Proper satellite-based crop monitoring applications at the farm-level often require near-daily imagery at medium to high spatial resolution. The combination of data from different ongoing satellite missions Sentinel 2 (ESA) and Landsat 7/8 (NASA) provides this unprecedented opportunity at a global scale; however, this is rarely implemented because these procedures are data demanding and computationally intensive. This study developed a robust stream processing for the harmonization of Landsat 7, Landsat 8 and Sentinel 2 in the Google Earth Engine cloud platform, connecting the benefit of coherent data structure, built-in functions and computational power in the Google Cloud. The harmonized surface reflectance images were generated for two agricultural schemes in Bekaa (Lebanon) and Ninh Thuan (Vietnam) during 2018–2019. We evaluated the performance of several pre-processing steps needed for the harmonization including the image co-registration, Bidirectional Reflectance Distribution Functions correction, topographic correction, and band adjustment. We found that the misregistration between Landsat 8 and Sentinel 2 images varied from 10 m in Ninh Thuan (Vietnam) to 32 m in Bekaa (Lebanon), and posed a great impact on the quality of the final harmonized data set if not treated. Analysis of a pair of overlapped L8-S2 images over the Bekaa region showed that, after the harmonization, all band-to-band spatial correlations were greatly improved. Finally, we demonstrated an application of the dense harmonized data set for crop mapping and monitoring. An harmonic (Fourier) analysis was applied to fit the detected unimodal, bimodal and trimodal shapes in the temporal NDVI patterns during one crop year in Ninh Thuan province. The derived phase and amplitude values of the crop cycles were combined with max-NDVI as an R-G-B false composite image. The final image was able to highlight croplands in bright colors (high phase and amplitude), while the non-crop areas were shown with grey/dark (low phase and amplitude). The harmonized data sets (with 30 m spatial resolution) along with the Google Earth Engine scripts used are provided for public use

ISLAND: Informing Brightness and Surface Temperature Through a Land Cover-based Interpolator

Cloud occlusion is a common problem in the field of remote sensing, particularly for thermal infrared imaging. Remote sensing thermal instruments onboard operational satellites are supposed to enable frequent and high-resolution observations over land; unfortunately, clouds adversely affect thermal signals by blocking outgoing longwave radiation emission from Earth's surface, interfering with the retrieved ground emission temperature. Such cloud contamination severely reduces the set of serviceable thermal images for downstream applications, making it impractical to perform intricate time-series analysis of land surface temperature (LST). In this paper, we introduce a novel method to remove cloud occlusions from Landsat 8 LST images. We call our method ISLAND, an acronym for Informing Brightness and Surface Temperature Through a Land Cover-based Interpolator. Our approach uses thermal infrared images from Landsat 8 (at 30 m resolution with 16-day revisit cycles) and the NLCD land cover dataset. Inspired by Tobler's first law of Geography, ISLAND predicts occluded brightness temperature and LST through a set of spatio-temporal filters that perform distance-weighted spatio-temporal interpolation. A critical feature of ISLAND is that the filters are land cover-class aware, making it particularly advantageous in complex urban settings with heterogeneous land cover types and distributions. Through qualitative and quantitative analysis, we show that ISLAND achieves robust reconstruction performance across a variety of cloud occlusion and surface land cover conditions, and with a high spatio-temporal resolution. We provide a public dataset of 20 U.S. cities with pre-computed ISLAND thermal infrared and LST outputs. Using several case studies, we demonstrate that ISLAND opens the door to a multitude of high-impact urban and environmental applications across the continental United States.Comment: 22 pages, 9 figure

Demonstration of Large Area Land Cover Classification with a One Dimensional Convolutional Neural Network Applied to Single Pixel Temporal Metric Percentiles

Over large areas, land cover classification has conventionally been undertaken using satellite time series. Typically temporal metric percentiles derived from single pixel location time series have been used to take advantage of spectral differences among land cover classes over time and to minimize the impact of missing observations. Deep convolutional neural networks (CNNs) have demonstrated potential for land cover classification of single date images. However, over large areas and using time series their application is complicated because they are sensitive to missing observations and they may misclassify small and spatially fragmented surface features due to their spatial patch-based implementation. This study demonstrates, for the first time, a one-dimensional (1D) CNN single pixel time series land classification approach that uses temporal percentile metrics and that does not have these issues. This is demonstrated for all the Conterminous United States (CONUS) considering two different 1D CNN structures with 5 and 8 layers, respectively. CONUS 30 m land cover classifications were derived using all the available Landsat-5 and -7 imagery over a seven-month growing season in 2011 with 3.3 million 30 m land cover class labelled samples extracted from the contemporaneous CONUS National Land Cover Database (NLCD) 16 class land cover product. The 1D CNNs and, a conventional random forest model, were trained using 10%, 50% and 90% samples, and the classification accuracies were evaluated with an independent 10% proportion. Temporal metrics were classified using 5, 7 and 9 percentiles for each of five Landsat reflective wavelength bands and their eight band ratios. The CONUS and detailed 150 × 150 km classification results demonstrate that the approach is effective at scale and locally. The 1D CNN classification land cover class boundaries were preserved for small axis dimension features, such as roads and rivers, with no stripes or anomalous spatial patterns. The 8-layer 1D CNN provided the highest overall classification accuracies and both the 5-layer and 8-layer 1D CNN architectures provided higher accuracies than the random forest by 1.9% - 2.8% which as all the accuracies were \u3e 83% is a meaningful increase. The CONUS overall classification accuracies increased marginally with the number of percentiles (86.21%, 86.40%, and 86.43% for 5, 7 and 9 percentiles, respectively) using the 8-layer 1D-CNN. Class specific producer and user accuracies were quantified, with lower accuracies for the developed land, crop and pasture/hay classes, but no systematic pattern among classes with respect to the number of temporal percentiles used. Application of the trained model to a different year of CONUS Landsat ARD showed moderately decreased accuracy (80.79% for 7 percentiles) that we illustrate is likely due to different intra-annual surface variations between years. These encouraging results are discussed with recommended research for deep learning using temporal metric percentiles

Cloud Detection And Information Cloning Technique For Multi Temporal Satellite Images

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Uzaktan algılanmış uydu görüntülerinde atmosfer etkilerinden kaynaklı olarak ortaya çıkan bölgesel bulutlar ve bu bulutların gölgeleri, yapılan çalışmalarda problem oluşturan temel gürültü kaynaklarındandır. Değişim analizi, NDVI hesaplama gibi önemli dijital işlemlerde bulut ve gölge bölgeleri, genel olarak yanıltıcı sonuçlar veren bölgeler olduğundan dijital işlemler çoğu zaman bu alanlar maskelenerek gerçekleştirilmektedir. Bu problem birçok çalışmada aynı bölgeden farklı zamanlarda elde edilmiş uydu görüntüleri ile mozaikleme yapılarak aşılmıştır. Ancak, mozaikleme sırasında oluşan spektral ve dokusal bozulmalar çalışmaları olumsuz etkilemektedir. Görüntünün çekilme anına bir daha dönülemeyeceğinden, bulutsuz bir görüntü elde etmek önemli bir süreç haline gelmektedir. Google Earth gibi sık kullanılan harita araçları aynı bölgeye ait çekilmiş birçok görüntü kullanarak bu görüntülerin ortalamalarından bulutsuz mozaikler elde ederek kullanıcılara sunmaktadır. Bu çalışmada bulutlu görüntüler çok zamanlı bulutsuz görüntülerden klonlama yapılarak bulutsuz hale getirilecektir. Diğer benzer çalışmalara ek olarak, klonlama süreci bir fotoğraf düzenleme işleminden öte görüntünün spektral özellikleri kullanılarak gerçekleştirilerek en yakın tarih ve spektral benzerlik göz önünde bulundurularak bulutsuz görüntü elde edilecektir. Üretilen bulutsuz görüntüde oluşan kenar bozulma etkileri çeşitli filtreler ile azaltılacaktır. Geliştirilen yöntem farklı zamanlarda çekilmiş Landsat-8 uydu görüntüleri ile test edilmiştir. Görüntüde bulunan bulutların belirlenmesi, bulut klonlama işleminin gerçekleştirilmesi için ilk aşama ve doğruluğu direkt olarak klonlama doğruluğu etkileyen bir süreçtir. Bulutların oluşturduğu parlaklık ve gölgelerinin oluşturduğu kararmalar birçok veri analizini olumsuz etkilemektedir. Bu etkiler, atmosferik düzeltmede oluşacak zorluklar, NDVI değerlerinin yükselmesi, sınıflandırmadaki hatalar ve değişim analizinin yanlış gerçekleştirilmesi şeklinde olabilir. Tüm bu etkilerin doğrultusunda, uzaktan algılama görüntülerinde bulutlar ve gölgeleri önemli bir gürültü kaynağı olduğundan bunların dijital işlemlerden önceki ilk aşamada belirlenmesi önem taşımaktadır. Bu çalışmada, Landsat-8 görüntüleri kullanılarak ve mevcut ısıl bantların da yardımıyla, bulut ve gölgelerinin belirlenmesi için bölütleme tabanlı bir kural dizisi ile uygulanan bir yöntem önerilmiş ve test edilmiştir. Çalışmaya temel olan bulut belirleme algoritması, ACCA ve Fmask algoritmalarının geliştirilmiş, sadeleştirilmiş, otomatize edilmiş ve bölütleme tabanlı uyarlanmış bir sürümü olarak değerlendirilebilir . Bu yöntem sayesinde, spektral özellikler ve geometrik özellikler bir arada kullanılarak Landsat 8 görüntülerinden bulut ve bulut gölgeleri belirlenmiştir. Spektral ve geometrik özelliklerin yanı sıra Landsat ısıl bant verileri ile, bulut-gölge ve soğuk yüzey (kar, buz) ayırımı güçlendirilmiştir. Komşuluk ilişkileri kullanılarak, belirlenen bulut alanları etrafındaki bulut gölgelerinin belirleme doğruluğu arttırılmıştır. Geliştirilen algoritma, dört farklı bölge için farklı zamanlarda çekilmiş Landsat görüntüleri üzerinde test edilerek değerlendirilmiştir. Bulut belirleme algoritmasında temel olarak Landsat 8 görüntülerinin OLI ve ısıl bantları kullanılmaktadır. Landsat-8 verileri, DN değerler olarak işlenmemiş halde sağlanmaktadır. Bu veriler, Landsat verileri ile birlikte gelen meta veri dosyasında (MTL) verilen oranlama katsayıları ile atmosfer üstü yansıtım değerlerine ve radyans değerlerine dönüştürülebilmektedir. Böylece veriler fiziksel anlamı olan birimlere dönüştürülmüş olur. Meta veri dosyasında sağlanan ısıl bant katsayıları ile ısıl bant verileri, parlaklık sıcaklığı bilgisine dönüştürülebilmektedir. OLI bantları atmosfer üstü yansıtım değerlerine (ToA), ısıl bantlar ise parlaklık sıcaklığına dönüştürülerek algoritmada kullanılmıştır. Yansıtım değerlerine dönüştürülen görüntülerde bulut alanlarının belirlenmesi için öncelikle bölütleme algoritması ile görüntü süper-piksellere ayrılmış ve kural tabanlı bir sınıflandırma dizisi uygulanarak bulut alanları görüntü üzerinden belirlenmiştir. Bulut alanlarının belirlenmesinden sonra, spektral testler ve bulut alanlarının komşuluk ilişkileri değerlendirilerek bulut gölgesi alanları da belirlenmiştir. Süper pikseller, pikselleri anlamlı gruplar halinde birleştirerek, piksel grupları oluşturmak için kullanılmaktadır. Görüntüdeki aynı bilgiye sahip olan piksellerin birleştirilmesi ile görüntü işleme amaçlı işlemlerin hızı da yüksek oranda artmaktadır. K-ortalamalar (K-means) yönteminin mekânsal özelliklerini de kullanan bir uyarlamasını temel alarak süper pikselleri üreten SLIC algoritması da bu amaçla kullanılan etkin yöntemlerden biridir. Bulut süper piksellerinin üretilmesinde SLIC yöntemi kullanılmıştır. Görüntülerden bulut alanlarının belirlenmesi için, bulutların spektral karakteristiğinin belirlenmesi ile işleme başlanmıştır. Görüntü üzerinden toplanan bulut noktalarının spektral imzaları karşılaştırılmıştır. Algoritma bu imzalar temel alınarak geliştirilmiştir. Bulut özelliklerine benzer şekilde, bulut gölgesi alanlarının sınıflandırılmasında da, görüntü üzerinden toplanan bulut noktalarının spektral imzalarının yorumlanmasını temel alan bir yöntem ile ısıl bandı devre dışı bırakan bir bant oranlama indeksi geliştirilmiştir. Bu indeks ile gölge alanlarının değeri diğer arazi örtüsü özelliklerinden keskin bir şekilde ayrıldığından eşik değeri belirlenmesi dinamik olarak gerçekleştirilebilmektedir. İkinci olarak, farklı gölge alanlarının, bulut gölgeleri ile karışmasını önlemek amacıyla görüntü özniteliklerinden olan güneş azimut açısı kullanılarak tüm bulut bölgelerinin bu açı ile doğru orantılı şekilde belli bir uzaklıkta izdüşümü alınmıştır. Bu izdüşüm alanlar, potansiyel gölge alanlarını ifade etmektedir. Gölge alan belirleme indeksi sonucu ile bu izdüşüm alanların kesişimi final gölge bölgelerinin sınıflandırılmasında kullanılmıştır Bulut ve gölgelerinin belirlenmesi, uzaktan algılamada uzun zamandır üzerinde çalışılan ve birçok yöntemin geliştirildiği bir konudur. Bu yöntemler kimi zaman yeterli doğrulukta sonuçlar verirken, kimi zaman da yeterli doğruluğu sağlayamamaktadır. Piksel tabanlı yöntemlerin yanı sıra, görüntüyü süper-piksellere ayıran bölütleme tabanlı yöntemlerin bulut ve gölge belirlemede kullanılması yeni bir konudur. Bu şekilde, görüntü, homojen özellikler sergileyen piksel gruplarına ayrılarak, hem hesaplama gücü azaltılmakta, hem de nesne tabanlı bir yaklaşım sergilendiğinden, sınıflandırılması hedeflenen özellikler geometrik karakteristikleri bakımından etkin bir şekilde görüntü üzerinden elde edilebilmektedir. Bu çalışmada geliştirilen bulut ve gölge belirleme algoritmaları ile bölütleme tabanlı bir yaklaşım bu kapsamda uygulanmıştır. İlk aşamada elde edilen süper-piksellerin doğruluğu sınıflandırma doğruluğunu doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle küçük bir ölçek parametresi seçilerek süper-piksellerin boyutları küçük tutulmuş ve piksel gruplamaları homojen tutularak, heterojen süper-piksellerin oluşması olasılığı azaltılmıştır. Bulut ve gölge gibi nesneler, parlak ve koyu yansıtım değerleri nedeniyle görüntü üzerindeki spektral karakteristikleri belirgin bir şekilde oluşan özelliklerdir. Bu bilgiler esas alınarak SLIC algoritması ile etkin bir bölütleme uygulanarak bulut ve gölge alanları süper-piksellere ayrılmıştır. Spektral tabanlı bir yaklaşımla geliştirilen indeksler ile kural seti şeklinde bir yapı kurularak; parlaklık sıcaklığı, güneş açısı, NDSI, NDWI gibi özellikler de sınıflandırma kural setine eklenerek, çok kriterli bir yapıda bulut ve gölge alanları görüntü üzerinden belirlenmiştir. Burada yeni bir yaklaşım olan bulut-gölge izdüşümü yaklaşımı ile bulut ve gölge arasındaki geometrik bağıntı kullanılarak gölge sınıflandırması doğruluğu arttırılmıştır. Tüm bu sonuçlar farklı bölgelerden alınmış görüntüler üzerindeki aynı parametreler ile koşturularak, yöntemin transfer edilebilirliği test edilmiştir. ACCA, Fmask gibi algoritmaların yanında, burada geliştirilen algoritma, transfer edilebilirliği, süper-piksel tabanlı olması sebebiyle getirdiği işlem kolaylığı ve basitleştirilmiş işlem adımları ile kullanışlılığını kanıtlamıştır. Bulut ve gölge alanlarının tespitinden sonra klonlama işlemine altlık oluşturacak bulut maskeleri elde edilmiştir. Bulut alanlarının, bulutsuz görüntülerden hangisi seçilerek klonlanılmasına görüntüler arasında yapılan spektral benzerlik testleri ile karar verilmiştir. Tüm bu görüntülerin bulutlu görüntüye olan korelesyonları hesaplanarak korelasyonu en yüksek olan görüntü bilgi aktarımı için kullanılmıştır. Görüntülerin klonlanmasında, bulutlu görüntünün çekildiği tarihe en yakın 3 aylık görüntüler girdi olarak alınmıştır. Tespit edilen bulut alanları ayrı ayrı analiz edilerek, öncelikle seçilen alana yakın tarihli görüntülerde aynı bölgenin bulutsuz olup olmadığı görüntülerin kesişimleri alınarak test edilmiştir. Bu testin sonrasında bulutsuz görüntüler ile bulutlu görüntü arasında korelasyonu en yüksek görüntüden taşırma algoritması ile (Flood Fill) bilgi aktarımı yapılarak bulutsuz görüntü elde edilmiştir Görüntülerin klonlanmasından sonra oluşan kenar bozulma etkilerinin düzeltilmesi için, klonlanan bölge sınırlarına ortalama filtresi (mean filter, averaging filter) uygulanmıştır. Görüntülerin klonlanmasının ardından, üretilen bulutsuz görüntülerin yakın zaman ait bulutsuz görüntülere olan benzerliği, Yapısal Benzerlik İndeksi Yöntemi (YBIY) (Structural Similarity Index) ile test edilmiştir. YBIY iki resim arasındaki benzerliğin ölçülmesi için geliştirilmiş, Karesel Ortalama Hata’nın (KOH) geliştirilmiş bir sürümü olan ve sık kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, karşılaştırılan görüntülerden birisini mutlak doğru olarak kabul ederek, diğer görüntünün bu görüntüden sapmasını tespit etmektedir. Görüntünün kontrast ve spektral özelliklerini yanı sıra, yapısal bozulmalarını da hesaplamaya kattığından çalışma için uygun yöntem olarak belirlenmiş ve uygulanmıştır. Bulutlu görüntülerdeki bulutların giderilmesi uzaktan algılama disiplini üzerinde çalışanların uzun zamandır çalıştığı bir konudur. Sis etkisinin giderilmesi için bazı spektral yöntemler geliştirilmiş olsa da, geçirimsiz bulutların giderilmesi ancak farklı zamanlı uydu görüntülerinden bilgi aktarımı ile gerçekleşmektedir. Bu çalışmada, yapılan diğer çalışmalarda kazanılan bulut belirleme başarımının sonrasında bu bilgi kullanılarak görüntüde bulunan bulutların, aynı bölgeden çekilmiş farklı zamanlı görüntülerden bilgi aktarımı ile bulutsuz hale getirilmesi sağlanmıştır. Diğer bulutsuz görüntü elde etme yöntemlerinin yanı sıra, bulutlu alanların bulutsuz görüntülerden klonlanması sırasında, görüntülerin spektral ve yapısal özelliklerini korumak ön planda tutulmuştur. Farklı görüntü benzerlik ve görüntü kalitesi yöntemleri kullanılarak sadece görsellik önde tutulmadan spektral ve yapısal bilgiyi de koruyan bir yöntem geliştirilmiştir.One of the main sources of noises in remote sensing satellite images are regional clouds and shadows of these clouds caused by atmospheric conditions. In many studies, these clouds and shadows are masked with multitemporal images taken from the same area to decrease effects of misclassification and deficiency in different image processing techniques, such as change detection and NDVI calculation. This problem is surpassed in many studies by mosaicking with different images obtained from different acquisition dates of the same region. The main step of all these studies that cover cloud cloning or cloud detection is the detection of clouds from a satellite image. In this study, clouds and shadow patches are classified by using a spectral feature based rule set created after segmentation process of Landsat 8 image. Not only spectral characteristics but also structural parameters like pattern, area and dimension are used to detect clouds and shadows. Information of cloud projection is used to strengthen cloud shadow classification. Rule set of classification is developed within a transferable approach to reach a scene independent solution. Results are tested with different satellite images from different areas to test transferability and compared to other state-of art methods in the literature. Detection of clouds and cloud shadows features correctly is the main step of cloning procedure to create cloudless image from multitemporal image dataset. Multitemporal image dataset is used to find best image to clone cloud image. Choosing best image for cloning process is an important step for reliable cloning. Statistical and seasonal similarity tests are used to find best image to clone cloud covered image. Vector intersections are used to find cloudless images between multitemporal dataset. Flood Fill method is used to create cloudless image from cloud covered image by using information extraction from cloudless images in dataset. Accuracy of cloning process is tested by using SSIM index to find structural and spectral similarity to cloudless image. All cloning results are tested with different image from different regions to check transferability of study. This study can be regarded as a scientific approach to create cloudless image mosaics for each kind of application. Method in this thesis is a scientific approach to well-known methods of famous cloudless mosaic generation methods of Google, Mapbox Co. etc. for creation of visually good-looking base maps for web maps.DoktoraPh.D

Remotely Sensed Estimates of Evapotranspiration in Agricultural Areas of Northwestern Nevada: Drought, Reliance, and Water Transfers

The arid landscape of northwestern Nevada is punctuated by agricultural communities that rely on water primarily supplied by the diversion of surface waters and secondarily by groundwater resources. Annual precipitation in the form of winter snowfall largely determines the amount of surface water that is available for irrigation for the following agricultural growing season. During years of insufficient surface water supplies, particular basins can use groundwater in order to meet irrigation needs. The amount of water used to irrigate agricultural land is influenced by land use changes, such as fallowing, and water right transfers from irrigation to municipal use. To evaluate agricultural water consumption with respect to variations in weather, water supply, and land use changes, monthly estimates of evapotranspiration (ET) were derived from Landsat multispectral optical and thermal imagery over a eleven-year period (2001 to 2011) and compared to variations in weather, water supply, and land use across four hydrographic areas in northwestern Nevada. Monthly ET was estimated using a land surface energy balance model, Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration (METRIC), using Landsat 5 and Landsat 7 imagery combined with local atmospheric water demand estimates. Estimates of net ET were created by subtracting monthly precipitation from METRIC-derived ET, and seasonal estimates were generated by combining monthly ET for April-October (the regional agricultural growing season). Results highlight that a range of geographic, climatic, hydrographic, and anthropogenic factors influence ET. Hydrographic areas such as Mason Valley have the ability to mitigate deficiencies in surface water supplies by pumping supplemental groundwater, thereby resulting in low annual variability in ET. Conversely, the community of Lovelock has access to limited upstream surface water storage and is restricted by groundwater that is saline and unsuitable for irrigation use. These factors result in Lovelock being extremely susceptible to instances of prolonged drought, and exhibiting large fluctuations in annual ET. This work clearly illustrates that agricultural consumptive use is a function of water supply, weather, and land use change, which is useful in distinguishing how prolonged droughts and changing climate will potentially affect different hydrographic areas and agricultural communities in the future