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)

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

Remote sensing of recent changes in permafrost-influenced wetlands

Changes in thermokarst lakes have been identified across many high-latitude ecosystems at different spatial and temporal scales. With the declassification of the Landsat archive in 2008, it is now possible to conduct a near-complete yearly time series of homogenous geospatial imagery to assess the trends seen in thermokarst lake surface area. By implementing an automated land- cover classification algorithm, this study examined the dynamics of lake surface area over different spatial and temporal scales in the Tuktoyaktuk Peninsula, Northwest Territories, Canada. Due to the presence of a statistically significant structural temporal break between the years 1997 and 1998, lake areal trends were estimated at two temporal scales, a longer term scale (1985 to 2011) and its component shorter scales (1985 to 1997 and 1998 to 2011). Large lakes saw the greatest changes both in lake areal increase and decreases at all temporal scales, and was suggested to drive the overall changes in surface area. In addition, regional differences were observed in the spatial distribution of individual lake area trends. On the broad scale, a latitudinal divide bifurcated the peninsula into two regions of approximately equal area, where the northern region exhibited general trends of lake areal decline, while the southern region exhibited general trends of lake areal increase. Within these regions, meso- and local hot and cold spots were identified, some that exhibited trends in concordance with local surroundings, while others represented local spatial heterogeneity in areal trends. The spatiotemporal trends in lake area were suggested to be influenced at varying scales by atmospheric and climate variables, and by ground characteristics such as coincident permafrost and surficial geology. As the Arctic continues to warm, a continued observation of thermokarst lake evolution over both broad landscapes and localised regions will be increasingly valuable to future studies that investigate the resulting transformation of the Arctic permafrost region

Continuous change detection and classification of land cover using all available Landsat data

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityLand cover mapping and monitoring has been widely recognized as important for understanding global change and in particular, human contributions. This research emphasizes the use ofthe time domain for mapping land cover and changes in land cover using satellite images. Unlike most prior methods that compare pairs or sets of images for identifying change, this research compares observations with model predictions. Moreover, instead of classifying satellite images directly, it uses coefficients from time series models as inputs for land cover mapping. The methods developed are capable of detecting many kinds of land cover change as they occur and providing land cover maps for any given time at high temporal frequency. One key processing step of the satellite images is the elimination of "noisy" observations due to clouds, cloud shadows, and snow. I developed a new algorithm called Fmask that processes each Landsat scene individually using an object-based method. For a globally distributed set ofreference data, the overall cloud detection accuracy is 96%. A second step further improves cloud detection by using temporal information. The first application ofthe new methods based on time series analysis found change in forests in an area in Georgia and South Carolina. After the difference between observed and predicted reflectance exceeds a threshold three consecutive times a site is identified as forest disturbance. Accuracy assessment reveals that both the producers and users accuracies are higher than 95% in the spatial domain and approximately 94% in the temporal domain. The second application ofthis new approach extends the algorithm to include identification of a wide variety of land cover changes as well as land cover mapping. In this approach, the entire archive of Landsat imagery is analyzed to produce a comprehensive land cover history ofthe Boston region. The results are accurate for detecting change, with producers accuracy of 98% and users accuracies of 86% in the spatial domain and temporal accuracy of 80%. Overall, this research demonstrates the great potential for use of time series analysis of satellite images to monitor land cover change

Machine learning for cloud detection of globally distributed sentinel-2 images

In recent years, a number of different procedures have been proposed for segmentation of remote sensing images, basing on spectral information. Model-based and machine learning strategies have been investigated in several studies. This work presents a comprehensive overview and an unbiased comparison of the most adopted segmentation strategies: Support Vector Machines (SVM), Random Forests, Neural networks, Sen2Cor, FMask and MAJA. We used a training set for learning and two different independent sets for testing. The comparison accounted for 135 images acquired from 54 different worldwide sites. We observed that machine learning segmentations are extremely reliable when the training and test are homogeneous. SVM performed slightly better than other methods. In particular, when using heterogeneous test data, SVM remained the most accurate segmentation method while state-of-the-art model-based methods such as MAJA and FMask obtained better sensitivity and precision, respectively. Therefore, even if each method has its specific advantages and drawbacks, SVM resulted in a competitive option for remote sensing applications

Assessing Global Surface Water Inundation Dynamics Using Combined Satellite Information from SMAP, AMSR2 and Landsat

A method to assess global land surface water (fw) inundation dynamics was developed by exploiting the enhanced fw sensitivity of L-band (1.4 GHz) passive microwave observations from the Soil Moisture Active Passive (SMAP) mission. The L-band fw (fw(sub LBand)) retrievals were derived using SMAP H-polarization brightness temperature (Tb) observations and predefined L-band reference microwave emissivities for water and land endmembers. Potential soil moisture and vegetation contributions to the microwave signal were represented from overlapping higher frequency (Tb) observations from AMSR2. The resulting (fw(sub LBand)) global record has high temporal sampling (1-3 days) and 36-km spatial resolution. The (fw(sub LBand)) annual averages corresponded favourably (R=0.84, p<0.001) with a 250-m resolution static global water map (MOD44W) aggregated at the same spatial scale, while capturing significant inundation variations worldwide. The monthly (fw(sub LBand)) averages also showed seasonal inundation changes consistent with river discharge records within six major US river basins. An uncertainty analysis indicated generally reliable (fw(sub LBand)) performance for major land cover areas and under low to moderate vegetation cover, but with lower accuracy for detecting water bodies covered by dense vegetation. Finer resolution (30-m) (fw(sub LBand)) results were obtained for three sub-regions in North America using an empirical downscaling approach and ancillary global Water Occurrence Dataset (WOD) derived from the historical Landsat record. The resulting 30-m (fw(sub LBand)) retrievals showed favourable spatial accuracy for water (70.71%) and land (98.99%) classifications and seasonal wet and dry periods when compared to independent water maps derived from Landsat-8 imagery. The new (fw(sub LBand)) algorithms and continuing SMAP and AMSR2 operations provide for near real-time, multi-scale monitoring of global surface water inundation dynamics and potential flood risk

New Remote Sensing Methods for Detecting and Quantifying Forest Disturbance and Regeneration in the Eastern United States

Forest disturbances, such as wildfires, the southern pine beetle, and the hemlock woolly adelgid, affect millions of hectares of forest in North America with significant implications for forest health and management. This dissertation presents new methods to quantify and monitor disturbance through time in the forests of the eastern United States using remotely sensed imagery from the Landsat family of satellites, detect clouds and cloud-shadow in imagery, generate composite images from the clear-sky regions of multiple images acquired at different times, delineate the extents of disturbance events, identify the years in which they occur, and label those events with an agent and severity. These methods operate at a 30x30 m spatial resolution and a yearly temporal resolution. Overall accuracy for cloud and cloud-shadow detection is 98.7% and is significantly better than a leading method. Overall accuracy for designating a specific space and time as disturbed, stable, or regenerating is 85%, and accuracy for labeling disturbance events with a causal agent ranges from 42% to 90%, depending on agent, with overall accuracy, excluding samples marked as `uncertain\u27, of 81%. Due to the high spatial resolution of the imagery and resulting output, these methods are valuable for managers interested in monitoring specific forested areas. Additionally, these methods enable the discovery and quantification of forest dynamics at larger spatial scales in a way other datasets cannot. Applying these methods over the entire extent of the eastern United States highlands reveals significant differences in disturbance frequency by ecoregion, from less than 1% of forested area per year in the Central Appalachians, to over 5% in the Piedmont. Yearly variations from these means are substantial, with disturbance frequency being twice as high as the mean in some years. Additionally, these analyses reveal that some disturbance agents, such as the southern pine beetle, exhibit periodic dynamics. Finally, although these methods are applied here to the problem of forest disturbance in the eastern United States, the core innovations are easily extended to other locations or even to other applications of landscape change, such as vegetation succession, shifting coastlines, or urbanization

Continuous change detection and classification of land cover using all available Landsat data

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityLand cover mapping and monitoring has been widely recognized as important for understanding global change and in particular, human contributions. This research emphasizes the use ofthe time domain for mapping land cover and changes in land cover using satellite images. Unlike most prior methods that compare pairs or sets of images for identifying change, this research compares observations with model predictions. Moreover, instead of classifying satellite images directly, it uses coefficients from time series models as inputs for land cover mapping. The methods developed are capable of detecting many kinds of land cover change as they occur and providing land cover maps for any given time at high temporal frequency. One key processing step of the satellite images is the elimination of "noisy" observations due to clouds, cloud shadows, and snow. I developed a new algorithm called Fmask that processes each Landsat scene individually using an object-based method. For a globally distributed set ofreference data, the overall cloud detection accuracy is 96%. A second step further improves cloud detection by using temporal information. The first application ofthe new methods based on time series analysis found change in forests in an area in Georgia and South Carolina. After the difference between observed and predicted reflectance exceeds a threshold three consecutive times a site is identified as forest disturbance. Accuracy assessment reveals that both the producers and users accuracies are higher than 95% in the spatial domain and approximately 94% in the temporal domain. The second application ofthis new approach extends the algorithm to include identification of a wide variety of land cover changes as well as land cover mapping. In this approach, the entire archive of Landsat imagery is analyzed to produce a comprehensive land cover history ofthe Boston region. The results are accurate for detecting change, with producers accuracy of 98% and users accuracies of 86% in the spatial domain and temporal accuracy of 80%. Overall, this research demonstrates the great potential for use of time series analysis of satellite images to monitor land cover change

Utilizing the Landsat spectral-temporal domain for improved mapping and monitoring of ecosystem state and dynamics

Just as the carbon dioxide observations that form the Keeling curve revolutionized the study of the global carbon cycle, free and open access to all available Landsat imagery is fundamentally changing how the Landsat record is being used to study ecosystems and ecological dynamics. This dissertation advances the use of Landsat time series for visualization, classification, and detection of changes in terrestrial ecological processes. More specifically, it includes new examples of how complex ecological patterns manifest in time series of Landsat observations, as well as novel approaches for detecting and quantifying these patterns. Exploration of the complexity of spectral-temporal patterns in the Landsat record reveals both seasonal variability and longer-term trajectories difficult to characterize using conventional bi-temporal or even annual observations. These examples provide empirical evidence of hypothetical ecosystem response functions proposed by Kennedy et al. (2014). Quantifying observed seasonal and phenological differences in the spectral reflectance of Massachusetts’ forest communities by combining existing harmonic curve fitting and phenology detection algorithms produces stable feature sets that consistently out-performed more traditional approaches for detailed forest type classification. This study addresses the current lack of species-level forest data at Landsat resolutions, demonstrating the advantages of spectral-temporal features as classification inputs. Development of a targeted change detection method using transformations of time series data improves spatial and temporal information on the occurrence of flood events in landscapes actively modified by recovering North American beaver (Castor canadensis) populations. These results indicate the utility of the Landsat record for the study of species-habitat relationships, even in complex wetland environments. Overall, this dissertation confirms the value of the Landsat archive as a continuous record of terrestrial ecosystem state and dynamics. Given the global coverage of remote sensing datasets, the time series visualization and analysis approaches presented here can be extended to other areas. These approaches will also be improved by more frequent collection of moderate resolution imagery, as planned by the Landsat and Sentinel-2 programs. In the modern era of global environmental change, use of the Landsat spectral-temporal domain presents new and exciting opportunities for the long-term large-scale study of ecosystem extent, composition, condition, and change