Oil spill detection using optical sensors: a multi-temporal approach

Oil pollution is one of the most destructive consequences due to human activities in the marine environment. Oil wastes come from many sources and take decades to be disposed of. Satellite based remote sensing systems can be implemented into a surveillance and monitoring network. In this study, a multi-temporal approach to the oil spill detection problem is investigated. Change Detection (CD) analysis was applied to MODIS/Terra and Aqua and OLI/Landsat 8 images of several reported oil spill events, characterized by different geographic location, sea conditions, source and extension of the spill. Toward the development of an automatic detection algorithm, a Change Vector Analysis (CVA) technique was implemented to carry out the comparison between the current image of the area of interest and a dataset of reference image, statistically analyzed to reduce the sea spectral variability between different dates. The proposed approach highlights the optical sensors’ capabilities in detecting oil spills at sea. The effectiveness of different sensors’ resolution towards the detection of spills of different size, and the relevance of the sensors’ revisiting time to track and monitor the evolution of the event is also investigated

NEW AUTOMATED CLOUD AND CLOUD-SHADOW DETECTION USING LANDSAT IMAGERY

Cloud cover has become a major problem in the use of optical satellite imageries, particularly in Indonesian region located along equator or tropical region with high cloud cover almost all year round. In this study, a new method for cloud and cloud shadow detection using Landsat imagery for specific Indonesian region was developed to provide a more efficient and effective way to detect clouds and cloud shadows. Landsat Top of Atmosphere (TOA) reflectance and Brightness Temperature (BT) were used as inputs into the model. The first step was to detect cloud based on cloud physical properties using albedo and thermal bands, the second step was to detect cloud shadows using the Near Infrared (NIR), and Short Wave Infrared (SWIR) bands, and finally, the geometric relationships were used to match the cloud and cloud shadow layer, before proceeding to the production of the final cloud and cloud shadow mask. The results were then compared with other method such as tree base cloud separation. It showed that method we proposed could provide better result than tree base method, the accuracy result of this method was 98.75%

SeaWiFS Technical Report Series. Volume 7: Cloud screening for polar orbiting visible and infrared (IR) satellite sensors

Methods for detecting and screening cloud contamination from satellite derived visible and infrared data are reviewed in this document. The methods are applicable to past, present, and future polar orbiting satellite radiometers. Such instruments include the Coastal Zone Color Scanner (CZCS), operational from 1978 through 1986; the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR); the Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS), scheduled for launch in August 1993; and the Moderate Resolution Imaging Spectrometer (IMODIS). Constant threshold methods are the least demanding computationally, and often provide adequate results. An improvement to these methods are the least demanding computationally, and often provide adequate results. An improvement to these methods is to determine the thresholds dynamically by adjusting them according to the areal and temporal distributions of the surrounding pixels. Spatial coherence methods set thresholds based on the expected spatial variability of the data. Other statistically derived methods and various combinations of basic methods are also reviewed. The complexity of the methods is ultimately limited by the computing resources. Finally, some criteria for evaluating cloud screening methods are discussed

Multi-feature combined cloud and cloud shadow detection in GaoFen-1 wide field of view imagery

The wide field of view (WFV) imaging system onboard the Chinese GaoFen-1 (GF-1) optical satellite has a 16-m resolution and four-day revisit cycle for large-scale Earth observation. The advantages of the high temporal-spatial resolution and the wide field of view make the GF-1 WFV imagery very popular. However, cloud cover is an inevitable problem in GF-1 WFV imagery, which influences its precise application. Accurate cloud and cloud shadow detection in GF-1 WFV imagery is quite difficult due to the fact that there are only three visible bands and one near-infrared band. In this paper, an automatic multi-feature combined (MFC) method is proposed for cloud and cloud shadow detection in GF-1 WFV imagery. The MFC algorithm first implements threshold segmentation based on the spectral features and mask refinement based on guided filtering to generate a preliminary cloud mask. The geometric features are then used in combination with the texture features to improve the cloud detection results and produce the final cloud mask. Finally, the cloud shadow mask can be acquired by means of the cloud and shadow matching and follow-up correction process. The method was validated using 108 globally distributed scenes. The results indicate that MFC performs well under most conditions, and the average overall accuracy of MFC cloud detection is as high as 96.8%. In the contrastive analysis with the official provided cloud fractions, MFC shows a significant improvement in cloud fraction estimation, and achieves a high accuracy for the cloud and cloud shadow detection in the GF-1 WFV imagery with fewer spectral bands. The proposed method could be used as a preprocessing step in the future to monitor land-cover change, and it could also be easily extended to other optical satellite imagery which has a similar spectral setting.Comment: This manuscript has been accepted for publication in Remote Sensing of Environment, vol. 191, pp.342-358, 2017. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003442571730038X

A multi-scale flood monitoring system based on fully automatic MODIS and TerraSAR-X processing chains

A two-component fully automated flood monitoring system is described and evaluated. This is a result of combining two individual flood services that are currently under development at DLR’s (German Aerospace Center) Center for Satellite based Crisis Information (ZKI) to rapidly support disaster management activities. A first-phase monitoring component of the system systematically detects potential flood events on a continental scale using daily-acquired medium spatial resolution optical data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). A threshold set controls the activation of the second-phase crisis component of the system, which derives flood information at higher spatial detail using a Synthetic Aperture Radar (SAR) based satellite mission (TerraSAR-X). The proposed activation procedure finds use in the identification of flood situations in different spatial resolutions and in the time-critical and on demand programming of SAR satellite acquisitions at an early stage of an evolving flood situation. The automated processing chains of the MODIS (MFS) and the TerraSAR-X Flood Service (TFS) include data pre-processing, the computation and adaptation of global auxiliary data, thematic classification, and the subsequent dissemination of flood maps using an interactive web-client. The system is operationally demonstrated and evaluated via the monitoring two recent flood events in Russia 2013 and Albania/Montenegro 2013

Google Earth Engine cloud computing platform for remote sensing big data applications: a comprehensive review

Remote sensing (RS) systems have been collecting massive volumes of datasets for decades, managing and analyzing of which are not practical using common software packages and desktop computing resources. In this regard, Google has developed a cloud computing platform, called Google Earth Engine (GEE), to effectively address the challenges of big data analysis. In particular, this platformfacilitates processing big geo data over large areas and monitoring the environment for long periods of time. Although this platformwas launched in 2010 and has proved its high potential for different applications, it has not been fully investigated and utilized for RS applications until recent years. Therefore, this study aims to comprehensively explore different aspects of the GEE platform, including its datasets, functions, advantages/limitations, and various applications. For this purpose, 450 journal articles published in 150 journals between January 2010 andMay 2020 were studied. It was observed that Landsat and Sentinel datasets were extensively utilized by GEE users. Moreover, supervised machine learning algorithms, such as Random Forest, were more widely applied to image classification tasks. GEE has also been employed in a broad range of applications, such as Land Cover/land Use classification, hydrology, urban planning, natural disaster, climate analyses, and image processing. It was generally observed that the number of GEE publications have significantly increased during the past few years, and it is expected that GEE will be utilized by more users from different fields to resolve their big data processing challenges.Peer ReviewedPostprint (published version

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

A near real-time water surface detection method based on HSV transformation of MODIS multi-Spectral time series data

In the face of global population growth and the uneven distribution of water supply, a better knowledge of the spatial and temporal distribution of surface water resources is critical. Remote sensing provides a synoptic view of ongoing processes, which addresses the intricate nature of water surfaces and allows an assessment of the pressures placed on aquatic ecosystems. However, the main challenge in identifying water surfaces from remotely sensed data is the high variability of spectral signatures, both in space and time. In the last 10 years only a few operational methods have been proposed to map or monitor surface water at continental or global scale, and each of them show limitations. The objective of this study is to develop and demonstrate the adequacy of a generic multi-temporal and multi-spectral image analysis method to detect water surfaces automatically, and to monitor them in near-real-time. The proposed approach, based on a transformation of the RGB color space into HSV, provides dynamic information at the continental scale. The validation of the algorithm showed very few omission errors and no commission errors. It demonstrates the ability of the proposed algorithm to perform as effectively as human interpretation of the images. The validation of the permanent water surface product with an independent dataset derived from high resolution imagery, showed an accuracy of 91.5% and few commission errors. Potential applications of the proposed method have been identified and discussed. The methodology that has been developed 27 is generic: it can be applied to sensors with similar bands with good reliability, and minimal effort. Moreover, this experiment at continental scale showed that the methodology is efficient for a large range of environmental conditions. Additional preliminary tests over other continents indicate that the proposed methodology could also be applied at the global scale without too many difficultie