The potential of LIDAR as an antisubmarine warfare sensor

Traditionally, antisubmarine warfare (ASW) has been dominated by acoustic sensors, active and passive. Ending the Cold War, the ASW forces have refocused towards a theatre of war in the littorals, and the traditional acoustic sensors do not perform very well in such an environment. The sensors are working much closer to the surface, and there is a lot more surface traffic to disturb the acoustic environment. Environmental and topographic factors also play a major role. Removing or significantly reducing the acoustic capability, one forces the ASW forces to look to other technologies and sensors to compliment or replace the acoustic ones. This is where the interest of LIDAR as an aerial ASW sensor comes into play. The aim of this thesis is to evaluate “the potential for using LIDAR technology for aerial ASW on Norwegian ASW platforms”. In addition to this main research question, the history of LIDAR has been researched, in order to find historical and existing LIDAR projects for ASW purposes. Antisubmarine warfare is a complicated business, but speed of reaction, flexibility to change operating areas quickly and efficiently, and the ability to deploy sophisticated buoys are all in the advantage to the aerial ASW platform. But as the submarines get quieter and quieter, new means of detection must be found to cover the complicated upper layers of the water column. The signal components of LIDAR and the increasing processing capability have made LIDAR technology somewhat mature, but limitations such as scattering and attenuation of light in water are severely hampering. After a decline in ASW focus after the Cold War, the Western world is finding itself in a littoral submarine threat scenario, and do not have the sensors to sufficiently meet this threat. Several LIDAR programs have been initiated and carried through, but most have been directed towards finding and neutralizing mines. Lately, a new interest of applying LIDAR-technology in the search for submarines has risen. But LIDAR itself does not seem to be able to cover the upper layers of the water column consistently enough, and other technologies might be able to compliment LIDAR in a multi-sensor solution. Synthetic Aperture Radar (SAR) and Hyperspectral Imagery seem to be the most applicable of these. A recommendation is given to military commanders to pursue a multi-sensor pod for several areas of use by Maritime Patrol Aircraft and military helicopters

Application of Multi-Sensor Fusion Technology in Target Detection and Recognition

Application of multi-sensor fusion technology has drawn a lot of industrial and academic interest in recent years. The multi-sensor fusion methods are widely used in many applications, such as autonomous systems, remote sensing, video surveillance, and the military. These methods can obtain the complementary properties of targets by considering multiple sensors. On the other hand, they can achieve a detailed environment description and accurate detection of interest targets based on the information from different sensors.This book collects novel developments in the field of multi-sensor, multi-source, and multi-process information fusion. Articles are expected to emphasize one or more of the three facets: architectures, algorithms, and applications. Published papers dealing with fundamental theoretical analyses, as well as those demonstrating their application to real-world problems

Détection de changement par fusion d'images de télédétection de résolutions et modalités différentes

La détection de changements dans une scène est l’un des problèmes les plus complexes en télédétection. Il s’agit de détecter des modifications survenues dans une zone géographique donnée par comparaison d’images de cette zone acquises à différents instants. La comparaison est facilitée lorsque les images sont issues du même type de capteur c’est-à-dire correspondent à la même modalité (le plus souvent optique multi-bandes) et possèdent des résolutions spatiales et spectrales identiques. Les techniques de détection de changements non supervisées sont, pour la plupart, conçues spécifiquement pour ce scénario. Il est, dans ce cas, possible de comparer directement les images en calculant la différence de pixels homologues, c’est-à-dire correspondant au même emplacement au sol. Cependant, dans certains cas spécifiques tels que les situations d’urgence, les missions ponctuelles, la défense et la sécurité, il peut s’avérer nécessaire d’exploiter des images de modalités et de résolutions différentes. Cette hétérogénéité dans les images traitées introduit des problèmes supplémentaires pour la mise en œuvre de la détection de changements. Ces problèmes ne sont pas traités par la plupart des méthodes de l’état de l’art. Lorsque la modalité est identique mais les résolutions différentes, il est possible de se ramener au scénario favorable en appliquant des prétraitements tels que des opérations de rééchantillonnage destinées à atteindre les mêmes résolutions spatiales et spectrales. Néanmoins, ces prétraitements peuvent conduire à une perte d’informations pertinentes pour la détection de changements. En particulier, ils sont appliqués indépendamment sur les deux images et donc ne tiennent pas compte des relations fortes existant entre les deux images. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de détection de changements qui exploitent au mieux l’information contenue dans une paire d’images observées, sans condition sur leur modalité et leurs résolutions spatiale et spectrale. Les restrictions classiquement imposées dans l’état de l’art sont levées grâce à une approche utilisant la fusion des deux images observées. La première stratégie proposée s’applique au cas d’images de modalités identiques mais de résolutions différentes. Elle se décompose en trois étapes. La première étape consiste à fusionner les deux images observées ce qui conduit à une image de la scène à haute résolution portant l’information des changements éventuels. La deuxième étape réalise la prédiction de deux images non observées possédant des résolutions identiques à celles des images observées par dégradation spatiale et spectrale de l’image fusionnée. Enfin, la troisième étape consiste en une détection de changements classique entre images observées et prédites de mêmes résolutions. Une deuxième stratégie modélise les images observées comme des versions dégradées de deux images non observées caractérisées par des résolutions spectrales et spatiales identiques et élevées. Elle met en œuvre une étape de fusion robuste qui exploite un a priori de parcimonie des changements observés. Enfin, le principe de la fusion est étendu à des images de modalités différentes. Dans ce cas où les pixels ne sont pas directement comparables, car correspondant à des grandeurs physiques différentes, la comparaison est réalisée dans un domaine transformé. Les deux images sont représentées par des combinaisons linéaires parcimonieuses des éléments de deux dictionnaires couplés, appris à partir des données. La détection de changements est réalisée à partir de l’estimation d’un code couplé sous condition de parcimonie spatiale de la différence des codes estimés pour chaque image. L’expérimentation de ces différentes méthodes, conduite sur des changements simulés de manière réaliste ou sur des changements réels, démontre les avantages des méthodes développées et plus généralement de l’apport de la fusion pour la détection de changement

Refined Building Change Detection in Satellite Stereo Imagery Based on Belief Functions and Reliabilities

Digital Surface Models (DSMs) generated from satellite stereo imagery provide valuable but not comprehensive information for building change detection. Therefore, belief functions have been introduced to solve this problem by fusing DSM information with changes extracted from images. However, miss-detection can not be avoided if the DSMs are containing large region of wrong height values. A refined workflow is thereby proposed by adopting the initial disparity map to generate a reliability map. This reliability map is then built in the fusion model. The reliability map has been tested in both Dempster-Shafer Theory (DST), and Dezert-Smarandache Theory (DSmT) frameworks. The results have been validated by comparing to the manually extracted change reference mask

Mapping Species Composition of Forests and Tree Plantations in Northeastern Costa Rica with an Integration of Hyperspectral and Multitemporal Landsat Imagery

An efficient means to map tree plantations is needed to detect tropical land use change and evaluate reforestation projects. To analyze recent tree plantation expansion in northeastern Costa Rica, we examined the potential of combining moderate-resolution hyperspectral imagery (2005 HyMap mosaic) with multitemporal, multispectral data (Landsat) to accurately classify (1) general forest types and (2) tree plantations by species composition. Following a linear discriminant analysis to reduce data dimensionality, we compared four Random Forest classification models: hyperspectral data (HD) alone; HD plus interannual spectral metrics; HD plus a multitemporal forest regrowth classification; and all three models combined. The fourth, combined model achieved overall accuracy of 88.5%. Adding multitemporal data significantly improved classification accuracy (p less than 0.0001) of all forest types, although the effect on tree plantation accuracy was modest. The hyperspectral data alone classified six species of tree plantations with 75% to 93% producer's accuracy; adding multitemporal spectral data increased accuracy only for two species with dense canopies. Non-native tree species had higher classification accuracy overall and made up the majority of tree plantations in this landscape. Our results indicate that combining occasionally acquired hyperspectral data with widely available multitemporal satellite imagery enhances mapping and monitoring of reforestation in tropical landscapes

The Impact of Sensor Characteristics and Data Availability on Remote Sensing Based Change Detection

Land cover and land use change are among the major drivers of global change. In a time of mounting challenges for sustainable living on our planet any research benefits from interdisciplinary collaborations to gain an improved understanding of the human-environment system and to develop suitable and improve existing measures of natural resource management. This includes comprehensive understanding of land cover and land use changes, which is fundamental to mitigate global change. Remote sensing technology is essential for the analyses of the land surface (and hence related changes) because it offers cost-effective ways of collecting data simultaneously over large areas. With increasing variety of sensors and better data availability, the application of remote sensing as a means to assist in modeling, to support monitoring, and to detect changes at various spatial and temporal scales becomes more and more feasible. The relationship between the nature of the changes on the land surface, the sensor properties, and the conditions at the time of acquisition influences the potential and quality of land cover and land use change detection. Despite the wealth of existing change detection research, there is a need for new methodologies in order to efficiently explore the huge amount of data acquired by remote sensing systems with different sensor characteristics. The research of this thesis provides solutions to two main challenges of remote sensing based change detection. First, geometric effects and distortions occur when using data taken under different sun-target-sensor geometries. These effects mainly occur if sun position and/or viewing angles differ between images. This challenge was met by developing a theoretical framework of bi-temporal change detection scenarios. The concept includes the quantification of distortions that can occur in unfavorable situations. The invention and application of a new method – the Robust Change Vector Analysis (RCVA) – reduced the detection of false changes due to these distortions. The quality and robustness of the RCVA were demonstrated in an example of bi-temporal cross-sensor change detection in an urban environment in Cologne, Germany. Comparison with a state-of-the-art method showed better performance of RCVA and robustness against thresholding. Second, this thesis provides new insights into how to optimize the use of dense time series for forest cover change detection. A collection of spectral indices was reviewed for their suitability to display forest structure, development, and condition at a study site on Vancouver Island, British Columbia, Canada. The spatio-temporal variability of the indices was analyzed to identify those indices, which are considered most suitable for forest monitoring based on dense time series. Amongst the indices, the Disturbance Index (DI) was found to be sensitive to the state of the forest (i.e., forest structure). The Normalized Difference Moisture Index (NDMI) was found to be spatio-temporally stable and to be the most sensitive index for changes in forest condition. Both indices were successfully applied to detect abrupt forest cover changes. Further, this thesis demonstrated that relative radiometric normalization can obscure actual seasonal variation and long-term trends of spectral signals and is therefore not recommended to be incorporated in the time series pre-processing of remotely-sensed data. The main outcome of this part of the presented research is a new method for detecting discontinuities in time series of spectral indices. The method takes advantage of all available information in terms of cloud-free pixels and hence increases the number of observations compared to most existing methods. Also, the first derivative of the time series was identified (together with the discontinuity measure) as a suitable variable to display and quantify the dynamic of dense Landsat time series that cannot be observed with less dense time series. Given that these discontinuities are predominantly related to abrupt changes, the presented method was successfully applied to clearcut harvest detection. The presented method detected major events of forest change at unprecedented temporal resolution and with high accuracy (93% overall accuracy). This thesis contributes to improved understanding of bi-temporal change detection, addressing image artifacts that result from flexible acquisition features of modern satellites (e.g., off-nadir capabilities). The demonstrated ability to efficiently analyze cross-sensor data and data taken under unfavorable conditions is increasingly important for the detection of many rapid changes, e.g., to assist in emergency response. This thesis further contributes to the optimized use of remotely sensed time series for improving the understanding, accuracy, and reliability of forest cover change detection. Additionally, the thesis demonstrates the usability of and also the necessity for continuity in medium spatial resolution satellite imagery, such as the Landsat data, for forest management. Constellations of recently launched (e.g., Landsat 8 OLI) and upcoming sensors (e.g., Sentinel-2) will deliver new opportunities to apply and extend the presented methodologies.Der Einfluss von Sensorcharakteristik und Datenverfügbarkeit auf die fernerkundungsbasierte Veränderungsdetektion Landbedeckungs- und Landnutzungswandel gehören zu den Haupttriebkräften des Globalen Wandels. In einer Zeit, in der ein nachhaltiges Leben auf unserem Planeten zu einer wachsenden Herausforderung wird, profitiert die Wissenschaft von interdisziplinärer Zusammenarbeit, um ein besseres Verständnis der Mensch-Umwelt-Beziehungen zu erlangen und um verbesserte Maßnahmen des Ressourcenmanagements zu entwickeln. Dazu gehört auch ein erweitertes Verständnis von Landbedeckungs- und Landnutzungswandel, das elementar ist, um dem Globalen Wandel zu begegnen. Die Fernerkundungstechnologie ist grundlegend für die Analyse der Landoberfläche und damit verknüpften Veränderungen, weil sie in der Lage ist, große Flächen gleichzeitig zu erfassen. Mit zunehmender Sensorenvielfalt und besserer Datenverfügbarkeit gewinnt Fernerkundung bei der Modellierung, beim Monitoring sowie als Mittel zur Erkennung von Veränderungen in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zunehmend an Bedeutung. Das Wirkungsgeflecht zwischen der Art von Veränderungen der Landoberfläche, Sensoreigenschaften und Aufnahmebedingungen beeinflusst das Potenzial und die Qualität fernerkundungsbasierter Landbedeckungs- und Landnutzungsveränderungs-detektion. Trotz der Fülle an bestehenden Forschungsleistungen zur Veränderungsdetektion besteht ein dringender Bedarf an neuen Methoden, die geeignet sind, das große Aufkommen von Daten unterschiedlicher Sensoren effizient zu nutzen. Die in dieser Abschlussarbeit durchgeführte Forschung befasst sich mit zwei aktuellen Problemfeldern der fernerkundungsbasierten Veränderungsdetektion. Das erste sind die geometrischen Effekte und Verzerrungen, die auftreten, wenn Daten genutzt werden, die unter verschiedenen Sonne-Zielobjekt-Sensor-Geometrien aufgenommen wurden. Diese Effekte treten vor allem dann auf, wenn unterschiedliche Sonnenstände und/oder unterschiedliche Einfallswinkel der Satelliten genutzt werden. Der Herausforderung wurde begegnet, indem ein theoretisches Konzept von Szenarien dargelegt wurde, die bei der bi-temporalen Veränderungsdetektion auftreten können. Das Konzept beinhaltet die Quantifizierung der Verzerrungen, die in ungünstigen Fällen auftreten können. Um die Falscherkennung von Veränderungen in Folge der resultierenden Verzerrungen zu reduzieren, wurde eine neue Methode entwickelt – die Robust Change Vector Analysis (RCVA). Die Qualität der Methode wird an einem Beispiel der Veränderungsdetektion im urbanen Raum (Köln, Deutschland) aufgezeigt. Ein Vergleich mit einer anderen gängigen Methode zeigt bessere Ergebnisse für die neue RCVA und untermauert deren Robustheit gegenüber der Schwellenwertbestimmung. Die zweite Herausforderung, mit der sich die vorliegende Arbeit befasst, betrifft die optimierte Nutzung von dichten Zeitreihen zur Veränderungsdetektion von Wäldern. Eine Auswahl spektraler Indizes wurde hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Erfassung von Waldstruktur, Waldentwicklung und Waldzustand in einem Untersuchungsgebiet auf Vancouver Island, British Columbia, Kanada, bewertet. Um die Einsatzmöglichkeiten der Indizes für dichte Zeitreihen bewerten zu können, wurde ihre raum-zeitliche Variabilität untersucht. Der Disturbance Index (DI) ist ein Index, der sensitiv für das Stadium eines Waldes ist (d. h. seine Struktur). DerNormalized Difference Moisture Index (NDMI) ist raum-zeitlich stabil und zudem am sensitivsten für Veränderungen des Waldzustands. Beide Indizes wurden erfolgreich zur Erkennung von abrupten Veränderungen getestet. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, dass die relative radiometrische Normierung saisonale Variabilität und Langzeittrends von Zeitreihen spektraler Signale verzerrt. Die relative radiometrische Normierung wird daher nicht zur Vorprozessierung von Fernerkundungszeitreihen empfohlen. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie ist eine neue Methode zur Erkennung von Diskontinuitäten in Zeitreihen spektraler Indizes. Die Methode nutzt alle wolkenfreien, ungestörten Beobachtungen (d. h. unabhängig von der Gesamtbewölkung in einem Bild) in einer Zeitreihe und erhöht dadurch die Anzahl an Beobachtungen im Vergleich zu anderen Methoden. Die erste Ableitung und die Messgröße zur Erfassung der Diskontinuitäten sind gut geeignet, um die Dynamik dichter Zeitreihen zu beschreiben und zu quantifizieren. Dies ist mit weniger dichten Zeitreihen nicht möglich. Da diese Diskontinuitäten im Untersuchungsgebiet üblicherweise abrupter Natur sind, ist die Methode gut geeignet, um Kahlschläge zu erfassen. Die hier dargelegte neue Methode detektiert Waldbedeckungsveränderungen mit einzigartiger zeitlicher Auflösung und hoher Genauigkeit (93% Gesamtgenauigkeit). Die vorliegende Arbeit trägt zu einem verbesserten Verständnis bi-temporaler Veränderungsdetektion bei, indem Bildartefakte berücksichtigt werden, die infolge der Flexibilität moderner Sensoren entstehen können. Die dargestellte Möglichkeit, Daten zu analysieren, die von unterschiedlichen Sensoren stammen und die unter ungünstigen Bedingungen aufgenommen wurden, wird zukünftig bei der Erfassung von schnellen Veränderungen an Bedeutung gewinnen, z. B. bei Katastropheneinsätzen. Ein weiterer Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt in der optimierten Anwendung von Fernerkundungszeitreihen zur Verbesserung von Verständnis, Genauigkeit und Verlässlichkeit der Waldveränderungsdetektion. Des Weiteren zeigt die Arbeit den Nutzen und die Notwendigkeit der Fortführung von Satellitendaten mit mittlerer Auflösung (z. B. Landsat) für das Waldmanagement. Konstellationen kürzlich gestarteter (z. B. Landsat 8 OLI) und zukünftiger Sensoren (z. B. Sentinel-2) werden neue Möglichkeiten zur Anwendung und Optimierung der hier vorgestellten Methoden bieten

Land Use And Land Cover Classification And Change Detection Using Naip Imagery From 2009 To 2014: Table Rock Lake Region, Missouri

Land use and land cover (LULC) of Table Rock Lake (TRL) region has changed over the last half century after the construction of Table Rock Dam in 1959. This study uses one meter spatial resolution imagery to classify and detect the change of LULC of three typical waterside TRL regions. The main objectives are to provide an efficient and reliable classification workflow for regional level NAIP aerial imagery and identify the dynamic patterns for study areas. Seven class types are extracted by optimal classification results from year 2009, 2010, 2012 and 2014 of Table Rock Village, Kimberling City and Indian Point. Pixel-based post-classification comparison generated from-to” confusion matrices showing the detailed change patterns. I conclude that object-based random trees achieve the highest overall accuracy and kappa value, compared with the other six classification approaches, and is efficient to make a LULC classification map. Major change patterns are that vegetation, including trees and grass, increased during the last five years period while residential extension and urbanization process is not obvious to indicate high economic development in the TRL region. By adding auxiliary spatial information and object-based post-classification techniques, an improved classification procedure can be utilized for LULC change detection projects at the region level