Elevation and Deformation Extraction from TomoSAR

3D SAR tomography (TomoSAR) and 4D SAR differential tomography (Diff-TomoSAR) exploit multi-baseline SAR data stacks to provide an essential innovation of SAR Interferometry for many applications, sensing complex scenes with multiple scatterers mapped into the same SAR pixel cell. However, these are still influenced by DEM uncertainty, temporal decorrelation, orbital, tropospheric and ionospheric phase distortion and height blurring. In this thesis, these techniques are explored. As part of this exploration, the systematic procedures for DEM generation, DEM quality assessment, DEM quality improvement and DEM applications are first studied. Besides, this thesis focuses on the whole cycle of systematic methods for 3D & 4D TomoSAR imaging for height and deformation retrieval, from the problem formation phase, through the development of methods to testing on real SAR data. After DEM generation introduction from spaceborne bistatic InSAR (TanDEM-X) and airborne photogrammetry (Bluesky), a new DEM co-registration method with line feature validation (river network line, ridgeline, valley line, crater boundary feature and so on) is developed and demonstrated to assist the study of a wide area DEM data quality. This DEM co-registration method aligns two DEMs irrespective of the linear distortion model, which improves the quality of DEM vertical comparison accuracy significantly and is suitable and helpful for DEM quality assessment. A systematic TomoSAR algorithm and method have been established, tested, analysed and demonstrated for various applications (urban buildings, bridges, dams) to achieve better 3D & 4D tomographic SAR imaging results. These include applying Cosmo-Skymed X band single-polarisation data over the Zipingpu dam, Dujiangyan, Sichuan, China, to map topography; and using ALOS L band data in the San Francisco Bay region to map urban building and bridge. A new ionospheric correction method based on the tile method employing IGS TEC data, a split-spectrum and an ionospheric model via least squares are developed to correct ionospheric distortion to improve the accuracy of 3D & 4D tomographic SAR imaging. Meanwhile, a pixel by pixel orbit baseline estimation method is developed to address the research gaps of baseline estimation for 3D & 4D spaceborne SAR tomography imaging. Moreover, a SAR tomography imaging algorithm and a differential tomography four-dimensional SAR imaging algorithm based on compressive sensing, SAR interferometry phase (InSAR) calibration reference to DEM with DEM error correction, a new phase error calibration and compensation algorithm, based on PS, SVD, PGA, weighted least squares and minimum entropy, are developed to obtain accurate 3D & 4D tomographic SAR imaging results. The new baseline estimation method and consequent TomoSAR processing results showed that an accurate baseline estimation is essential to build up the TomoSAR model. After baseline estimation, phase calibration experiments (via FFT and Capon method) indicate that a phase calibration step is indispensable for TomoSAR imaging, which eventually influences the inversion results. A super-resolution reconstruction CS based study demonstrates X band data with the CS method does not fit for forest reconstruction but works for reconstruction of large civil engineering structures such as dams and urban buildings. Meanwhile, the L band data with FFT, Capon and the CS method are shown to work for the reconstruction of large manmade structures (such as bridges) and urban buildings

Automatic Target Recognition in Synthetic Aperture Radar Imagery: A State-of-the-Art Review

The purpose of this paper is to survey and assess the state-of-the-art in automatic target recognition for synthetic aperture radar imagery (SAR-ATR). The aim is not to develop an exhaustive survey of the voluminous literature, but rather to capture in one place the various approaches for implementing the SAR-ATR system. This paper is meant to be as self-contained as possible, and it approaches the SAR-ATR problem from a holistic end-to-end perspective. A brief overview for the breadth of the SAR-ATR challenges is conducted. This is couched in terms of a single-channel SAR, and it is extendable to multi-channel SAR systems. Stages pertinent to the basic SAR-ATR system structure are defined, and the motivations of the requirements and constraints on the system constituents are addressed. For each stage in the SAR-ATR processing chain, a taxonomization methodology for surveying the numerous methods published in the open literature is proposed. Carefully selected works from the literature are presented under the taxa proposed. Novel comparisons, discussions, and comments are pinpointed throughout this paper. A two-fold benchmarking scheme for evaluating existing SAR-ATR systems and motivating new system designs is proposed. The scheme is applied to the works surveyed in this paper. Finally, a discussion is presented in which various interrelated issues, such as standard operating conditions, extended operating conditions, and target-model design, are addressed. This paper is a contribution toward fulfilling an objective of end-to-end SAR-ATR system design

Mapping annual forest cover by fusing PALSAR/PALSAR-2 and MODIS NDVI during 2007–2016

Advanced Land Observing Satellite (ALOS) Phased Arrayed L-band Synthetic Aperture Radar (PALSAR) HH and HV polarization data were used previously to produce annual, global 25 m forest maps between 2007 and 2010, and the latest global forest maps of 2015 and 2016 were produced by using the ALOS-2 PALSAR-2 data. However, annual 25 m spatial resolution forest maps during 2011–2014 are missing because of the gap in operation between ALOS and ALOS-2, preventing the construction of a continuous, fine resolution time-series dataset on the world's forests. In contrast, the MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI images were available globally since 2000. This research developed a novel method to produce annual 25 m forest maps during 2007–2016 by fusing the fine spatial resolution, but asynchronous PALSAR/PALSAR-2 with coarse spatial resolution, but synchronous MODIS NDVI data, thus, filling the four-year gap in the ALOS and ALOS-2 time-series, as well as enhancing the existing mapping activity. The method was developed concentrating on two key objectives: 1) producing more accurate 25 m forest maps by integrating PALSAR/PALSAR-2 and MODIS NDVI data during 2007–2010 and 2015–2016; 2) reconstructing annual 25 m forest maps from time-series MODIS NDVI images during 2011–2014. Specifically, a decision tree classification was developed for forest mapping based on both the PALSAR/PALSAR-2 and MODIS NDVI data, and a new spatial-temporal super-resolution mapping was proposed to reconstruct the 25 m forest maps from time-series MODIS NDVI images. Three study sites including Paraguay, the USA and Russia were chosen, as they represent the world's three main forest types: tropical forest, temperate broadleaf and mixed forest, and boreal conifer forest, respectively. Compared with traditional methods, the proposed approach produced the most accurate continuous time-series of fine spatial resolution forest maps both visually and quantitatively. For the forest maps during 2007–2010 and 2015–2016, the results had greater overall accuracy values (>98%) than those of the original JAXA forest product. For the reconstructed 25 m forest maps during 2011–2014, the increases in classifications accuracy relative to three benchmark methods were statistically significant, and the overall accuracy values of the three study sites were almost universally >92%. The proposed approach, therefore, has great potential to support the production of annual 25 m forest maps by fusing PALSAR/PALSAR-2 and MODIS NDVI during 2007–2016

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