Optimal Transport for Change Detection on LiDAR Point Clouds

The detection of changes occurring in multi-temporal remote sensing data plays a crucial role in monitoring several aspects of real life, such as disasters, deforestation, and urban planning. In the latter context, identifying both newly built and demolished buildings is essential to help landscape and city managers to promote sustainable development. While the use of airborne LiDAR point clouds has become widespread in urban change detection, the most common approaches require the transformation of a point cloud into a regular grid of interpolated height measurements, i.e. Digital Elevation Model (DEM). However, the DEM's interpolation step causes an information loss related to the height of the objects, affecting the detection capability of building changes, where the high resolution of LiDAR point clouds in the third dimension would be the most beneficial. Notwithstanding recent attempts to detect changes directly on point clouds using either a distance-based computation method or a semantic segmentation pre-processing step, only the M3C2 distance computation-based approach can identify both positive and negative changes, which is of paramount importance in urban planning. Motivated by the previous arguments, we introduce a principled change detection pipeline, based on optimal transport, capable of distinguishing between newly built buildings (positive changes) and demolished ones (negative changes). In this work, we propose to use unbalanced optimal transport to cope with the creation and destruction of mass related to building changes occurring in a bi-temporal pair of LiDAR point clouds. We demonstrate the efficacy of our approach on the only publicly available airborne LiDAR dataset for change detection by showing superior performance over the M3C2 and the previous optimal transport-based method presented by Nicolas Courty et al.at IGARSS 2016.Comment: Submitted to IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2023 (IGARSS 2023

Displacement Measurement Using a Laser Doppler Vibrometer Mounted on an Unmanned Aerial Vehicles

The railroad network in the united states is one of the best in the world, handling around 40 percent of all US freight movement. To maintain the serviceability and cost-effective operation of the railway infrastructure, regular monitoring is essential. Bridges are a critical part of the railway infrastructure and their timely maintenance and repair are important. Measuring transverse bridge displacement under train loading can assist to determine the bridge condition. The traditional methods available for transverse displacement measurement include Linear Variable Differential Transducers (LVDT). However, irregular terrain, remote and inaccessible locations, and the height of railroad bridges make implementation of these sensors for transverse displacement measurement either inadequate, or risky and time-consuming, and sometimes not possible altogether. Alternatively, railroads can monitor transverse bridge displacement using non-contact sensing with instruments such as robotic total station (RTS) and high-speed cameras. In recent years, the use of Laser Doppler Vibrometers (LDV) has started to draw some attention in the field of non-contact transverse bridge displacement measurement. However, in these applications, the instruments are generally placed on a fixed reference close to the bridge. It is not always possible to find this fixed reference point, especially when a bridge is spanning over a large opening, like a water body. In addition, a fixed reference point would require calibration of the measurement for every different bridge individually. Researchers use Unmanned Aerial Systems (UAS) to acquire aerial images for Structural Health Monitoring (SHM). However, this approach requires extensive image post-processing, and in general, complex algorithms development. More importantly, current systems are not capable of measuring dynamic transverse displacements. This MS Thesis presents a novel approach to measure transverse bridge dynamic displacements using non-contact vibrometers mounted on unmanned aerial system. This research proposes algorithms for compensating the measurement errors due to the angular and linear movement vibrometer to obtain accurate transverse bridge displacement measurements. These algorithms are verified in the laboratory using a shake table simulating bridge vibration, and vibrometer movement simulating the motions of a UAS. The results of these tests show that the signal difference between the measured displacements of a moving LDV system and a LVDT are less than 10%. The Root mean squared (RMS) differences are less than 5%. This research also implements and tests the UAV-LDV system in the field. The results of these experiments show that the signal difference between LVDT and the UAS-LDV system is 10%. The RMS difference between the two systems is 8%. The results of this research show that the UAS and LDV can be used together to measure the dynamic transverse bridge displacements and could become an effective tool for campaign monitoring of railroad bridges with application for railroad bridge maintenance and repair prioritization

Remote sensing contributing to assess earthquake risk: from a literature review towards a roadmap

Remote sensing data and methods are widely deployed in order to contribute to the assessment of numerous components of earthquake risk. While for earthquake hazardrelated investigations, the use of remotely sensed data is an established methodological element with a long research tradition, earthquake vulnerability–centred assessments incorporating remote sensing data are increasing primarily in recent years. This goes along with a changing perspective of the scientific community which considers the assessment of vulnerability and its constituent elements as a pivotal part of a comprehensive risk analysis. Thereby, the availability of new sensors systems enables an appreciable share of remote sensing first. In this manner, a survey of the interdisciplinary conceptual literature dealing with the scientific perception of risk, hazard and vulnerability reveals the demand for a comprehensive description of earthquake hazards as well as an assessment of the present and future conditions of the elements exposed. A review of earthquake-related remote sensing literature, realized both in a qualitative and quantitative manner, shows the already existing and published manifold capabilities of remote sensing contributing to assess earthquake risk. These include earthquake hazard-related analysis such as detection and measurement of lineaments and surface deformations in pre- and post-event applications. Furthermore, pre-event seismic vulnerability–centred assessment of the built and natural environment and damage assessments for post-event applications are presented. Based on the review and the discussion of scientific trends and current research projects, first steps towards a roadmap for remote sensing are drawn, explicitly taking scientific, technical, multi- and transdisciplinary as well as political perspectives into account, which is intended to open possible future research activities

La Détection des changements tridimensionnels à l'aide de nuages de points : Une revue

peer reviewedChange detection is an important step for the characterization of object dynamics at the earth’s surface. In multi-temporal point clouds, the main challenge is to detect true changes at different granularities in a scene subject to significant noise and occlusion. To better understand new research perspectives in this field, a deep review of recent advances in 3D change detection methods is needed. To this end, we present a comprehensive review of the state of the art of 3D change detection approaches, mainly those using 3D point clouds. We review standard methods and recent advances in the use of machine and deep learning for change detection. In addition, the paper presents a summary of 3D point cloud benchmark datasets from different sensors (aerial, mobile, and static), together with associated information. We also investigate representative evaluation metrics for this task. To finish, we present open questions and research perspectives. By reviewing the relevant papers in the field, we highlight the potential of bi- and multi-temporal point clouds for better monitoring analysis for various applications.11. Sustainable cities and communitie

Shipboard Lidar as a Tool for Remotely Measuring the Distribution and Bulk Characteristics of Marine Particles

Light detection and ranging (lidar) can provide remote estimates of the vertical distribution of optical properties in the ocean, potentially revolutionizing our ability to characterize the spatial structure of upper ocean ecosystems. However, challenges associated with quantifying the relationship between lidar measurements and biogeochemical properties of interest have prevented its adoption for routinely mapping the vertical structure of marine ecosystems. To address this, we developed a shipboard oceanographic lidar that measures attenuation (α) and linear depolarization (δ) at scales identical to those of in-water optical and biogeochemical measurements. The instrument’s ability to resolve the distribution of optical and biogeochemical properties was characterized during a series of field campaigns in the Mid-Atlantic Bight (MAB) and Gulf of Maine (GoM). α resolved vertical and horizontal gradients in absorption and chlorophyll concentration associated with the Chesapeake Bay outflow and distinct water masses in the GoM. δ was related to the particulate backscattering ratio, an optical proxy for particle size and composition, suggesting that δ could provide information on the material properties of marine particles. After initial characterizations, we conducted a 13-day deployment in the GoM and western North Atlantic to sample a mesoscale coccolithophore bloom. Bloom features were mapped at sub-kilometer scales and δ was used to distinguish coccoliths/coccolithophores from non-calcified particles. Finally, a model parameterized with in-water optical measurements from the bloom and laboratory linear depolarization measurements was used to explore the influence of multiple scattering and particle characteristics on measurements of δ. Single scattering measurements of δ exhibited a complex dependency on particle shape, size, and composition that was consistent with scattering calculations for non-spherical particles. Model results suggested that variability in δ was driven predominantly by shifts in particle concentration rather than their bulk characteristics. However, the behavior of δ when backscattering became decoupled from calcite could only be reproduced by including a separate coccolith particle class. Taken as a whole, this work provides new insights into the scattering nature of marine particles and the complex response of the lidar return signal to water column optical properties, and is an important demonstration of the sampling capabilities afforded by shipboard lidar

Technology Resources for Earthquake Monitoring and Response (TREMOR)

Earthquakes represent a major hazard for populations around the world, causing frequent loss of life, human suffering, and enormous damage to homes, other buildings, and infrastructure. The Technology Resources for Earthquake Monitoring and Response (TREMOR) proposal is designed to address this problem. This proposal recommends two prototype systems integrating space-based and ground technology. The suggested pilot implementation is over a 10-year period in three focus countries – China, Japan, and Peru – that are among the areas in the world most afflicted by earthquakes. The first proposed system is an Earthquake Early Warning Prototype System that addresses the potential of earthquake precursors, the science of which is incomplete and considered controversial within the scientific community. We recommend the development and launch of two small satellites to study ionospheric and electromagnetic precursors. In combination with ground-based precursor research, the data gathered will improve existing knowledge of earthquake-related phenomena. The second proposed system is an Earthquake Simulation and Response Prototype. An earthquake simulator will combine any available precursor data with detailed knowledge of the affected areas using a Geographic Information System (GIS) to identify those areas that are most likely to experience the greatest level of damage. Mobile satellite communication hubs will provide telephone and data links between response teams, while satellite navigation systems will locate and track emergency vehicles. We recommend a virtual response satellite constellation composed of existing and future high resolution satellites. We also recommend education and training for response teams on the use of these technologies. The two prototypes will be developed and implemented by a proposed non-profit nongovernmental organization (NGO) called the TREMOR Foundation, which will obtain funding from government disaster management agencies and NGOs. A for-profit subsidiary will market any spin-off technologies and provide an additional source of funding. Assuming positive results from the prototype systems, Team TREMOR recommends their eventual and permanent implementation in all countries affected by earthquakes.Postprint (published version

Caractérisation spatio-temporelle de la dynamique des trouées et de la réponse de la forêt boréale à l'aide de données lidar multi-temporelles

La forêt boréale est un écosystème hétérogène et dynamique façonné par les perturbations naturelles comme les feux, les épidémies d'insectes, le vent et la régénération. La dynamique des trouées joue un rôle important dans la dynamique forestière parce qu'elle influence le recrutement de nouveaux individus au sein de la canopée et la croissance de la végétation avoisinante par une augmentation des ressources. Bien que l'importance des trouées en forêt boréale fut reconnue, les connaissances nécessaires à la compréhension des relations entre le régime de trouées et la dynamique forestière, en particulier sur la croissance, sont souvent manquantes. Il est difficile d'observer et de mesurer extensivement la dynamique des trouées ou les changements de la canopée simultanément dans le temps et l'espace avec des données terrain ou des images bidimensionnelles (photos aériennes,...) et ce particulièrement dans des systèmes complexes comme les forêts ouvertes ou morcelées. De plus, la plupart des recherches furent menées en s'appuyant sur seulement quelques trouées représentatives bien que les interactions entre les trouées et la structure forestière furent rarement étudiées de manière conjointe. Le lidar est un système qui balaye la surface terrestre avec des faisceaux laser permettant d'obtenir une image dense de points en trois dimensions montrant les aspects structuraux de la végétation et de la topographie sous-jacente d'une grande superficie. Nous avons formulé l'hypothèse que lorsque les retours lidar de tirs quasi-verticaux sont denses et précis, ils permettent une interprétation de la géométrie des trouées et la comparaison de celles-ci dans le temps, ce qui nous informe à propos de leur influence sur la dynamique forestière. De plus, les mesures linéaires prises à différents moments dans le temps permettraient de donner une estimation fiable de la croissance. Ainsi, l'objectif de cette recherche doctorale était de développer des méthodes et d'accroître nos connaissances sur le régime de trouées et sa dynamique, et de déterminer comment la forêt boréale mixte répond à ces perturbations en termes de croissance et de mortalité à l'échelle locale. Un autre objectif était aussi de comprendre le rôle à court terme des ouvertures de la canopée dans un peuplement et la dynamique successionelle. Ces processus écologiques furent étudiés en reconstituant la hauteur de la surface de la canopée de la forêt boréale par l'utilisation de données lidar prises. en 1998, 2003 (et 2007), mais sans spécifications d'études similaires. L'aire d'étude de 6 km² dans la Forêt d'Enseignement et de Recherche du Lac Duparquet, Québec, Canada, était suffisamment grande pour capter la variabilité de la structure de la canopée et de la réponse de la forêt à travers une gamme de peuplements à différents stades de développement. Les recherches menées lors de cette étude ont révélé que les données lidar multi-temporelles peuvent être utilisées a priori dans toute étude de télédétection des changements, dont l'optimisation de la résolution des matrices et le choix de l'interpolation des algorithmes sont essentiels (pour les surfaces végétales et terrestres) afin d'obtenir des limites précises des trouées. Nous avons trouvé qu'une technique basée sur la croissance de régions appliquée à une surface lidar peut être utilisée pour délimiter les trouées avec une géométrie précise et pour éliminer les espaces entre les arbres représentant de fausses trouées. La comparaison de trouées avec leur délimitation Iidar le long de transects linéaires de 980 mètres montre une forte correspondance de 96,5%. Le lidar a été utilisé avec succès pour délimiter des trouées simples (un seul arbre) ou multiples (plus de 5 m²). En utilisant la combinaison de séries temporelles de trouées dérivées du lidar, nous avons développé des méthodes afin de délimiter les divers types d'évènements de dynamique des trouées: l'occurrence aléatoire de trouées, l'expansion de trouées et la fermeture de trouées, tant par la croissance latérale que la régénération. La technique proposée pour identifier les hauteurs variées arbre/gaulis sur une image lidar d'un Modèle de Hauteur de Couvert (MHC) a montré près de 75 % de correspondance avec les localisations photogrammétriques. Les taux de croissance libre suggérés basés sur les donnés lidar brutes après l'élimination des sources possibles d'erreur furent utilisés subséquemment pour des techniques statistiques afin de quantifier les réponses de croissance en hauteur qui ont été trouvées afin de faire varier la localisation spatiale en respect de la bordure de la trouée. À partir de la combinaison de donnés de plusieurs groupes d'espèces (de conifères et décidues) interprétée à partir d'images à haute résolution avec des données structurales lidar nous avons estimé les patrons de croissance en hauteur des différents groupes arbres/gaulis pour plusieurs contextes de voisinage. Les résultats on montré que la forêt boréale mixte autour du lac Duparquet est un système hautement dynamique, où la perturbation de la canopée joue un rôle important même pour une courte période de temps. La nouvelle estimation du taux de formation des trouées était de 0,6 %, ce qui correspond à une rotation de 182 ans pour cette forêt. Les résultats ont montré aussi que les arbres en périphérie des trouées étaient plus vulnérables à la mortalité que ceux à l'intérieur du couvert, résultant en un élargissement de la trouée. Nos résultats confirment que tant la croissance latérale que la croissance en hauteur de la régénération contribuent à la fermeture de la canopée à un taux annuel de 1,2 %. Des évidences ont aussi montré que les trouées de conifères et de feuillus ont des croissances latérales (moyenne de 22 cm/an) et verticales similaires sans tenir compte de leur localisation et leur hauteur initiale. La croissance en hauteur de tous les gaulis était fortement positive selon le type d'évènement et la superficie de la trouée. Les résultats suggèrent que la croissance des gaulis de conifères et de feuillus atteint son taux de croissance maximal à des distances respectives se situant entre 0,5 et 2 m et 1,5 et 4 m à partir de la bordure d'une trouée et pour des ouvertures de moins de 800 m² et 250 m² respectivement. Les effets des trouées sur la croissance en hauteur d'une forêt intacte se faisaient sentir à des distance allant jusqu'à à 30 m et 20 m des trouées, respectivement pour les feuillus et les conifères. Des analyses fines de l'ouverture de la canopée montrent que les peuplements à différents stades de développement sont hautement dynamiques et ne peuvent systématiquement suivre les mêmes patrons successionels. Globalement, la forêt est presqu'à l'équilibre compositionnel avec une faible augmentation de feuillus, principalement dû à la régénération de type infilling plutôt qu'une transition successionelle de conifères tolérants à l'ombre. Les trouées sont importantes pour le maintien des feuillus puisque le remplacement en sous-couvert est vital pour certains résineux. L'étude à démontré également que la dernière épidémie de tordeuse des bourgeons de l'épinette qui s'est terminée il y a 16 ans continue d'affecter de vieux peuplements résineux qui présentent toujours un haut taux de mortalité. Les résultats obtenus démontrent que lidar est un excellent outil pour acquérir des détails rapidement sur les dynamiques spatialement extensives et à court terme des trouées de structures complexes en forêt boréale. Les évidences de cette recherche peuvent servir tant à l'écologie, la sylviculture, l'aménagement forestier et aux spécialistes lidar. Ces idées ajoutent une nouvelle dimension à notre compréhension du rôle des petites perturbations et auront une implication directe pour les aménagistes forestiers en quête d'un aménagement forestier écologique et du maintien des forêts mixtes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Perturbation naturelle, Dynamique forestière, Dynamique des trouées, Croissances latérales, Régénération, Succession, Lidar à retours discrets, Grande superficie, Localisation des arbres individuels, Croissance en hauteur