Very High Resolution Tomographic SAR Inversion for Urban Infrastructure Monitoring — A Sparse and Nonlinear Tour

The topic of this thesis is very high resolution (VHR) tomographic SAR inversion for urban infrastructure monitoring. To this end, SAR tomography and differential SAR tomography are demonstrated using TerraSAR-X spotlight data for providing 3-D and 4-D (spatial-temporal) maps of an entire high rise city area including layover separation and estimation of deformation of the buildings. A compressive sensing based estimator (SL1MMER) tailored to VHR SAR data is developed for tomographic SAR inversion by exploiting the sparsity of the signal. A systematic performance assessment of the algorithm is performed regarding elevation estimation accuracy, super-resolution and robustness. A generalized time warp method is proposed which enables differential SAR tomography to estimate multi-component nonlinear motion. All developed methods are validated with both simulated and extensive processing of large volumes of real data from TerraSAR-X

ANALYSIS OF X-BAND VERY HIGH RESOLUTION PERSISTENT SCATTERER INTERFEROMETRY DATA OVER URBAN AREAS

Persistent Scatterer Interferometry (PSI) is a satellite-based Synthetic Aperture Radar (SAR) remote sensing technique used to measure and monitor land deformation from a stack of interferometric SAR images. This work concerns X-band PSI and, in particular, PSI based on very high resolution (VHR) StripMap CosmoSkyMed and TerraSAR-X SAR imagery. In fact, it mainly focuses on the technical aspects of deformation measurement and monitoring over urban areas. A key technical aspect analysed in this paper is the thermal expansion component of PSI observations, which is a result of temperature differences in the imaged area between SAR acquisitions. This component of PSI observations is particularly important in the urban environment. This is an interesting feature of PSI, which can be surely used to illustrate the high sensitivity of X-band PSI to very subtle displacements. Thermal expansion can have a strong impact on the PSI products, especially on the deformation velocity maps and deformation time series, if not properly handled during the PSI data processing and analysis, and a comprehensive discussion of this aspect will be provided in this paper. The importance of thermal expansion is related to the fact that the PSI analyses are often performed using limited stacks of images, which may cover a limited time period, e.g. several months only. These two factors (limited number of images and short period) make the impact of a non-modelled thermal expansion particularly critical. This issue will be illustrated considering different case studies based on TerraSAR-X and CosmoSkyMed PSI data. Besides, an extended PSI model which alleviates this problem will be described and case studies from the Barcelona metropolitan area will demonstrate the effectiveness of the proposed strategy

A general framework and related procedures for multiscale analyses of DInSAR data in subsiding urban areas

In the last decade Differential Synthetic Aperture Radar (DInSAR) data were successfully tested in a number of case studies for the detection, mapping and monitoring of ground displacements associated with natural or anthropogenic phenomena. More recently, several national and regional projects all around the world provided rich data archives whose confident use, however, should rely on multidisciplinary experts in order to avoid misleading interpretations. To this aim, the present work first introduces a general framework for the use of DInSAR data; then, focusing on the analysis of subsidence phenomena and the related consequences to the exposed facilities, a set of original procedures is proposed. By drawing a multiscale approach the study highlights the different goals to be pursued at different scales of analysis via high/very high resolution SAR sensors and presents the results with reference to the case study of the Campania region (southern Italy) where widespread ground displacements occurred and damages of different severity were recorded

Deep learning in remote sensing: a review

Standing at the paradigm shift towards data-intensive science, machine learning techniques are becoming increasingly important. In particular, as a major breakthrough in the field, deep learning has proven as an extremely powerful tool in many fields. Shall we embrace deep learning as the key to all? Or, should we resist a 'black-box' solution? There are controversial opinions in the remote sensing community. In this article, we analyze the challenges of using deep learning for remote sensing data analysis, review the recent advances, and provide resources to make deep learning in remote sensing ridiculously simple to start with. More importantly, we advocate remote sensing scientists to bring their expertise into deep learning, and use it as an implicit general model to tackle unprecedented large-scale influential challenges, such as climate change and urbanization.Comment: Accepted for publication IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazin

Information Extraction and Modeling from Remote Sensing Images: Application to the Enhancement of Digital Elevation Models

To deal with high complexity data such as remote sensing images presenting metric resolution over large areas, an innovative, fast and robust image processing system is presented. The modeling of increasing level of information is used to extract, represent and link image features to semantic content. The potential of the proposed techniques is demonstrated with an application to enhance and regularize digital elevation models based on information collected from RS images

Advances for Urban Planning in Highly Dynamic Environments through very High-Resolution Remote Sensing Approaches

Die fortschreitende Urbanisierung und der Klimawandel stellen Städte und Stadtplanung vor große Herausforderungen. Der Lebensraum für die Bewohner und die Infrastruktur müssen entsprechend den Klimaschutzanforderungen angepasst werden, zudem muss die Resilienz urbaner Räume gegenüber Klimawandelwandelfolgen erhöht werden. Ziel der urbanen Planung und urbanen Infrastrukturplanung ist vor diesem Hintergrund im Auftrag der Gesellschaft Lösungen zu finden, um diesen Anforderungen der Zukunft gerecht zu werden und um lebenswerte Städte mit allen städtischen Funktionen zu gewährleisten. Zudem müssen durch Planer ökonomische und ökologisch geeignete Vorschläge für die Bereitstellung urbaner Infrastruktur gefunden werden, um Grundbedürfnisse zu erfüllen und Slums zurückzudrängen. Gute Planungspraxis erfordert dafür die Entwicklung von Planungsszenarien für angemessene, erfolgreiche und integrierte Lösungen, wobei eine Datenbasis als Entscheidungsgrundlage dienen muss, die durch Datenkonsistenz, -Qualität und -Aktualität als Evidenz für Szenarienentwicklung herangezogen werden kann. In dieser Dissertationsschrift wird durch drei Studien gezeigt, dass die Disziplin der Fernerkundung durch die Verwendung sehr hochaufgelöster Erdbeobachtungsdaten einen Beitrag für erfolgreiche urbane Planung und urbane Infrastrukturplanung leisten kann, indem der Informationsgehalt bisheriger Fernerkundungsansätze unter Verwendung anwendungsfreundlicher Ansätze erhöht werden kann und direkt planungsrelevante Informationen als Evidenz für die Entscheidungsfindung bereitgestellt werden kann. In den hochdynamischen Städten Da Nang (VN) und Belmopan (BZ) konnte an dieser Thematik gearbeitet werden. Durch die Differenzierung photogrammetrisch abgeleiteter Höhenmodelle in sehr hoher Auflösung wurden in Da Nang anstatt flächenhafter Änderungen urbaner Gebiete Dynamiken innerhalb des Gebäudebestands bestimmt und evaluiert. Der Gebäudetyp kann, wie in Belmopan gezeigt, als geeignetes Mittel für Abschätzung sozio-ökonomischer Indikatoren dienen, die in Zusammenhang mit spezifischen Verbräuchen stehen. Mit der Verwendung von Drohnendaten wurde die Bestimmung der Gebäudetypen verbessert und zudem der Zusammenhang zwischen Gebäudetyp und Stromverbrauch gezeigt, wodurch eine Photovoltaikenergie-Bilanzierung auf Einzelgebäudeebene durchgeführt werden konnte

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

Urban Deformation Monitoring using Persistent Scatterer Interferometry and SAR tomography

This book focuses on remote sensing for urban deformation monitoring. In particular, it highlights how deformation monitoring in urban areas can be carried out using Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and Synthetic Aperture Radar (SAR) Tomography (TomoSAR). Several contributions show the capabilities of Interferometric SAR (InSAR) and PSI techniques for urban deformation monitoring. Some of them show the advantages of TomoSAR in un-mixing multiple scatterers for urban mapping and monitoring. This book is dedicated to the technical and scientific community interested in urban applications. It is useful for choosing the appropriate technique and gaining an assessment of the expected performance. The book will also be useful to researchers, as it provides information on the state-of-the-art and new trends in this fiel

Semantic location extraction from crowdsourced data

Crowdsourced Data (CSD) has recently received increased attention in many application areas including disaster management. Convenience of production and use, data currency and abundancy are some of the key reasons for attracting this high interest. Conversely, quality issues like incompleteness, credibility and relevancy prevent the direct use of such data in important applications like disaster management. Moreover, location information availability of CSD is problematic as it remains very low in many crowd sourced platforms such as Twitter. Also, this recorded location is mostly related to the mobile device or user location and often does not represent the event location. In CSD, event location is discussed descriptively in the comments in addition to the recorded location (which is generated by means of mobile device's GPS or mobile communication network). This study attempts to semantically extract the CSD location information with the help of an ontological Gazetteer and other available resources. 2011 Queensland flood tweets and Ushahidi Crowd Map data were semantically analysed to extract the location information with the support of Queensland Gazetteer which is converted to an ontological gazetteer and a global gazetteer. Some preliminary results show that the use of ontologies and semantics can improve the accuracy of place name identification of CSD and the process of location information extraction

Monitoring permafrost environments with Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors

Permafrost occupies approximately 24% of the exposed land area in the Northern Hemisphere. It is an important element of the cryosphere and has strong impacts on hydrology, biological processes, land surface energy budget, and infrastructure. For several decades, surface air temperatures in the high northern latitudes have warmed at approximately twice the global rate. Permafrost temperatures have increased in most regions since the early 1980s, the averaged warming north of 60°N has been 1-2°C. In-situ measurements are essential to understanding physical processes in permafrost terrain, but they have several limitations, ranging from difficulties in drilling to the representativeness of limited single point measurements. Remote sensing is urgently needed to supplement ground-based measurements and extend the point observations to a broader spatial domain. This thesis concentrates on the sub-arctic permafrost environment monitoring with SAR datasets. The study site is selected in a typical discontinuous permafrost region in the eastern Canadian sub-Arctic. Inuit communities in Nunavik and Nunatsiavut in the Canadian eastern sub-arctic are amongst the groups most affected by the impacts of climate change and permafrost degradation. Synthetic Aperture Radar (SAR) datasets have advantages for permafrost monitoring in the Arctic and sub-arctic regions because of its high resolution and independence of cloud cover and solar illumination. To date, permafrost environment monitoring methods and strategies with SAR datasets are still under development. The variability of active layer thickness is a direct indication of permafrost thermal state changes. The Differential SAR Interferometry (D-InSAR) technique is applied in the study site to derive ground deformation, which is introduced by the thawing/freezing depth of active layer and underlying permafrost. The D-InSAR technique has been used for the mapping of ground surface deformation over large areas by interpreting the phase difference between two signals acquired at different times as ground motion information. It shows the ability to detect freeze/thaw-related ground motion over permafrost regions. However, to date, accuracy and value assessments of D-InSAR applications have focused mostly on the continuous permafrost region where the vegetation is less developed and causes fewer complicating factors for the D-InSAR application, less attention is laid on the discontinuous permafrost terrain. In this thesis, the influencing factors and application conditions for D-InSAR in the discontinuous permafrost environment are evaluated by using X- band and L-band data. Then, benefit from by the high-temporal resolution of C-band Sentinel-1 time series, the seasonal displacement is derived from small baseline subsets (SBAS)-InSAR. Landforms are indicative of permafrost presence, with their changes inferring modifications to permafrost conditions. A permafrost landscape mapping method was developed which uses multi-temporal TerraSAR-X backscatter intensity and interferometric coherence information. The land cover map is generated through the combined use of object-based image analysis (OBIA) and classification and regression tree analysis (CART). An overall accuracy of 98% is achieved when classifying rock and water bodies, and an accuracy of 79% is achieved when discriminating between different vegetation types with one year of single-polarized acquisitions. This classification strategy can be transferred to other time-series SAR datasets, e.g., Sentinel-1, and other heterogeneous environments. One predominant change in the landscape tied to the thaw of permafrost is the dynamics of thermokarst lakes. Dynamics of thermokarst lakes are developed through their lateral extent and vertical depth changes. Due to different water depth, ice cover over shallow thermokarst ponds/lakes can freeze completely to the lake bed in winter, resulting in grounded ice; while ice cover over deep thermokarst ponds/lakes cannot, which have liquid water persisting under the ice cover all winter, resulting in floating ice. Winter ice cover regimes are related to water depths and ice thickness. In the lakes having floating ice, the liquid water induces additional heat in the remaining permafrost underneath and surroundings, which contributes to further intensified permafrost thawing. SAR datasets are utilized to detect winter ice cover regimes based on the character that liquid water has a remarkably high dielectric constant, whereas pure ice has a low value. Patterns in the spatial distribution of ice-cover regimes of thermokarst ponds in a typical discontinuous permafrost region are first revealed. Then, the correlations of these ice-cover regimes with the permafrost degradation states and thermokarst pond development in two historical phases (Sheldrake catchment in the year 1957 and 2009, Tasiapik Valley 1994 and 2010) were explored. The results indicate that the ice-cover regimes of thermokarst ponds are affected by soil texture, permafrost degradation stage and permafrost depth. Permafrost degradation is difficult to directly assess from the coverage area of floating-ice ponds and the percentage of all thermokarst ponds consisting of such floating-ice ponds in a single year. Continuous monitoring of ice-cover regimes and surface areas is recommended to elucidate the hydrological trajectory of the thermokarst process. Several operational monitoring methods have been developed in this thesis work. In the meanwhile, the spatial distribution of seasonal ground thaw subsidence, permafrost landscape, thermokarst ponds and their winter ice cover regimes are first revealed in the study area. The outcomes help understand the state and dynamics of permafrost environment.Der Permafrostboden bedeckt etwa 24% der exponierten Landfläche in der nördlichen Hemisphäre. Es ist ein wichtiges Element der Kryosphäre und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der Landoberfläche und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die Oberflächenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frühen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche Erwärmung nördlich von 60° N beträgt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell für das Verständnis der physischen Prozesse im Permafrostgelände. Es gibt jedoch mehrere Einschränkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur Repräsentativität begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergänzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren räumlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-Datensätzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewählt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stärksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) Datensätze haben Vorteile für das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der Unabhängigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-Datensätzen für Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die Variabilität der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der Veränderung des thermischen Zustands der Permafrostböden. Die Differential-SAR-Interferometrie(D-Insar)-Technik wird im Untersuchungsgebiet zur Ableitung der Bodendeformation, die durch Auftau- / und Gefriertiefe der aktiven Schicht und des unterliegenden Permafrostbodens eingeführt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde für Kartierung der Landoberflächendeformation über große Flächen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die Fähigkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen über Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und Wertschätzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsächlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren für D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche Permafrostgelände wurde nur weniger berücksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen für D-InSAR im diskontinuierlichen Permafrostgebiet mittels X-Band und L-Band Daten ausgewertet. Dann wurde die saisonale Verschiebung dank der hohen Auflösung der C-Band Sentinel-1 Zeitreihe von „Small Baseline Subsets (SBAS)-InSAR“ abgeleitet. Landformen weisen auf die Präsenz des Permafrosts hin, wobei deren Veränderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X Rückstreuungsintensität und interferometrische Kohärenzinformationen verwendet. Die Landbedeckungskarte wurde durch kombinierte Anwendung objektbasierter Bildanalyse (OBIA) und Klassifikations- und Regressionsbaum Analyse (CART) generiert. Eine Gesamtgenauigkeit in Höhe von 98% wurde bei Klassifikation der Gesteine und Wasserkörper erreicht. Bei Unterscheidung zwischen verschiedenen Vegetationstypen mit einem Jahr einzelpolarisierte Akquisitionen wurde eine Genauigkeit von 79% erreicht. Diese Klassifikationsstrategie kann auf andere Zeitreihen der SAR-Datensätzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten übertragen werden. Eine vorherrschende Veränderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch Veränderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke über den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollständig gefroren sein, was zum geerdeten Eis führt, während die Eisdecke über den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flüssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis führt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flüssige Wasser zusätzliche Wärme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren Verstärkung des Permafrostauftauen beiträgt. Basiert auf den Charakter, dass das flüssige Wasser eine bemerkenswert hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, während reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR Datensätzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. Zunächst wurden Schemen in der räumlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die Zusammenhänge dieser Eisdeckenregimes mit dem Degradationszustand des Permafrosts und der Entwicklung der Thermokarstteiche in zwei historischen Phasen (Sheldrake Einzugsgebiet in 1957 und 2009, Tasiapik Tal in 1994 und 2010) erforscht. Die Ergebnisse deuten darauf, dass die Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche von der Bodenart, dem Degradationszustand des Permafrosts und der Permafrosttiefe beeinflusst werden. Es ist schwer, die Permafrostdegradation in einem einzelnen Jahr direkt durch den Abdeckungsbereich der Treibeis-Teiche und die Prozentzahl aller aus solchen Treibeis-Teichen bestehenden Thermokarstteiche abzuschätzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflächen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erläutern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die räumliche Verteilung der saisonalen Bodentauabsenkung, die Permafrostlandschaft, die Thermokarstteiche und ihre Wintereisdeckenregimes erstmals in diesem Untersuchungsgebiet aufgedeckt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Zustand und die Dynamik der Permafrostumwelt zu verstehen