VenSAR on EnVision: taking Earth Observation radar to Venus

Venus should be the most Earth-like of all our planetary neighbours: its size, bulk composition and distance from the Sun are very similar to those of Earth. How and why did it all go wrong for Venus? What lessons can be learned about the life story of terrestrial planets in general, in this era of discovery of Earth-like exoplanets? Were the radically different evolutionary paths of Earth and Venus driven solely by distance from the Sun, or do internal dynamics, geological activity, volcanic outgassing and weathering also play an important part? EnVision is a proposed ESA Medium class mission designed to take Earth Observation technology to Venus to measure its current rate of geological activity, determine its geological history, and the origin and maintenance of its hostile atmosphere, to understand how Venus and Earth could have evolved so differently. EnVision will carry three instruments: the Venus Emission Mapper (VEM); the Subsurface Radar Sounder (SRS); and VenSAR, a world-leading European phased array synthetic aperture radar that is the subject of this article. VenSAR will obtain images at a range of spatial resolutions from 30 m regional coverage to 1 m images of selected areas; an improvement of two orders of magnitude on Magellan images; measure topography at 15 m resolution vertical and 60 m spatially from stereo and InSAR data; detect cm-scale change through differential InSAR, to characterise volcanic and tectonic activity, and estimate rates of weathering and surface alteration; and characterise of surface mechanical properties and weathering through multi-polar radar data. These data will be directly comparable with Earth Observation radar data, giving geoscientists unique access to an Earth-sized planet that has evolved on a radically different path to our own, offering new insights on the Earth-sized exoplanets across the galaxy

Extraction of spatial information from sterioscopic SAR images

Synthetic Aperture Radar (SAR) is now widely used for generating Digital Elevation Models (DEMs) and has advantages over optical data in terms of availability as it allows all-day and all-weather operations. The stereoscopic SAR method, which allows direct extraction of spatial information in three-dimensional space, has been established for decades. However, the traditional stereoscopic methods developed for SAR data depend on many human operations and need ground control points (GCPs), to set up geometric models. The aims of the thesis are not only to propose a refined rigorous stereoscopic SAR method and a new error model to predict theoretic errors, but also to achieve a higher level of automation and accuracy. By using a weighting matrix, which is derived by considering different observations in the space intersection algorithm, the minimal number of the GCPs required for the refined algorithm is only two. To achieve a high degree of automation, an optimized strategy of parameter selection for the pyramidal image correlation scheme employing a region-growing technique has been proposed. This avoids a trial-and-error approach to produce digital parallax data from the same-side SAR image pairs. A new method to derive GCPs automatically has been developed using a SAR image simulation technique, under the condition that a known DEM chip is available, to minimize human interventions and operator error. The proposed method for providing GCPs and the DEMs generated from space intersection have been incorporated into the procedures for geocoding SAR images to validate the proposed algorithms. The results derived show that the stereoscopic SAR data can be applied to geometric rectification in flat-to-moderate areas, and other applications of extraction of spatial information are promising

La teledetección por radar como fuente de información litológica y estructural

Las imágenes de radar se han convertido en los últimos años en una herramienta de uso frecuente para la extracción de información geológica, siendo cada vez más numerosos los sistemas de teledetección por radar que ponen a disposición una gran variedad de imágenes de gran utilidad en la cartografía geológica. Dada la geometría de observación de los sistemas de radar (observación lateral) y las características de la señal (microondas activas), los datos adquiridos por sensores de radar son sustancialmente diferentes a los obtenidos por los sensores óptico-electrónicos, pudiendo ser considerados como una fuente de información complementaria. Los procesos que intervienen en la formación de una imagen de radar son muy dependientes de las propiedades del haz de radar, en términos de las características de la señal (frecuencia y polarización) y la geometría de observación (ángulo de incidencia, dirección de visión). Los satélites que llevan a bordo sensores de radar, pueden tomar imágenes en órbita ascendente o descendente, con mirada a la derecha o a la izquierda y con distintos ángulos de inclinación, variando así las condiciones de iluminación, por lo cual imágenes de una misma zona pueden ofrecer información muy diferente. Por estos motivos, el criterio de selección de las imágenes para una aplicación particular se convierte en un paso esencial. La sensibilidad de las microondas a las propiedades dieléctricas, al contenido de humedad y a la rugosidad superficial –en relación con la longitud de onda del haz de radar-, se verá reflejada en el tono y textura de las imágenes, dado que estos factores inciden directamente en la intensidad de la señal. Los sensores de radar permitirán poner en evidencia variaciones morfológicas sutiles en la micro topografía de los afloramientos, aún cuando las mismas se encuentren por debajo del límite de la resolución espacial. La morfología del terreno –sus pendientes y orientaciones- impactará significativamente en el retorno de la señal, puesto que condiciona el ángulo de incidencia local del haz de radar. Por otra parte, la geometría de visión lateral favorecerá el reconocimiento de lineamientos y rasgos estructurales en general, cuando estos presenten una expresión morfológica superficial y cuando la observación de los mismos sea realzada por la dirección de iluminación del haz de radar. Dada la gran variabilidad de los factores involucrados en la formación de una imagen de radar y de cómo todos estos factores interactúan con las características del territorio observado, es necesario tener estos elementos en cuenta para poder interpretar fielmente las características geológicas de un área. Se presentan aquí los fundamentos y resultados de algunas experiencias orientadas a analizar las potencialidades de las imágenes de radar de expresar variaciones litológicas y de favorecer la detección de rasgos estructurales y morfológicos.In recent years, radar imagery has become a frequently used tool for geological information extraction as more numerous radar remote sensing systems that make available a great variety of images of great utility to geological mapping have become available. Given these radar systems’ observation geometry (side viewing) and signal nature (active microwave), the data acquired by these radar sensors are substantially different from those obtained by optical sensors, making them able to be considered as a complementary information sources. The processes involved in the formation of radar imagery are highly dependent on the properties of the radar beam in terms of both the signal character (frequency and polarization) and the observation geometry (incidence angle, look direction). The satellites carrying on-board radar sensors can acquire images in either ascending or descending orbit and in either right- or left-looking directions as well as with different inclination angles (thus varying illumination conditions). Therefore images of the same area taken by different systems can provide very different information. Thus, determining the criteria for image selection for a particular application is an essential step. The microwave’s sensitivity to dielectric properties, moisture content and surface roughness, particularly in relationship to the wavelength of the radar beam, will be reflected in the images tone and texture since these factors directly affect the signal intensity. Radar sensors can highlight subtle morphological variations in an outcrops’ micro topography even when its size is below the limit of the spatial resolution of the imagery. The terrain morphology (its slope and aspect) will have a significant impact on the return signal since it affects the local radar beam incidence angle. Moreover, the side-viewing geometry will benefit the identification of lineaments and structural features in general when they have a morphological expression and if their observation is enhanced by the radar beam illumination. Given the great variability of the factors involved in formation of a radar image, and given how all these factors interact with the characteristics of the imaged area, all these elements must be taken into account to faithfully interpret the geological characteristics of a particular territory. The basis and results of some analyses of the potential of radar imagery to manifest lithological variations and to benefit the detection of structural and morphological features are presented here

Digital Surface Modelling in Developing Countries Using Spaceborne SAR Techniques

Topographic databases at the national level, in the form of Digital Surface Models (DSMs), are required for a large number of applications which have been spurred on by the increased use of Geographic Information Systems (GIS). Ground-Based (surveying, GPS, etc.) and traditional airborne approaches to generating topographic information are proving to be time consuming and costly for applications in developing countries. Where these countries are located in the tropical zone, they are affected by the additional problem of cloud cover which could cause delays for almost 75% of the year in obtaining optical imagery. The Caribbean happens to be one such affected territory that is in need of national digital topographic information for its GIS database developments, 3D visualization of landscapes and for use in the digital ortho-rectification of satellite imagery. The use of Synthetic Aperture Radar (SAR), with its cloud penetrating and day/night imaging capabilities, is emerging as a possible remote sensing tool for use in cloud affected territories. There has been success with airborne single-pass dual antennae systems (e.g. STAR 3i) and the Shuttle Radar Topographic Mapping (SRTM) mission. However, the use of these systems in the Caribbean are restrictive and datasets will not be generally available. The launching of imaging radar satellites such as ERS-1, ERS-2, Radarsat-1 and more recently Envisat have provided additional opportunities for augmenting the technologies available for generating medium accuracy, low cost, topographic information for developing countries by using the techniques of Radargrammetry (StereoSAR) and Interferometric SAR (InSAR). The primary aim of this research was to develop, from scratch, a prototype StereoSAR system based on automatic stereo matching and space intersection algorithms to generate medium accuracy, low cost DSMs, using various influencing parameters without any recourse to ground control points. The result was to be a software package to undertake this process for implementation on a personal computer. The DSMs generated from Radarsat-1 and Envisat SAR imagery were compared with a reference surface from airborne InSAR and conclusions with respect to the quality of the StereoSAR DSMs are presented. Work required to further improve the StereoSAR system is also suggested

Digital Surface Modelling in Developing Countries Using Spaceborne SAR Techniques

Topographic databases at the national level, in the form of Digital Surface Models (DSMs), are required for a large number of applications which have been spurred on by the increased use of Geographic Information Systems (GIS). Ground-Based (surveying, GPS, etc.) and traditional airborne approaches to generating topographic information are proving to be time consuming and costly for applications in developing countries. Where these countries are located in the tropical zone, they are affected by the additional problem of cloud cover which could cause delays for almost 75% of the year in obtaining optical imagery. The Caribbean happens to be one such affected territory that is in need of national digital topographic information for its GIS database developments, 3D visualization of landscapes and for use in the digital ortho-rectification of satellite imagery. The use of Synthetic Aperture Radar (SAR), with its cloud penetrating and day/night imaging capabilities, is emerging as a possible remote sensing tool for use in cloud affected territories. There has been success with airborne single-pass dual antennae systems (e.g. STAR 3i) and the Shuttle Radar Topographic Mapping (SRTM) mission. However, the use of these systems in the Caribbean are restrictive and datasets will not be generally available. The launching of imaging radar satellites such as ERS-1, ERS-2, Radarsat-1 and more recently Envisat have provided additional opportunities for augmenting the technologies available for generating medium accuracy, low cost, topographic information for developing countries by using the techniques of Radargrammetry (StereoSAR) and Interferometric SAR (InSAR). The primary aim of this research was to develop, from scratch, a prototype StereoSAR system based on automatic stereo matching and space intersection algorithms to generate medium accuracy, low cost DSMs, using various influencing parameters without any recourse to ground control points. The result was to be a software package to undertake this process for implementation on a personal computer. The DSMs generated from Radarsat-1 and Envisat SAR imagery were compared with a reference surface from airborne InSAR and conclusions with respect to the quality of the StereoSAR DSMs are presented. Work required to further improve the StereoSAR system is also suggested

Radar remote sensing as a source of structural and lithological information. Radarsat-1 SAR spatial image analysis

Las imágenes de radar se han convertido en los últimos años en una herramienta de uso frecuente para la extracción de información geológica, siendo cada vez más numerosos los sistemas de teledetección por radar que ponen a disposición una gran variedad de imágenes de gran utilidad en la cartografía geológica. Dada la geometría de observación de los sistemas de radar (observación lateral) y las características de la señal (microondas activas), los datos adquiridos por sensores de radar son sustancialmente diferentes a los obtenidos por los sensores óptico-electrónicos, pudiendo ser considerados como una fuente de información complementaria. Los procesos que intervienen en la formación de una imagen de radar son muy dependientes de las propiedades del haz de radar, en términos de las características de la señal (frecuencia y polarización) y la geometría de observación (ángulo de incidencia, dirección de visión). Los satélites que llevan a bordo sensores de radar, pueden tomar imágenes en órbita ascendente o descendente, con mirada a la derecha o a la izquierda y con distintos ángulos de inclinación, variando así las condiciones de iluminación, por lo cual imágenes de una misma zona pueden ofrecer información muy diferente. Por estos motivos, el criterio de selección de las imágenes para una aplicación particular se convierte en un paso esencial. La sensibilidad de las microondas a las propiedades dieléctricas, al contenido de humedad y a la rugosidad superficial –en relación con la longitud de onda del haz de radar-, se verá reflejada en el tono y textura de las imágenes, dado que estos factores inciden directamente en la intensidad de la señal. Los sensores de radar permitirán poner en evidencia variaciones morfológicas sutiles en la micro topografía de los afloramientos, aún cuando las mismas se encuentren por debajo del límite de la resolución espacial. La morfología del terreno –sus pendientes y orientaciones- impactará significativamente en el retorno de la señal, puesto que condiciona el ángulo de incidencia local del haz de radar. Por otra parte, la geometría de visión lateral favorecerá el reconocimiento de lineamientos y rasgos estructurales en general, cuando estos presenten una expresión morfológica superficial y cuando la observación de los mismos sea realzada por la dirección de iluminación del haz de radar. Dada la gran variabilidad de los factores involucrados en la formación de una imagen de radar y de cómo todos estos factores interactúan con las características del territorio observado, es necesario tener estos elementos en cuenta para poder interpretar fielmente las características geológicas de un área. Se presentan aquí los fundamentos y resultados de algunas experiencias orientadas a analizar las potencialidades de las imágenes de radar de expresar variaciones litológicas y de favorecer la detección de rasgos estructurales y morfológicos.In recent years, radar imagery has become a frequently used tool for geological information extraction as more numerous radar remote sensing systems that make available a great variety of images of great utility to geological mapping have become available. Given these radar systems’ observation geometry (side viewing) and signal nature (active microwave), the data acquired by these radar sensors are substantially different from those obtained by optical sensors, making them able to be considered as a complementary information sources. The processes involved in the formation of radar imagery are highly dependent on the properties of the radar beam in terms of both the signal character (frequency and polarization) and the observation geometry (incidence angle, look direction). The satellites carrying on-board radar sensors can acquire images in either ascending or descending orbit and in either right- or left-looking directions as well as with different inclination angles (thus varying illumination conditions). Therefore images of the same area taken by different systems can provide very different information. Thus, determining the criteria for image selection for a particular application is an essential step. The microwave’s sensitivity to dielectric properties, moisture content and surface roughness, particularly in relationship to the wavelength of the radar beam, will be reflected in the images tone and texture since these factors directly affect the signal intensity. Radar sensors can highlight subtle morphological variations in an outcrops’ micro topography even when its size is below the limit of the spatial resolution of the imagery. The terrain morphology (its slope and aspect) will have a significant impact on the return signal since it affects the local radar beam incidence angle. Moreover, the side-viewing geometry will benefit the identification of lineaments and structural features in general when they have a morphological expression and if their observation is enhanced by the radar beam illumination. Given the great variability of the factors involved in formation of a radar image, and given how all these factors interact with the characteristics of the imaged area, all these elements must be taken into account to faithfully interpret the geological characteristics of a particular territory. The basis and results of some analyses of the potential of radar imagery to manifest lithological variations and to benefit the detection of structural and morphological features are presented here.Facultad de Ciencias Naturales y Muse

Radar remote sensing as a source of structural and lithological information. Radarsat-1 SAR spatial image analysis

Las imágenes de radar se han convertido en los últimos años en una herramienta de uso frecuente para la extracción de información geológica, siendo cada vez más numerosos los sistemas de teledetección por radar que ponen a disposición una gran variedad de imágenes de gran utilidad en la cartografía geológica. Dada la geometría de observación de los sistemas de radar (observación lateral) y las características de la señal (microondas activas), los datos adquiridos por sensores de radar son sustancialmente diferentes a los obtenidos por los sensores óptico-electrónicos, pudiendo ser considerados como una fuente de información complementaria. Los procesos que intervienen en la formación de una imagen de radar son muy dependientes de las propiedades del haz de radar, en términos de las características de la señal (frecuencia y polarización) y la geometría de observación (ángulo de incidencia, dirección de visión). Los satélites que llevan a bordo sensores de radar, pueden tomar imágenes en órbita ascendente o descendente, con mirada a la derecha o a la izquierda y con distintos ángulos de inclinación, variando así las condiciones de iluminación, por lo cual imágenes de una misma zona pueden ofrecer información muy diferente. Por estos motivos, el criterio de selección de las imágenes para una aplicación particular se convierte en un paso esencial. La sensibilidad de las microondas a las propiedades dieléctricas, al contenido de humedad y a la rugosidad superficial –en relación con la longitud de onda del haz de radar-, se verá reflejada en el tono y textura de las imágenes, dado que estos factores inciden directamente en la intensidad de la señal. Los sensores de radar permitirán poner en evidencia variaciones morfológicas sutiles en la micro topografía de los afloramientos, aún cuando las mismas se encuentren por debajo del límite de la resolución espacial. La morfología del terreno –sus pendientes y orientaciones- impactará significativamente en el retorno de la señal, puesto que condiciona el ángulo de incidencia local del haz de radar. Por otra parte, la geometría de visión lateral favorecerá el reconocimiento de lineamientos y rasgos estructurales en general, cuando estos presenten una expresión morfológica superficial y cuando la observación de los mismos sea realzada por la dirección de iluminación del haz de radar. Dada la gran variabilidad de los factores involucrados en la formación de una imagen de radar y de cómo todos estos factores interactúan con las características del territorio observado, es necesario tener estos elementos en cuenta para poder interpretar fielmente las características geológicas de un área. Se presentan aquí los fundamentos y resultados de algunas experiencias orientadas a analizar las potencialidades de las imágenes de radar de expresar variaciones litológicas y de favorecer la detección de rasgos estructurales y morfológicos.In recent years, radar imagery has become a frequently used tool for geological information extraction as more numerous radar remote sensing systems that make available a great variety of images of great utility to geological mapping have become available. Given these radar systems’ observation geometry (side viewing) and signal nature (active microwave), the data acquired by these radar sensors are substantially different from those obtained by optical sensors, making them able to be considered as a complementary information sources. The processes involved in the formation of radar imagery are highly dependent on the properties of the radar beam in terms of both the signal character (frequency and polarization) and the observation geometry (incidence angle, look direction). The satellites carrying on-board radar sensors can acquire images in either ascending or descending orbit and in either right- or left-looking directions as well as with different inclination angles (thus varying illumination conditions). Therefore images of the same area taken by different systems can provide very different information. Thus, determining the criteria for image selection for a particular application is an essential step. The microwave’s sensitivity to dielectric properties, moisture content and surface roughness, particularly in relationship to the wavelength of the radar beam, will be reflected in the images tone and texture since these factors directly affect the signal intensity. Radar sensors can highlight subtle morphological variations in an outcrops’ micro topography even when its size is below the limit of the spatial resolution of the imagery. The terrain morphology (its slope and aspect) will have a significant impact on the return signal since it affects the local radar beam incidence angle. Moreover, the side-viewing geometry will benefit the identification of lineaments and structural features in general when they have a morphological expression and if their observation is enhanced by the radar beam illumination. Given the great variability of the factors involved in formation of a radar image, and given how all these factors interact with the characteristics of the imaged area, all these elements must be taken into account to faithfully interpret the geological characteristics of a particular territory. The basis and results of some analyses of the potential of radar imagery to manifest lithological variations and to benefit the detection of structural and morphological features are presented here.Facultad de Ciencias Naturales y Muse

Radar remote sensing as a source of structural and lithological information. Radarsat-1 SAR spatial image analysis

Las imágenes de radar se han convertido en los últimos años en una herramienta de uso frecuente para la extracción de información geológica, siendo cada vez más numerosos los sistemas de teledetección por radar que ponen a disposición una gran variedad de imágenes de gran utilidad en la cartografía geológica. Dada la geometría de observación de los sistemas de radar (observación lateral) y las características de la señal (microondas activas), los datos adquiridos por sensores de radar son sustancialmente diferentes a los obtenidos por los sensores óptico-electrónicos, pudiendo ser considerados como una fuente de información complementaria. Los procesos que intervienen en la formación de una imagen de radar son muy dependientes de las propiedades del haz de radar, en términos de las características de la señal (frecuencia y polarización) y la geometría de observación (ángulo de incidencia, dirección de visión). Los satélites que llevan a bordo sensores de radar, pueden tomar imágenes en órbita ascendente o descendente, con mirada a la derecha o a la izquierda y con distintos ángulos de inclinación, variando así las condiciones de iluminación, por lo cual imágenes de una misma zona pueden ofrecer información muy diferente. Por estos motivos, el criterio de selección de las imágenes para una aplicación particular se convierte en un paso esencial. La sensibilidad de las microondas a las propiedades dieléctricas, al contenido de humedad y a la rugosidad superficial –en relación con la longitud de onda del haz de radar-, se verá reflejada en el tono y textura de las imágenes, dado que estos factores inciden directamente en la intensidad de la señal. Los sensores de radar permitirán poner en evidencia variaciones morfológicas sutiles en la micro topografía de los afloramientos, aún cuando las mismas se encuentren por debajo del límite de la resolución espacial. La morfología del terreno –sus pendientes y orientaciones- impactará significativamente en el retorno de la señal, puesto que condiciona el ángulo de incidencia local del haz de radar. Por otra parte, la geometría de visión lateral favorecerá el reconocimiento de lineamientos y rasgos estructurales en general, cuando estos presenten una expresión morfológica superficial y cuando la observación de los mismos sea realzada por la dirección de iluminación del haz de radar. Dada la gran variabilidad de los factores involucrados en la formación de una imagen de radar y de cómo todos estos factores interactúan con las características del territorio observado, es necesario tener estos elementos en cuenta para poder interpretar fielmente las características geológicas de un área. Se presentan aquí los fundamentos y resultados de algunas experiencias orientadas a analizar las potencialidades de las imágenes de radar de expresar variaciones litológicas y de favorecer la detección de rasgos estructurales y morfológicos.In recent years, radar imagery has become a frequently used tool for geological information extraction as more numerous radar remote sensing systems that make available a great variety of images of great utility to geological mapping have become available. Given these radar systems’ observation geometry (side viewing) and signal nature (active microwave), the data acquired by these radar sensors are substantially different from those obtained by optical sensors, making them able to be considered as a complementary information sources. The processes involved in the formation of radar imagery are highly dependent on the properties of the radar beam in terms of both the signal character (frequency and polarization) and the observation geometry (incidence angle, look direction). The satellites carrying on-board radar sensors can acquire images in either ascending or descending orbit and in either right- or left-looking directions as well as with different inclination angles (thus varying illumination conditions). Therefore images of the same area taken by different systems can provide very different information. Thus, determining the criteria for image selection for a particular application is an essential step. The microwave’s sensitivity to dielectric properties, moisture content and surface roughness, particularly in relationship to the wavelength of the radar beam, will be reflected in the images tone and texture since these factors directly affect the signal intensity. Radar sensors can highlight subtle morphological variations in an outcrops’ micro topography even when its size is below the limit of the spatial resolution of the imagery. The terrain morphology (its slope and aspect) will have a significant impact on the return signal since it affects the local radar beam incidence angle. Moreover, the side-viewing geometry will benefit the identification of lineaments and structural features in general when they have a morphological expression and if their observation is enhanced by the radar beam illumination. Given the great variability of the factors involved in formation of a radar image, and given how all these factors interact with the characteristics of the imaged area, all these elements must be taken into account to faithfully interpret the geological characteristics of a particular territory. The basis and results of some analyses of the potential of radar imagery to manifest lithological variations and to benefit the detection of structural and morphological features are presented here.Facultad de Ciencias Naturales y Muse