Robust and Flexible Persistent Scatterer Interferometry for Long-Term and Large-Scale Displacement Monitoring

Die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ist eine Methode zur Überwachung von Verschiebungen der Erdoberfläche aus dem Weltraum. Sie basiert auf der Identifizierung und Analyse von stabilen Punktstreuern (sog. Persistent Scatterer, PS) durch die Anwendung von Ansätzen der Zeitreihenanalyse auf Stapel von SAR-Interferogrammen. PS Punkte dominieren die Rückstreuung der Auflösungszellen, in denen sie sich befinden, und werden durch geringfügige Dekorrelation charakterisiert. Verschiebungen solcher PS Punkte können mit einer potenziellen Submillimetergenauigkeit überwacht werden, wenn Störquellen effektiv minimiert werden. Im Laufe der Zeit hat sich die PSI in bestimmten Anwendungen zu einer operationellen Technologie entwickelt. Es gibt jedoch immer noch herausfordernde Anwendungen für die Methode. Physische Veränderungen der Landoberfläche und Änderungen in der Aufnahmegeometrie können dazu führen, dass PS Punkte im Laufe der Zeit erscheinen oder verschwinden. Die Anzahl der kontinuierlich kohärenten PS Punkte nimmt mit zunehmender Länge der Zeitreihen ab, während die Anzahl der TPS Punkte zunimmt, die nur während eines oder mehrerer getrennter Segmente der analysierten Zeitreihe kohärent sind. Daher ist es wünschenswert, die Analyse solcher TPS Punkte in die PSI zu integrieren, um ein flexibles PSI-System zu entwickeln, das in der Lage ist mit dynamischen Veränderungen der Landoberfläche umzugehen und somit ein kontinuierliches Verschiebungsmonitoring ermöglicht. Eine weitere Herausforderung der PSI besteht darin, großflächiges Monitoring in Regionen mit komplexen atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Letztere führen zu hoher Unsicherheit in den Verschiebungszeitreihen bei großen Abständen zur räumlichen Referenz. Diese Arbeit befasst sich mit Modifikationen und Erweiterungen, die auf der Grund lage eines bestehenden PSI-Algorithmus realisiert wurden, um einen robusten und flexiblen PSI-Ansatz zu entwickeln, der mit den oben genannten Herausforderungen umgehen kann. Als erster Hauptbeitrag wird eine Methode präsentiert, die TPS Punkte vollständig in die PSI integriert. In Evaluierungsstudien mit echten SAR Daten wird gezeigt, dass die Integration von TPS Punkten tatsächlich die Bewältigung dynamischer Veränderungen der Landoberfläche ermöglicht und mit zunehmender Zeitreihenlänge zunehmende Relevanz für PSI-basierte Beobachtungsnetzwerke hat. Der zweite Hauptbeitrag ist die Vorstellung einer Methode zur kovarianzbasierten Referenzintegration in großflächige PSI-Anwendungen zur Schätzung von räumlich korreliertem Rauschen. Die Methode basiert auf der Abtastung des Rauschens an Referenzpixeln mit bekannten Verschiebungszeitreihen und anschließender Interpolation auf die restlichen PS Pixel unter Berücksichtigung der räumlichen Statistik des Rauschens. Es wird in einer Simulationsstudie sowie einer Studie mit realen Daten gezeigt, dass die Methode überlegene Leistung im Vergleich zu alternativen Methoden zur Reduktion von räumlich korreliertem Rauschen in Interferogrammen mittels Referenzintegration zeigt. Die entwickelte PSI-Methode wird schließlich zur Untersuchung von Landsenkung im Vietnamesischen Teil des Mekong Deltas eingesetzt, das seit einigen Jahrzehnten von Landsenkung und verschiedenen anderen Umweltproblemen betroffen ist. Die geschätzten Landsenkungsraten zeigen eine hohe Variabilität auf kurzen sowie großen räumlichen Skalen. Die höchsten Senkungsraten von bis zu 6 cm pro Jahr treten hauptsächlich in städtischen Gebieten auf. Es kann gezeigt werden, dass der größte Teil der Landsenkung ihren Ursprung im oberflächennahen Untergrund hat. Die präsentierte Methode zur Reduzierung von räumlich korreliertem Rauschen verbessert die Ergebnisse signifikant, wenn eine angemessene räumliche Verteilung von Referenzgebieten verfügbar ist. In diesem Fall wird das Rauschen effektiv reduziert und unabhängige Ergebnisse von zwei Interferogrammstapeln, die aus unterschiedlichen Orbits aufgenommen wurden, zeigen große Übereinstimmung. Die Integration von TPS Punkten führt für die analysierte Zeitreihe von sechs Jahren zu einer deutlich größeren Anzahl an identifizierten TPS als PS Punkten im gesamten Untersuchungsgebiet und verbessert damit das Beobachtungsnetzwerk erheblich. Ein spezieller Anwendungsfall der TPS Integration wird vorgestellt, der auf der Clusterung von TPS Punkten basiert, die innerhalb der analysierten Zeitreihe erschienen, um neue Konstruktionen systematisch zu identifizieren und ihre anfängliche Bewegungszeitreihen zu analysieren

A Tutorial on Speckle Reduction in Synthetic Aperture Radar Images

Speckle is a granular disturbance, usually modeled as a multiplicative noise, that affects synthetic aperture radar (SAR) images, as well as all coherent images. Over the last three decades, several methods have been proposed for the reduction of speckle, or despeckling, in SAR images. Goal of this paper is making a comprehensive review of despeckling methods since their birth, over thirty years ago, highlighting trends and changing approaches over years. The concept of fully developed speckle is explained. Drawbacks of homomorphic filtering are pointed out. Assets of multiresolution despeckling, as opposite to spatial-domain despeckling, are highlighted. Also advantages of undecimated, or stationary, wavelet transforms over decimated ones are discussed. Bayesian estimators and probability density function (pdf) models in both spatial and multiresolution domains are reviewed. Scale-space varying pdf models, as opposite to scale varying models, are promoted. Promising methods following non-Bayesian approaches, like nonlocal (NL) filtering and total variation (TV) regularization, are reviewed and compared to spatial- and wavelet-domain Bayesian filters. Both established and new trends for assessment of despeckling are presented. A few experiments on simulated data and real COSMO-SkyMed SAR images highlight, on one side the costperformance tradeoff of the different methods, on the other side the effectiveness of solutions purposely designed for SAR heterogeneity and not fully developed speckle. Eventually, upcoming methods based on new concepts of signal processing, like compressive sensing, are foreseen as a new generation of despeckling, after spatial-domain and multiresolution-domain method

Retrieval of Ocean Surface Currents and Winds Using Satellite SAR backscatter and Doppler frequency shift

Ocean surface winds and currents play an important role for weather, climate, marine life, ship navigation, oil spill drift and search and rescue. In-situ observations of the ocean are sparse and costly. Satellites provide a useful complement to these observations. Synthetic aperture radar (SAR) is particularly attractive due to its high spatial resolution and its capability to extract both sea surface winds and currents day and night and almost independent of weather.The work in this thesis involves processing of along-track interferometric SAR (ATI-SAR) data, analysis of the backscatter and Doppler frequency shift, and development of wind and current retrieval algorithms. Analysis of the Doppler frequency shift showed a systematic bias. A calibration method was proposed and implemented to correct for this bias. Doppler analysis also showed that the wave contribution to the SAR Doppler centroid often dominates over the current contribution. This wave contribution is estimated using existing theoretical and empirical Doppler models. For wind and current retrieval, two methods were developed and implemented.The first method, called the direct method, consists of retrieval of the wind speed from SAR backscatter using an empirical backscatter model. In order to retrieve the radial current, the retrieved wind speed is used to correct for the wave contribution. The current retrieval was assessed using two different (theoretical and empirical) Doppler models and wind inputs (model and SAR-derived). It was found that the results obtained by combining the Doppler empirical model with the SAR-derived wind speed were more consistent with ocean models.The second method, called Bayesian method, consists of blending the SAR observables (backscatter and Doppler shift) with an atmospheric and an oceanic model to retrieve the total wind and current vector fields. It was shown that this method yields more accurate estimates, i.e. reduces the models biases against in-situ measurements. Moreover, the method introduces small scale features, e.g. fronts and meandering, which are weakly resolved by the models.The correlation between the surface wind vectors and the SAR Doppler shift was demonstrated empirically using the Doppler shift estimated from over 300 TanDEM-X interferograms and ECMWF reanalysis wind vectors. Analysis of polarimetric data showed that theoretical models such as Bragg and composite surface models over-estimate the backscatter polarization ratio and Doppler shift polarization difference. A combination of a theoretical Doppler model and an empirical modulation transfer function was proposed. It was found that this model is more consistent with the analyzed data than the pure theoretical models.The results of this thesis will be useful for integrating SAR retrievals in ocean current products and assimilating SAR observables in the atmospheric, oceanic or coupled models. The results are also relevant for preparation studies of future satellite missions

Advances in Sonar Technology

The demand to explore the largest and also one of the richest parts of our planet, the advances in signal processing promoted by an exponential growth in computation power and a thorough study of sound propagation in the underwater realm, have lead to remarkable advances in sonar technology in the last years.The work on hand is a sum of knowledge of several authors who contributed in various aspects of sonar technology. This book intends to give a broad overview of the advances in sonar technology of the last years that resulted from the research effort of the authors in both sonar systems and their applications. It is intended for scientist and engineers from a variety of backgrounds and even those that never had contact with sonar technology before will find an easy introduction with the topics and principles exposed here

Proceedings of the second "international Traveling Workshop on Interactions between Sparse models and Technology" (iTWIST'14)

The implicit objective of the biennial "international - Traveling Workshop on Interactions between Sparse models and Technology" (iTWIST) is to foster collaboration between international scientific teams by disseminating ideas through both specific oral/poster presentations and free discussions. For its second edition, the iTWIST workshop took place in the medieval and picturesque town of Namur in Belgium, from Wednesday August 27th till Friday August 29th, 2014. The workshop was conveniently located in "The Arsenal" building within walking distance of both hotels and town center. iTWIST'14 has gathered about 70 international participants and has featured 9 invited talks, 10 oral presentations, and 14 posters on the following themes, all related to the theory, application and generalization of the "sparsity paradigm": Sparsity-driven data sensing and processing; Union of low dimensional subspaces; Beyond linear and convex inverse problem; Matrix/manifold/graph sensing/processing; Blind inverse problems and dictionary learning; Sparsity and computational neuroscience; Information theory, geometry and randomness; Complexity/accuracy tradeoffs in numerical methods; Sparsity? What's next?; Sparse machine learning and inference.Comment: 69 pages, 24 extended abstracts, iTWIST'14 website: http://sites.google.com/site/itwist1

Advanced Geoscience Remote Sensing

Nowadays, advanced remote sensing technology plays tremendous roles to build a quantitative and comprehensive understanding of how the Earth system operates. The advanced remote sensing technology is also used widely to monitor and survey the natural disasters and man-made pollution. Besides, telecommunication is considered as precise advanced remote sensing technology tool. Indeed precise usages of remote sensing and telecommunication without a comprehensive understanding of mathematics and physics. This book has three parts (i) microwave remote sensing applications, (ii) nuclear, geophysics and telecommunication; and (iii) environment remote sensing investigations

Polarimetric Synthetic Aperture Radar

This open access book focuses on the practical application of electromagnetic polarimetry principles in Earth remote sensing with an educational purpose. In the last decade, the operations from fully polarimetric synthetic aperture radar such as the Japanese ALOS/PalSAR, the Canadian Radarsat-2 and the German TerraSAR-X and their easy data access for scientific use have developed further the research and data applications at L,C and X band. As a consequence, the wider distribution of polarimetric data sets across the remote sensing community boosted activity and development in polarimetric SAR applications, also in view of future missions. Numerous experiments with real data from spaceborne platforms are shown, with the aim of giving an up-to-date and complete treatment of the unique benefits of fully polarimetric synthetic aperture radar data in five different domains: forest, agriculture, cryosphere, urban and oceans