Advanced pixel selection and optimization algorithms for Persistent Scatterer Interferometry (PSI)

Tesi amb diferents seccions retallades per dret de l'editorPremi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICGround deformation measurements can provide valuable information for minimization of associated loss and damage caused by natural and environmental hazards. As a kind of remote sensing technique, Persistent Scatterer Interferometry (PSI) SAR is able to measure ground deformation with high spatial resolution, efficiently. Moreover, the ground deformation monitoring accuracy of PSI techniques can reach up to millimeter level. However, low coherence could hinderthe exploitation of SAR data, and high-accuracy deformation monitoring can only be achieved by PSI for high quality pixels. Therefore, pixel optimization and identification of coherent pixels are crucial for PSI techniques. In this thesis, advanced pixel selection and optimization algorithms have been investigated. Firstly, a full-resolution pixel selection method based on the Temporal Phase Coherence (TPC) has been proposed. This method first estimates noise phase term of each pixel at interferogram level. Then, for each pixel, its noise phase terms of all interferograms are used to assess this pixel’s temporal phase quality (i.e., TPC). In the next, based on the relationship between TPC and phase Standard Deviation (STD), a threshold can be posed on TPC to identify high phase quality pixels. This pixel selection method can work with both Deterministic Scatterers (PSs) and Distributed Scatterers (DSs). To valid the effectiveness of the developed method, it has been used to monitor the Canillo (Andorra) landslide. The results show that the TPC method can obtained highest density of valid pixels among the employed three approaches in this challenging area with X-band SAR data. Second, to balance the polarimetric DInSAR phase optimization effect and the computation cost, a new PolPSI algorithm is developed. This proposed PolPSI algorithm is based on the Coherency Matrix Decomposition result to determine the optimal scattering mechanism of each pixel, thus it is named as CMD-PolPSI. CMDPolPSI need not to search for solution within the full space of solution, it is therefore much computationally faster than the classical Equal Scattering Mechanism (ESM) method, but with lower optimization performance. On the other hand, its optimization performance outperforms the less computational costly BEST method. Third, an adaptive algorithm SMF-POLOPT has been proposed to adaptive filtering and optimizing PolSAR pixels for PolPSI applications. This proposed algorithm is based on PolSAR classification results to firstly identify Polarimetric Homogeneous Pixels (PHPs) for each pixel, and at the same time classify PS and DS pixels. After that, DS pixels are filtered by their associated PHPs, and then optimized based on the coherence stability phase quality metric; PS pixels are unfiltered and directly optimized based on the DA phase quality metric. SMF-POLOPT can simultaneously reduce speckle noise and retain structures’ details. Meanwhile, SMF-POLOPT is able to obtain much higher density of valid pixels for deformation monitoring than the ESM method. To conclude, one pixel selection method has been developed and tested, two PolPSI algorithms have been proposed in this thesis. This work make contributions to the research of “Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer InterferometryLes mesures de deformació del sòl poden proporcionar informació valuosa per minimitzar les pèrdues i els danys associats causats pels riscos naturals i ambientals. Com a tècnica de teledetecció, la interferometria de dispersors persistents (Persistent Scatter Interferometry, PSI) SAR és capaç de mesurar de forma eficient la deformació del terreny amb una alta resolució espacial. A més, la precisió de monitorització de la deformació del sòl de les tècniques PSI pot arribar a arribar a nivells del mil·límetre. No obstant això, una baixa coherència pot dificultar l’explotació de dades SAR i el control de deformació d’alta precisió només es pot aconseguir mitjançant PSI per a píxels d’alta qualitat. Per tant, l’optimització de píxels i la identificació de píxels coherents són crucials en les tècniques PSI. En aquesta tesi s¿han investigat algorismes avançats de selecció i optimització de píxels. En primer lloc, s'ha proposat un mètode de selecció de píxels de resolució completa basat en la coherència temporal de fase (Temporal Phase Coherence, TPC). Aquest mètode estima per primera vegada el terme de fase de soroll de cada píxel a nivell d’interferograma. A continuació, per a cada píxel, s'utilitzen els termes de la fase de soroll de tots els interferogrames per avaluar la qualitat de fase temporal d'aquest píxel (és a dir, TPC). A la següent, basant-se en la relació entre el TPC i la desviació estàndard de fase (STD), es pot plantejar un llindar de TPC per identificar píxels de qualitat de fase alta. Aquest mètode de selecció de píxels es capaç de detectar tant els dispersors deterministes (PS) com els distribuïts (DS). Per validar l’eficàcia del mètode desenvolupat, s’ha utilitzat per controlar l’esllavissada de Canillo (Andorra). Els resultats mostren que el mètode TPC pot obtenir la major densitat de píxels vàlids, comparat amb els mètodes clàssics de selecció, en aquesta àrea difícil amb dades de SAR de banda X. En segon lloc, per equilibrar l’efecte d’optimització de fase DInSAR polarimètrica i el cost de càlcul, es desenvolupa un nou algorisme de PolPSI. Aquest algorisme proposat de PolPSI es basa en el resultat de la descomposició de la matriu de coherència per determinar el mecanisme de dispersió òptim de cada píxel, de manera que es denomina CMD-PolPSI. CMDPolPSI no necessita buscar solucions dins de l’espai complet de la solució, per tant, és molt més eficient computacionalment que el mètode clàssic de mecanismes d’igualtat de dispersió (Equal Scattering Mechanism, ESM), però amb un efecte d’optimització no tant òptim. D'altra banda, el seu efecte d'optimització supera el mètode BEST, el que te un menor cost computacional. En tercer lloc, s'ha proposat un algoritme adaptatiu SMF-POLOPT per al filtratge adaptatiu i l'optimització de píxels PolSAR per a aplicacions PolPSI. Aquest algorisme proposat es basa en els resultats de classificació PolSAR per identificar primer els píxels homogenis polarimètrics (PHP) per a cada píxel i, alhora, classificar els píxels PS i DS. Després d'això, els píxels DS es filtren pels seus PHP associats i, a continuació, s'optimitzen en funció de la mètrica de qualitat de la fase d'estabilitat de coherència; els píxels classificats com PS no es filtren i s'optimitzen directament en funció de la mètrica de qualitat de la fase DA. SMF-POLOPT pot reduir simultàniament el soroll de la fase interferomètrica i conservar els detalls de les estructures. Mentrestant, SMF-POLOPT aconsegueix obtenir una densitat molt més alta de píxels vàlids per al seguiment de la deformació que el mètode ESM. Per concloure, en aquesta tesi s’ha desenvolupat i provat un mètode de selecció de píxels, i s’han proposat dos algoritmes PolPSI. Aquest treball contribueix a la recerca en "Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer Interferometry"Postprint (published version

Study of the speckle noise effects over the eigen decomposition of polarimetric SAR data: a review

This paper is focused on considering the effects of speckle noise on the eigen decomposition of the co- herency matrix. Based on a perturbation analysis of the matrix, it is possible to obtain an analytical expression for the mean value of the eigenvalues and the eigenvectors, as well as for the Entropy, the Anisotroopy and the dif- ferent a angles. The analytical expressions are compared against simulated polarimetric SAR data, demonstrating the correctness of the different expressions.Peer ReviewedPostprint (published version

Detecting depolarized targets using a new geometrical perturbation filter

Target detectors using polarimetry are often focused on single targets, since these can be characterized in a simpler and deterministic way. The algorithm proposed in this paper is aimed at the more difficult problem of partial target detection (i.e. targets with arbitrary degree of polarization). The authors have already proposed a single target detector employing filters based on a geometrical perturbation. In order to enhance the algorithm to the detection of partial targets, a new vector formalism is introduced. The latter is similar to the one exploited for single targets but suitable for complete characterization of partial targets. A new feature vector is generated starting from the covariance matrix, and exploited for the perturbation method. Validation against L-band fully polarimetric airborne E-SAR, and satellite ALOS-PALSAR data and X-band dual polarimetric TerraSAR-X data is provided with significant agreement with the expected results. Additionally, a comparison with the supervised Wishart classifier is presented revealing improvements

간섭 긴밀도 모델 연구와 단일 및 다중 편파 SAR 영상을 활용한 자연 재해 탐지

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 자연과학대학 지구환경과학부, 2017. 8. 김덕진.자연 재해에 대한 빠른 대응과 복구를 위해서는 피해 지역에 대한 평가가 선행되어야 하며, 그런 의미로 피해 지역을 탐지하는 것은 매우 중요하다. SAR 시스템은 기상적 조건과 주야에 무관하게 영상을 획득할 수 있으므로, 변화 혹은 피해 지역을 탐지할 수 있는 효율적인 방법이라고 알려져 있다. 또한 SAR 시스템을 통하여 계산할 수 있는 긴밀도 (coherence)는 지표의 산란체의 움직임 혹은 유전적 성질에 변화에 매우 민감하게 반응하기 때문에 피해를 탐지하기에 적합하다고 평가되어 왔다. 그러나 긴밀도를 이용한 자연재해의 피해 탐지에는 어려움이 존재할 수 있다. 즉, 탐지하고자 하는 자연재해로 인한 피해와 비, 눈, 바람과 같은 기상현상, 혹은 식생의 자연적인 변화가 미치는 영향이 긴밀도에서는 유사하게 발생할 수 있기 때문이다. 이것은 레이더 신호의 긴밀도가 미세한 변화에도 민감하게 반응하는 특징으로부터 기인한다. 그러므로 자연 현상으로부터 발생하는 긴밀도 감소 현상은 피해 탐지 알고리즘에서 오탐지율을 증가시키는 원인이 되며, 자연 재해의 영향과 분리해야 할 필요성이 있다. 또한 다양한 지표 특성을 가지는 픽셀들은 자연 현상에 대한 각기 다른 긴밀도 특성을 가지고 있기 때문에 정확한 피해 탐지를 위해서는 각 픽셀들에서의 독립적인 평가가 필요하다. 긴밀도를 결정하는 요인들이 다양하고 복합적으로 작용하기 때문에 해석에 어려움이 있다는 점 역시 긴밀도 기반 피해 탐지 알고리즘의 한계점이다. 특히 식생이 존재하는 지역에서의 긴밀도의 변화는 더욱 복잡하게 나타날 수 있다. 그 이유는 유전적 성질을 지니고 있는 산란체들이 식생에서는 수직적으로 분포하며, 파장이 긴 레이더 신호가 이를 투과함에 따라 식생의 상층부부터 하층부 또한 지표면까지 도달되어 산란되어 긴밀도를 감소시키는 체적 긴밀도 감소 현상(volume decorrelation) 때문이다. 획득 시간이 동일하지 않은 두 장의 SAR 영상을 사용하는 repeat-pass 간섭기법에서는 각 식생의 각 부분에서 발생되는 변화 정보(temporal decorrelation)도 동시에 기록되기 때문에 해석은 더욱 어려워진다. 그러므로 본 연구에서는 다중 시기 긴밀도를 이용하여 자연 현상을 해석 할 수 있는 모델을 제작하고 이를 변화 탐지 알고리즘으로 확장하여, 적용 가능성을 평가하고 정밀한 피해 지역을 추출하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 첫 번째로는 간섭 기법에서의 시간 차이(temporal baseline)이 길 때, 다중 시기 긴밀도(multi-temporal coherence)를 해석할 수 있는 모델을 제작하는 것을 목적으로 하였다. 두 번째로는 단일 편파의 다중 시기 SAR 영상에서 관측되는 긴밀도를 해석하고, 모델 파라미터를 추출하며, 결과적으로 피해를 탐지하기 위한 방법을 기술하고자 하였다. 세 번째로는 다중편파의 다중 시기 SAR 영상에 대한 해석 방법에 대한 연구를 진행하는 것을 목적으로 하였다. 2장에서는 긴밀도의 측정과 긴밀도를 결정하는 대표적 요인에 대하여 분석하였고 시계열 긴밀도 감소 모델을 수식화하였다. 긴밀도 요인 중 첫 번째는 열잡음 긴밀도 감소(thermal decorrelation)로서, 열 잡음 (thermal noise)로부터 기인되며, 각 산란체의 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)와 밀접한 관련이 있다. 두 번째는 기하학적 비상관성(geometric decorrelation)으로, 두 센서가 다른 위치에서 신호를 송수신할 때 지상에 투영되는 파수의 스펙트럼이 이동함에 따라 발생한다. 세 번째 요인은 일반적으로 체적 비상관성 (volume decorrelation)이라 언급되는 것으로 지상의 매질 안에 산란체가 랜덤하게 분포하고 전자파가 이를 투과할 때 발생하는 위상차이에 의하여 발생된다. 체적 비상관성은 식생에서 주로 관찰되며, 이를 설명하기 위하여 RVoG 모델이 제안되기도 하였다. RVoG 모델은 식생의 잎을 포함하는 체적 레이어와 식생 하부의 지표 레이어를 포함하는 모델로서, 두 레이어에서 결정되는 간섭기법의 위상 및 긴밀도를 설명한다. 마지막 요인은 두 영상 사이에 산란체가 변화할 때 발생하는 시간 비상관성(temporal decorrelation)이다. 픽셀 안의 산란체가 비균질하게 이동하거나, 유전체의 성질이 변화할 경우 발생한다. 일반적인 repeat-pass 간섭기법의 경우 시간 비상관성이 매우 우세하게 나타나는 경우가 많으며, 식생의 경우 체적 비상관성과 시간 비상관성이 동시에 우세하게 나타난다. 식생에서 관찰되는 체적 비상관성과 시간 비상관성을 동시에 설명하는 RMoG 모델이 제안된 바 있다. 본 연구에서는 상대적으로 긴 시간 차이를 가지고 있는 repeat-pass 간섭기법에서 관측되는 긴밀도 모델을 고안하였다. 시간 비상관성을 다루는 RMoG 모델은 두 영상의 시간 차이가 크지 않을 경우, 산란체의 이동이 시간 비상관성을 발생시키는 주된 요인이라는 가정하에 제작되었다. 그러나 일반적인 인공위성 SAR는 수 일 이상의 시간 차이를 가지고 있으며, 다중 시기의 SAR 영상을 다룰 경우, 각각의 시간 차이는 상이하게 나타난다. 이 경우 시간 비상관성을 발생시키는 요인을 산란체의 이동만으로 설명하는 기에는 어려움이 있다. 그러므로 본 연구에서 고안된 모델은 지표에서의 변화를 산란체의 이동과 유전체의 성질 변화가 결합된 상태로 가정하였으며, 식생의 체적 부분은 산란체의 움직임이 체적에서의 시간 긴밀도를 감소시키는 주된 요인으로 생각하였다. 또한 다중 시기의 SAR 영상으로부터 계산된 긴밀도는 시간 차이가 증가함에 따라 긴밀도가 감소하는 현상을 관측할 수 있다. 이러한 특징은 시간 차이가 길 경우 매우 크게 나타날 수 있지만, 이전의 모델은 시간 차이가 짧은 경우를 가정하였기 때문에 그 영향이 중요하지 않았다. 그러므로 본 모델에서는 기존 모델과는 다르게 두 영상의 시간 차이가 증가함에 따라 긴밀도가 감소하는 현상을 설명하고자 지수 형태의 함수를 지표 와 체적 레이어에 각각 도입하였고 이를 시간 종속적 긴밀도(temporally-correlated coherence). 즉, 체적과 지표의 두 레이어 상에서 각각의 시간에 따라서 감소하게 되며, 이는 특정한 시간 차이에서 긴밀도가 형성되었을 때 특별한 현상이 없을 경우 예측될 수 있는 값으로 생각할 수 있다. 반면, 예측되는 값과 실제 관측값과는 차이가 존재하므로 이는 시간 독립적 긴밀도(temporally uncorrelated-coherence)로 해석하였다. 체적과 지표의 시간 긴밀도 감소 현상은 전체 긴밀도에 영향을 주기 때문에 이를 지표와 체적의 비를 도입하여, 각각의 효과가 전체 긴밀도에 주는 영향에 대하여 정량화하였다. 3장에서는 제안된 모델을 기반으로 단일 편파의 다중 시기 SAR 영상에 대하여 긴밀도 변화 탐지 알고리즘의 해석이 고안되었다. 본 방법은 일본의 키리시마 화산의 2011년 화산 폭발로 발생하였던 화산재를 탐지 하는 것을 목적으로 하였으며, 본 목적을 위하여 단일 편파의 ALOS PALSAR 영상이 사용되었다. SAR 영상을 이용하여 시간 차이가 다양하게 긴밀도가 제작되었다. 사용한 multi-looking은 32 look으로 긴밀도의 바이어스가 비교적 작음을 의미한다. 또한 픽셀의 대부분에서의 열적 비상관성(thermal decorrelation)은 무시할 수 있을 정도로 나타났으며, 기하학적 비상관성(geometric decorrelation)은 common-wave spectral filtering을 사용하여 감소되었다. 또한 대상 화산은 식생이 분포하고 있기 때문에 체적 비상관성(volume decorrelation)을 최소화하여야 할 필요성이 있다. 체적 비상관성은 식생의 높이, 식생의 수직적인 구조, 두 레이더 센서의 기선거리(spatial baseline)등에 의하여 결정된다. 식생의 물리적인 파라미터는 연구에서 수정할 수 있는 변수가 아닌 반면, 다중 시기에서 만들어 진 영상은 다수의 기선거리를 가지고 있기 때문에 기선거리에 대한 조건이 설정함으로써 체적 비상관성을 최소화 할 수 있다. RVoG 모델을 기반으로 계산된 결과 ALOS PALSAR의 경우 약 1000m의 기선거리를 가지고 있을 때 체적 긴밀도는 약 0.94 이상이 됨을 알 수 있으며, 이는 체적 긴밀도를 고려하지 않아도 됨을 의미한다. 앞서 2장에서 제안된 긴밀도 모델의 파라미터의 추출을 위하여 자료는 화산 폭발 전의 간섭쌍과 화산폭발 전후의 간섭쌍의 두 그룹으로 나누어졌다. 우선 화산 폭발 이전의 긴밀도에 대한 해석 및 이해를 위하여 긴밀도 모델이 적용되었다. 모델 파라미터에서 중요한 것은 모델에 포함되어 있는 파라미터의 수와 관측 값의 수로, 관측값이 충분할 경우에만 정확한 모델 파라미터 추출이 가능하다. 그러나 단일 편파의 다중 시기 영상을 다루는 경우 미지수의 개수가 더 많기 때문에 정확한 모델 파라미터 추출은 어려울 수 있다. 그러나 본 연구에서는 모델의 특성을 이용한 가정을 바탕으로 모델 파라미터를 추출하고자 하였다. 모델 파라미터 추출의 첫 번째는 지표대 체적비 및 시간 종속적 긴밀도의 추정으로 이는 두 지수 형태의 곡선 적합(curve fitting)으로 수행되었다. 본 결과로부터 추출된 각 픽셀의 특징적 시간 상수(characteristic time constant)는 그 픽셀이 시간의 변화에 따라 긴밀도의 안정성을 보이는 상수로, 높을수록 긴 시간 차이에도 긴밀도가 높음을 의미한다. 일반적으로 인공적인 구조물이나, 식생이 없는 나지(bare soil)에서 높은 값을 보임을 알 수 있으며, 반면 식생이 있는 픽셀은 상대적으로 낮은 값을 보였다. 추정된 결과를 바탕으로 시간 독립적 긴밀도를 추정하였으나, 이 때 미지수가 관측 값의 개수보다 많으므로 파라미터 추정에 불확실성이 존재한다. 그러므로 본 연구에서는 지표와 체적에서의 시간 종속적 긴밀도의 비를 이용하여 각 픽셀 및 각 시간차이를 갖는 긴밀도에서 체적과 지표의 시간 비상관성 중 우세한 현상을 탐지하여 우세하지 않은 현상을 무시할 수 있다고 가정하였다. 즉, 만약 지표의 시간 종속적 긴밀도가 체적의 시간 종속적 긴밀도보다 그 효과가 크다면, 시간 독립적 긴밀도가 주로 지표로부터 기인된다고 가정하는 것이다. 일반적으로 식생의 긴밀도는 지표의 긴밀도와 체적의 긴밀도의 영향이 복합적으로 작용하여 결정된다. 이 때 체적의 긴밀도의 바람에 의하여서도 쉽게 변하기 때문에 시간이 지남에 따라 그 영향이 거의 무시할 수 있게 된다. 그러므로 시간 차이가 짧을 경우 식생이 긴밀도에 주도적으로 영향을 줄 수 있지만, 시간 차이가 긴 경우 지표가 우세하게 긴밀도에 영향을 준다. 이와 같은 가정을 통하여 시간 독립적 긴밀도를 추출하였다. 각 픽셀에서 관찰되는 긴밀도의 현상을 통계적으로 분석하기 위하여 자연 재해가 포함되지 않은 자료의 시간 종속적 파라미터의 히스토그램을 제작하였고, 이를 기반의 자연 재해가 기존에 발생하였던 자연 현상이 가능성을 계산하였다. 반대로 이 수치는 자연 현상이 아닐 확률을 의미하기도 한다. 결론적으로 ALOS 자료를 사용하여 화산재가 쌓여있을 확률도를 계산하였다. 결과의 검증은 실제 현장 조사를 통하여 획득된 화산재의 두께와 영역 밀도 (area density)와의 비교를 통하여 진행되었다. 검증 결과는 두께로 약 5 cm 이상, 영역 밀도로 약 10 kg/m2 이상의 화산재가 쌓인 지역에서 상관성을 보임을 확인하였으며, 이를 바탕으로 성공적으로 재해에 대한 변화를 탐지하였음을 알 수 있었다. 4장에서는 긴밀도 모델을 이용하여 다중 시기의 다중 편파 SAR 영상을 활용하여 자연 재해 탐지 알고리즘에 적용되었다. 본 연구를 위하여 2009년부터 2015년까지의 15장의 UAVSAR 자료가 활용되었으며, 미국 캘리포니아 주에서 발생한 2015년의 산불 중 하나인 Lake fire에 대하여 연구가 진행되었다. 긴밀도 영상에서 산불에 의한 긴밀도 감소 현상을 확인할 수 있었지만, 식생 지역의 자연 현상에 의한 긴밀도 감소 현상과 복합적으로 발생하였기 때문에 해석에 어려움이 있었다. 영상의 진폭 영상을 이용한 자연 재해 탐지에도 산불 탐지할 만큼 민감도가 충분하지 않았다. 3장과 마찬가지로 본 연구 지역에서 긴밀도나 진폭만을 사용해서는 정확한 피해 지도를 만들기 어려웠으며, 그러므로 긴밀도 모델을 적용한 피해 탐지 알고리즘을 적용할 필요성이 있었다. 3장에서 제안된 모델 해석 방법과는 차이점이 있는데, 그것인 본 연구에서 사용되는 UAVSAR 자료가 다중 편파를 가지고 있으며, 공간 기선 거리가 거의 0에 가깝다는 특징이 있기 때문이다. 단일 편파 자료에서는 매개 변수의 값이 관측값보다 많았지만, 다중 편파의 경우 관측값이 더 많다. 그러므로 모델 파라미터 추정에 필요했던 가정을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 공간 기선거리가 거의 0에 가깝다는 것도 체적 비상관성을 무시할 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로 관측된 긴밀도는 거의 시간 비상관성과 관련 있다고 생각할 수 있다. 모델 파라미터를 추출하기 위한 방법은 크게 3가지로 구성되었다. 첫 번째로는 지표와 체적에 대한 긴밀도 영향을 분리하기 위하여 우선적으로 긴밀도 최적화 알고리즘을 적용하였다. 본 연구에서는 다중 시기 영상마다 다른 최적화 벡터를 상정하는 MSM 알고리즘을 적용하였다. 이 과정을 통하여 관측할 수 있는 긴밀도가 최대치가 되게 만드는 편파와 그와 수직하는 편파를 찾을 수 있으며, 모델 해석과 연관시켰을 때 최대치가 되는 긴밀도는 지표의 변화에, 최소화되는 긴밀도는 체적의 변화와 관련되어 있다고 해석할 수 있다. 두 번째 단계에서는 시간 종속적 긴밀도에 해당하는 변수인 특징적 시간 상수를 추출하였으며, 지표대 체적비 역시 계산하였다. 단일 편파 추정 방법과 다르게 다중 편파 영상에서는 모든 편파의 긴밀도를 이용하여 체적과 지표에서의 시간 종속적 긴밀도를 추정한다. 세번째 단계에서는 체적과 지표에서의 시간 독립적 긴밀도를 동시에 추정하며 3장과는 다른 것은 이 과정에서 가정이 필요하지 않다는 것이다. 본 과정을 통하여 추정된 파라미터 중 시간 독립적 긴밀도는 시간 종속적 긴밀도로부터 설명되지 않는 부분을 추가적으로 설명하는 파라미터로써 갑작스럽게 일어나는 변화를 의미한다. 그러므로 이를 이용하여 각 픽셀에서 과거 동안 발생하였던 자연 현상이 긴밀도에 미치는 영향을 파악할 수 있으며, 산불은 비교적 강한 긴밀도 감소를 발생시키기 때문에 통계적인 접근을 통하여 확률적인 피해 가능성을 분석할 수 있었다. 산불의 경계 부분의 자료와의 상대적인 비교를 통한 검증 결과을 통하여 긴밀도만을 이용하여 피해 지역을 추정하는 방법보다 오탐지률을 줄일 수 있는 것을 알 수 있었다. 4장에서 사용된 모델 파라미터 추정 결과의 검증을 위하여 이전의 검증이 진행되어 왔던 RMoG 모델과 상대 비교를 진행하였다. RMoG의 체적과 지표 부분의 시간 비상관성 함수는 본 연구에서 사용된 모델의 시간 종속적 긴밀도와 시간 독립적 긴밀도의 곱으로 표현될 수 있다. 비교한 결과는 높은 상관성을 보이는 것으로 확인되었다. 또한 단일 편파와 다중 편파를 사용한 모델 파라미터 추정 결과와 재해 탐지 결과도 비교하였다. 모델 파라미터 추정의 경우, 단일 편파에서 추정된 결과가 다소 작음이 확인되었으며, 이것은 단일 편파(HH)가 지표와 체적 사이의 산란 중심에서 기록된 것으로 그 원인을 추정해볼 수 있다. 그럼에도 불구하고 피해탐지 방법에서의 정확도는 다중 편파를 사용하는 방법에 우세하게 나타났지만, 거의 유사한 정도의 정확도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제안된 피해 탐지 알고리즘은 자연 현상에서 비롯되는 긴밀도 감소 현상을 분석하여 자연 재해로부터 발생하는 현상을 구별하여 피해로 규정하였다. 이를 통해, 기존의 알고리즘 보다 정확도를 향상시킬 수 있었다. 또한 다중 편파 간섭계 SAR 자료를 사용함으로써, 다중 편파에 기록되어 있는 다른 산란 중심에서의 변화를 이용하여 체적 및 지표에서의 변화를 독립적으로 평가하여 피해를 탐지하였다. 이와 같은 알고리즘은 다수의 자연 재해에 적용될 수 있으며, 각 픽셀의 긴밀도 특성을 반영하기 때문에 다양한 지표 타입에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 물리적인 해석을 병합하여 피해의 심각도를 정량화 할 수 있은 가능성 역시 존재 하며, 향후 발사될 인공위성의 미션에서도 적용될 수 있기 때문에 본 연구의 의의가 크다고 판단할 수 있다.For rapid response and efficient recovery, the accurate assessment of damaged area caused by the natural disaster is essential. SAR system has been known as a powerful and effective tool for estimating damaged area due to its imaging capability at night and cloudy days. One of the damage assessment methods is based on interferometric coherence generated from two or more SAR images, namely coherent change detection. The interferometric coherence is a very sensitive detector to subtle changes induced by dielectric properties and positional disturbance of scatterers. However, the conventional approaches using the interferometric coherence have several limitations in understanding the damage mechanism caused by natural disasters and providing the accurate spatial information. These limitations come from the complicated mechanism determining the coherence. A number of sources including the sensor geometry, radar parameters, and surface conditions can induce the decorrelation. In particular, the interpretation complexity of the interferometric coherence is severe over the vegetated area, due to the volumetric decorrelation and temporal decorrelation. It is a remaining problem that the decorrelation caused by the natural phenomena such as the wind, rain, and snow can come along the decorrelation caused by natural disaster. Therefore, a new accurate approach needs to be designed in order to interpret the decorrelation sources and discriminate the effect of natural disaster from that of natural phenomena. This research starts from the development of the temporal decorrelation model to interpret the interferometric coherence observed in multi-temporal SAR data. Then, the coherence model is extended to be applied to the damage mapping algorithm for single- and fully-polarimetric SAR data for detecting the damaged area caused by volcanic ash and wildfire. The coherence model is designed so that it explains the coherence behavior observed in the multi-temporal SAR data. The noticeable characteristic is that the interferometric coherence tends to decrease as the time-interval increases. Also, the coherence for multi-layer is determined by the different contributions of each layer. For example, the volume and ground layer can affect the total coherence observed in the forest area. In order to reflect the realistic condition and physically interpret the coherence, the coherence model proposed in this research includes several decorrelation sources such as temporally correlated dielectric changes, temporally uncorrelated dielectric changes and the motions in the two layersi.e. ground and volume layer. According to the proposed model, the coherent behavior of each layer is explained by exponentially decreasing coherence (temporally-correlated coherence), and the difference between the observed coherence and the temporally-correlated coherence is interpreted as the temporally-uncorrelated coherence. The ground-to-volume ratio plays an important role to determine the contributions of temporal decorrelations in ground and volume layer. Suggested model is applied into the coherent change detection for multi-temporal and single-polarized SAR data. The method is evaluated for detection of volcanic ash emitted from Kirishima volcano in 2011 using ALOS PALSAR data. The criterion of the spatial baseline is calculated based on the Random Volume over Ground model to minimize the volumetric decorrelation. The model parameters are extracted under the several assumptions, and then the historical coherence behavior is analyzed using kernel density estimation method. By comparing the changes of model parameters between the reference pairs and event pairs, the probability of surface changes caused by volcanic ash is defined. The in-situ data, which measure the depth and area density of volcanic ash, is compared with the calculated probability maps for determining the threshold and evaluating the performance. The correlation is found over the area where the depth of the volcanic ash is more than 5 cm and the area density is more than 10 kg/m2. The temporal decorrelation model is also used for change detection using multi-temporal and fully-polarimetric interferometric SAR data. By introducing polarimetric and interferometric SAR data, the assumptions used in the method for single-polarized SAR data are reduced and the changes of two layer can be estimated separately. The approach is applied to detect the burnt area caused by the Lake fire, in June 2015 using UAVSAR data. Even though, coherence analysis shows the loss of coherence due to the fire event, the temporal decorrelation caused by the natural changes is mixed with the signal of the event. In order to apply the coherence model and extract the model parameter, here, the three steps are proposedcoherence optimization, temporally-correlated coherence estimation, and temporally-uncorrelated coherence estimation. Then, the extracted model parameters are used for the damage assessment using the probability determination based on the history of natural phenomena. The final generated damage map shows higher performance than the damage mapping method using coherence only. Also, the comparison result with the RMoG model shows high agreement, which implies the extraction of the model parameters is reliable. One of the advantages of the proposed algorithm is that the more accurate delineation of damage area can be expected by isolating the decorrelation caused by the natural disaster from the effect of natural phenomena. Moreover, a distinguishable benefit can be obtained that the changes over ground and volume layers can be assessed separately by utilizing the multi-temporal full-polarimetric SAR data.Chapter 1. Introduction 1 1.1. Brief overview of SAR and its applications 1 1.2. Motivations 5 1.3. Purpose of Research 8 1.4. Outline 10 Chapter 2. Estimation of complex correlation and decorrelation sources 11 2.1. Estimation of complex correlation 11 2.2. Decorrelation sources 14 2.3. Derivation of coherence model assuming two layers for repeat-pass interferometry 35 Chapter 3. Damage mapping using temporal decorrelation model for single-polarized SAR data : A case study for volcanic ash 51 3.1. Description of study area 51 3.2. Data description 55 3.3. Extraction of temporal decorrelation parameters 61 3.4. Probability map generation 68 3.5. Mapping volcanic ash 73 3.6. Discussion 76 Chapter 4.Damage mapping using temporal decorrelation model for multi-temporal and fully-polarized SAR data 78 4.1. Description of Lake Fire and UAVSAR data 79 4.2. Brief analysis of SAR amplitude and interferometric coherence 82 4.3. Damage mapping algorithm using coherence model 89 4.4. Applicable conditions of damage mapping algorithm using coherence model 114 4. 5. Comparison of model inversion results and damage mapping algorithm results 120 4. 6. Discussion and conclusion 129 Chapter 5. Conclusions and Future Perspectives 132 Abstract in Korean 140 Bibliography 147Docto

Quantitative Estimation of Surface Soil Moisture in Agricultural Landscapes using Spaceborne Synthetic Aperture Radar Imaging at Different Frequencies and Polarizations

Soil moisture and its distribution in space and time plays an important role in the surface energy balance at the soil-atmosphere interface. It is a key variable influencing the partitioning of solar energy into latent and sensible heat flux as well as the partitioning of precipitation into runoff and percolation. Due to their large spatial variability, estimation of spatial patterns of soil moisture from field measurements is difficult and not feasible for large scale analyses. In the past decades, Synthetic Aperture Radar (SAR) remote sensing has proven its potential to quantitatively estimate near surface soil moisture at high spatial resolutions. Since the knowledge of the basic SAR concepts is important to understand the impact of different natural terrain features on the quantitative estimation of soil moisture and other surface parameters, the fundamental principles of synthetic aperture radar imaging are discussed. Also the two spaceborne SAR missions whose data was used in this study, the ENVISAT of the European Space Agency (ESA) and the ALOS of the Japanese Aerospace Exploration Agency (JAXA), are introduced. Subsequently, the two essential surface properties in the field of radar remote sensing, surface soil moisture and surface roughness are defined, and the established methods of their measurement are described. The in situ data used in this study, as well as the research area, the River Rur catchment, with the individual test sites where the data was collected between 2007 and 2010, are specified. On this basis, the important scattering theories in radar polarimetry are discussed and their application is demonstrated using novel polarimetric ALOS/PALSAR data. A critical review of different classical approaches to invert soil moisture from SAR imaging is provided. Five prevalent models have been chosen with the aim to provide an overview of the evolution of ideas and techniques in the field of soil moisture estimation from active microwave data. As the core of this work, a new semi-empirical model for the inversion of surface soil moisture from dual polarimetric L-band SAR data is introduced. This novel approach utilizes advanced polarimetric decomposition techniques to correct for the disturbing effects from surface roughness and vegetation on the soil moisture retrieval without the use of a priori knowledge. The land use specific algorithms for bare soil, grassland, sugar beet, and winter wheat allow quantitative estimations with accuracies in the order of 4 Vol.-%. Application of remotely sensed soil moisture patterns is demonstrated on the basis of mesoscale SAR data by investigating the variability of soil moisture patterns at different spatial scales ranging from field scale to catchment scale. The results show that the variability of surface soil moisture decreases with increasing wetness states at all scales. Finally, the conclusions from this dissertational research are summarized and future perspectives on how to extend the proposed model by means of improved ground based measurements and upcoming advances in sensor technology are discussed. The results obtained in this thesis lead to the conclusion that state-of-the-art spaceborne dual polarimetric L-band SAR systems are not only suitable to accurately retrieve surface soil moisture contents of bare as well as of vegetated agricultural fields and grassland, but for the first time also allow investigating within-field spatial heterogeneities from space

Arctic sea ice trafficability: new strategies for a changing icescape

Thesis (Ph.D.) University of Alaska Fairbanks, 2017Sea ice is an important part of the Arctic social-environmental system, in part because it provides a platform for human transportation and for marine flora and fauna that use the ice as a habitat. Sea ice loss projected for coming decades is expected to change ice conditions throughout the Arctic, but little is known about the nature and extent of anticipated changes and in particular potential implications for over-ice travel and ice use as a platform. This question has been addressed here through an extensive effort to link sea ice use and key geophysical properties of sea ice, drawing upon extensive field surveys around on-ice operations and local and Indigenous knowledge for the widely different ice uses and ice regimes of Utqiaġvik, Kotzebue, and Nome, Alaska. A set of nine parameters that constrain landfast sea ice use has been derived, including spatial extent, stability, and timing and persistence of landfast ice. This work lays the foundation for a framework to assess and monitor key ice-parameters relevant in the context of ice-use feasibility, safety, and efficiency, drawing on different remote-sensing techniques. The framework outlines the steps necessary to further evaluate relevant parameters in the context of user objectives and key stakeholder needs for a given ice regime and ice use scenario. I have utilized this framework in case studies for three different ice regimes, where I find uses to be constrained by ice thickness, roughness, and fracture potential and develop assessment strategies with accuracy at the relevant spatial scales. In response to the widely reported importance of high-confidence ice thickness measurements, I have developed a new strategy to estimate appropriate thickness compensation factors. Compensation factors have the potential to reduce risk of misrepresenting areas of thin ice when using point-based in-situ assessment methods along a particular route. This approach was tested on an ice road near Kotzebue, Alaska, where substantial thickness variability results in the need to raise thickness thresholds by 50%. If sea ice is thick enough for safe travel, then the efficiency of travel is relevant and is influenced by the roughness of the ice surface. Here, I develop a technique to derive trafficability measures from ice roughness using polarimetric and interferometric synthetic aperture radar (SAR). Validated using Structure-from-Motion analysis of imagery obtained from an unmanned aerial system near Utqiaġvik, Alaska, I demonstrate the ability of these SAR techniques to map both topography and roughness with potential to guide trail construction efforts towards more trafficable ice. Even when the ice is sufficiently thick to ensure safe travel, potential for fracturing can be a serious hazard through the ability of cracks to compromise load-bearing capacity. Therefore, I have created a state-of-the-art technique using interferometric SAR to assess ice stability with capability of assessing internal ice stress and potential for failure. In an analysis of ice deformation and potential hazards for the Northstar Island ice road near Prudhoe Bay on Alaska's North Slope I have identified a zone of high relative fracture intensity potential that conformed with road inspections and hazard assessments by the operator. Through this work I have investigated the intersection between ice use and geophysics, demonstrating that quantitative evaluation of a given region in the ice use assessment framework developed here can aid in tactical routing of ice trails and roads as well as help inform long-term strategic decision-making regarding the future of Arctic operations on or near sea ice

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

Offshore oil spill detection using synthetic aperture radar

Among the different types of marine pollution, oil spill has been considered as a major threat to the sea ecosystems. The source of the oil pollution can be located on the mainland or directly at sea. The sources of oil pollution at sea are discharges coming from ships, offshore platforms or natural seepage from sea bed. Oil pollution from sea-based sources can be accidental or deliberate. Different sensors to detect and monitor oil spills could be onboard vessels, aircraft, or satellites. Vessels equipped with specialised radars, can detect oil at sea but they can cover a very limited area. One of the established ways to monitor sea-based oil pollution is the use of satellites equipped with Synthetic Aperture Radar (SAR).The aim of the work presented in this thesis is to identify optimum set of feature extracted parameters and implement methods at various stages for oil spill detection from Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery. More than 200 images of ERS-2, ENVSAT and RADARSAT 2 SAR sensor have been used to assess proposed feature vector for oil spill detection methodology, which involves three stages: segmentation for dark spot detection, feature extraction and classification of feature vector. Unfortunately oil spill is not only the phenomenon that can create a dark spot in SAR imagery. There are several others meteorological and oceanographic and wind induced phenomena which may lead to a dark spot in SAR imagery. Therefore, these dark objects also appear similar to the dark spot due to oil spill and are called as look-alikes. These look-alikes thus cause difficulty in detecting oil spill spots as their primary characteristic similar to oil spill spots. To get over this difficulty, feature extraction becomes important; a stage which may involve selection of appropriate feature extraction parameters. The main objective of this dissertation is to identify the optimum feature vector in order to segregate oil spill and ‘look-alike’ spots. A total of 44 Feature extracted parameters have been studied. For segmentation, four methods; based on edge detection, adaptive theresholding, artificial neural network (ANN) segmentation and the other on contrast split segmentation have been implemented. Spot features are extracted from both the dark spots themselves and their surroundings. Classification stage was performed using two different classification techniques, first one is based on ANN and the other based on a two-stage processing that combines classification tree analysis and fuzzy logic. A modified feature vector, including both new and improved features, is suggested for better description of different types of dark spots. An ANN classifier using full spectrum of feature parameters has also been developed and evaluated. The implemented methodology appears promising in detecting dark spots and discriminating oil spills from look-alikes and processing time is well below any operational service requirements