The agricultural impact of the 2015–2016 floods in Ireland as mapped through Sentinel 1 satellite imagery

peer-reviewedIrish Journal of Agricultural and Food Research | Volume 58: Issue 1 The agricultural impact of the 2015–2016 floods in Ireland as mapped through Sentinel 1 satellite imagery R. O’Haraemail , S. Green and T. McCarthy DOI: https://doi.org/10.2478/ijafr-2019-0006 | Published online: 11 Oct 2019 PDF Abstract Article PDF References Recommendations Abstract The capability of Sentinel 1 C-band (5 cm wavelength) synthetic aperture radio detection and ranging (RADAR) (abbreviated as SAR) for flood mapping is demonstrated, and this approach is used to map the extent of the extensive floods that occurred throughout the Republic of Ireland in the winter of 2015–2016. Thirty-three Sentinel 1 images were used to map the area and duration of floods over a 6-mo period from November 2015 to April 2016. Flood maps for 11 separate dates charted the development and persistence of floods nationally. The maximum flood extent during this period was estimated to be ~24,356 ha. The depth of rainfall influenced the magnitude of flood in the preceding 5 d and over more extended periods to a lesser degree. Reduced photosynthetic activity on farms affected by flooding was observed in Landsat 8 vegetation index difference images compared to the previous spring. The accuracy of the flood map was assessed against reports of flooding from affected farms, as well as other satellite-derived maps from Copernicus Emergency Management Service and Sentinel 2. Monte Carlo simulated elevation data (20 m resolution, 2.5 m root mean square error [RMSE]) were used to estimate the flood’s depth and volume. Although the modelled flood height showed a strong correlation with the measured river heights, differences of several metres were observed. Future mapping strategies are discussed, which include high–temporal-resolution soil moisture data, as part of an integrated multisensor approach to flood response over a range of spatial scales

Ground deformation analysis using basic products of the Copernicus ground motion service

Monitoring ground deformation at national and regional level with millimetre-scale precision, nowadays, is possible by using Advanced Differential Interferometric SAR (A-DInSAR) techniques. This study concerns the results of the European Ground Motion Service (EGMS), part of the Copernicus Land Monitoring Service, which detects and measures land displacement at European scale. This Service provides reliable and consistent information regarding natural ground motion phenomena such as landslides and subsidence. The ground motion is derived from Synthetic Aperture Radar (SAR) time-series analysis of Sentinel-1A/B data. These data, which provide full coverage of Europe from two different observation geometries (ascending and descending) every six days, are processed at full resolution. The paper is focused on the exploitation of the basic product of EGMS for both regional and local purposes. Analysing the slope and aspect of the deformation field is the novelty of this investigation. In particular, the focus is put on the generation of wide-area differential deformation maps. Such maps indicate the gradient of the deformation field. The obtained information is not only beneficial for monitoring anthropogenic phenomena but also vital for urban management and planning. Most of the significant damages to manmade structures and infrastructures are associated with high deformation gradient values. Thus, monitoring the temporal and spatial variations of deformation gradient is essential for dynamic analysis, early-warning, and risk assessment in urban areas. Although EGMS productions are prepared for monitoring at regional level, their resolutions are high enough to investigate at local level. Therefore, this paper considers the local deformations that affect single structures or infrastructures. Local differences in such deformation can indicate damages in the corresponding structures and infrastructures. We illustrate these types of analysis to generate differential deformation maps using datasets available at CTTC.This work has been funded by the Agency for University and Research Grants Management, AGAUR, Generalitat de Catalunya, through a grant for the recruitment of early-stage research staff (Ref: 2021FI_B 00077). This work is part of the Spanish Grant SARAI, PID2020-116540RB-C21, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033Peer ReviewedPostprint (published version

Radar satellite imagery for humanitarian response. Bridging the gap between technology and application

This work deals with radar satellite imagery and its potential to assist of humanitarian operations. As the number of displaced people annually increases, both hosting countries and relief organizations face new challenges which are often related to unclear situations and lack of information on the number and location of people in need, as well as their environments. It was demonstrated in numerous studies that methods of earth observation can deliver this important information for the management of crises, the organization of refugee camps, and the mapping of environmental resources and natural hazards. However, most of these studies make use of -high-resolution optical imagery, while the role of radar satellites is widely neglected. At the same time, radar sensors have characteristics which make them highly suitable for humanitarian response, their potential to capture images through cloud cover and at night in the first place. Consequently, they potentially allow quicker response in cases of emergencies than optical imagery. This work demonstrates the currently unused potential of radar imagery for the assistance of humanitarian operations by case studies which cover the information needs of specific emergency situations. They are thematically grouped into topics related to population, natural hazards and the environment. Furthermore, the case studies address different levels of scientific objectives: The main intention is the development of innovative techniques of digital image processing and geospatial analysis as an answer on the identified existing research gaps. For this reason, novel approaches are presented on the mapping of refugee camps and urban areas, the allocation of biomass and environmental impact assessment. Secondly, existing methods developed for radar imagery are applied, refined, or adapted to specifically demonstrate their benefit in a humanitarian context. This is done for the monitoring of camp growth, the assessment of damages in cities affected by civil war, and the derivation of areas vulnerable to flooding or sea-surface changes. Lastly, to foster the integration of radar images into existing operational workflows of humanitarian data analysis, technically simple and easily-adaptable approaches are suggested for the mapping of rural areas for vaccination campaigns, the identification of changes within and around refugee camps, and the assessment of suitable locations for groundwater drillings. While the studies provide different levels of technical complexity and novelty, they all show that radar imagery can largely contribute to the provision of a variety of information which is required to make solid decisions and to effectively provide help in humanitarian operations. This work furthermore demonstrates that radar images are more than just an alternative image source for areas heavily affected by cloud cover. In fact, what makes them valuable is their information content regarding the characteristics of surfaces, such as shape, orientation, roughness, size, height, moisture, or conductivity. All these give decisive insights about man-made and natural environments in emergency situations and cannot be provided by optical images Finally, the findings of the case studies are put into a larger context, discussing the observed potential and limitations of the presented approaches. The major challenges are summarized which need be addressed to make radar imagery more useful in humanitarian operations in the context of upcoming technical developments. New radar satellites and technological progress in the fields of machine learning and cloud computing will bring new opportunities. At the same time, this work demonstrated the large need for further research, as well as for the collaboration and transfer of knowledge and experiences between scientists, users and relief workers in the field. It is the first extensive scientific compilation of this topic and the first step for a sustainable integration of radar imagery into operational frameworks to assist humanitarian work and to contribute to a more efficient provision of help to those in need.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit bildgebenden Radarsatelliten und ihrem potenziellen Beitrag zur Unterstützung humanitärer Einsätze. Die jährlich zunehmende Zahl an vertriebenen oder geflüchteten Menschen stellt sowohl Aufnahmeländer als auch humanitäre Organisationen vor große Herausforderungen, da sie oft mit unübersichtlichen Verhältnissen konfrontiert sind. Effektives Krisenmanagement, die Planung und Versorgung von Flüchtlingslagern, sowie der Schutz der betroffenen Menschen erfordern jedoch verlässliche Angaben über Anzahl und Aufenthaltsort der Geflüchteten und ihrer natürlichen Umwelt. Die Bereitstellung dieser Informationen durch Satellitenbilder wurde bereits in zahlreichen Studien aufgezeigt. Sie beruhen in der Regel auf hochaufgelösten optischen Aufnahmen, während bildgebende Radarsatelliten bisher kaum Anwendung finden. Dabei verfügen gerade Radarsatelliten über Eigenschaften, die hilfreich für humanitäre Einsätze sein können, allen voran ihre Unabhängigkeit von Bewölkung oder Tageslicht. Dadurch ermöglichen sie in Krisenfällen verglichen mit optischen Satelliten eine schnellere Reaktion. Diese Arbeit zeigt das derzeit noch ungenutzte Potenzial von Radardaten zur Unterstützung humanitärer Arbeit anhand von Fallstudien auf, in denen konkrete Informationen für ausgewählte Krisensituationen bereitgestellt werden. Sie sind in die Themenbereiche Bevölkerung, Naturgefahren und Ressourcen aufgeteilt, adressieren jedoch unterschiedliche wissenschaftliche Ansprüche: Der Hauptfokus der Arbeit liegt auf der Entwicklung von innovativen Methoden zur Verarbeitung von Radarbildern und räumlichen Daten als Antwort auf den identifizierten Forschungsbedarf in diesem Gebiet. Dies wird anhand der Kartierung von Flüchtlingslagern zur Abschätzung ihrer Bevölkerung, zur Bestimmung von Biomasse, sowie zur Ermittlung des Umwelteinflusses von Flüchtlingslagern aufgezeigt. Darüber hinaus werden existierende oder erprobte Ansätze für die Anwendung im humanitären Kontext angepasst oder weiterentwickelt. Dies erfolgt im Rahmen von Fallstudien zur Dynamik von Flüchtlingslagern, zur Ermittlung von Schäden an Gebäuden in Kriegsgebieten, sowie zur Erkennung von Risiken durch Überflutung. Zuletzt soll die Integration von Radardaten in bereits existierende Abläufe oder Arbeitsroutinen in der humanitären Hilfe anhand technisch vergleichsweise einfacher Ansätze vorgestellt und angeregt werden. Als Beispiele dienen hier die radargestützte Kartierung von entlegenen Gebieten zur Unterstützung von Impfkampagnen, die Identifizierung von Veränderungen in Flüchtlingslagern, sowie die Auswahl geeigneter Standorte zur Grundwasserentnahme. Obwohl sich die Fallstudien hinsichtlich ihres Innovations- und Komplexitätsgrads unterscheiden, zeigen sie alle den Mehrwert von Radardaten für die Bereitstellung von Informationen, um schnelle und fundierte Planungsentscheidungen zu unterstützen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit deutlich, dass Radardaten für humanitäre Zwecke mehr als nur eine Alternative in stark bewölkten Gebieten sind. Durch ihren Informationsgehalt zur Beschaffenheit von Oberflächen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Rauigkeit, Feuchte, Form, Größe oder Höhe, sind sie optischen Daten überlegen und daher für viele Anwendungsbereiche im Kontext humanitärer Arbeit besonders. Die in den Fallstudien gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend vor dem Hintergrund von Vor- und Nachteilen von Radardaten, sowie hinsichtlich zukünftiger Entwicklungen und Herausforderungen diskutiert. So versprechen neue Radarsatelliten und technologische Fortschritte im Bereich der Datenverarbeitung großes Potenzial. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit einen großen Bedarf an weiterer Forschung, sowie an Austausch und Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern, Anwendern und Einsatzkräften vor Ort. Die vorliegende Arbeit ist die erste umfassende Darstellung und wissenschaftliche Aufarbeitung dieses Themenkomplexes. Sie soll als Grundstein für eine langfristige Integration von Radardaten in operationelle Abläufe dienen, um humanitäre Arbeit zu unterstützen und eine wirksame Hilfe für Menschen in Not ermöglichen

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

Strengthening disaster risk resilience through enhanced coordination mechanisms at local level in flood hazard prone areas: case study of KwaZulu-Natal province

Commissioned by the HSRC's DCES, DecemberApproximately half the world's population has moved into cities and other peri-urban areas. This type of urbanisation is predicted to continue (Bai et al. 2018, Williams et al. 2018). However, accommodation and amenities are generally unplanned or unprepared for the sudden upsurge of humans associated with such rapid urbanisation, and thus posing big challenges concerning the efficient administration of cities, worse so, in the developing world (United Nations Development Programme Report 2018). Under this scenario, the urban poor are not only characterised by low-incomes and overcrowding, but are also confronted with substandard housing and limited or no access to other basic services such as sanitation. They lack secure tenure, face insufficient access to safe water supplies, lack proper sanitation, and the areas lack drainage and solid waste management infrastructure. Healthcare and emergency services are also under pressure. Furthermore, such areas are commonly found in environmentally vulnerable zones, and thus at risk from the effects of climate change (United Nations Development Programme Report 2018). Local authorities are unable to provide affordable housing for the poor. Consequently, over 1 billion people reside in informal settlements globally primarily across Africa, Asia, and South America. These informal settlements are very prevalent and are part of the social and economic fabric in countries such as Brazil, India, Mexico and South Africa. In these regions and countries, informal settlements sprout out around cities, in peripheral areas, and on marginal lands where people are still able to gain access to urban resources such as job opportunities, healthcare services, or education (International Institute for Environment and Development report 2018).N/

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 methodology to detect and characterize uplift phenomena in urban areas using Sentinel-1 data

This paper presents a methodology to exploit the Persistent Scatterer Interferometry (PSI) time series acquired by Sentinel-1 sensors for the detection and characterization of uplift phenomena in urban areas. The methodology has been applied to the Tower Hamlets Council area of London (United Kingdom) using Sentinel-1 data covering the period 2015–2017. The test area is a representative high-urbanized site affected by geohazards due to natural processes such as compaction of recent deposits, and also anthropogenic causes due to groundwater management and engineering works. The methodology has allowed the detection and characterization of a 5 km2 area recording average uplift rates of 7 mm/year and a maximum rate of 18 mm/year in the period May 2015–March 2017. Furthermore, the analysis of the Sentinel-1 time series highlights that starting from August 2016 uplift rates began to decrease. A comparison between the uplift rates and urban developments as well as geological, geotechnical, and hydrogeological factors suggests that the ground displacements occur in a particular geological context and are mainly attributed to the swelling of clayey soils. The detected uplift could be attributed to a transient effect of the groundwater rebound after completion of dewatering works for the recent underground constructions