Novel SAR decomposition approaches in remote sensing

Abstract

Remote Sensing offers vast opportunities to comprehensively study ecosystems by harnessing data from an array of satellite systems. With over 150 Earth-observation satellites currently orbiting the planet, Synthetic Aperture Radar (SAR) emerges as a prominent technology in Earth Observation due to its versatility and wide-ranging applications. Unlike optical imaging, SAR actively transmits electromagnetic waves towards targets and captures their backscattered signals, allowing penetration through clouds, foliage, and surface layers irrespective of day or night conditions. Fully polarimetric SAR, preferred for comprehensive target analysis, elucidates the electromagnetic scatterer's backscattering behavior, providing insights into surface characteristics like geometry, reflectivity, and geophysical properties such as moisture content and roughness. The stage of information processing is critical across various applications leveraging satellite data, motivating ongoing research into diverse methods for extracting meaningful information. This thesis embarks on a comprehensive exploration of satellite data processing, beginning with the theoretical foundations of physics relevant to the field alongside SAR configurations. It delves into Polarimetric Data decomposition techniques for information extraction, culminating in the introduction of the novel Double Scatterer Model, which demonstrates its robustness and significance in classification and detection tasks. After establishing the essential background concerning electromagnetic principles, mathematical tools, and SAR configuration in Chapters 2 and 3, Chapter 4 provides an in-depth analysis of techniques focused on information extraction from fully polarimetric SAR data. These techniques are classified into coherent and non-coherent methods based on their assumptions about the distribution of information among polarimetric cells. The thesis explores both well-established and innovative approaches in polarimetric decomposition within these categories. Pauli decomposition and the Cameron target decomposition are thoroughly analyzed within the coherent category. Transitioning to the non-coherent domain, the thesis investigates the Freeman–Durden decomposition, Yamaguchi’s approach, and the eigenvector–eigenvalue decomposition by Cloude and Pottier. Experimental testing on a benchmark dataset from the Vancouver area validates the efficacy of each method. The introduction of the the novel Double Scatterer Model follows, enriching the understanding of polarimetric decomposition techniques and paving the way for enhanced information extraction capabilities. Experimental results confirm the versatility and robustness of the proposed methodology across diverse applications. Through this comprehensive study, the thesis contributes to advancing remote sensing methodologies and their applications in ecosystem analysis and monitoring.

Η τηλεπισκόπηση πρωταγωνιστεί στη μελέτη των οικοσυστημάτων προσφέροντας συνεχώς υψηλής ποιότητας δεδομένα από μια σειρά δορυφορικών συστημάτων. Με περισσότερους από 150 δορυφόρους παρατήρησης της Γης να βρίσκονται σήμερα σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη, το ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR) αναδεικνύεται σε βασική τεχνολογία παρατήρησης της Γης λόγω της ευελιξίας και των ευρέων εφαρμογών του. Σε αντίθεση με την οπτική απεικόνιση, το SAR εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα προς τους στόχους και λαμβάνει τα οπισθοσκεδαζόμενα σήματά τους, επιτρέποντας τη συνεχή απόκτηση δεδομένων και μάλιστα ανεξάρτητα από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Τα πλήρως πολωσιμετρικά SAR δεδομένα (PolSAR) παρέχουν πλούσιο πληροφοριακό περιεχόμενο για τα χαρακτηριστικά της εξεταζόμενης επιφάνειας, όπως η γεωμετρία, η ανακλαστικότητα και οι γεωφυσικές ιδιότητες, όπως η περιεκτικότητα σε υγρασία και η τραχύτητα. Αυτό τα καθιστά ιδιαίτερα σημαντικά στην ολοκληρωμένη ανάλυση στόχων. Το στάδιο της επεξεργασίας των πληροφοριών είναι κρίσιμο σε διάφορες εφαρμογές που αξιοποιούν πλήρως πολωσιμετρικά δορυφορικά δεδομένα ενισχύοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τη συνεχή έρευνα σε μεθόδους εξαγωγής πληροφορίας. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια ολοκληρωμένη μελέτη της επεξεργασίας δορυφορικών δεδομένων SAR, ξεκινώντας με τις θεωρητικές βάσεις της φυσικής που σχετίζονται με την τηλεπισκόπηση. Παράλληλα αναλύει λεπτομερώς την τεχνολογία SAR. Εμβαθύνει σε τεχνικές ανάλυσης πολωσιμετρικών δεδομένων για την εξαγωγή πληροφοριών, δίνοντας έμφαση στην παρουσίαση του νέου μοντέλου διπλού σκεδαστή (Double Scatterer Model), το οποίο εφαρμόζεται στη συνέχεια σε διαδικασίες ταξινόμησης και ανίχνευσης στόχων, προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα και η ευελιξία του. Έχοντας αναλύσει τις βασικές αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού στις οποίες βασίζεται η λειτουργία των ραντάρ, τα απαραίτητα μαθηματικά εργαλεία και τα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας SAR στα κεφάλαια 2 και 3, το κεφάλαιο 4 παρέχει μια εμπεριστατωμένη ανάλυση των τεχνικών που εξαγωγής πληροφορίας από πλήρως πολωσιμετρικά δεδομένα SAR. Οι τεχνικές αυτές ταξινομούνται σε coherent και non-coherent με βάση την υπόθεση, σχετικά με την κατανομή της πληροφορίας μεταξύ των πολωσιμετρικών κελιών. Η διατριβή διερευνά τόσο κλασσικές όσο και καινοτόμες προσεγγίσεις στην πολωσιμετρική ανάλυση εντός αυτών των κατηγοριών. Η μέθοδος Pauli και αυτή του Cameron αναλύονται διεξοδικά εντός της coherent κατηγορίας. Μεταβαίνοντας στις non-coherent μεθόδους, η διατριβή διερευνά την τεχνική που προτάθηκε από τους Freeman και Durden, την προσέγγιση Yamaguchi και τη μέθοδο ιδιοδιανυσμάτων-ιδιοτιμών των Cloude και Pottier. Πειραματικές δοκιμές στο σετ δεδομένων που απεικονίζει την περιοχή του Βανκούβερ πραγματοποιούνται.Ακολουθεί η νέα μέθοδος του μοντέλου Double Scatterer Model, το οποίο παρουσιάζει μια καινοτόμα προσέγγιση στις διαδικασίες εξαγωγής πληροφορίας από πλήρη πολωσιμετρικά δεδομένα, παρέχοντας πλούσιο και ποιοτικό πληροφοριακό περιεχόμενο. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα και την ευρωστία της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Μέσω αυτής της ολοκληρωμένης μελέτης, η διατριβή συμβάλλει στην προώθηση των μεθοδολογιών τηλεπισκόπησης και των εφαρμογών τους στην ανάλυση και παρακολούθηση οικοσυστημάτων.