Fechar

@PhDThesis{Oldoni:2022:HaWFDa,
               author = "Oldoni, Lucas Volochen",
                title = "Harmonization of WFI data from the CBERS-4, CBERS-4A and 
                         Amazonia-1 satellites for agricultural applications",
               school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
                 year = "2022",
              address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
                month = "2022-08-18",
             keywords = "wide-field imager, BRDF, co-registration, cross-comparison, crop 
                         monitoring, corregistro, compara{\c{c}}{\~a}o cruzada, 
                         monitoramento agr{\'{\i}}cola.",
             abstract = "Brazil faces the challenge of conciliating food production with 
                         natural vegetation preservation, and the government has been 
                         investing in earth observation satellites to assist in this task. 
                         In this context, images from the Wide-Field Imager (WFI) sensor 
                         onboard the China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS-4), 
                         CBERS-4A, and Amazonia-1 have been used in remote sensing 
                         applications in Brazil. Combining the data from the WFI sensors 
                         onboard the three satellites will allow 1-to-3-day revisit 
                         frequency. However, the integration of three sensors ofdifferent 
                         platforms requires several considerations to derive a consistent 
                         time series of surface reflectance or derived product (e.g., 
                         vegetation indices). Thus, the main objective of this research is 
                         to integrate WFI data from CBERS-4, CBERS-4A, and Amazonia-1 into 
                         a harmonized time series for agricultural monitoring. There are 
                         five main topics in this research: (i) cloud masking evaluation, 
                         (ii) geometric accuracy assessment, (iii) bi-directional effects 
                         normalization, (iv), inter-satellite cross-sensor comparison, and 
                         (v) usage of time series in an agricultural application. Initially 
                         we analyzed two cloud mask algorithms to apply to the WFI data. 
                         This is an essential product for time series analysis. The 
                         Automatic Time- Series Analysis (ATSA) proved to be more balanced 
                         between omission and inclusion errors than the CMASK, despite the 
                         need for a time series to be applied. In a second study, we 
                         evaluated the geometric accuracy of the WFI data in three cases: 
                         band-to-band, multitemporal, and compared to Sentinel-2/MSI data. 
                         Large displacements were observed against the MSI data, reaching 
                         1.45 pixels (93m) for CBERS-4/WFI and Amazonia-1/WFI, and 2.5 
                         pixels (138 m) for CBERS- 4A/WFI. Thus, a framework for 
                         automatically correcting these displacements was implemented. 
                         After the co-registration procedures, the geometric accuracy of 
                         the images was improved, reaching an average root mean square 
                         error (RMSE) of spatial shifts on a tile basis less than 0.29±0.05 
                         pixels. In the third study, we quantified the existing angular 
                         effects in the WFI data and compared six approaches to normalizing 
                         these effects. All six approaches were able to reduce directional 
                         effects, while only those using full Bidirectional Reflectance 
                         Distribution Function (BRDF) normalization were able to reduce 
                         angular effects due to illumination effects. In the fourth study, 
                         inter-satellite WFI crosscomparison was performed and 
                         transformation function between satellites were derived. The BRDF 
                         normalization and co-registration reduced the differences between 
                         the WFI data from three satellites in most cases. The WFI data 
                         from CBERS-4 and CBERS-4A were more similar to each other compared 
                         to Amazonia-1 WFI data, the formation of two distinct clusters in 
                         the blue and NIR bands. Despite that, statistical transformation 
                         functions were derived and surface reflectance of one sensor was 
                         converted to the other. In the last study, we combined our 
                         previous findings in a case study to map corn frost-damaged areas 
                         in western Paran{\'a} state by extracting phenological metrics 
                         from WFI-based Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) time 
                         series using all three satellites. These phenological metrics 
                         allowed us to separate areas affected by two frost events from 
                         areas that had already been harvested or were in senescence or not 
                         affected. This application proves the potential of combining the 
                         WFI data from the three satellites for agricultural monitoring. 
                         RESUMO: O Brasil enfrenta o desafio de conciliar a 
                         produ{\c{c}}{\~a}o de alimentos com a preserva{\c{c}}{\~a}o da 
                         vegeta{\c{c}}{\~a}o nativa, e o governo vem investindo em 
                         sat{\'e}lites de observa{\c{c}}{\~a}o da Terra para auxiliar 
                         nessa tarefa. Nesse contexto, imagens do sensor Wide-Field Imager 
                         (WFI) a bordo do China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS-4), 
                         CBERS-4A e Amazonia-1 t{\^e}m sido utilizados em 
                         aplica{\c{c}}{\~o}es de sensoriamento remoto no Brasil. A 
                         combina{\c{c}}{\~a}o dos dados dos sensores WFI a bordo dos 
                         tr{\^e}s sat{\'e}lites permitir{\'a} uma frequ{\^e}ncia de 
                         revisita de 1 a 3 dias. No entanto, v{\'a}rios fatores 
                         relacionados ao sensor, {\`a} aquisi{\c{c}}{\~a}o de dados e ao 
                         alvo precisam ser considerados para que os dados de diferentes 
                         sensores possam ser combinados em uma {\'u}nica s{\'e}rie 
                         temporal consistente, ou seja, em que a reflet{\^a}ncia da 
                         superf{\'{\i}}cie ou produto derivado (por exemplo, 
                         {\'{\i}}ndices de vegeta{\c{c}}{\~a}o) possa ser comparado ao 
                         longo do tempo e suas varia{\c{c}}{\~o}es se devem apenas {\`a} 
                         mudan{\c{c}}a do alvo/cultura agr{\'{\i}}cola e n{\~a}o a 
                         outros fatores. Assim, o principal objetivo desta pesquisa {\'e} 
                         integrar os dados WFI do CBERS-4, CBERS- 4A e Amaz{\^o}nia-1 em 
                         uma {\'u}nica s{\'e}rie temporal mais consistente para 
                         monitoramento agr{\'{\i}}cola. A pesquisa foi dividida em cinco 
                         partes: (i) avalia{\c{c}}{\~a}o de m{\'a}scaras de nuvens, (ii) 
                         avalia{\c{c}}{\~a}o da acur{\'a}cia geom{\'e}trica, (iii) 
                         normaliza{\c{c}}{\~a}o de efeitos bidirecionais, (iv), 
                         compara{\c{c}}{\~a}o cruzada dos sensores entre sat{\'e}lites e 
                         (v) uso de s{\'e}ries temporais em uma aplica{\c{c}}{\~a}o 
                         agr{\'{\i}}cola. Inicialmente analisamos dois algoritmos de 
                         m{\'a}scara de nuvem para aplicar aos dados WFI. Este {\'e} um 
                         produto essencial para a an{\'a}lise de s{\'e}ries temporais. O 
                         Automatic Time-Series Analysis (ATSA) mostrou-se mais equilibrado 
                         entre erros de omiss{\~a}o e inclus{\~a}o do que o CMASK, apesar 
                         da necessidade da utiliza{\c{c}}{\~a}o de uma s{\'e}rie 
                         temporal. Em um segundo estudo, avaliamos a acur{\'a}cia 
                         geom{\'e}trica dos dados WFI em tr{\^e}s casos: banda a banda, 
                         multitemporal e usando os dados do Sentinel-2/MSI como 
                         refer{\^e}ncia. Grandes deslocamentos foram observados em 
                         rela{\c{c}}{\~a}o aos dados MSI, chegando a 1,45 pixels (93m) 
                         para o CBERS-4/WFI e Amaz{\^o}nia- 1/WFI, e 2,5 pixels (138 m) 
                         para o CBERS-4A/WFI. Assim, foi implementado um esquema para 
                         corre{\c{c}}{\~a}o autom{\'a}tica desses deslocamentos. 
                         Ap{\'o}s os procedimentos de corregistro, a acur{\'a}cia 
                         geom{\'e}trica das imagens foi melhorada, atingindo um erro 
                         quadr{\'a}tico m{\'e}dio (RMSE) m{\'e}dio de deslocamentos 
                         espaciais usando os tiles como refer{\^e}ncia inferior a 
                         0,29±0,05. Em seguida, quantificamos os efeitos angulares 
                         existentes nos dados WFI e comparamos seis abordagens para 
                         normalizar esses efeitos. Todas as seis abordagens foram capazes 
                         de reduzir os efeitos direcionais, enquanto apenas aquelas que 
                         usaram a normaliza{\c{c}}{\~a}o Bidirectional Reflectance 
                         Distribution Function (BRDF) completa foram capazes de reduzir os 
                         efeitos angulares em fun{\c{c}}{\~a}o dos {\^a}ngulos de 
                         ilumina{\c{c}}{\~a}o. Em nosso quarto estudo, a 
                         compara{\c{c}}{\~a}o cruzada WFI entre sat{\'e}lites foi 
                         realizada e fun{\c{c}}{\~o}es de transforma{\c{c}}{\~a}o entre 
                         sat{\'e}lites foram derivadas. O corregistro e a 
                         normaliza{\c{c}}{\~a}o BRDF reduziram as diferen{\c{c}}as entre 
                         os dados WFI dos diferentes sat{\'e}lites na maioria dos casos. 
                         Os dados WFI do CBERS-4 e CBERS-4A foram mais semelhantes entre 
                         si. Quando comparados com os dados do Amazonia-1/WFI, houve a 
                         forma{\c{c}}{\~a}o de dois clusters distintos nas bandas azul e 
                         NIR. Apesar disso, foram derivadas fun{\c{c}}{\~o}es de 
                         transforma{\c{c}}{\~a}o estat{\'{\i}}stica que permitem a 
                         convers{\~a}o da reflet{\^a}ncia da superf{\'{\i}}cie de um 
                         sensor para o equivalente ao outro. Por fim, em nosso quinto 
                         estudo, combinamos nossas descobertas anteriores em um estudo de 
                         caso para mapear {\'a}reas agr{\'{\i}}colas afetadas por geadas 
                         no oeste do estado do Paran{\'a} extraindo m{\'e}tricas 
                         fenol{\'o}gicas da s{\'e}rie temporal de {\'{\I}}ndice de 
                         Vegeta{\c{c}}{\~a}o por Diferen{\c{c}}a Normalizada (NDVI) do 
                         sensor WFI dos tr{\^e}s sat{\'e}lites. Essas m{\'e}tricas 
                         fenol{\'o}gicas permitiram separar {\'a}reas afetadas por dois 
                         eventos de geada de {\'a}reas que j{\'a} haviam sido colhidas, 
                         ou estavam em senesc{\^e}ncia, ou que n{\~a}o foram afetadas. 
                         Essa pesquisa comprova o potencial de combinar os dados WFI dos 
                         tr{\^e}s sat{\'e}lites para monitoramento agr{\'{\i}}cola.",
            committee = "Galvao, Lenio Soares (presidente) and Sanches, Ieda Del’Arco 
                         (orientador) and Piccoli, Michelle Cristina Araujo (orientadora) 
                         and Martins, Vitor Souza and Antunes, Jo{\~a}o Francisco 
                         Gon{\c{c}}alves",
         englishtitle = "Harmoniza{\c{c}}{\~a}o de dados WFI dos satelites CBERS-4, 
                         CBERS-4A e Amazonia-1 para aplica{\c{c}}{\~o}es 
                         agr{\'{\i}}colas",
             language = "en",
                pages = "214",
                  ibi = "8JMKD3MGP3W34T/47M46US",
                  url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/47M46US",
           targetfile = "publicacao.pdf",
        urlaccessdate = "02 maio 2024"
}


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