Thermokarst is a typical process that indicates widespread permafrost degradation in yedoma landscapes. The Lena-Aldan interfluvial area in Central Yakutia in eastern Siberia is now facing extensive landscape changes with surface subsidence due to thermokarst development during the past few decades. To clarify the spatial extent and rate of subsidence, multiple spatial datasets, including GIS and remote sensing observations, were used to analyze the Churapcha rural locality, which has a typical yedoma landscape in Central Yakutia. Land cover classification maps for 1945 and 2009 provide basic information on anthropogenic disturbance to the natural landscape of boreal forest and dry grassland. Interferometric synthetic aperture radar (InSAR) with ALOS-2/PALSAR-2 data revealed activated surface subsidence of 2 cm/yr in the disturbed area, comprising mainly abandoned agricultural fields. Remote sensing with an unmanned aerial system also provided high-resolution information on polygonal relief formed by thermokarst development at a disused airfield where InSAR analysis exhibited extensive subsidence. It is worth noting that some historically deforested areas have likely recovered to the original landscape without further thermokarst development. Spatial information on historical land-use change is helpful because most areas with thermokarst development correspond to locations where land was used by humans in the past. Going forward, the integrated analysis of geospatial information will be essential for assessing permafrost degradation.

Resumo: O propósito deste trabalho foi avaliar o potencial dos dados PALSAR polarimétricos para discriminar e mapear espécies de macrófitas (vegetação aquática) de uma área alagável da Amazônia, a planície de inundação do Lago Grande de Monte Alegre, no estado do Pará. A coleta de dados foi realizada quase simultaneamente à aquisição dos dados de radar. Três principais espécies de macrófitas foram encontradas na área: Paspalum repens (PR), Hymenachne amplexicaulis (HA) e Paspalum elephantipes (PE). Variáveis morfológicas foram medidas em campo e usadas para derivar outras variáveis tais como a biomassa. Atributos foram gerados a partir da matriz de covariância [C] extraída da imagem ALOS/PALSAR em modo SLC (single look complex). Os atributos polarimétricos foram analisados para as três espécies e identificados aqueles capazes de discriminar as espécies. Foram aplicadas as seguintes abordagens de classificação: baseada em regras, baseada em modelos de decomposição (Decomposições de Freeman-Durden e Cloude-Pottier), baseada em estatística (Classificação supervisionada baseada na distância Wishart) e híbrida (Classificador Wishart com classes de entrada baseadas na decomposição de Cloude-Pottier). Finalmente, a variável morfológica "volume da haste" foi modelada por regressão múltipla em função de alguns atributos polarimétricos. Os resultados sugerem que a imagem polarimétrica banda L possui potencial para discriminar as espécies de macrófitas, sendo os principais atributos para isso sigma zero HH ( ), sigma zero HV ( ) e sigma zero VV ( ), índice de estrutura da copa ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The purpose of this work was to evaluate the potential of fully polarimetric PALSAR data to discriminate and map macrophyte species in the Amazon floodplain, more specifically in the Monte Alegre Lake, in the state of Pará, Brazil. Fieldwork was carried out almost simultaneously to the radar acquisition. Three main species were found in the study area: Paspalum repens (PR), Hymenachne amplexicaulis (HA) and Paspalum elephantipes (PE). Macrophyte morphological variables were measured on the field and used to derive others variables, like the biomass. Attributes were calculated from the covariance matrix [C] derived from the SLC (single look complex) data. The polarimetric attributes were analyzed for the three species and it was identified that ones capable of discriminating them. The following classification approaches were applied: a rule-based classification, model-based classifications (Freeman-Durden and Cloude-Pottier), a statistical-based classification (supervised classification using Wishart distance measure) and a hybrid classification (Wishart classifier with the input classes based on the H/a plane). Finally, the morphological variable "stem volume" was modeled using multiple regression. The findings suggest that the fully polarimetric image has potential for discriminating plant species, being the main attributes sigma-nought HH ( ), sigma-nought HV ( ) and sigma-nought VV ( ), canopy structure index ( ), HH-VV polarimetric coherence ( ), helicity of the third scattering mechanism (τ ), orientation angle of the first scattering mechanism ( ) and scattering type phase of the first mechanism ( ); among the different classifications, only the supervised (Wishart) and the rule-based discriminated the species, with overall accuracy of 75,04% and 87,18%, respectively; the stem volume was modeled using the following attributes: biomass index ( ), volumetric scattering ... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Nilton Nobuhiro Imai / Coorientador: José Cláudio Mura / Banca: Evlyn Marcia Leão de Moraes Novo / Banca: Thiago Sanna Freire Silva / Banca: João Roberto dos Santos / Banca: Vilma Mayumi Tachibana / Doutor

Ce travail de thèse porte sur la détection et la mesure des déformations tectoniques inter-sismiques de surface sur l'île de Taiwan, dont la formation résulte de la collision active entre les plaques tectoniques Eurasienne et Philippines (avec une vitesse de convergence de 8,2 cm/an). Nous utilisons pour cela la méthode interférométrique des réflecteurs persistants (aussi appelée PS). Cette méthode est basée sur l'analyse d'une série d'images radar acquises à différentes dates sur une même zone. Son intérêt majeur est de pouvoir effectuer un suivi spatio-temporel des faibles déformations avec une densité de points de mesure nettement plus élevée que celle offerte par les réseaux de mesure géodésiques. Nous utilisons par ailleurs des données PALSAR du satellite japonais ALOS opérant en bande L (avec une longueur d'onde de 23,6 cm), qui permettent d'améliorer grandement les résultats interférométriques sur les zones à fort couvert végétal. Nous montrons que l'utilisation combinée de la technique PS et des données ALOS fournit de nouveaux éléments notoires dans le cadre du suivi des déformations inter-sismiques de Taiwan. Nous calculons sur différentes zones de l'île des cartes des déplacements moyens de la surface terrestre, ainsi que les séries temporelles de das déplacements associées (avec une mesure de déplacement pour chaque date d'acquisition radar). Trois zones majeures de la collision actuelle ont été sélectionnées et les résultats obtenus sont sans précédent. La Vallée Longitudinale, située à l'Est de l'île entre la Chaîne Centrale et la Chaîne Côtière, absorbe envionr 1/3 de la convergence totale; le raccourcissement horizontal mesuré au travers de la vallée est d'environ 3 cm/an. La déformation se localise principalement sur la faille de la Vallée Longitudinale, pour l'essentielle de manière asismique. La carte des déplacements moyens calculée sur la période 2007-2010 nous permet de localiser cette faille inverse avec une grande précision (entre 50 et 100 mètres), améliorant ainsi grandement les précédentes cartes. Nous estimons également le taux de glissement inter-sismique de la faille (variant entre 1 et 3,2 cm/an), et analysons ses variations spatio-temporelles. Ces résultats sont en accord avec les données de mesure par GPS continu. La péninsule de Hengchun, au Sud de l'île, permet d'étudier les déformations les plus récentes observables à Taiwan. Cette péninsule est située au sommet du prisme d'accrétion actuel, et la structure tectonique majeure est la faille inverse de Hengchun. Sur cette zone, la trace au sol de la faille est mise en évidence et cartographiée. Le taux de glissement inter-sismique y est estimé à environ 1 cm/an. Enfin, nous menons une étude des déformations lentes affectant la Plaine Côtière, au Sud-Ouest de l'île. Plusieurs types de déformation y sont observés entre 1995 et 2010: le soulèvement de l'anticlinal de Tainan, la subsidence de la plaine de Pingtung, l'activité de la faille de Fengshan et la subsidence autour de la rivière Choshui.

Les milieux humides remplissent plusieurs fonctions écologiques d’importance et contribuent à la biodiversité de la faune et de la flore. Même s’il existe une reconnaissance croissante sur l’importante de protéger ces milieux, il n’en demeure pas moins que leur intégrité est encore menacée par la pression des activités humaines. L’inventaire et le suivi systématique des milieux humides constituent une nécessité et la télédétection est le seul moyen réaliste d’atteindre ce but. L’objectif de cette thèse consiste à contribuer et à améliorer la caractérisation des milieux humides en utilisant des données satellites acquises par des radars polarimétriques en bande L (ALOS-PALSAR) et C (RADARSAT-2). Cette thèse se fonde sur deux hypothèses (chap. 1). La première hypothèse stipule que les classes de physionomies végétales, basées sur la structure des végétaux, sont plus appropriées que les classes d’espèces végétales car mieux adaptées au contenu informationnel des images radar polarimétriques. La seconde hypothèse stipule que les algorithmes de décompositions polarimétriques permettent une extraction optimale de l’information polarimétrique comparativement à une approche multipolarisée basée sur les canaux de polarisation HH, HV et VV (chap. 3). En particulier, l’apport de la décomposition incohérente de Touzi pour l’inventaire et le suivi de milieux humides est examiné en détail. Cette décomposition permet de caractériser le type de diffusion, la phase, l’orientation, la symétrie, le degré de polarisation et la puissance rétrodiffusée d’une cible à l’aide d’une série de paramètres extraits d’une analyse des vecteurs et des valeurs propres de la matrice de cohérence. La région du lac Saint-Pierre a été sélectionnée comme site d’étude étant donné la grande diversité de ses milieux humides qui y couvrent plus de 20 000 ha. L’un des défis posés par cette thèse consiste au fait qu’il n’existe pas de système standard énumérant l’ensemble possible des classes physionomiques ni d’indications précises quant à leurs caractéristiques et dimensions. Une grande attention a donc été portée à la création de ces classes par recoupement de sources de données diverses et plus de 50 espèces végétales ont été regroupées en 9 classes physionomiques (chap. 7, 8 et 9). Plusieurs analyses sont proposées pour valider les hypothèses de cette thèse (chap. 9). Des analyses de sensibilité par diffusiogramme sont utilisées pour étudier les caractéristiques et la dispersion des physionomies végétales dans différents espaces constitués de paramètres polarimétriques ou canaux de polarisation (chap. 10 et 12). Des séries temporelles d’images RADARSAT-2 sont utilisées pour approfondir la compréhension de l’évolution saisonnière des physionomies végétales (chap. 12). L’algorithme de la divergence transformée est utilisé pour quantifier la séparabilité entre les classes physionomiques et pour identifier le ou les paramètres ayant le plus contribué(s) à leur séparabilité (chap. 11 et 13). Des classifications sont aussi proposées et les résultats comparés à une carte existante des milieux humide du lac Saint-Pierre (14). Finalement, une analyse du potentiel des paramètres polarimétrique en bande C et L est proposé pour le suivi de l’hydrologie des tourbières (chap. 15 et 16). Les analyses de sensibilité montrent que les paramètres de la 1re composante, relatifs à la portion dominante (polarisée) du signal, sont suffisants pour une caractérisation générale des physionomies végétales. Les paramètres des 2e et 3e composantes sont cependant nécessaires pour obtenir de meilleures séparabilités entre les classes (chap. 11 et 13) et une meilleure discrimination entre milieux humides et milieux secs (chap. 14). Cette thèse montre qu’il est préférable de considérer individuellement les paramètres des 1re, 2e et 3e composantes plutôt que leur somme pondérée par leurs valeurs propres respectives (chap. 10 et 12). Cette thèse examine également la complémentarité entre les paramètres de structure et ceux relatifs à la puissance rétrodiffusée, souvent ignorée et normalisée par la plupart des décompositions polarimétriques. La dimension temporelle (saisonnière) est essentielle pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales (chap. 12, 13 et 14). Des images acquises au printemps (avril et mai) sont nécessaires pour discriminer les milieux secs des milieux humides alors que des images acquises en été (juillet et août) sont nécessaires pour raffiner la classification des physionomies végétales. Un arbre hiérarchique de classification développé dans cette thèse constitue une synthèse des connaissances acquises (chap. 14). À l’aide d’un nombre relativement réduit de paramètres polarimétriques et de règles de décisions simples, il est possible d’identifier, entre autres, trois classes de bas marais et de discriminer avec succès les hauts marais herbacés des autres classes physionomiques sans avoir recours à des sources de données auxiliaires. Les résultats obtenus sont comparables à ceux provenant d’une classification supervisée utilisant deux images Landsat-5 avec une exactitude globale de 77.3% et 79.0% respectivement. Diverses classifications utilisant la machine à vecteurs de support (SVM) permettent de reproduire les résultats obtenus avec l’arbre hiérarchique de classification. L’exploitation d’une plus forte dimensionalitée par le SVM, avec une précision globale maximale de 79.1%, ne permet cependant pas d’obtenir des résultats significativement meilleurs. Finalement, la phase de la décomposition de Touzi apparaît être le seul paramètre (en bande L) sensible aux variations du niveau d’eau sous la surface des tourbières ouvertes (chap. 16). Ce paramètre offre donc un grand potentiel pour le suivi de l’hydrologie des tourbières comparativement à la différence de phase entre les canaux HH et VV. Cette thèse démontre que les paramètres de la décomposition de Touzi permettent une meilleure caractérisation, de meilleures séparabilités et de meilleures classifications des physionomies végétales des milieux humides que les canaux de polarisation HH, HV et VV. Le regroupement des espèces végétales en classes physionomiques est un concept valable. Mais certaines espèces végétales partageant une physionomie similaire, mais occupant un milieu différent (haut vs bas marais), ont cependant présenté des différences significatives quant aux propriétés de leur rétrodiffusion. / Wetlands fill many important ecological functions and contribute to the biodiversity of fauna and flora. Although there is a growing recognition of the importance to protect these areas, it remains that their integrity is still threatened by the pressure of human activities. The inventory and the systematic monitoring of wetlands are a necessity and remote sensing is the only realistic way to achieve this goal. The primary objective of this thesis is to contribute and improve the wetland characterization using satellite polarimetric data acquired in L (ALOS-PALSAR) and C (RADARSAT-2) band. This thesis is based on two hypotheses (Ch. 1). The first hypothesis stipulate that classes of plant physiognomies, based on plant structure, are more appropriate than classes of plant species because they are best adapted to the information content of polarimetric radar data. The second hypothesis states that polarimetric decomposition algorithms allow an optimal extraction of polarimetric information compared to a multi-polarized approach based on the HH, HV and VV channels (Ch. 3). In particular, the contribution of the incoherent Touzi decomposition for the inventory and monitoring of wetlands is examined in detail. This decomposition allows the characterization of the scattering type, its phase, orientation, symmetry, degree of polarization and the backscattered power of a target with a series of parameters extracted from an analysis of the coherency matrix eigenvectors and eigenvalues. The lake Saint-Pierre region was chosen as the study site because of the great diversity of its wetlands that are covering more than 20 000 ha. One of the challenges posed by this thesis is that there is neither a standard system enumerating all the possible physiognomic classes nor an accurate description of their characteristics and dimensions. Special attention was given to the creation of these classes by combining several data sources and more than 50 plant species were grouped into nine physiognomic classes (Ch. 7, 8 and 9). Several analyzes are proposed to validate the hypotheses of this thesis (Ch. 9). Sensitivity analysis using scatter plots are performs to study the characteristics and dispersion of plant physiognomic classes in various features space consisting of polarimetric parameters or polarization channels (Ch. 10 and 12). Time series of made of RADARSAT-2 images are used to deepen the understanding of the seasonal evolution of plant physiognomies (Ch. 12). The transformed divergence algorithm is used to quantify the separability between physiognomic classes and to identify the parameters (s) that contribute the most to their separability (Ch. 11 and 13). Classifications are also proposed and the results compared to an existing map of the lake Saint-Pierre wetlands (Ch. 14). Finally, an analysis of the potential of polarimetric parameters in C and L-band is proposed for the monitoring of peatlands hydrology (Ch. 15 and 16). Sensitivity analyses show that the parameters of the 1st component, relative to the dominant (polarized) part of the signal, are sufficient for a general characterization of plant physiognomies. The parameters of the second and third components are, however, needed for better class separability (Ch. 11 and 13) and a better discrimination between wetlands and uplands (Ch. 14). This thesis shows that it is preferable to consider individually the parameters of the 1st, 2nd and 3rd components rather than their weighted sum by their respective eigenvalues (Ch. 10 and 12). This thesis also examines the complementarity between the structural parameters and those related to the backscattered power, often ignored and normalized by most polarimetric decomposition. The temporal (seasonal) dimension is essential for the characterization and classification of plant physiognomies (Ch. 12, 13 and 14). Images acquired in spring (April and May) are needed to discriminate between upland and wetlands while images acquired in summer (July and August) are needed to refine the classifications of plant physiognomies. A hierarchical classification tree developed in this thesis represents a synthesis of the acquired knowledge (Chapter 14). Using a relatively small number of polarimetric parameters and simple decision rules, it is possible to identify, among other, three low marshes classes and to discriminate with success herbaceous high marshes from other physiognomic classes without using ancillary data source. The results obtained are comparable to those from a supervised classification using two Landsat-5 images with an overall accuracy of 77.3% and 79.0% respectively. Various classifications using the support vector machine (SVM) can reproduce the results obtained with the hierarchical classification tree. But the possible exploitation by the SVM of a higher dimensionality, with a maximum overall accuracy of 79.1%, does not allow however to achieve significantly better results. Finally, the phase of the Touzi decomposition appears to be the only parameter (in L-band) sensitive to changes in water level beneath the peat surface (Ch. 16). Therefore, this parameter offer a great potential for peatlands hydrology monitoring compared to the HH-VV phase difference. This thesis demonstrates that the Touzi decomposition parameters allow a better characterization, better separability and better classifications of wetlands plant physiognomic classes than HH, HV and VV polarization channels. The grouping of plant species into physiognomic classes is a valid concept. However, some plant species sharing a similar physiognomy, but occupying a different environment (high vs. low marshes), have presented significant differences in their scattering properties.

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