Course Syllabus
Obiettivi
Lo scopo di questo corso è fornire agli studenti una congrua comprensione del telerilevamento radar per il monitoraggio ambientale, con particolare attenzione ai principi fisici, alle tecniche di elaborazione del segnale e all'interpretazione dei dati radar ad apertura sintetica (SAR). Il corso inizierà introducendo gli elementi essenziali della teoria dei segnali, necessari per comprendere il funzionamento dei sistemi SAR. Gli studenti esploreranno poi la formazione del dato SAR, l'elaborazione e l'estrazione di informazioni significative dai segnali radar. Le applicazioni prese in considerazione nel corso copriranno un'ampia gamma di ambiti ambientali, tra cui l'analisi della copertura del suolo, il monitoraggio della vegetazione e dell'umidità del suolo, la mappatura dei coltivi, il rilevamento dei cambiamenti e le applicazioni idrologiche. Entro la fine del corso, gli studenti saranno in grado di valutare criticamente i prodotti di dati ambientali basati su SAR e di comprendere in che modo il telerilevamento radar contribuisce alle strategie di osservazione della Terra.
Contenuti sintetici
Il corso fornisce basi teoriche e strumenti pratici per l'utilizzo dei dati SAR spaziali nel monitoraggio ambientale. L'accento è posto sulla comprensione della formazione del segnale SAR, delle interazioni radar-ambiente e delle fasi necessarie per elaborare i dati radar grezzi in informazioni utilizzabili.
Gli studenti saranno guidati attraverso i fondamenti dell'elaborazione del segnale in relazione ai sistemi radar, con particolare attenzione ai meccanismi alla base della risoluzione, della coerenza, della macchiolina e della retrodiffusione. Verranno esaminati diversi prodotti di dati (ampiezza, interferometrici, polarimetrici) e la loro rilevanza ambientale.
Le sessioni pratiche che utilizzano strumenti open source e piattaforme GIS mostreranno l'applicazione dei concetti attraverso esempi concreti.
Programma esteso
- Introduzione al monitoraggio ambientale tramite telerilevamento
- Ruolo dell'osservazione satellitare della Terra nel monitoraggio ambientale
- Panoramica del telerilevamento attivo e passivo
- Vantaggi e limiti del radar per applicazioni ambientali
- Fondamenti della teoria dei segnali (per la comprensione del radar)
- Segnali e sistemi: definizioni e proprietà di base
- Trasformata di Fourier e rappresentazione spettrale
- Concetti di analisi tempo-frequenza
- Filtraggio e correlazione abbinati
- Nozioni di base sulla propagazione delle onde e sul ritardo temporale nei sistemi radar
- Telerilevamento radar e imaging SAR
- Principi del radar: trasmissione, riflessione e ritorno degli impulsi
- Radar ad apertura sintetica: geometria e acquisizione del segnale
- Risoluzione in portata e azimut: come il SAR raggiunge un'alta risoluzione
- Compressione del segnale SAR ed effetto Doppler
- Dai dati grezzi all'immagine: algoritmi di focalizzazione e livelli di elaborazione SAR
- Interpretazione fisica della retrodiffusione radar (rugosità superficiale, costante dielettrica, geometria)
- Elaborazione dei dati SAR ed estrazione delle informazioni
- Pre-elaborazione: calibrazione, filtraggio delle macchioline e correzione del terreno
- SAR polarimetrico: basi e potenziali di classificazione
- SAR interferometrico (InSAR): basi, coerenza, sfasamento
- SAR tomografico (TomoSAR): nozioni di base e applicazioni
- Analisi delle serie temporali per il rilevamento dei cambiamenti
- Estrazione di informazioni basata sull'ampiezza rispetto alla fase
- Utilizzo dell'apprendimento automatico e della classificazione nell'analisi dei dati SAR (panoramica)
- Applicazioni ambientali del telerilevamento SAR
- Classificazione e monitoraggio della copertura del suolo
- Valutazione dell'umidità del suolo e della struttura della vegetazione
- Analisi dell'area urbana e monitoraggio delle infrastrutture
- Mappatura delle inondazioni e dinamica delle acque superficiali
- Rilevamento dei cambiamenti nell'uso del suolo e valutazione dell'impatto ambientale
Prerequisiti
Students should have a basic understanding of remote sensing or geospatial analysis. Prior coursework in environmental science or Earth observation is useful. No prior knowledge of radar or signal theory is required, but a general comfort with quantitative reasoning is expected. Basic familiarity with GIS tools (e.g., QGIS) is recommended. No programming background is required.
Modalità didattica
Il corso comprende lezioni che coprono aspetti teorici dei sistemi radar, teoria del segnale, formazione di dati SAR e applicazioni ambientali, nonché sessioni pratiche in cui gli studenti elaboreranno dati SAR reali, estrarranno informazioni e produrranno analisi spaziali utilizzando strumenti software GIS e radar.
Materiale didattico
Radar and SAR: theory, signals and data
- Curlander, J. C., & McDonough, R. N. (1991). Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. Wiley - A classical text to understand SAR data formation, the radar system, and applied signal theory.
- Henderson, F. M., & Lewis, A. J. (Eds.). (1998). Manual of Remote Sensing: Principles and Applications of Imaging Radar, Vol. 2. Wiley - Extensive coverage of the physics of radar reflectance, radar-surface interaction, and environmental applications. Great for exploring the physical significance of backscatter as well.
- Moreira, A., Prats-Iraola, P., Younis, M., Krieger, G., Hajnsek, I., & Papathanassiou, K. P. (2013). A Tutorial on Synthetic Aperture Radar. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 1(1), 6–43 - Widely cited, accessible article with detailed explanation of SAR operation, polarimetry and interferometry. Perfect for students as a first technical but not overly mathematical approach
Radar data processing, environmental applications
- Richards, J. A. (2009). Remote Sensing with Imaging Radar. Springer - Well-organized text covering the processing of SAR data (focusing, speckle, classification) and a wide range of applications including use in urban environments, vegetation and hydrology.
- ESA (European Space Agency). Sentinel-1 Technical Guide: https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/technical-guides/sentinel-1-sar A free, official resource. Essential to understand the specifications of SAR Sentinel-1 data, product structure and processing levels.
Complementary material and software
- SNAP Toolbox (ESA) – Open source software for processing Sentinel-1 data. Used
- in tutorials. https://step.esa.int/main/toolboxes/snap/
- QGIS + SAR plugins (e.g., SARscape, but also open-source options) – GIS used for
- visualization and thematic analysis.
- OpenSARLab – Online platform by Alaska Satellite Facility with tutorials and datasets for the study of SAR. https://opensarlab.asf.alaska.edu
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale. Il punteggio minimo sufficiente è 18 su 30, il punteggio massimo è 30 su 30 con lode.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, da fissarsi tramite e-mail. Gli incontri individuali vengono offerti tramite videoconferenza o audioconferenza oppure presso la sede riferita sotto.
Fabio Dell'Acqua
Ufficio: piano H
Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Università di Pavia
via Adolfo Ferrata 5, 27100 Pavia
Telefono: +39-0382-985664
E-mail: fabio.dellacqua@unipv.it
Web: http://tlclab.unipv.it/index.php/people/the-team/23-people/75-fabio-dell-acqua
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of this course is to provide students with a comprehensive understanding of radar remote sensing for environmental monitoring, with a particular focus on the physical principles, signal processing techniques, and interpretation of Synthetic Aperture Radar (SAR) data. The course will begin by introducing the essential elements of signal theory that are necessary to understand how SAR systems function. Students will then explore SAR data formation, processing, and the extraction of meaningful information from radar signals.
The applications considered in the course will cover a wide range of environmental domains, including land cover analysis, vegetation and soil moisture monitoring, crop mapping, change detection, and hydrological applications. By the end of the course, students will be equipped to critically assess SAR-based environmental data products and understand how radar remote sensing contributes to Earth observation strategies.
Contents
The course delivers theoretical foundations and practical tools for using spaceborne SAR data in environmental monitoring. Emphasis is placed on understanding SAR signal formation, radar- environment interactions, and the steps required to process raw radar data into actionable information.
Students will be guided through the fundamentals of signal processing as they relate to radar systems, with particular attention to the mechanisms behind resolution, coherence, speckle, and backscatter. A variety of data products (amplitude, interferometric, polarimetric) and their environmental relevance will be examined.
Practical sessions using open-source tools and GIS platforms will support the application of concepts through real-world examples.
Detailed program
- Introduction to Environmental Monitoring with Remote Sensing
- Role of satellite Earth observation in environmental monitoring
- Overview of active vs. passive remote sensing
- Advantages and limitations of radar for environmental applications
- Fundamentals of Signal Theory (for Radar Understanding)
- Signals and systems: basic definitions and properties
- Fourier transform and spectral representation
- Time-frequency analysis concepts
- Matched filtering and correlation
- Basics of wave propagation and time delay in radar systems
- Radar Remote Sensing and SAR Imaging
- Principles of radar: pulse transmission, reflection, and return
- Synthetic Aperture Radar: geometry and signal acquisition
- Resolution in range and azimuth: how SAR achieves high resolution
- SAR signal compression and Doppler effect
- From raw data to image: focusing algorithms and SAR processing levels
- Physical interpretation of radar backscatter (surface roughness, dielectric constant, geometry)
- SAR Data Processing and Information Extraction
- Pre-processing: calibration, speckle filtering, and terrain correction
- Polarimetric SAR: basics and classification potentials
- Interferometric SAR (InSAR): basics, coherence, phase unwrapping
- Tomographic SAR (TomoSAR): basics and applications
- Time-series analysis for change detection
- Amplitude vs. phase-based information extraction
- Use of machine learning and classification in SAR data analysis (overview)
- Environmental Applications of SAR Remote Sensing
- Land cover classification and monitoring
- Soil moisture and vegetation structure assessment
- Urban area analysis and infrastructure monitoring
- Flood mapping and surface water dynamics
- Change detection in land use and environmental impact assessment
- Sessioni pratiche sugli strumenti GIS e sui dati radar
- Introduzione alle piattaforme dati SAR (Copernicus, Alaska Satellite Facility, ecc.)
- Accesso e visualizzazione dei dati SAR Sentinel-1
- Interpretazione ed elaborazione di base delle immagini SAR con SNAP e QGIS
- Produzione di mappe tematiche da dati SAR (prodotti di ampiezza e coerenza)
- Casi di studio provenienti da diversi contesti ambientali
Nota: l'ordine e il contenuto degli argomenti possono essere modificati per adattarsi meglio al retroterra culturale degli studenti e per mantenere aggiornate le informazioni.
Prerequisites
Gli studenti devono avere una conoscenza di base del telerilevamento o dell'analisi geospaziale. Sono utili corsi precedenti in scienze ambientali o osservazione della Terra. Non è richiesta la conoscenza preliminare del radar o della teoria dei segnali, ma ci si aspetta una generale dimestichezza con il ragionamento quantitativo. Si consiglia una conoscenza di base degli strumenti GIS (ad esempio QGIS). Non è richiesta alcuna formazione in programmazione.
Teaching form
The course includes lectures covering theoretical aspects of radar systems, signal theory, SAR data formation, and environmental applications, and hands-on sessions where students will process real SAR data, extract information, and produce spatial analyses using GIS and radar software tools.
Textbook and teaching resource
Radar and SAR: theory, signals and data
- Curlander, J. C., & McDonough, R. N. (1991). Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. Wiley - A classical text to understand SAR data formation, the radar system, and applied signal theory.
- Henderson, F. M., & Lewis, A. J. (Eds.). (1998). Manual of Remote Sensing: Principles and Applications of Imaging Radar, Vol. 2. Wiley - Extensive coverage of the physics of radar reflectance, radar-surface interaction, and environmental applications. Great for exploring the physical significance of backscatter as well.
- Moreira, A., Prats-Iraola, P., Younis, M., Krieger, G., Hajnsek, I., & Papathanassiou, K. P. (2013). A Tutorial on Synthetic Aperture Radar. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 1(1), 6–43 - Widely cited, accessible article with detailed explanation of SAR operation, polarimetry and interferometry. Perfect for students as a first technical but not overly mathematical approach
Radar data processing, environmental applications
- Richards, J. A. (2009). Remote Sensing with Imaging Radar. Springer - Well-organized text covering the processing of SAR data (focusing, speckle, classification) and a wide range of applications including use in urban environments, vegetation and hydrology.
- Schubert, A., & Small, D. (2017). A Survey of Geocoding and Terrain Correction of SAR Data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing - Excellent addition to lessons on geocoding, orthorectification and spatial recording of SAR data.
- ESA (European Space Agency). Sentinel-1 Technical Guide: https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/technical-guides/sentinel-1-sar A free, official resource. Essential to understand the specifications of SAR Sentinel-1 data, product structure and processing levels.
Complementary material and software
- SNAP Toolbox (ESA) – Open source software for processing Sentinel-1 data. Used
- in tutorials. https://step.esa.int/main/toolboxes/snap/
- QGIS + SAR plugins (e.g., SARscape, but also open-source options) – GIS used for
- visualization and thematic analysis.
- OpenSARLab – Online platform by Alaska Satellite Facility with tutorials and datasets for the study of SAR. https://opensarlab.asf.alaska.edu
Semester
Second semester
Assessment method
Oral exam. Minimum sufficient mark is 18 out of 30, maximum mark is 30 out of 30 with honours.
Office hours
By appointment set via e-mail. One-on-one meetings are offered through video- or audio-conferencing or at the premises as described below.
Fabio Dell’Acqua
Office: floor H
Department of Electrical, Computer, Biomedical Engineering
University of Pavia
via Adolfo Ferrata 5, 27100 Pavia
Phone: +39-0382-985664
Email: fabio.dellacqua@unipv.it
Web: http://tlclab.unipv.it/index.php/people/the-team/23-people/75-fabio-dell-acqua
Sustainable Development Goals
Staff
-
Fabio Dell'Acqua
