Spatial vine copulas: an application to satellite data for environmental hazard detection

Despite significant advancements in environmental monitoring technologies, the detection and prediction of natural phenomena such as volcanic activity remain a great challenge. This thesis explores the application of spatial vine copulas to satellite data, specifically Synthetic Aperture Radar imaging, for environmental hazard detection, with a focus on the Campi Flegrei area near Naples, known for its volcanic activity. The primary objective of this study is to model the spatial dependency structure of satellite images. To achieve this, we present advanced modeling techniques such as spatial vine copulas. This model combines the flexibility of vine copulas with the spatial copula models to capture complex spatial dependencies effectively. Additionally, factor copulas are explored as an alternative methodology, providing a comparative analysis of their accuracy in a spatial context. Through the application of these models to high-dimensional spatial data, this work addresses the limitations of traditional statistical methods in capturing the intricate relationships inherent in spatial data. The study employs a simulation approach to validate the models' predictive capabilities, followed by an in-depth case study on the Campi Flegrei area. The findings not only demonstrate the spatial vine copulas' potential in improving the prediction accuracy of environmental hazards but also highlights the significance of interdisciplinary efforts in merging satellite technology with sophisticated statistical modeling. The thesis demonstrates the potential of spatial vine copulas in environmental monitoring and hazard prediction, contributing to the advancement of statistical tools in environmental science and offering a new perspective on natural disaster readiness and response.

Nonostante i significativi progressi nelle tecnologie di monitoraggio ambientale, il rilevamento e la previsione di fenomeni naturali come l'attività vulcanica rimangono una grande sfida. Questa tesi esplora l'applicazione delle vine copulas spaziali ai dati satellitari, in particolare alle immagini raccolte dai radar satellitari ad apertura sintetica, per il rilevamento dei rischi ambientali, con particolare attenzione all'area dei Campi Flegrei, vicino a Napoli, nota per la sua attività vulcanica. L'obiettivo principale di questo studio è quello di modellare la struttura di dipendenza spaziale delle immagini satellitari. Per raggiungere questo obiettivo, presentiamo tecniche di modellazione avanzate come le copule vine spaziali. Questo modello combina la flessibilità delle copule vine con i modelli di copule spaziali per catturare efficacemente le dipendenze spaziali complesse. Inoltre, le copule fattoriali vengono esplorate come metodologia alternativa, fornendo un'analisi comparativa della loro accuratezza in un contesto spaziale. Attraverso l'applicazione di questi modelli a dati spaziali ad alta dimensionalità, questo lavoro affronta i limiti dei metodi statistici tradizionali nel catturare le intricate relazioni nei dati spaziali. Lo studio impiega un approccio di simulazione per convalidare le capacità predittive dei modelli, seguito da un approfondito caso studio sull'area dei Campi Flegrei. I risultati non solo dimostrano il potenziale delle copule vine spaziali nel migliorare l'accuratezza della previsione dei rischi ambientali, ma evidenziano anche l'importanza degli sforzi interdisciplinari nel fondere la tecnologia satellitare con una sofisticata modellazione statistica. La tesi dimostra il potenziale delle copule vine spaziali nel monitoraggio ambientale e nella previsione dei pericoli, contribuendo al progresso degli strumenti statistici nelle scienze ambientali e offrendo una nuova prospettiva sulla preparazione e la risposta ai disastri naturali.