TY - THES A1 - Jagdhuber, Thomas T1 - Soil parameter retrieval under vegetation cover using SAR polarimetry T1 - Bestimmung von Bodenparametern unter Vegetation mit Hilfe von SAR Polarimetrie N2 - Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales. N2 - Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen. KW - SAR KW - Polarimetrie KW - Bodenfeuchte KW - polarimetrische Dekompositionen KW - Fernerkundung KW - SAR KW - Polarimetry KW - soil moisture KW - polarimetric decompositions KW - remote sensing Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60519 ER - TY - JOUR A1 - Bronstert, Axel A1 - Creutzfeldt, Benjamin A1 - Gräff, Thomas A1 - Hajnsek, Irena A1 - Heistermann, Maik A1 - Itzerott, Sibylle A1 - Jagdhuber, Thomas A1 - Kneis, David A1 - Lueck, Erika A1 - Reusser, Dominik A1 - Zehe, Erwin T1 - Potentials and constraints of different types of soil moisture observations for flood simulations in headwater catchments JF - Natural hazards : journal of the International Society for the Prevention and Mitigation of Natural Hazards N2 - Flood generation in mountainous headwater catchments is governed by rainfall intensities, by the spatial distribution of rainfall and by the state of the catchment prior to the rainfall, e. g. by the spatial pattern of the soil moisture, groundwater conditions and possibly snow. The work presented here explores the limits and potentials of measuring soil moisture with different methods and in different scales and their potential use for flood simulation. These measurements were obtained in 2007 and 2008 within a comprehensive multi-scale experiment in the Weisseritz headwater catchment in the Ore-Mountains, Germany. The following technologies have been applied jointly thermogravimetric method, frequency domain reflectometry (FDR) sensors, spatial time domain reflectometry (STDR) cluster, ground-penetrating radar (GPR), airborne polarimetric synthetic aperture radar (polarimetric SAR) and advanced synthetic aperture radar (ASAR) based on the satellite Envisat. We present exemplary soil measurement results, with spatial scales ranging from point scale, via hillslope and field scale, to the catchment scale. Only the spatial TDR cluster was able to record continuous data. The other methods are limited to the date of over-flights (airplane and satellite) or measurement campaigns on the ground. For possible use in flood simulation, the observation of soil moisture at multiple scales has to be combined with suitable hydrological modelling, using the hydrological model WaSiM-ETH. Therefore, several simulation experiments have been conducted in order to test both the usability of the recorded soil moisture data and the suitability of a distributed hydrological model to make use of this information. The measurement results show that airborne-based and satellite-based systems in particular provide information on the near-surface spatial distribution. However, there are still a variety of limitations, such as the need for parallel ground measurements (Envisat ASAR), uncertainties in polarimetric decomposition techniques (polarimetric SAR), very limited information from remote sensing methods about vegetated surfaces and the non-availability of continuous measurements. The model experiments showed the importance of soil moisture as an initial condition for physically based flood modelling. However, the observed moisture data reflect the surface or near-surface soil moisture only. Hence, only saturated overland flow might be related to these data. Other flood generation processes influenced by catchment wetness in the subsurface such as subsurface storm flow or quick groundwater drainage cannot be assessed by these data. One has to acknowledge that, in spite of innovative measuring techniques on all spatial scales, soil moisture data for entire vegetated catchments are still today not operationally available. Therefore, observations of soil moisture should primarily be used to improve the quality of continuous, distributed hydrological catchment models that simulate the spatial distribution of moisture internally. Thus, when and where soil moisture data are available, they should be compared with their simulated equivalents in order to improve the parameter estimates and possibly the structure of the hydrological model. KW - Soil moisture KW - Remote sensing KW - Hydrological modelling KW - Flood forecasting KW - Soil moisture measurement comparison Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1007/s11069-011-9874-9 SN - 0921-030X SN - 1573-0840 VL - 60 IS - 3 SP - 879 EP - 914 PB - Springer CY - New York ER -