Soil parameter retrieval under vegetation cover using SAR polarimetry

Bestimmung von Bodenparametern unter Vegetation mit Hilfe von SAR Polarimetrie

  • 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) polarimetricSoil 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.show moreshow less
  • 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. EsZur 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.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Thomas Jagdhuber
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-60519
Supervisor(s):Axel Bronstert
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Completion year:2012
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2012/07/05
Release date:2012/08/23
Tag:Bodenfeuchte; Fernerkundung; Polarimetrie; SAR; polarimetrische Dekompositionen
Polarimetry; SAR; polarimetric decompositions; remote sensing; soil moisture
RVK - Regensburg classification:UT 2700
RVK - Regensburg classification:UT 4300
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Institution name at the time of the publication:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
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