Remote sensing applications to resource problems in South Dakota

There are no author-identified significant results in this report

Evaluation of HCMM data for assessing soil moisture and water table depth

Data were analyzed for variations in eastern South Dakota. Soil moisture in the 0-4 cm layer could be estimated with 1-mm soil temperatures throughout the growing season of a rainfed barley crop (% cover ranging from 30% to 90%) with an r squared = 0.81. Empirical equations were developed to reduce the effect of canopy cover when radiometrically estimating the 1-mm soil temperature, r squared = 0.88. The corrective equations were applied to an aircraft simulation of HCMM data for a diversity of crop types and land cover conditions to estimate the 0-4 cm soil moisture. The average difference between observed and measured soil moisture was 1.6% of field capacity. HCMM data were used to estimate the soil moisture for four dates with an r squared = 0.55 after correction for crop conditions. Location of shallow alluvial aquifers could be accomplished with HCMM predawn data. After correction of HCMM day data for vegetation differences, equations were developed for predicting water table depths within the aquifer (r=0.8)

Evaluation of HCMM data for assessing soil moisture and water table depth

Soil moisture in the 0-cm to 4-cm layer could be estimated with 1-mm soil temperatures throughout the growing season of a rainfed barley crop in eastern South Dakota. Empirical equations were developed to reduce the effect of canopy cover when radiometrically estimating the soil temperature. Corrective equations were applied to an aircraft simulation of HCMM data for a diversity of crop types and land cover conditions to estimate the soil moisture. The average difference between observed and measured soil moisture was 1.6% of field capacity. Shallow alluvial aquifers were located with HCMM predawn data. After correcting the data for vegetation differences, equations were developed for predicting water table depths within the aquifer. A finite difference code simulating soil moisture and soil temperature shows that soils with different moisture profiles differed in soil temperatures in a well defined functional manner. A significant surface thermal anomaly was found to be associated with shallow water tables

Detection of Dust Storms Using MODIS Reflective and Emissive Bands

YesDust storms are one of the natural phenomena, which have increased in frequency in recent years in North Africa, Australia and northern China. Satellite remote sensing is the common method for monitoring dust storms but its use for identifying dust storms over sandy ground is still limited as the two share similar characteristics. In this study, an artificial neural network (ANN) is used to detect dust storm using 46 sets of data acquired between 2001 and 2010 over North Africa by the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) instruments aboard the Terra and Aqua satellites. The ANN uses image data generated from Brightness Temperature Difference (BTD) between bands 23 and 31 and BTD between bands 31 and 32 with three bands 1, 3, and 4, to classify individual pixels on the basis of their multiple-band values. In comparison with the manually detection of dust storms, the ANN approach gave better result than the Thermal Infrared Integrated Dust Index approach for dust storms detection over the Sahara. The trained ANN using data from the Sahara desert gave an accuracy of 0.88 when tested on data from the Gobi desert and managed to detect 90 out of the 96 dust storm events captured worldwide by Terra and Aqua satellites in 2011 that were classified as dusty images on NASA Earth Observatory.IEEE Geoscience and Remote Sensing Societ

Soil temperature investigations using satellite acquired thermal-infrared data in semi-arid regions

Thermal-infrared data from the Heat Capacity Mapping Mission satellite were used to map the spatial distribution of diurnal surface temperatures and to estimate mean annual soil temperatures (MAST) and annual surface temperature amplitudes (AMP) in semi-arid east central Utah. Diurnal data with minimal snow and cloud cover were selected for five dates throughout a yearly period and geometrically co-registered. Rubber-sheet stretching was aided by the WARP program which allowed preview of image transformations. Daytime maximum and nighttime minimum temperatures were averaged to generation average daily temperature (ADT) data set for each of the five dates. Five ADT values for each pixel were used to fit a sine curve describing the theoretical annual surface temperature response as defined by a solution of a one-dimensinal heat flow equation. Linearization of the equation produced estimates of MAST and AMP plus associated confidence statistics. MAST values were grouped into classes and displayed on a color video screen. Diurnal surface temperatures and MAST were primarily correlated with elevation

Using middle-infrared reflectance for burned area detection

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011A strategy is presented that allows deriving a new index for burned area discrimination over the Amazon and Cerrado regions of Brazil. The index is based on information from the near-infrared (NIR) and middle-infrared (MIR) channels of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). A thorough review is undertaken of existing methods for retrieving MIR reflectance and an assessment is performed, using simulated and real data, about the added value obtained when using the radiative transfer equation (RTE) instead of the simplified algorithm (KR94) developed by Kaufman and Remer (1994), the most used in the context of burned area studies. It is shown that use of KR94 in tropical environments to retrieve vegetation reflectance may lead to errors that are at least of the same order of magnitude of the reflectance to be retrieved and considerably higher for large values of land surface temperature (LST) and solar zenith angle (SZA). Use of the RTE approach leads to better estimates in virtually all cases, with the exception of high values of LST and SZA, where results from KR94 are also not usable. A transformation is finally defined on the MIR/NIR reflectance space aiming to enhance the spectral information such that vegetated and burned surfaces may be effectively discriminated. The transformation is based on the difference between MIR and NIR in conjunction with the distance from a convergence point in the MIR/NIR space, representative of a totally burnt surface. The transformation allows defining a system of coordinates, one coordinate having a small scatter for pixels associated to vegetation, burned surfaces and soils containing organic matter and the other coordinate covering a wide range of values, from green and dry/stressed vegetation to burned surfaces. The new set of coordinates opens interesting perspectives to applications like drought monitoring and burned area discrimination using remote-sensed information.O coberto vegetal da superfície da Terra tem vindo a sofrer mudanças, por vezes drásticas, que conduzem a alterações tanto na rugosidade da superfície terrestre como no seu albedo, afectando directamente as trocas de calor sensível e latente e de dióxido de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera (Sellers et al., 1996). Neste contexto, as queimadas assumem um papel de extremo relevo (Nobre et al., 1991; O’Brien, 1996; Xue, 1996) na medida em que constituem uma das mais importantes fontes de alteração do coberto vegetal, resultando na destruição de florestas e de recursos naturais, libertando carbono da superfície continental para a atmosfera (Sellers et al., 1995) e perturbando as interacções biosfera-atmosfera (Levine et al., 1995; Scholes, 1995) através de mudanças na rugosidade do solo, na área foliar e noutros parâmetros biofísicos associados ao coberto vegetal. Ora, neste particular, a Amazónia Brasileira constitui um exemplo notável de mudanças no uso da terra e do coberto vegetal nas últimas décadas, como resultado da desflorestação induzida pelo homem bem como por causas naturais (Gedney e Valdes, 2000; Houghton, 2000; Houghton et al., 2000; Lucas et al., 2000), estimando-se que as regiões tropicais sejam responsáveis por cerca de 32% da emissão global de carbono para a atmosfera (Andreae, 1991). Neste contexto, a disponibilidade de informações pormenorizadas e actualizadas sobre as distribuições espacial e temporal de queimadas e de áreas ardidas em regiões tropicais afigura-se crucial, não só para uma melhor gestão dos recursos naturais, mas também para estudos da química da atmosfera e de mudanças climáticas (Zhan et al., 2002). A detecção remota constitui, neste âmbito, uma ferramenta indispensável na medida em que permite uma monitorização em tempo quase real, a qual se revela especialmente útil em áreas extensas e/ou de difícil acesso afectadas pelo fogo (Pereira et al., 1997). Diversos instrumentos, tais como o Land Remote Sensing Satellite/Thematic Mapper (LANDSAT/TM) e o National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA/AVHRR) têm vindo a ser extensivamente utilizados na gestão dos fogos florestais, em particular aos níveis da detecção de focos de incêndio e da monitorização de áreas queimadas. Mais recentemente, o instrumento VEGETATION a bordo do Satellite Pour l'Observation de la Terre (SPOT) tem vindo a ser utilizado com sucesso na monitorização de fogos. Finalmente, são de referir os sensores da série Along Track Scanning Radiometer (ATSR) para os quais têm vindo a ser desenvolvidos algoritmos de identificação de focos de incêndio, e ainda o sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) que tem vindo a demonstrar capacidades óptimas no que respeita à observação global de fogos, plumas e áreas queimadas. Neste contexto, os métodos actuais de detecção de áreas ardidas através da detecção remota têm vindo a dar prioridade à utilização das regiões do vermelho (0.64 μm) e infravermelho-próximo (0.84 μm) do espectro eletromagnético. No entanto, tanto a região do vermelho quanto a do infravermelho-próximo apresentam a desvantagem de serem sensíveis à presença de aerossóis na atmosfera (Fraser e Kaufman, 1985; Holben et. al., 1986). Desta forma, em regiões tropicais como a Amazónia, onde existem grandes camadas de fumo devido à queima de biomassa, a utlização destas duas regiões do espectro eletromagnético torna-se insatisfatória para a detecção de áreas ardidas. Por outro lado, a região do infravermelho médio (3.7 – 3.9 μm) tem a vantagem de não ser sensível à presença da maior parte dos aerossóis, exceptuando a poeira (Kaufman e Remer, 1994) mostrando-se, ao mesmo tempo, sensível a mudanças na vegetação devido à absorção de água líquida. Com efeito, estudos acerca dos efeitos do vapor de água na atenuação do espectro eletromagnético demonstraram que a região do infravermelho médio é uma das únicas regiões com relativamente pouca atenuação (Kerber e Schut, 1986). Acresce que a região do infravermelho médio apresenta uma baixa variação da irradiância solar (Lean, 1991), tendo-se ainda que a influência das incertezas da emissividade na estimativa da temperatura da superfície é pequena quando comparada com outras regiões térmicas tais como as de 10.5 e 11.5 μm (Salysbury e D’Aria, 1994). A utilização da radiância medida através de satélites na região do infravermelho médio é, no entanto, dificultada pelo facto de esta ser afectada tanto pelo fluxo térmico quanto pelo fluxo solar, contendo, desta forma, duas componentes, uma emitida e outra reflectida, tendo-se que a componente reflectiva contém os fluxos térmico e solar reflectidos pela atmosfera e pela superfície enquanto que as emissões térmicas são oriundas da atmosfera e da superfície. Ora, a componente solar reflectida é de especial interesse para a detecção de áreas ardidas pelo que se torna necessário isolá-la do sinal total medido pelo sensor. Devido à ambiguidade deste sinal, a distinção dos efeitos da reflectância e da temperatura torna-se uma tarefa muito complexa, verificando-se que os métodos em que se não assume nenhuma simplificação, levando-se, portanto, em consideração todos os constituintes do sinal do infravermelho médio se tornam complexos e difíceis de serem aplicados na prática, na medida em que requerem dados auxiliares (e.g. perfis atmosféricos) e ferramentas computacionais (e.g. modelos de tranferência radiativa). Kaufman e Remer (1994) desenvolveram um método simples para estimar a reflectância do infravermelho médio o qual assenta em diversas hipóteses simplificadoras. Apesar do objectivo primário que levou ao desenvolvimento do método ser a identificação de áreas cobertas por vegetação densa e escura em regiões temperadas, este método tem sido lagarmente utilizado nos estudos acerca da discriminação de áreas queimadas, algumas das vezes em regiões tropicais (Roy et al., 1999; Barbosa et al., 1999; Pereira, 1999). Na literatura não existe, no entanto, nenhum estudo acerca da exactidão e precisão deste método quando aplicado com o objectivo de detectar áreas ardidas, em especial em regiões tropicais. Neste sentido, no presente trabalho procedeu-se a um estudo de viabilidade do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em simultâneo com a análise da equação de tranferência radiativa na região do infravermelho médio, tendo sido realizados testes de sensibilidade dos algoritmos em relação aos erros nos perfis atmosféricos, ruído do sensor e erros nas estimativas da temperatura da superfície. Para tal recorreu-se ao modelo de transferência radiativa Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmittance and Radiance Code (MODTRAN), dando-se especial atenção ao caso do sensor MODIS. Os resultados demonstraram que a utilização do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em regiões tropicais para a estimativa da reflectância no infravermelho médio, leva a erros que são pelo menos da mesma ordem de magnitude do parâmetro estimado e, em alguns casos, muito maior, quando ocorre a combinação de altas temperaturas da superfície terrestre com baixos ângulos zenitais solares. A utilização da equação de transferência radiativa mostrouse uma boa alternativa, desde que estejam disponíveis dados acerca da temperatura da superfíce terrestre assim como dos perfis atmosféricos. Entretanto, nas regiões onde ocorrem altos valores de temperatura da superfície terrestre e baixos ângulos zenitais solares, quaisquer dos dois métodos se mostra pouco utilizável, já que nesta região a estimativa da reflectância constitui um problema mal-posto. Em paralelo, utilizaram-se informações sobre aerossóis de queimada para efectuar simulações do MODTRAN que permitiram avaliar a reposta do canal do infravermelho-médio à este tipo de perturbação do sinal, muito comum na Amazónia Brasileira. A fim de tornar o estudo o mais realístico possível, procedeu-se à coleta de material resultante de queimadas na região Amazónica, mais especificamente em Alta Floresta, Mato Grosso, Brasil. Estes resultado foram então integrados nos estudos em questão, possibilitando a caracterização espectral das áreas ardidas. Com base nos resultados obtido definiu-se uma tranformação no espaço do infravermelho próximo e médio com o objetivo de maximizar a informação espectral de forma a que as superfícies vegetadas pudessem ser efectivamente discriminadas e as áreas ardidas identificadas. A tranformação baseia-se na diferença entre a reflectância nos infravermelhos próximo e médio, em conjunto com a distância a um ponto de convergência no espaço espectral dos infravermelhos próximo e médio, ponto esse representativo de uma área completamente ardida. A tranformação permitiu a definição de um novo sistema de coordenadas, o qual provou ser bastante útil no que diz respeito á identificação de áreas ardidas. Este novo espaço de coordenadas constitui uma inovação na área dos estudos de queimadas, já que permite ao mesmo tempo definir dois tipos de índices, o primeiro dos quais identifica superfícies que contém ou não biomassa e o segundo identifica, de entre as superfícies que contêm biomassa, a quantidade de água presente, podendo variar de vegetação verde (abundância de água) até áreas ardidas (ausência de água). Além de distiguir áreas ardidas, os índices desenvolvidos podem ainda ser aplicados em outros casos como, por exemplo, estudos de estresse hídrico e secas.DSA/INPE; Portuguese Foundation of Science and Technology (Fundação para a Ciência e Tecnologia / FCT)(SFRH/BD/21650/2005

Earth Resources Laboratory research and technology

The accomplishments of the Earth Resources Laboratory's research and technology program are reported. Sensors and data systems, the AGRISTARS project, applied research and data analysis, joint research projects, test and evaluation studies, and space station support activities are addressed

Contribution to the application of near ground L-band radiometry

Premi HEMAV 2019 al millor TFGARIEL is an L-band radiometer adapted from Earth Observation satellite technology for use in terrestrial, near to ground surveys of moisture. The key technical benefits are compact size, lightweight, mobility and high pixel density (up to 1m2). This project demonstrates the capability of high spatial and temporal resolution L-Band radiometry to produce detailed soil moisture contour maps within a 1 km2 area. The study was performed prior, during and after 12 mm of rainfall to determine the soil surface absorption and adsorption behaviour in relation to surface moisture. The radiometer was equipped with photodiodes to enable the normalised difference vegetation index (NDVI) data to be extracted concurrently. Hence this is a very near ground, high resolution and high precision study of soil moisture derived from L-band emissivity. 
 The project is focused on the technology application and production of useful products in the form of moisture contour maps and vegetation detection. The radiometer functioned admirably during the consecutive test campaigns and in conditions that varied from direct sun to rain and mud. Patterns of soil moisture over time and within specific sub-areas of the field are identified and quantified. The intra-field differences appear to primarily be related to soil type and soil surface characteristics which were qualitatively assessed in this study as quantified approaches are available in empirical and theoretical studies. Average field moistures are measured daily and differentiation is made between soil types within the field. The effect of dry and moist surface emissivity on retrieved moisture is noted, as is the effect of vegetation on soil surface emissivity with the aid of the vegetation index. Comparisons are drawn to the highest resolution satellite imagery (30 m spatial, 3 day temporal) and highlight the limitations and richness of local data that is missed in relation to local soil moisture surface absorption patterns during rainfall. The radiometer is shown to achieve very high resolution and precision that is not possible from satellite or even light aircraft. Furthermore, it is shown to be able to study ground conditions when they are occluded from satellite and hence the moisture profile maps presented are unique in their detail.Award-winnin

Applying infrared thermography to soil surface temperature monitoring: Case study of a high-resolution 48 h survey in a vineyard (Anadia, Portugal)

The soil surface albedo decreases with an increasing biochar application rate as a power decay function, but the net impact of biochar application on soil temperature dynamics remains to be clarified. The objective of this study was to assess the potential of infrared thermography (IRT) sensing by monitoring soil surface temperature (SST) with a high spatiotemporal and thermal resolution in a scalable agricultural application. We monitored soil surface temperature (SST) variations over a 48 h period for three treatments in a vineyard: bare soil (plot S), 100% biochar cover (plot B), and biochar-amended topsoil (plot SB). The SST of all plots was monitored at 30 min intervals with a tripod-mounted IR thermal camera. The soil temperature at 10 cm depth in the S and SB plots was monitored continuously with a 5 min resolution probe. Plot B had greater daily SST variations, reached a higher daily temperature peak relative to the other plots, and showed a faster rate of T increase during the day. However, on both days, the SST of plot B dipped below that of the control treatment (plot S) and biochar-amended soil (plot SB) from about 18:00 onward and throughout the night. The diurnal patterns/variations in the IRT-measured SSTs were closely related to those in the soil temperature at a 10 cm depth, confirming that biochar-amended soils showed lower thermal inertia than the unamended soil. The experiment provided interesting insights into SST variations at a local scale. The case study may be further developed using fully automated SST monitoring protocols at a larger scale for a range of environmental and agricultural applications