Analysis of a Least-Squares Soil Moisture Retrieval Algorithm from L-band Passive Observations

The Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission of the European Space Agency (ESA), launched on November 2009, is an unprecedented initiative to globally monitor surface soil moisture using a novel 2-D L-band interferometric radiometer concept. Airborne campaigns and ground-based field experiments have proven that radiometers operating at L-band are highly sensitive to soil moisture, due to the large contrast between the dielectric constant of soil minerals and water. Still, soil moisture inversion from passive microwave observations is complex, since the microwave emission from soils depends strongly on its moisture content but also on other surface characteristics such as soil type, soil roughness, surface temperature and vegetation cover, and their contributions must be carefully de-coupled in the retrieval process. In the present study, different soil moisture retrieval configurations are examined, depending on whether prior information is used in the inversion process or not. Retrievals are formulated in terms of vertical (Tvv) and horizontal (Thh) polarizations separately and using the first Stokes parameter (TI ), over six main surface conditions combining dry, moist and wet soils with bare and vegetation-covered surfaces. A sensitivity analysis illustrates the influence that the geophysical variables dominating the Earth’s emission at L-band have on the precision of the retrievals, for each configuration. It shows that, if adequate constraints on the ancillary data are added, the algorithm should converge to more accurate estimations. SMOS-like brightness temperatures are also generated by the SMOS End-to-end Performance Simulator (SEPS) to assess the retrieval errors produced by the different cost function configurations. Better soil moisture retrievals are obtained when the inversion is constrained with prior information, in line with the sensitivity study, and more robust estimates are obtained using TI than using Tvv and Thh. This paper analyzes key issues to devise an optimal soil moisture inversion algorithm for SMOS and results can be readily transferred to the upcoming SMOS data to produce the much needed global maps of the Earth’s surface soil moisture

Synergistic optical and microwave remote sensing approaches for soil moisture mapping at high resolution

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al dia 1 d'octubre de 2022Soil moisture is an essential climate variable that plays a crucial role linking the Earth’s water, energy, and carbon cycles. It is responsible for the water exchange between the Earth’s surface and the atmosphere, and provides key information about soil evaporation, plant transpiration, and the allocation of precipitation into runoff, surface flow and infiltration. Therefore, an accurate estimation of soil moisture is needed to enhance our current climate and meteorological forecasting skills, and to improve our current understanding of the hydrological cycle and its extremes (e.g., droughts and floods). L-band Microwave passive and active sensors have been used during the last decades to estimate soil moisture, since there is a strong relationship between this variable and the soil dielectric properties. Currently, there are two operational L-band missions specifically devoted to globally measure soil moisture: the ESA’s Soil Moisture and the Ocean Salinity (SMOS), launched in November 2009; and the NASA’s Soil Moisture Active Passive (SMAP), launched in January 2015. The spatial resolution of the SMOS and SMAP radiometers, in the order of tens of kilometers (~40 km), is adequate for global applications. However, to fulfill the needs of a growing number of applications at local or regional scale, higher spatial detail (< 1 km) is required. To bridge this gap and improve the spatial resolution of the soil moisture maps, a variety of spatial enhancement or spatial (sub-pixel) disaggregation approaches have been proposed. This Ph.D. Thesis focuses on the study of the Earth’s surface soil moisture from remotely sensed observations. This work includes the implementation of several soil moisture retrieval techniques and the development, implementation, validation and comparison of different spatial enhancement or downscaling techniques, applied at local, regional, and continental scale. To meet these objectives, synergies between several active/passive microwave sensors (SMOS, SMAP and Sentinel-1) and optical/thermal sensors (MODIS) have been explored. The results are presented as follows: - Spatially consistent downscaling approach for SMOS using an adaptive moving window A passive microwave/optical downscaling algorithm for SMOS is proposed to obtain fine-scale soil moisture maps (1 km) from the native resolution (~40 km) of the instrument. This algorithm introduces the concept of a shape-adaptive window as a central improvement of the disaggregation technique presented by Piles et al. (2014), allowing its application at continental scales. - Assessment of multi-scale SMOS and SMAP soil moisture products across the Iberian Peninsula The temporal and spatial characteristics of SMOS and SMAP soil moisture products at coarse- and fine-scales are assessed in order to learn about their distinct features and the rationale behind them, tracing back to the physical assumptions they are based upon. - Impact of incidence angle diversity on soil moisture retrievals at coarse and fine scales An incidence angle (32.5°, 42.5° and 52.5°)-adaptive calibration of radiative transfer effective parameters single scattering albedo and soil roughness has been carried out, highlighting the importance of such parameterization to accurately estimate soil moisture at coarse-resolution. Then, these parameterizations are used to examine the potential application of a physically-based active-passive downscaling approach to upcoming microwave missions, namely CIMR, ROSE-L and Sentinel-1 Next Generation. Soil moisture maps obtained for the Iberian Peninsula at the three different angles, and at coarse and fine scales are inter-compared using in situ measurements and model data as benchmarks.La humedad del suelo es una variable climática esencial que juega un papel crucial en la relación de los ciclos del agua, la energía y el carbono de la Tierra. Es responsable del intercambio de agua entre la superficie de la Tierra y la atmósfera, y proporciona información crucial sobre la evaporación del suelo, la transpiración de las plantas y la distribución de la precipitación en escorrentía, flujo superficial e infiltración. Por lo tanto, es necesaria una estimación precisa de la humedad del suelo para mejorar las predicciones climáticas y meteorológicas, y comprender mejor el ciclo hidrológico y sus extremos (v.g., sequías e inundaciones). Los sensores pasivos y activos en banda L se han usado durante las últimas décadas para estimar la humedad del suelo debido a la relación directa que existe entre esta variable y las propiedades dieléctricas del suelo. Actualmente, hay dos misiones operativas en banda L específicamente dedicadas a medir la humedad del suelo a escala global: la misión Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de la ESA, lanzada en noviembre de 2009; y la misión Soil Moisture Active Passive (SMAP) de la NASA, lanzada en enero de 2015. La resolución espacial de los radiómetros SMOS y SMAP, del orden de unas decenas de kilómetros (~40 km), es adecuada para aplicaciones a escala global. Sin embargo, para satisfacer las necesidades de un número creciente de aplicaciones a escala local o regional, se requiere más detalle espacial (<1 km). Para solventar esta limitación y mejorar la resolución espacial de los mapas de humedad, se han propuesto diferentes técnicas de mejora o desagregación espacial. Esta Tesis se centra en el estudio de la humedad de la superficie terrestre a partir de datos obtenidos a través de teledetección. Este trabajo incluye la implementación de distintos algoritmos de recuperación de la humedad del suelo y el desarrollo, implementación, validación y comparación de distintas técnicas de desagregación, aplicadas a escala local, regional y continental. Para cumplir estos objetivos, se han explorado sinergias entre diferentes sensores de microondas activos/pasivos (SMOS, SMAP y Sentinel-1) y sensores ópticos/térmicos. Los resultados se presentan de la siguiente manera: - Técnica de desagregación espacialmente consistente, basada en una ventana móvil adaptativa, aplicada a los datos SMOS Se propone un algoritmo de desagregación del píxel basado en datos obtenidos de medidas radiométricas de microondas en banda L y datos ópticos, para mejorar la resolución espacial de los mapas de humedad del suelo desde la resolución nativa del instrumento (~40 km) hasta resoluciones de 1 km. El algoritmo introduce el concepto de una ventana de contorno adaptativo, como mejora principal sobre la técnica de desagregación presentada en Piles et al. (2014), permitiendo su implementación a escala continental. - Análisis multiescalar de productos de humedad del suelo SMAP y SMOS sobre la Península Ibérica Se han evaluado las características temporales y espaciales de distintos productos de humedad del suelo SMOS y SMAP, a baja y a alta resolución, para conocer sus características distintivas y comprender las razones de sus diferencias. Para ello, ha sido necesario rastrear los supuestos físicos en los que se basan. - Impacto del ángulo de incidencia en la recuperación de la humedad del suelo a baja y a alta resolución Se ha llevado a cabo una calibración adaptada al ángulo de incidencia (32.5°, 42.5° y 52.5°) de los parámetros efectivos, albedo de dispersión simple y rugosidad del suelo, descritos en el modelo de transferencia radiativa � − �, incidiendo en la importancia de esta parametrización para estimar la humedad del suelo de forma precisa a baja resolución. El resultado de las mismas se ha utilizado para estudiar la potencial aplicación de un algoritmo activo/pasivo de desagregación basado en la física para las próximas misiones de microondas, llamadas CIMR, ROSE-L y Sentinel-1 Next Generation. Los mapas de humedad recuperados a los tres ángulos de incidencia, tanto a baja como a alta resolución, se han obtenido para la Península Ibérica y se han comparado entre ellos usando como referencia mediciones de humedad in situ.Postprint (published version

Earth remote sensing with SMOS, Aquarius and SMAP missions

The first three of a series of new generation satellites operating at L-band microwave frequencies have been launch in the last decade. L-band is particularly sensitive to the presence of water content in the scene under observation, being considered the optimal bandwidth for measuring the Earth's global surface soil moisture (SM) over land and sea surface salinity (SSS) over oceans. Monitoring these two essential climate variables is needed to further improve our understanding of the Earth's water and energy cycles. Additionally, remote sensing at L-band has been proved useful for monitoring the stability in ice sheets and measuring sea ice thickness. The ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, 2009-2017) is the first mission specifically launched to monitor SM and SSS. It carries on-board a novel synthetic aperture radiometer with multi-angular and full-polarization capabilities. NASA's Aquarius (2011-2015) was the second mission, devoted to SSS monitoring with a combined real aperture radiometer/scatterometer system that allows correcting for sea surface roughness. NASA's Soil Moisture Active Passive (SMAP, 2015-2018) is the second mission dedicated to measure SM. It carries on-board a real aperture full-polarimetric radiometer and a synthetic aperture radar (SAR) for enhanced spatial resolution and freeze/thaw detection. This Ph.D. Thesis is focused on analyzing the geophysical information that can be obtained from L-band SMOS, Aquarius and SMAP observations. The research activities are structured as follows: -Inter-comparison of radiometer brightness temperatures at selected targets. A novel methodology to measure the consistency between SMOS and Aquarius radiometric data over the entire dynamic range of observations (land, ice and ocean) is proposed. It allows detecting spatial/temporal differences or biases without latitudinal limitations neither cross-overs. This is a necessary step to combine observations from different instruments in a long term dataset for environmental, meteorological, hydrological or climatological studies. -Ice thickness effects on passive remote sensing of Antarctic continental ice. The relationship between Antarctic ice thickness spatial variations and changes detected by SMOS and Aquarius measurements is explored. The emissivity of Antarctica is analyzed to disentangle the role of the geophysical contributions (snow layers at different depths and subglacial lakes) to the observed signal. The stability of the L-band signal in the East Antarctic Plateau, calibration/validation site for microwave satellite missions, is assessed. -Microwave/optical synergy for multi-scale soil moisture sensing. The relationship of SM and land surface temperature (LST) dynamics is evaluated to better understand the fundamental SM-LST link through evapotranspiration and thermal inertia physical processes. A new approach to measure the critical soil moisture from time-series of spaceborne SM and LST is proposed. The synergistic use of SMOS SM and remotely sensed LST for refining SM disaggregation algorithms is also analyzed. -Comparison of passive and active microwave vegetation parameters. Recent research has shown that microwave vegetation opacity, sensitive to biomass and water content, and albedo, related to canopy structure, can be retrieved from passive L-band observations. The relationships between these two parameters and radar-derived vegetation descriptors have been explored using airborne observations from the SMAP Validation Experiment 2012 (SMAPVEX12). The obtained relations could allow for improved SM retrievals in active-passive systems, and also to estimate the vegetation properties at high resolution using SAR observations. The Ph.D. Thesis has been developed within the activities of the Barcelona Expert Centre (BEC). The presented results contribute to the use of L-band remote sensing in different scientific disciplines such as climate, cryosphere, hydrology and ecology.Els primers tres d'una sèrie de satèl·lits de nova generació funcionant a la banda L han sigut llançats a l'última dècada. La banda L es molt sensible a la presència d'aigua a l'escena observada, sent considerada òptima per mesurar la humitat del sòl (SM) i la salinitat del mar (SSS) de manera global a la superfície de la Terra. Monitoritzar aquestes dues variables climàtiques essencials es necessari per millorar el nostre coneixement dels cicles de l'aigua i l'energia. La teledetecció a banda L també ha sigut útil per monitoritzar l'estabilitat de les capes de gel i mesurar el gruix de gel marí. La missió Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, 2009-2017) de l'ESA és la primera específicament llançada per monitoritzar SM i SSS. Porta un nou radiòmetre d'apertura sintètica amb capacitat multiangular i polarització completa. La missió Aquarius (2011-2015) de la NASA va ser la segona, dedicada a monitoritzar SSS amb un sistema de radiòmetre/escateròmetre d’apertura real que permet corregir la rugositat de la superfície del mar. La missió Soil Moisture Active Passive (SMAP, 2015-2018) de la NASA és la segona dedicada a mesurar SM. Porta un radiòmetre d'apertura real i polarització completa i un radar d'apertura sintètica (SAR) per una millor resolució espaial i detecció de congelació/descongelació. Aquesta tesi està enfocada en analitzar la informació geofísica que pot obtenir-se de les observacions a banda L d'SMOS, Aquarius i SMAP. La seva investigació està estructurada com: -Intercomparació de temperatures de brillantor en zones seleccionades. Es proposa un nou mètode per mesurar la consistència entre les dades radiomètriques d'SMOS i Aquarius sobre el rang dinàmic complet d'observacions (terra, gel, oceà). Això permet detectar diferències espaials/temporals o biaixos sense limitacions latitudinals ni creuaments. Aquest pas es necessari per combinar observacions de diferents instruments en un llarg conjunt de dades per estudis mediambientals, hidrològics o climatològics. -Efecte de gruix de gel en teledetecció de gel continental a l'Antàrtida. S'explora la relació entre les variacions espaials del gruix de gel antàrtic i els canvis detectats a les mesures d'SMOS i Aquarius. L'emissivitat de l'Antàrtida es analitzada per discernir el rol de les contribucions geofísiques (capes de gel a diferents profunditats i llacs subglacials) al senyal observat. S'avalua l'estabilitat del senyal a banda L sobre la zona est de l'altiplà antàrtic, lloc per calibratge/validació de satèl·lits de microones. -Sinèrgia de microones/òptic per teledetecció de SM multiescala. S'avalua la correlació entre la SM i la temperatura de la superfície del sòl (LST) per entendre millor la relació SM-LST a través de processos físics d'evapotranspiració i inèrcia tèrmica. Es proposa un nou mètode per mesurar la humitat crítica utilitzant sèries temporals de SM i LST de satèl·lit. S'analitza l'ús de la SM de SMOS amb la LST de teledetecció per refinar algorismes de desagregació de SM. -Comparació de paràmetres passius i actius de microones relatius a la vegetació. Recent investigació ha mostrat que l'opacitat, sensible a la biomassa i el contingut d'aigua, i l'albedo, relacionat amb l'estructura, poden ser recuperats d'observacions passives a banda L. S'exploren les relacions entre aquests dos paràmetres i estimadors de vegetació derivats de radar utilitzant les observacions d'avió de l'experiment de validació d'SMAP 2012 (SMAPVEX12). Les relacions obtingudes podrien permetre millors recuperacions de SM en sistemes actius/passius i estimar les propietats de la vegetació a alta resolució utilitzant mesures de SAR. La tesi s'ha desenvolupat dins les activitats del Barcelona Expert Centre (BEC). Els resultats presentats contribueixen a l'ús de la banda L a diferents disciplines científiques com la climatologia, la criosfera, la hidrologia i l'ecologia