Evaluation of a global soil moisture product from finer spatial resolution sar data and ground measurements at Irish sites

In the framework of the European Space Agency Climate Change Initiative, a global, almost daily, soil moisture (SM) product is being developed from passive and active satellite microwave sensors, at a coarse spatial resolution. This study contributes to its validation by using finer spatial resolution ASAR Wide Swath and in situ soil moisture data taken over three sites in Ireland, from 2007 to 2009. This is the first time a comparison has been carried out between three sets of independent observations from different sensors at very different spatial resolutions for such a long time series. Furthermore, the SM spatial distribution has been investigated at the ASAR scale within each Essential Climate Variable (ECV) pixel, without adopting any particular model or using a densely distributed network of in situ stations. This approach facilitated an understanding of the extent to which geophysical factors, such as soil texture, terrain composition and altitude, affect the retrieved ECV SM product values in temperate grasslands. Temporal and spatial variability analysis provided high levels of correlation (p < 0.025) and low errors between the three datasets, leading to confidence in the new ECV SM global product, despite limitations in its ability to track the driest and wettest conditions

Estimation of Soil Moisture for Different Crops Using SAR Polarimetric Data

Soil moisture is an essential factor that influences agricultural productivity and hydrological processes. Soil moisture estimation using field detection methods takes time and is challenging. However, using Remote Sensing (RS) and Geographic Information System (GIS) technology, soil moisture parameters become easier to detect. In microwave remote sensing, synthetic aperture radar (SAR) data helps to retrieve soil moisture from more considerable depths because of its high penetration capability and the illumination power of its light source. This study aims to process the SAR Sentinel-1A data and estimate soil moisture using the Water Cloud Model (WCM). Many physical and empirical models have been developed to determine soil moisture from microwave remote sensing platforms. However, the Water Cloud Model gives more accurate results. In this study, the WCM model is used for mixed crop types. The experimental soil moisture was determined from in-situ soil samples collected from various agricultural areas. The soil backscattering values corresponding to the different soil sampling locations were derived from Sentinel SAR data. Using linear regression analysis, the laboratory's soil moisture results and soil backscattering values were correlated to arrive at a model. The model was validated using a secondary set of in-situ moisture content values taken during the same period. The R2 and RMSE of the model were observed to be 0.825 and 0.0274, respectively, proving a strong correlation between the experimental soil moisture and satellite-derived soil moisture for mixed crop field types. This paper explains the methodology for arriving at a model for soil moisture estimation. This model helps to recommend suitable crop types in large, complex areas based on predicted moisture content. Doi: 10.28991/CEJ-2023-09-06-08 Full Text: PD

Coupling SAR C-band and optical data for soil moisture and leaf area index retrieval over irrigated grasslands

International audienceThe objective of this study was to develop an approach for estimating soil moisture and vegetation parameters in irrigated grasslands by coupling C-band polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR) and optical data. A huge dataset of satellite images acquired from RADARSAT-2 and LANDSAT-7/8, and in situ measurements were used to assess the relevance of several inversion configurations. A neural network (NN) inversion technique was used. The approach for this study was to use RADARSAT-2 and LANDSAT-7/8 images to investigate the potential for the combined use of new data from the new SAR sensor SENTINEL-1 and the new optical sensors LANDSAT-8 and SENTINEL-2. First, the impact of SAR polarization (mono-, dual- and full-polarizations configurations) and the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) calculated from optical data for the estimation error of soil moisture and vegetation parameters was studied. Next, the effect of some polarimetric parameters (Shannon entropy and Pauli components) on the inversion technique was also analyzed. Finally, configurations using in situ measurements of the fraction of absorbed photosynthetically active radiation (FAPAR) and the fraction of green vegetation cover (FCover) were also tested.The results showed that HH polarization is the SAR polarization most relevant to soil moisture estimates. An RMSE for soil moisture estimates of approximately 6 vol.% was obtained even for dense grassland cover. The use of in situ FAPAR and FCover only improved the estimate of the leaf area index (LAI) with an RMSE of approximately 0.37 m²/m². The use of polarimetric parameters did not improve the estimate of soil moisture and vegetation parameters. Good results were obtained for the biomass (BIO) and vegetation water content (VWC) estimates for BIO and VWC values lower than 2 and 1.5 kg/m², respectively (RMSE is of 0.38 kg/m² for BIO and 0.32 kg/m² for VWC). In addition, a high under-estimate was observed for BIO and VWC higher than 2 and 1.5 kg/m², respectively (a bias of -0.65 kg/m² on BIO estimates and -0.49 kg/m² on VWC estimates). Finally, the estimation of vegetation height (VEH) was carried out with an RMSE of 13.45 cm

Surface Soil Moisture Retrievals from Remote Sensing:Current Status, Products & Future Trends

Advances in Earth Observation (EO) technology, particularly over the last two decades, have shown that soil moisture content (SMC) can be measured to some degree or other by all regions of the electromagnetic spectrum, and a variety of techniques have been proposed to facilitate this purpose. In this review we provide a synthesis of the efforts made during the last 20 years or so towards the estimation of surface SMC exploiting EO imagery, with a particular emphasis on retrievals from microwave sensors. Rather than replicating previous overview works, we provide a comprehensive and critical exploration of all the major approaches employed for retrieving SMC in a range of different global ecosystems. In this framework, we consider the newest techniques developed within optical and thermal infrared remote sensing, active and passive microwave domains, as well as assimilation or synergistic approaches. Future trends and prospects of EO for the accurate determination of SMC from space are subject to key challenges, some of which are identified and discussed within. It is evident from this review that there is potential for more accurate estimation of SMC exploiting EO technology, particularly so, by exploring the use of synergistic approaches between a variety of EO instruments. Given the importance of SMC in Earth’s land surface interactions and to a large range of applications, one can appreciate that its accurate estimation is critical in addressing key scientific and practical challenges in today’s world such as food security, sustainable planning and management of water resources. The launch of new, more sophisticated satellites strengthens the development of innovative research approaches and scientific inventions that will result in a range of pioneering and ground-breaking advancements in the retrievals of soil moisture from space

Estimation of water resources on continental surfaces by multi-sensor microwave remote sensing

L'estimació dels recursos hídrics de les superfícies continentals a escala regional i global és fonamental per a una bona gestió dels recursos hídrics. Aquesta estimació cobreix una àmplia gamma de temes i camps, incloent-hi la caracterització dels sòls i dels recursos hídrics a l’escala de la conca, la modelització hidrològica i la predicció i la cartografia d'inundacions. En aquest context, la caracterització dels estats de la superfície continental, per a obtenir millors paràmetres d’entrada als models hidrològics, és essencial per millorar la precisió en la simulació de cabals, sequeres i inundacions. L’estimació del contingut d’aigua en el sistema, incloses les diferents masses d’aigua i l’aigua lliure en el sòl, és especialment necessària per a una descripció precisa dels processos hidrològics i, en general, del cicle de l’aigua a les superfícies continentals. Per caracteritzar millor els processos hidrològics, les intervencions antropogèniques no es poden negligir. L'home influeix en el cicle de l'aigua, principalment mitjançant el reg i la construcció de preses, fet que s’ha de quantificar correctament. L’objectiu de la tesi és la millora de l’estimació remota dels recursos hídrics, incloent-hi la quantificació dels factors antròpics, mitjançant l’ús de diversos sensors llançats recentment, aprofitant recents desenvolupaments en la tecnologia de teledetecció. Amb l'arribada de les constel·lacions Sentinel (Sentinel-1, 2, 3), disposem de millors eines per estimar els recursos hídrics, incloent-hi els impactes humans, amb una major precisió i cobertura. Aquest treball de tesi consta principalment de dues línies de recerca on s’estimen les intervencions humanes en el cicle hidrològic: la cartografia del reg (com a aplicació en humitat del sòl), i el forçament d’embassaments en simulacions hidrològiques (com a aplicació de l’altimetria). En la primera linia s’estima la humitat del sòl a partir de l’anàlisi estadística de les dades SAR de Sentinel-1. Es desenvolupen dues metodologies per obtenir la humitat del sòl amb una resolució espacial de 100 m basant-se en la interpretació de les dades de Sentinel-1 obtingudes amb la polarització VV (vertical-vertical), que es combina amb dades òptiques Sentinel-2 per a l'anàlisi dels efectes de la vegetació. Com aplicació de la humitat del sòl, es cartografia el reg en diverses condicions meteorològiques, i amb una alta resolució espacial i temporal. Es proposa una metodologia per a la cartografia del reg mitjançant dades SAR obtingudes en polaritzacions VV (vertical-vertical) i VH (vertical-horitzontal). A partir de la sèrie temporal Sentinel-1, s’analitzen diferents estadístiques i mètriques, incloent-hi el valor mitjà, la variància del senyal, la longitud de la correlació i la dimensió fractal, a partir dels quals es classifiquen els arbres irrigats, els cultius irrigats i els cultius no irrigats. En la segona línia, s’estima el nivell dels embassaments a partir de les dades d’altimetria de Sentinel-3, amb l’altímetre SAR (SRAL), basant-se en diferents algorismes per millorar la precisió. Aquest estudi presenta tres algorismes especialitzats o retrackers destinats a obtenir el nivell de la superfície dels cossos d’aigua estudiats, minimitzant la contaminació de les formes d’ona degut al sòl que els envolta. Es compara el rendiment del mètode proposat de selecció de la porció d’ona amb tres retrackers, és a dir, un retracker de llindar, el retracker del centre de gravetat (OCOG) i un retracker de base física de dos passos. S’obtenen sèries temporals del nivell de la làmina d’aigua d’embassaments situats a la conca del riu Ebre (Espanya). Com aplicació, les sèries de nivell dels embassaments obtingudes s’utilitzen per a forçar els embassaments en simulacions hidrològiques.La estimación de los recursos hídricos de las superficies continentales a escala regional y global es fundamental para una buena gestión de los recursos hídricos. Esta estimación cubre una amplia gama de temas y campos, incluyendo la caracterización de los suelos y de los recursos hídricos a escala de cuenca, la modelización hidrológica y la predicción y la cartografía de inundaciones. En este contexto, la caracterización de los estados de la superficie continental, para obtener mejores parámetros de entrada para los modelos hidrológicos, es esencial para mejorar la precisión en la simulación de caudales, sequías e inundaciones. La estimación del contenido de agua en el sistema, incluidas las diferentes masas de agua y el agua libre en el suelo, es especialmente necesaria para una descripción precisa de los procesos hidrológicos y, en general, del ciclo del agua en las superficies continentales. Una caracterización precisa de los procesos hidrológicos requiere no descuidar las intervenciones humanas. El hombre influye en el ciclo del agua, principalmente mediante el riego y la construcción de embalses, lo que se debe cuantificar correctamente. El objetivo de la tesis es la mejora de la estimación remota de los recursos hídricos, incluyendo la cuantificación de los factores humanos, mediante el uso de varios sensores lanzados recientemente, aprovechando recientes desarrollos en la tecnología de teledetección. Con la llegada de las constelaciones Sentinel (Sentinel-1, 2, 3), disponemos de mejores herramientas para estimar los recursos hídricos, incluyendo los impactos humanos, con una mayor precisión y cobertura. Este trabajo de tesis consta principalmente en dos ejes de investigación donde se estiman las intervenciones humanas en el ciclo hidrológico: la cartografía del riego (como aplicación en humedad del suelo), y el forzamiento de embalses en simulaciones hidrológicas (como aplicación de la altimetría). En relación al primer eje, se estima la humedad del suelo a partir del análisis estadístico de los datos SAR de Sentinel-1. Se desarrollan dos metodologías para obtener la humedad del suelo con una resolución espacial de 100 m basándose en la interpretación de los datos de Sentinel-1 obtenidas con la polarización VV (vertical-vertical), que se combina con datos ópticas Sentinel-2 para el análisis de los efectos de la vegetación. Como aplicación de la humedad del suelo, se cartografía el riego en diversas condiciones meteorológicas, y con una alta resolución espacial y temporal. Se propone una metodología para la cartografía del riego mediante datos SAR obtenidos en polarizaciones VV (vertical-vertical) y VH (vertical-horizontal). A partir de la serie temporal Sentinel-1, se analizan diferentes estadísticas y métricas, incluyendo el valor medio, la varianza de la señal, la longitud de la correlación y la dimensión fractal, a partir de los cuales se clasifican los árboles irrigados, los cultivos irrigados y los cultivos no irrigados. En el segundo eje, se estima el nivel de los embalses a partir de los datos de altimetría de Sentinel-3, con el altímetro SAR (SRAL), basándose en diferentes algoritmos para mejorar la precisión. Este estudio presenta tres algoritmos especializados o retrackers destinados a obtener el nivel de la superficie de los cuerpos de agua estudiados, minimizando la contaminación de las formas de onda debido al suelo que los rodea. Se compara el rendimiento del método propuesto de selección de la porción de onda con tres retrackers, es decir, un retracker de umbral, el retracker del centro de gravedad (OCOG) y un retracker de base física de dos pasos. Se obtienen series temporales del nivel de la lámina de agua de embalses situados en la cuenca del río Ebro (España). Como aplicación, las series de nivel de los embalses obtenidas se utilizan para forzar los embalses en simulaciones hidrológicas.The estimation of the water resources of the continental surfaces at a regional and global scale is fundamental for good water resources management. This estimation covers a wide range of topics and fields, including the characterisation of soils and water resources at the basin scale, hydrological modelling and flood prediction and mapping. In this context, the characterisation of the states of the continental surface, to obtain better input parameters for hydrological models, is essential to improve the precision in the simulation of flows, droughts, and floods. The estimation of the water content in the system, including the different water bodies and the free water in the soil, is especially necessary for a precise description of the hydrological processes and, in general, of the water cycle on the continental surfaces. To better characterise hydrological processes, human interventions cannot be neglected. Humans influence the water cycle, mainly through irrigation and the construction of reservoirs, which must be correctly quantified. The objective of the thesis is the improvement of the remote estimation of water resources, including the quantification of human factors, using several sensors recently launched, taking advantage of recent developments in remote sensing technology. With the arrival of the Sentinel constellations (Sentinel-1, 2, 3), we have better tools to estimate water resources, including human impacts, with greater precision and coverage. This thesis consists mainly of two parts where human interventions in the water cycle are considered: irrigation cartography (as an application of soil moisture), and the forcing of reservoirs in hydrological simulations (as an application of altimetry). Firstly, soil moisture is estimated from the statistical analysis of Sentinel-1 SAR data. Two methodologies are developed to obtain soil moisture with a spatial resolution of 100 m based on the interpretation of Sentinel-1 data collected with the VV polarization (vertical-vertical), which is combined with optical data of Sentinel-2 for the analysis of the effects of vegetation. Secondly, irrigation is mapped under various meteorological conditions, including high spatial and temporal resolution. A methodology for irrigation mapping is proposed using SAR data obtained in VV (vertical-vertical) and VH (vertical-horizontal) polarizations. With Sentinel-1 time series, different statistics and metrics are analysed, including the mean value, the variance of the signal, the correlation length and the fractal dimension, based on which the classification of irrigated trees, irrigated crops, and non-irrigated crops are derived. Finally, the level of the reservoirs is estimated from the Sentinel-3 altimetry data, with the SAR altimeter (SRAL), based on different algorithms to improve the accuracy. This study presents three specialised algorithms or retrackers designed to obtain the level of the surface of the studied inland bodies of water, minimising the contamination of the waveforms due to the surrounding soil. The performance of the selection method of the proposed wave portion is compared with three retrackers, that is, the centre of gravity retracker (OCOG) and the two-step physical-based retracker. Temporal series of the water level of reservoirs located in the basin of the Ebro River (Spain) are obtained. As an application, the level series of the reservoirs obtained are used to force the reservoirs in hydrological simulations.L'estimation et le suivi des ressources en eau des surfaces continentales aux niveaux régional et global est essentielle pour la gestion du bilan hydrique, particulièrement dans le contexte des changements climatiques et anthropiques. Ils couvrent un large éventail de thèmes et de domaines, incluant la caractérisation des ressources en eau à l'échelle du bassin, la modélisation hydrologique ainsi que la prévision et la cartographie des inondations. Dans ce contexte, la caractérisation des états de surface, en tant que paramètres d’entrée dans les modèles hydrologiques, est essentielle pour obtenir une meilleure précision de la simulation, qui est liée à la précision prévisionnelle des débits des cours d’eau et le suivi des sécheresses et des inondations. L'estimation de la teneur en eau des surfaces continentales, incluant l’état hydrique du sol et les niveaux des surfaces couvertes d’eau, est particulièrement nécessaire pour une description précise des processus hydrologiques et plus généralement du cycle de l'eau sur les surfaces continentales. Afin de mieux comprendre les processus hydrologiques, l'influence humaine (l’effet anthropique) sur le cycle de l'eau nécessite une évaluation fine. Elle est particulièrement liée à la gestion de l’irrigation et la construction de barrages. L'objectif de la thèse était d'améliorer l'estimation des ressources en eau et une meilleure caractérisation des interventions anthropiques à travers l'utilisation de nouveaux capteurs satellitaires multi-configurations du programme européen Copernicus. Avec le développement de la technologie de télédétection spatiale, et plus particulièrement avec l’arrivée des constellations Sentinel (Sentinel-1, 2, 3) à haute résolution spatiale et temporelle, il existe un meilleur outil pour estimer les états des surfaces continentales. Ce travail de thèse comprend principalement deux priorités liées à des interventions humaines dans le cycle hydrologique:la cartographie de l'irrigation en tant que action humaine liée directement à l'humidité du sol et le forçage des barrages dans un modèle de simulation de rivière en tant qu'application liée à l’estimation du niveau de l'eau libre. Un premier axe de recherche a été basé sur une analyse statistique des données SAR Sentinel-1 pour caractériser l’état hydrique du sol. Deux méthodes ont été développées pour estimer ce paramètre avec une résolution spatiale de 100 m. Elles sont basées sur des approches de détection de changement à partir des données Sentinel-1 acquises en polarisation VV (verticale-verticale), combinées aux données optiques Sentinel-2 pour corriger les effets de la végétation. L’application consistait à cartographier l'irrigation, avec des résolutions spatiale et temporelle élevées. Une méthodologie de cartographie de l'irrigation utilisant des données SAR Sentinel-1 a été proposée. Elle estbasée sur les acquisitions en polarisations VV (vertical-vertical) et VH (vertical-horizontal). A partir de la série temporelle des mesures Sentinel-1, des paramètres statistiques tel que la valeur moyenne, la variance du signal, la longueur de corrélation temporelle et la dimension fractale, sont analysées, en fonction du type de culture; cultures annuelles irriguées, arbres irrigués et cultures pluviales. Des classifications supervisées utilisant les approches Random Forest et SVM sont testées. En deuxième axe, l'estimation de la hauteur de la surface de l'eau à partir des données altimétriques de Sentinel-3 avec l’altimètre SAR (SRAL) a été réalisée à l'aide de différents algorithmes afin d'améliorer la précision sur des petites surfaces. Cette étude présente trois algorithmes spécialisés (ou retrackers) dédiées à la minimisation de la contamination des sols par les formes d’ondes permettant de récupérer les niveaux d’eau à partir de données altimétriques SAR sur des masses d’eaux intérieures. Les performances de la méthode de sélection de portion de forme d'onde proposée avec trois retrackers, à savoir, le retracker à seuil, le retracker à centre de gravité décalé (OCOG) et le retracker à base physique à 2 étapes, sont comparées. Des séries chronologiques de niveaux d'eau sont extraites pour les masses d'eau du bassin de l'Èbre (Espagne). Une application des produits altimétriques est proposée. Le produit de niveau d’eau a été utilisé comme paramètre d’entrée pour analyser l’effet tampon des barrages dans les simulations de débits fluviaux

Désagrégation de l'humidité du sol issue des produits satellitaires micro-ondes passives et exploration de son utilisation pour l'amélioration de la modélisation et la prévision hydrologique

De plus en plus de produits satellitaires en micro-ondes passives sont disponibles. Cependant, leur large résolution spatiale (25-50 km) n’en font pas un outil adéquat pour des applications hydrologiques à une échelle locale telles que la modélisation et la prévision hydrologiques. Dans de nombreuses études, une désagrégation d’échelle de l’humidité du sol des produits satellites micro-ondes est faite puis validée avec des mesures in-situ. Toutefois, l’utilisation de ces données issues d’une désagrégation d’échelle n’a pas encore été pleinement étudiée pour des applications en hydrologie. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de proposer une méthode de désagrégation d’échelle de l’humidité du sol issue de données satellitaires en micro-ondes passives (Satellite Passive Microwave Active and Passive - SMAP) à différentes résolutions spatiales afin d’évaluer leur apport sur l’amélioration potentielle des modélisations et prévisions hydrologiques. À partir d’un modèle de forêt aléatoire, une désagrégation d’échelle de l’humidité du sol de SMAP l’amène de 36-km de résolution initialement à des produits finaux à 9-, 3- et 1-km de résolution. Les prédicteurs utilisés sont à haute résolution spatiale et de sources différentes telles que Sentinel-1A, MODIS et SRTM. L'humidité du sol issue de cette désagrégation d’échelle est ensuite assimilée dans un modèle hydrologique distribué à base physique pour tenter d’améliorer les sorties de débit. Ces expériences sont menées sur les bassins versants des rivières Susquehanna (de grande taille) et Upper-Susquehanna (en comparaison de petite taille), tous deux situés aux États-Unis. De plus, le modèle assimile aussi des données d’humidité du sol en profondeur issue d’une extrapolation verticale des données SMAP. Par ailleurs, les données d’humidité du sol SMAP et les mesures in-situ sont combinées par la technique de fusion conditionnelle. Ce produit de fusion SMAP/in-situ est assimilé dans le modèle hydrologique pour tenter d’améliorer la prévision hydrologique sur le bassin versant Au Saumon situé au Québec. Les résultats montrent que l'utilisation de l’humidité du sol à fine résolution spatiale issue de la désagrégation d’échelle améliore la représentation de la variabilité spatiale de l’humidité du sol. En effet, le produit à 1- km de résolution fournit plus de détails que les produits à 3- et 9-km ou que le produit SMAP de base à 36-km de résolution. De même, l’utilisation du produit de fusion SMAP/ in-situ améliore la qualité et la représentation spatiale de l’humidité du sol. Sur le bassin versant Susquehanna, la modélisation hydrologique s’améliore avec l’assimilation du produit de désagrégation d’échelle à 9-km, sans avoir recours à des résolutions plus fines. En revanche, sur le bassin versant Upper-Susquehanna, c’est le produit avec la résolution spatiale la plus fine à 1- km qui offre les meilleurs résultats de modélisation hydrologique. L’assimilation de l’humidité du sol en profondeur issue de l’extrapolation verticale des données SMAP n’améliore que peu la qualité du modèle hydrologique. Par contre, l’assimilation du produit de fusion SMAP/in-situ sur le bassin versant Au Saumon améliore la qualité de la prévision du débit, même si celle-ci n’est pas très significative.Abstract: The availability of satellite passive microwave soil moisture is increasing, yet its spatial resolution (i.e., 25-50 km) is too coarse to use for local scale hydrological applications such as streamflow simulation and forecasting. Many studies have attempted to downscale satellite passive microwave soil moisture products for their validation with in-situ soil moisture measurements. However, their use for hydrological applications has not yet been fully explored. Thus, the objective of this thesis is to downscale the satellite passive microwave soil moisture (i.e., Satellite Microwave Active and Passive - SMAP) to a range of spatial resolutions and explore its value in improving streamflow simulation and forecasting. The random forest machine learning technique was used to downscale the SMAP soil moisture from 36-km to 9-, 3- and 1-km spatial resolutions. A combination of host of high-resolution predictors derived from different sources including Sentinel-1A, MODIS and SRTM were used for downscaling. The downscaled SMAP soil moisture was then assimilated into a physically-based distributed hydrological model for improving streamflow simulation for Susquehanna (larger in size) and Upper Susquehanna (relatively smaller in size) watersheds, located in the United States. In addition, the vertically extrapolated SMAP soil moisture was assimilated into the model. On the other hand, the SMAP and in-situ soil moisture were merged using the conditional merging technique and the merged SMAP/in-situ soil moisture was then assimilated into the model to improve streamflow forecast over the au Saumon watershed. The results show that the downscaling improved the spatial variability of soil moisture. Indeed, the 1-km downscaled SMAP soil moisture presented a higher spatial detail of soil moisture than the 3-, 9- or original resolution (36-km) SMAP product. Similarly, the merging of SMAP and in-situ soil moisture improved the accuracy as well as spatial representation soil moisture. Interestingly, the assimilation of the 9-km downscaled SMAP soil moisture significantly improved the accuracy of streamflow simulation for the Susquehanna watershed without the need of going to higher spatial resolution, whereas for the Upper Susquehanna watershed the 1-km downscaled SMAP showed better results than the coarser resolutions. The assimilation of vertically extrapolated SMAP soil moisture only slightly further improved the accuracy of the streamflow simulation. On the other hand, the assimilation of merged SMAP/in-situ soil moisture for the au Saumon watershed improved the accuracy of streamflow forecast, yet the improvement was not that significant. Overall, this study demonstrated the potential of satellite passive microwave soil moisture for streamflow simulation and forecasting

Microwave Indices from Active and Passive Sensors for Remote Sensing Applications

Past research has comprehensively assessed the capabilities of satellite sensors operating at microwave frequencies, both active (SAR, scatterometers) and passive (radiometers), for the remote sensing of Earth’s surface. Besides brightness temperature and backscattering coefficient, microwave indices, defined as a combination of data collected at different frequencies and polarizations, revealed a good sensitivity to hydrological cycle parameters such as surface soil moisture, vegetation water content, and snow depth and its water equivalent. The differences between microwave backscattering and emission at more frequencies and polarizations have been well established in relation to these parameters, enabling operational retrieval algorithms based on microwave indices to be developed. This Special Issue aims at providing an overview of microwave signal capabilities in estimating the main land parameters of the hydrological cycle, e.g., soil moisture, vegetation water content, and snow water equivalent, on both local and global scales, with a particular focus on the applications of microwave indices

Soil Moisture Estimation for landslide monitoring: A new approach using multi-temporal Synthetic Aperture RADAR data

This study explores the utility of the Spotlight2 X-band Synthetic Aperture Radar product developed by the Italian Space Agency for use in multi-temporal estimation of soil moisture in a landslide monitoring context, using a time series of monthly images of the Hollin Hill Landslide Observatory – North Yorkshire, UK. The study shows the complexity of surface soil moisture at an active landslide, using high resolution in situ soil moisture data. This in situ data is also used for ground truthing the soil moisture estimations from the SAR data. The study shows the limitations of inter-and intra-sensor calibration within the Cosmo-SkyMed array and contextualises this problem within the current research climate where SAR imagery is increasingly being created using multi-satellite constellation, while being used, increasingly, by environmental scientists rather than remote sensing specialists

Remote sensing based assessment of land cover and soil moisture in the Kilombero floodplain in Tanzania

Wetlands provide important ecological, biological, and social-economic services that are critical for human existence. The increasing demand for food, arable land shortage and changing climate conditions in East Africa have created a paradigm shift from upland cultivation to wetland use due to their year-round soil water availability. However, there is need to control and manage the activities within the wetlands to ensure sustainable use while negating any negative effects caused by these activities. This is implemented through the decisions made by the land managers within the wetlands. Providing the users of the wetlands with scientific knowledge acts as a support tool for policy-making geared towards the sustainable use of the wetlands. The overall research contains two main components: First, the need for timely land cover maps at a reasonable scale, and secondly, the assessment of soil moisture as a major contributor to agricultural production. The objectives of the study were to generate land cover maps from multi-sensor optical datasets and to assess the performance of single-polarized Sentinel-1 Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM) texture and Principal Component Analysis (PCA) features by applying multiple classification algorithms in a floodplain in the Kilombero catchment. Furthermore, soil moisture spatial-temporal patterns over three hydrological zones was assessed, estimation of soil moisture from radar data and generation of soil moisture products from global products was investigated. The correlation of the merged products to Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) measures was also investigated. RapidEye, Sentinel-2 and Landsat images were used in determining the areal extents of four major land cover classes namely vegetated, bare, water and built up. The acquisition period of the images ranges from August 2013 to June 2015 for the RapidEye images, December 2015 to August 2016 for the Sentinel-2 images and 2013 to 2016 Landsat-8 images were included in the land cover time series dynamic study. However, the major challenge arising was cloud coverage and hence Sentinel-1 images were tested in the application of Synthetic Aperture Radar (SAR) in wetland mapping. Variograms were used in spatial-temporal assessment of soil moisture data collected from three hydrological zones, riparian, middle and fringe. A roughness parameter was derived from a semi-empirical model. Soil moisture was retrieved from TerraSAR-X and RadarSAT-2 with the retrieved roughness parameter as an input in a linear regression equation. Triple collocation was applied in error assessment of the global soil moisture products prior to development of a merged product. Cross-correlation was applied in relating NDVI to soil moisture. Optical data (RapidEye, Landsat-8, and Sentinel-2) generated land cover maps used in assessing the land cover dynamics over time. The land cover ratios were related to depth to groundwater. As the depth to groundwater reduced in June the bare land coverage was 45-57% while that of vegetation was 34-47%. In December when the depth to groundwater was highest, bare land coverage was 62-69% while that of the vegetated area was 27-25%. This indicates that depth of groundwater and vegetation coverage responds to seasonality. During the dry season, 68-81% of the total vegetation class is within the riparian zone. In the classification of the SAR images, the overall accuracies for the single polarized VV images ranged from 54-76%, 60-81% and 61-80% for Random Forest (RF), Neural Network (NN) and Support Vector Machine (SVM) respectively. GLCM features had overall accuracies of 64-86%, 65-88% and 65-86% for RF, NN, and SVM respectively. PCA derived images had similar overall accuracies of 68-92% for NN, RF, and SVM respectively. The PCA images had the highest overall accuracy for the entire time series indicating that reduction in the number of texture features to layers containing the maximum variance improves the accuracy. The standard deviation of soil moisture was noted to increase with increasing soil moisture. Soil texture plays a key role in soil moisture retention. The riparian fields had a high water content explained by the high clay and organic matter content. A roughness parameter was derived and utilized in the retrieval of soil moisture from SAR resulting to R2 of 0.88- 0.92 between observed and simulated soil moisture values from co-polarized RadarSAT-2 HH and TerraSAR-X HH and VV. Merged soil moisture product from FEWSNET Land Data Assimilation System_NOAH (FLDAS_NOAH), ECMWF Re-Analysis Interim (ERA-Interim) and Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) and FLDAS_Variable Infiltration Capacity (VIC), ERA-Interim and SMOS had similar patterns attributed to FLDAS_NOAH and FLDAS_VIC forced by the same precipitation product (RFE). Cross-correlation of Moderate-resolution Imaging Spectrometer (MODIS) NDVI and the merged soil moisture products revealed a 2-month lag of NDVI. Hence, the relationship is useful in determining the Start of Season from soil moisture products. In conclusion, the successful land cover mapping of the study area demonstrated the use of satellite imagery for wetland characterization. The vast coverage and frequent acquisitions of optical and microwave remotely sensed data additionally make the approaches transferable to other locations and allow for mapping at larger scales. Soil moisture assessment from point data revealed varied soil moisture patterns whereas global remotely sensed and modeled products rather provide complementary information about growing conditions, and hence a situational assessment tool of potential of physical availability dimension of food security. This study forms a baseline upon which additional monitoring and assessment of the Kilombero wetland ecosystem can be performed with the current results marked as a reference. Moreover, the study serves as a demonstration case of remote sensing based approaches for land cover and soil moisture mapping, whose results are useful to stakeholders to aid in the implementation of adapted production techniques for yield optimization while minimizing the unsustainable use of the natural resources.Feuchtgebiete erbringen wichtige ökologische, biologische und sozial-ökonomische Dienstleistungen, welche entscheidend für das menschliche Dasein sind. Der steigende Bedarf an Nahrung, der Mangel an landwirtschaftlichen Nutzflächen und die Veränderung der klimatischen Bedingungen in Ostafrika haben zu einem Paradigmenwechsel vom Anbau im Hochland hin zur Nutzung von Feuchtgebieten geführt. Allerdings sind Kontrolle und Management der Aktivitäten in Feuchtgebieten notwendig, um die nachhaltige Nutzung zu sichern und negative Effekte dieser Aktivitäten zu vermeiden. Die Implementierung erfolgt durch die Landverwalter in den Feuchtgebieten. Den Nutzern von Feuchtgebieten wissenschaftliche Erkenntnisse bereitzustellen dient als Hilfsmittel zur politischen Entscheidungsfindung für die nachhaltige Feuchtgebietsnutzung. Die Forschung im Rahmen der Dissertation beinhaltet zwei Hauptkomponenten: erstens den Bedarf an aktuellen Landbedeckungskarten auf einer angemessenen Skalenebene und zweitens die Erfassung der Bodenfeuchte als wichtiger Einflussfaktor auf die landwirtschaftliche Produktion. Das Ziel der Untersuchung war, Landbedeckungskarten auf Grundlage von multisensorischen optischen Daten zu erstellen und die Eignung der Textur der einfach polarisierten Sentinel-1 Grauwertmatrix (GLCM) sowie der einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) bei Anwendung unterschiedlicher Klassifikationsalgorithmen zu beurteilen. Des Weiteren wurden raum-zeitliche Bodenfeuchtemuster über drei hydrologische Zonen hinweg modelliert, die Bodenfeuchte aus Radardaten abgeleitet sowie die Erstellung von Bodenfeuchteprodukten auf Basis von globalen Produkten untersucht. Die Korrelation der Bodenfeuchteprodukte mit dem Normalisierten Differenzierten Vegetationsindex (NDVI) wurde ebenfalls analysiert. RapidEye, Sentinel-2 und Landsat Bilder wurden genutzt um die räumliche Ausdehnung der vier Hauptklassen (Vegetation, freiliegender Boden, Wasser und Bebauung) der Landbedeckung zu ermitteln. Für die Zeitreihenanalyse der der Landbedeckungsdynamik wurden RapidEye-Daten von August 2013 bis Juni 2015, Sentinel-2-Bilder von Dezember 2015 bis August 2016 und Landsat-8-Bilder von 2013 bis 2016 verwendet. Die größte Herausforderung war jedoch die Wolkenbedeckung, weshalb die Anwendung von Synthetic Aperture Radar (SAR) für die Feuchtgebietskartierung getestet wurde. Die gemessene Bodenfeuchte wurde mittels Variogrammen für die drei hydrologischen Zonen (Uferzone, Mitte und Randgebiete) raum-zeitlich interpoliert. Ein Rauhigkeitsparameter wurde aus einem semi-empirischen Modell hergeleitet. Die Bodenfeuchte wurde aus TerraSAR-X und RadarSAT-2- Bildern unter Verwendung des Rauhigkeitsparameters als Eingangsgröße in einer linearen Regression abgeleitet. Vor der Zusammenführung der Produkte wurde das globale Bodenfeuchteprodukt mithilfe von dreifacher Kollokation auf Fehler überprüft. Die Kreuzkorrelation zwischen NDVI und Bodenfeuchte wurde berechnet. Optische Daten (RapidEye, Landsat-8 und Sentinel-2) wurden genutzt, um die zeitliche Dynamik der Landbedeckung zu bestimmen. Die Landbedeckungsverhältnisse wurde mit der Höhe des Grundwasserspiegels korreliert. Ein hoher Grundwasserstand im Juni resultierte in 45-57% unbedecktem Boden, während der Anteil der Vegetation 34-47% betrug. Im Dezember, als der Grundwasserspiegel seinen Tiefststand hatte, erhöhte sich der Anteil des freiliegenden Bodens auf 62-69% und der Anteil der Vegetation verringerte sich auf 27-25%. Das zeigt, dass Grundwasserspiegel und Vegetation saisonalen Schwankungen unterworfen sind. Während der Trockenzeit liegen 68-81% der gesamten als Vegetation klassifizierten Fläche innerhalb der Uferzone. In der Klassifikation der SAR-Bilder liegt die Gesamtgenauigkeit der einfach polarisierten VV-Bilder im Rahmen von 54-76%, 60-81% und 61-80%, entsprechend für Random Forest (RF), Neuronale Netze (NN) und Support Vector Machine (SVM). Die GLCM ergab eine Gesamtgenauigkeit von 64-86%, 65-88% und 65-86% für RF, NN und SVM. Die über eine PCA abgeleiteten Bilder erreichten eine ähnliche Genauigkeit von 68-92% für NN, RF und SVM. Die PCA-Bilder weisen die höchste Gesamtgenauigkeit der gesamten Zeitreihe auf, was darauf hinweist, dass eine Reduktion von Textureigenschaften auf Layer der maximalen Varianz enthalten, die Genauigkeit erhöht. Die Standardabweichung der Bodenfeuchte stieg mit zunehmender Bodenfeuchte. Die Bodentextur spielt dabei eine Schlüsselrolle für das Wasserhaltevermögen des Bodens. Die Uferzone wies einen hohen Wassergehalt auf, was durch den hohen Anteil von Ton und Humus zu erklären ist. Die beobachteten und simulierten Bodenfeuchtewerte von co-polarisierten RadarSAT-2 HH, TerraSAR-X HH und VV Daten korrelieren mit einem R2 von 0.88 - 0.92. Die zusammengesetzten globalen Bodenfeuchteprodukte von FLDAS_NOAH, ERA-Interim sowie SMOS und FLDAS_VIC, ERA-Interim und SMOS zeigen ähnliche Muster wie FLDAS_NOAH und FLDAS_VIC, was über die Verwendung desselben Niederschlagsproduktes (RFE) zu erklären ist. Die Kreuzkorrelation von MODIS NDVI und den zusammengeführten Bodenfeuchteprodukten ergab eine zeitliche Verzögerung des NDVI von zwei Monaten. Dieser Zusammenhang kann daher bei der Bestimmung des Saisonbeginns aus Bodenfeuchtigkeitsprodukten nützlich sein. Zusammengefasst hat die Studie gezeigt, wie Satellitenbilder zur Charakterisierung von Wetlands genutzt werden können. Die große Abdeckung und häufige Aufnahme der optischen und Mikrowellen-Fernerkundungsdaten ermöglichen darüber hinaus die Übertragung der Ansätze auf weitere Gebiete und Kartierung auf größeren Skalen. Die Punktmessungen zeigen kleinräumige Muster der Bodenfeuchte, während globale Fernerkundungsprodukte und Modelle Informationen über die Wachstumsbedingungen liefern und somit ein Bewertungsinstrument der Ernährungssicherheit darstellen können. Weiterhin bildet die Studie eine Basis, auf der ein weitergehendes Monitoring und eine Bewertung des Feuchtgebietsökosystems durchgeführt werden kann. Sie ist ein Beispiel für fernerkundungsbasierte Ansätze zur Landbedeckungs- und Bodenfeuchtekartierung; ihre Ergebnisse sind nützlich, um Akteuren bei der Implementierung von Produktionstechniken zu unterstützen, welche die Erträge maximieren und gleichzeitig die nicht nachhaltige Nutzung der natürlichen Ressourcen minimieren