Contribution to advanced sensor development for passive imaging of the Earth

This work has been formally undertaken within the frame of the scholarship number BES-2012-053917 of 1 December 2012, by the "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad" related to the program "Formación de Personal Investigador (FPI)". The scholarship is related to the research project at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) number TEC2011-25865. In a more general scope, this thesis is related to the Remote Sensing Laboratory (Signal Theory & Communication Department, UPC) on-going activities, within the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission by the European Space Agency (ESA). These activities have been organized to provide original advances in the following four main topics: 1) SMOS calibration and performance. Since the launch of the instrument in 2009, SMOS imaging has been performing exclusively in co-polar mode. However, SMOS measurements are fully polarimetric. This feature was not operationally exploited due to the large errors yielded by full-pol images. In this context my work was addressed to support better characterization of the antenna. Based on the idea that SMOS polarization mode was recently implemented using Full-pol measurements, the so-called relative phases have been recomputed by using co-polar and cross-polar measurements. SMOS moderate Side Lobe Level (SLL) is caused by the limited coverage of the measured visibility samples in the frequency domain, so another objective of this work has been devoted to assess the impact of calibration errors into SMOS side lobes level (SLL). The main objective on this topic has been to reproduce by simulation SMOS measured side-lobe levels (SLL) by adding errors to a point source response, in order to identify the dominant source of error. During commissioning phase it was detected that SMOS heater system were introducing small and random sporadic PMS offset steps (jumps) in several units. Another work during this thesis has been devoted to mitigate those PMS jumps by trimming calibration date from single LICEF averaged TA jumps over the ocean. 2) SMOS spatial bias assessment. SMOS measurements still have mathematical image reconstruction errors that must be properly assessed. The aim of this work is to focus on the so-called "floor error", defined in an error free end-to-end image reconstruction simulation. In order to reduce this error, different inversion approaches have been implemented and tested, as the so-called Gibbs 2 approach 3) SMOS improved imaging. One of the problems of most concern within the SMOS mission is related to the so-called "land-sea contamination" (LSC), an artificial increase of ocean brightness temperature close to land masses. Therefore, a systematic assessment has been performed in this thesis in order to understand and mitigate this artifact. This subject is related to one of the main original outcomes of the thesis, since it has a relevant impact on the quality of SMOS imaging. The LSC mitigation technique developed during the work of the thesis has been presented and validated by different methods. 4) SMOS follow-on missions advanced configurations. This work is devoted to assess the impact of instrumental errors on the radiometric accuracy (pixel bias) of one of the selected array configurations of the so-called Super-MIRAS instrument. The aim of this work has been focused on the assessment of different array geometries and instrument architectures of future L-band synthetic aperture radiometers to improve spatial resolution while maintaining radiometric sensitivity.Esta tesis se ha llevado a cabo en el marco de la beca FPI BES-2012-053917 del 1 de diciembre de 2012, por el "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad", asociada al proyecto TEC2011-25865 (Universidad Politècnica de Catalunya). En un sentido más amplio, el trabajo se engloba dentro de las actividades del Grupo de Teledetección (RSLab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, UPC, en el marco de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea del Espacio (ESA). El trabajo se divide en: 1) Calibración y prestaciones del sensor SMOS Desde el lanzamiento del instrumento en 2009, la imagen de SMOS se ha obtenido utilizando medidas en modo co-polar. Sin embargo, las medidas en SMOS se realizan en full-pol. Esto no se había llevado a cabo debido a los grandes errores que se obtenían con imágenes en full-pol. En este contexto mi trabajo se ha enfocado en la realización de una mejor caracterización de la antena. Basado en la idea de que el modo full-pol ha sido recientemente implementado en SMOS, las fases relativas entre antenas han sido recalculadas utilizando medidas co-polares y cross-polares. Los lóbulos secundarios de SMOS (SLL) son causados por la cobertura limitada de las visibilidades medidas en el dominio frecuencial, así que otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el impacto de errores de calibración en los lóbulos secundarios de SMOS. Básicamente se han reproducido los lóbulos secundarios de SMOS mediantes simulaciones añadiendo errores a una fuente puntual, identificando las principales fuentes de error. Durante la fase de comisionado se detectó que el sistema de calentamiento de SMOS introducía pequeños saltos aleatorios del offset del PMS en diferentes unidades. Para hacer un seguimiento y corregir estos saltos se realizaron calibraciones de offset semanales justo después de la fase de comisionado, así que otro de los trabajos realizados en esta tesis ha sido dirigido a mitigar estos saltos introduciendo calibraciones adicionales antes de los mismos a partir de medir la temperatura de antena media calculada en el océano. 2) Técnicas de reducción de los errores espaciales SMOS tiene un error matemático de reconstrucción en la imagen que ha sido investigado en este trabajo. Así que este trabajo se ha focalizado en el "floor error" definido como el error de reconstrucción en un instrumento ideal libre de errores. Para reducir este error se han utilizado diferentes aproximaciones como Gibbs 2. 3) Mejoras en la inversión de imagen Uno de los mayores problemas durante los primeros cinco años de misión SMOS ha sido la llamada "land-sea contamination" (contaminación tierra-mar). Así pues, se ha realizado un estudio sistemático para comprender y mitigar este artefacto. Este tema está relacionado con uno de los descubrimientos más importantes de esta tesis ya que este tiene un gran impacto en la calidad de la imagen de SMOS. La técnica encontrada para mitigar este error es presentada y validada mediante diferentes métodos. 4) Misiones futuras Este trabajo está enfocado en la investigación del impacto de errores instrumentales en la precisión radiométrica de errores espaciales de una de las posibles nuevas configuraciones de array propuestas para construir un nuevo instrumento llamado Super-MIRAS. El propósito principal de este trabajo está orientado en el desarrollo de diferentes geometrías de arrays y arquitecturas de instrumentos para una futura misión en banda L, en la que se diseñaría un nuevo radiómetro de apertura sintética para mejorar la resolución espacial manteniendo la sensibilidad radiométrica

Contribution to advanced sensor development for passive imaging of the Earth

This work has been formally undertaken within the frame of the scholarship number BES-2012-053917 of 1 December 2012, by the "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad" related to the program "Formación de Personal Investigador (FPI)". The scholarship is related to the research project at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) number TEC2011-25865. In a more general scope, this thesis is related to the Remote Sensing Laboratory (Signal Theory & Communication Department, UPC) on-going activities, within the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission by the European Space Agency (ESA). These activities have been organized to provide original advances in the following four main topics: 1) SMOS calibration and performance. Since the launch of the instrument in 2009, SMOS imaging has been performing exclusively in co-polar mode. However, SMOS measurements are fully polarimetric. This feature was not operationally exploited due to the large errors yielded by full-pol images. In this context my work was addressed to support better characterization of the antenna. Based on the idea that SMOS polarization mode was recently implemented using Full-pol measurements, the so-called relative phases have been recomputed by using co-polar and cross-polar measurements. SMOS moderate Side Lobe Level (SLL) is caused by the limited coverage of the measured visibility samples in the frequency domain, so another objective of this work has been devoted to assess the impact of calibration errors into SMOS side lobes level (SLL). The main objective on this topic has been to reproduce by simulation SMOS measured side-lobe levels (SLL) by adding errors to a point source response, in order to identify the dominant source of error. During commissioning phase it was detected that SMOS heater system were introducing small and random sporadic PMS offset steps (jumps) in several units. Another work during this thesis has been devoted to mitigate those PMS jumps by trimming calibration date from single LICEF averaged TA jumps over the ocean. 2) SMOS spatial bias assessment. SMOS measurements still have mathematical image reconstruction errors that must be properly assessed. The aim of this work is to focus on the so-called "floor error", defined in an error free end-to-end image reconstruction simulation. In order to reduce this error, different inversion approaches have been implemented and tested, as the so-called Gibbs 2 approach 3) SMOS improved imaging. One of the problems of most concern within the SMOS mission is related to the so-called "land-sea contamination" (LSC), an artificial increase of ocean brightness temperature close to land masses. Therefore, a systematic assessment has been performed in this thesis in order to understand and mitigate this artifact. This subject is related to one of the main original outcomes of the thesis, since it has a relevant impact on the quality of SMOS imaging. The LSC mitigation technique developed during the work of the thesis has been presented and validated by different methods. 4) SMOS follow-on missions advanced configurations. This work is devoted to assess the impact of instrumental errors on the radiometric accuracy (pixel bias) of one of the selected array configurations of the so-called Super-MIRAS instrument. The aim of this work has been focused on the assessment of different array geometries and instrument architectures of future L-band synthetic aperture radiometers to improve spatial resolution while maintaining radiometric sensitivity.Esta tesis se ha llevado a cabo en el marco de la beca FPI BES-2012-053917 del 1 de diciembre de 2012, por el "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad", asociada al proyecto TEC2011-25865 (Universidad Politècnica de Catalunya). En un sentido más amplio, el trabajo se engloba dentro de las actividades del Grupo de Teledetección (RSLab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, UPC, en el marco de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea del Espacio (ESA). El trabajo se divide en: 1) Calibración y prestaciones del sensor SMOS Desde el lanzamiento del instrumento en 2009, la imagen de SMOS se ha obtenido utilizando medidas en modo co-polar. Sin embargo, las medidas en SMOS se realizan en full-pol. Esto no se había llevado a cabo debido a los grandes errores que se obtenían con imágenes en full-pol. En este contexto mi trabajo se ha enfocado en la realización de una mejor caracterización de la antena. Basado en la idea de que el modo full-pol ha sido recientemente implementado en SMOS, las fases relativas entre antenas han sido recalculadas utilizando medidas co-polares y cross-polares. Los lóbulos secundarios de SMOS (SLL) son causados por la cobertura limitada de las visibilidades medidas en el dominio frecuencial, así que otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el impacto de errores de calibración en los lóbulos secundarios de SMOS. Básicamente se han reproducido los lóbulos secundarios de SMOS mediantes simulaciones añadiendo errores a una fuente puntual, identificando las principales fuentes de error. Durante la fase de comisionado se detectó que el sistema de calentamiento de SMOS introducía pequeños saltos aleatorios del offset del PMS en diferentes unidades. Para hacer un seguimiento y corregir estos saltos se realizaron calibraciones de offset semanales justo después de la fase de comisionado, así que otro de los trabajos realizados en esta tesis ha sido dirigido a mitigar estos saltos introduciendo calibraciones adicionales antes de los mismos a partir de medir la temperatura de antena media calculada en el océano. 2) Técnicas de reducción de los errores espaciales SMOS tiene un error matemático de reconstrucción en la imagen que ha sido investigado en este trabajo. Así que este trabajo se ha focalizado en el "floor error" definido como el error de reconstrucción en un instrumento ideal libre de errores. Para reducir este error se han utilizado diferentes aproximaciones como Gibbs 2. 3) Mejoras en la inversión de imagen Uno de los mayores problemas durante los primeros cinco años de misión SMOS ha sido la llamada "land-sea contamination" (contaminación tierra-mar). Así pues, se ha realizado un estudio sistemático para comprender y mitigar este artefacto. Este tema está relacionado con uno de los descubrimientos más importantes de esta tesis ya que este tiene un gran impacto en la calidad de la imagen de SMOS. La técnica encontrada para mitigar este error es presentada y validada mediante diferentes métodos. 4) Misiones futuras Este trabajo está enfocado en la investigación del impacto de errores instrumentales en la precisión radiométrica de errores espaciales de una de las posibles nuevas configuraciones de array propuestas para construir un nuevo instrumento llamado Super-MIRAS. El propósito principal de este trabajo está orientado en el desarrollo de diferentes geometrías de arrays y arquitecturas de instrumentos para una futura misión en banda L, en la que se diseñaría un nuevo radiómetro de apertura sintética para mejorar la resolución espacial manteniendo la sensibilidad radiométrica.Postprint (published version

Calibration of the MIRAS Radiometers

© 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The microwave imaging radiometer with aperture synthesis (MIRAS) is formed by 69 total power radiometers, of which three are the noise-injection type. Their calibration is reviewed on the basis of the data gathered during more than eight years of operation. Internally calibrated gain and offset corrections with improved temporal stability are presented. New front-end loss characterization with lower seasonal dependence originated from external temperature swings is also proposed. Finally, a methodology to validate the external calibrations, with the instrument pointing to the cold sky, is developed. It seems to indicate that the change of orientation of the instrument, with associated thermal variations, may induce small changes in the radiometer front-end losses, thus introducing calibration errors.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Review of the CALIMAS Team Contributions to European Space Agency's Soil Moisture and Ocean Salinity Mission Calibration and Validation

Camps, Adriano ... et al.-- 38 pages, 22 figuresThis work summarizes the activities carried out by the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) Barcelona Expert Center (SMOS-BEC) team in conjunction with the CIALE/Universidad de Salamanca team, within the framework of the European Space Agency (ESA) CALIMAS project in preparation for the SMOS mission and during its first year of operation. Under these activities several studies were performed, ranging from Level 1 (calibration and image reconstruction) to Level 4 (land pixel disaggregation techniques, by means of data fusion with higher resolution data from optical/infrared sensors). Validation of SMOS salinity products by means of surface drifters developed ad-hoc, and soil moisture products over the REMEDHUS site (Zamora, Spain) are also presented. Results of other preparatory activities carried out to improve the performance of eventual SMOS follow-on missions are presented, including GNSS-R to infer the sea state correction needed for improved ocean salinity retrievals and land surface parameters. Results from CALIMAS show a satisfactory performance of the MIRAS instrument, the accuracy and efficiency of the algorithms implemented in the ground data processors, and explore the limits of spatial resolution of soil moisture products using data fusion, as well as the feasibility of GNSS-R techniques for sea state determination and soil moisture monitoringThis work has been performed under research grants TEC2005-06863-C02-01/TCM, ESP2005-06823-C05, ESP2007-65667-C04, AYA2008-05906-C02-01/ESP and AYA2010-22062-C05 from the Spanish Ministry of Science and Innovation, and a EURYI 2004 award from the European Science FoundationPeer Reviewe

SMOS instrument performance and calibration after six years in orbit

ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, launched 2-Nov-2009, has been in orbit for over 6 years, and its Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis (MIRAS) in two dimensions keeps working well. The calibration strategy remains overall as established after the commissioning phase, with a few improvements. The data for this whole period has been reprocessed with a new fully polarimetric version of the Level-1 processor which includes a refined calibration schema for the antenna losses. This reprocessing has allowed the assessment of an improved performance benchmark. An overview of the results and the progress achieved in both calibration and image reconstruction is presented in this contribution.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Deriving vertical total electron content maps from SMOS full polarimetric data to compensate the Faraday rotation effect

The Faraday rotation is a geophysical effect that causes a rotation of the electromagnetic field components emitted by the Earth when it propagates through the ionosphere. It depends on the vertical total electron content (VTEC) of the ionosphere, the geomagnetic field, and the frequency. For satellite measurements at the L band, this effect is not negligible and must be compensated for. This is the case of the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, where the measured polarimetric brightness temperature must be corrected from the Faraday rotation effect before the retrieval of the geophysical parameters. The Faraday rotation angle (FRA) can be estimated using a theoretical formulation that makes use of external sources for the VTEC and the geomagnetic field. Alternatively, it can be continuously retrieved from the SMOS full-polarimetric data. However, this is not straightforward due to the relatively poor radiometric sensitivity (thermal noise) and accuracy (spatial bias) of its payload MIRAS (Microwave Interferometer Radiometer by Aperture Synthesis). In this thesis, a methodology for estimating the total electron content of the ionosphere by using an inversion procedure from the measured rotation angle has been developed. These SMOS VTEC maps are derived from SMOS measurements in the Extended Alias-Free Field of View (EAF-FoV) by applying spatio-temporal filtering techniques to mitigate the radiometric errors present in the full-polarimetric measured brightness temperatures. Systematic error patterns found in the Faraday rotation angle retrieval have been characterized along the mission and corrected. The methodology is independent, not only of external databases and forward models, but also of the target that is being measured. Eventually, these SMOS-derived VTEC maps can then be used in the SMOS level 2 processors to improve the geophysical retrievals. The impact of using these SMOS VTEC maps to correct the FRA in the SMOS mission instead of the commonly used VTEC data from GPS has also been assessed, particularly over ocean, where the ionospheric effect is stronger. This assessment has demonstrated improvements in the spatial biases, in the stability of the brightness temperatures (especially in the third Stokes parameter), and in the reduction of the latitudinal gradient present in the third Stokes parameters. All these quality indicators point to a better quality of the geophysical retrievals.La rotación de Faraday es un efecto geofísico que causa un giro en las componentes del campo electromagnético emitido por la Tierra cuando éste se propaga a través de la ionosfera. Ésta depende del contenido vertical total de electrones (VTEC) en la ionosfera, el campo geomagnético y la frecuencia. En las medidas de los satélites que operan en banda L, este efecto no es despreciable y se debe compensar. Este es el caso de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), por lo que el efecto de Faraday se tiene que corregir en las medidas polarimétricas captadas por el instrumento antes de obtener parámetros geofísicos. El ángulo de rotación de Faraday (FRA) se puede estimar con una fórmula teórica que usa bases de datos externas para el VTEC y el campo geomagnético. Alternativamente, se puede obtener de una manera continua a partir de los datos polarimétricos de SMOS. Sin embargo, esto no se logra con un cálculo directo debido a la pobre sensibilidad radiométrica (ruido térmico) y a la baja precisión (sesgos espaciales) que presenta el instrumento MIRAS (Microwave Interferometer Radiometer by apertura Synthesis), que se encuentra a bordo del satélite. En esta tesis, se desarrolla una metodología para estimar el VTEC de la ionosfera usando un proceso inverso a partir del ángulo de rotación medido. Estos mapas de VTEC se derivan de medidas en todo el campo de visión extendido en donde no hay aliasing. Para mitigar los errores radiométricos en las temperaturas de brillo polarimétricas, se aplican técnicas de filtrados temporales y espaciales. En el ángulo de rotación de Faraday recuperado se detectaron errores sistemáticos. Estos se caracterizaron a lo largo de la misión y se corrigieron. La metodología es independiente, no solo de bases de datos externas y modelos de océano, sino también de la superficie medida. Estos mapas de VTEC derivados de los datos SMOS se pueden usar en el procesador de nivel 2 para mejorar las recuperaciones geofísicas. Se ha evaluado el impacto de usar estos mapas para corregir el FRA en la misión, en vez de los datos de VTEC que comúnmente se emplean (mapas provenientes de datos de GPS), particularmente sobre océano, en donde los efectos de la ionosfera son más críticos. Esta verificación ha demostrado mejoras en el sesgo espacial, en la estabilidad de las temperaturas de brillo (especialmente en el tercer parámetro de Stokes) y en la reducción del gradiente latitudinal presente en el tercer parámetro de Stokes. Todos estos indicadores de calidad apuntan a la obtención de parámetros geofísicos de mejor calidad.Postprint (published version

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

GNSS reflectometry for land remote sensing applications

Soil moisture and vegetation biomass are two essential parameters from a scienti c and economical point of view. On one hand, they are key for the understanding of the hydrological and carbon cycle. On the other hand, soil moisture is essential for agricultural applications and water management, and vegetation biomass is crucial for regional development programs. Several remote sensing techniques have been used to measure these two parameters. However, retrieving soil moisture and vegetation biomass with the required accuracy, and the appropriate spatial and temporal resolutions still remains a major challenge. The use of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) reflected signals as sources of opportunity for measuring soil moisture and vegetation biomass is assessed in this PhD Thesis. This technique, commonly known as GNSS-Reflectometry (GNSS-R), has gained increasing interest among the scienti c community during the last two decades due to its unique characteristics. Previous experimental works have already shown the capabilities of GNSS-R to sense small reflectivity changes on the surface. The use of the co- and cross-polarized reflected signals was also proposed to mitigate nuisance parameters, such as soil surface roughness, in the determination of soil moisture. However, experimental evidence of the suitability of that technique could not be demonstrated. This work analyses from a theoretical and an experimental point of view the capabilities of polarimetric observations of GNSS reflected signals for monitoring soil moisture and vegetation biomass. The Thesis is structured in four main parts. The fi rst part examines the fundamental aspects of the technique and provides a detailed review of the GNSS-R state of the art for soil moisture and vegetation monitoring. The second part deals with the scattering models from land surfaces. A comprehensive description of the formation of scattered signals from rough surfaces is provided. Simulations with current state of the art models for bare and vegetated soils were performed in order to analyze the scattering components of GNSS reflected signals. A simpli ed scattering model was also developed in order to relate in a straightforward way experimental measurements to soil bio-geophysical parameters. The third part reviews the experimental work performed within this research. The development of a GNSS-R instrument for land applications is described, together with the three experimental campaigns carried out in the frame of this PhD Thesis. The analysis of the GNSS-R and ground truth data is also discussed within this part. As predicted by models, it was observed that GNSS scattered signals from natural surfaces are a combination of a coherent and an incoherent scattering components. A data analysis technique was proposed to separate both scattering contributions. The use of polarimetric observations for the determination of soil moisture was demonstrated to be useful under most soil conditions. It was also observed that forests with high levels of biomass could be observed with GNSS reflected signals. The fourth and last part of the Thesis provides an analysis of the technology perspectives. A GNSS-R End-to-End simulator was used to determine the capabilities of the technique to observe di erent soil reflectivity conditions from a low Earth orbiting satellite. It was determined that high accuracy in the estimation of reflectivity could be achieved within reasonable on-ground resolution, as the coherent scattering component is expected to be the predominant one in a spaceborne scenario. The results obtained in this PhD Thesis show the promising potential of GNSS-R measurements for land remote sensing applications, which could represent an excellent complementary observation for a wide range of Earth Observation missions such as SMOS, SMAP, and the recently approved ESA Earth Explorer Mission Biomass.La humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on son dos parametros clave desde un punto de vista tanto cient co como econ omico. Por una parte son esenciales para el estudio del ciclo del agua y del carbono. Por otra parte, la humedad del suelo es esencial para la gesti on de las cosechas y los recursos h dricos, mientras que la biomasa es un par ametro fundamental para ciertos programas de desarrollo. Varias formas de teledetección se han utilizado para la observaci on remota de estos par ametros, sin embargo, su monitorizaci on con la precisi on y resoluci on necesarias es todav a un importante reto tecnol ogico. Esta Tesis evalua la capacidad de medir humedad del suelo y biomasa de la vegetaci on con señales de Sistemas Satelitales de Posicionamiento Global (GNSS, en sus siglas en ingl es) reflejadas sobre la Tierra. La t ecnica se conoce como Reflectometr í a GNSS (GNSS-R), la cual ha ganado un creciente inter es dentro de la comunidad científ ca durante las dos ultimas d ecadas. Experimentos previos a este trabajo ya demostraron la capacidad de observar cambios en la reflectividad del terreno con GNSS-R. El uso de la componente copolar y contrapolar de la señal reflejada fue propuesto para independizar la medida de humedad del suelo de otros par ametros como la rugosidad del terreno. Sin embargo, no se pudo demostrar una evidencia experimental de la viabilidad de la t ecnica. En este trabajo se analiza desde un punto de vista te orico y experimental el uso de la informaci on polarim etrica de la señales GNSS reflejadas sobre el suelo para la determinaci on de humedad y biomasa de la vegetaci on. La Tesis se estructura en cuatro partes principales. En la primera parte se eval uan los aspectos fundamentales de la t ecnica y se da una revisi on detallada del estado del arte para la observaci on de humedad y vegetaci on. En la segunda parte se discuten los modelos de dispersi on electromagn etica sobre el suelo. Simulaciones con estos modelos fueron realizadas para analizar las componentes coherente e incoherente de la dispersi on de la señal reflejada sobre distintos tipos de terreno. Durante este trabajo se desarroll o un modelo de reflexi on simpli cado para poder relacionar de forma directa las observaciones con los par ametros geof sicos del suelo. La tercera parte describe las campañas experimentales realizadas durante este trabajo y discute el an alisis y la comparaci on de los datos GNSS-R con las mediciones in-situ. Como se predice por los modelos, se comprob o experimentalmente que la señal reflejada est a formada por una componente coherente y otra incoherente. Una t ecnica de an alisis de datos se propuso para la separacióon de estas dos contribuciones. Con los datos de las campañas experimentales se demonstr o el bene cio del uso de la informaci on polarim etrica en las señales GNSS reflejadas para la medici on de humedad del suelo, para la mayor a de las condiciones de rugosidad observadas. Tambi en se demostr o la capacidad de este tipo de observaciones para medir zonas boscosas densamente pobladas. La cuarta parte de la tesis analiza la capacidad de la t ecnica para observar cambios en la reflectividad del suelo desde un sat elite en orbita baja. Los resultados obtenidos muestran que la reflectividad del terreno podr a medirse con gran precisi on ya que la componente coherente del scattering ser a la predominante en ese tipo de escenarios. En este trabajo de doctorado se muestran la potencialidades de la t ecnica GNSS-R para observar remotamente par ametros del suelo tan importantes como la humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on. Este tipo de medidas pueden complementar un amplio rango de misiones de observaci on de la Tierra como SMOS, SMAP, y Biomass, esta ultima recientemente aprobada para la siguiente misi on Earth Explorer de la ESA

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