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

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