Combinaison de données optique et radar pour l’estimation de l’humidité du sol en milieu agricole

L'humidité du sol est essentielle pour les surfaces agricoles. Des variations importantes d’'humidité du sol peuvent affecter grandement le rendement agricole. L'état hydrique du sol devient donc un facteur important pour la croissance des cultures. Les changements climatiques affectent la disponibilité de l'eau dans les couches du sol. Pour une meilleure gestion du stress hydrique ou de l'asphyxie des plantes, dus respectivement à un manque ou à un excès d'humidité du sol, la mise en œuvre de méthodes de surveillance de l'humidité du sol est nécessaire. Or, l'humidité du sol est très variable dans le temps et l'espace en raison de sa dépendance à plusieurs paramètres dont la texture du sol, les précipitations et la topographie. Par conséquent, la connaissance de la teneur en eau de surface du sol à une échelle spatiale et temporelle élevée présente un grand défi. Ainsi, l’objectif de cette étude est de contribuer à l’amélioration de l’estimation de l’humidité du sol sur les zones agricoles, et ce, en combinant les données satellites radar et optiques à l’aide d’une méthode de détection des changements. L'étude repose sur la complémentarité des données optiques et radar et porte sur l'application d’un algorithme existant sur un site présentant une variabilité suffisante en termes de types de cultures et de texture du sol. L’humidité du sol est estimée à deux niveaux d’échelle : à l’échelle du champ et à l’échelle du pixel (30 m). En outre, une étude est menée pour analyser les limites de l'algorithme. La zone d'étude est le site de l'expérience terrain Soil Moisture Active and Passive (SMAP) tenue au Manitoba en 2016 (SMAPVEX16-MB) en vue de supporter les activités de validation des produits du satellite SMAP. Au cours de cette campagne, les caractéristiques du sol (humidité du sol et rugosité) et les données de végétation (biomasse, LAI, etc.) ont été collectées dans 50 champs, d'environ 800 m x 800 m, chaque. De plus, l’étude bénéficie de données in situ issues de stations permanentes de mesures d’humidité du sol du réseau Realtime In-situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) et de stations temporaires. La base de données satellitaires est constituée de données radar (Radarsat-2 et Sentinel-1) et de données optiques multi-sources (Sentinel-2, Landsat-8, Rapideye et, Planetscope) afin de garantir une fréquence temporelle élevée (environ sept jours). Les images radar ont été normalisées à un angle d'incidence de 33° pour réduire la dépendance angulaire des coefficients de rétrodiffusion, suivi d'une réduction du chatoiement. Les données optiques fournissent des informations sur la végétation dont la prise en compte facilite l'estimation de l'humidité du sol à partir des données radar. Le coefficient de rétrodiffusion est extrait à l'échelle du champ et du pixel en utilisant les images radar préalablement prétraitées. Ensuite, la différence des coefficients de rétrodiffusion est calculée entre deux acquisitions consécutives, pour une cellule donnée (i, j). L'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) calculé à partir des images optiques multi capteurs a été harmonisé pour réduire l'effet des différents paramètres des capteurs, aux deux niveaux d'échelle. Cet indice est également moyenné entre deux acquisitions consécutives pour une cellule donnée (i, j). Pour la méthode de détection des changements adoptée dans cette étude, nous avons représenté, pour chaque niveau d'échelle, la différence des coefficients de rétrodiffusion en fonction du NDVI moyenné entre deux acquisitions consécutives. Enfin, la relation obtenue à partir de cette représentation est utilisée dans une approche itérative pour déterminer l'humidité du sol, à l’échelle du champ et à l’échelle du pixel, pour la prochaine date d'acquisition. Pour effectuer l'itération, l’algorithme considère une valeur d'entrée d'humidité initiale du sol connue. À l'échelle du champ, pour l’ensemble des données, nous avons obtenu un RMSE = 0,07 m^3.m^(-3) et un coefficient de corrélation significatif R = 0,7 (p-value 0,6). Cependant, pour des conditions de faible végétation (NDVI < 0,6), les résultats sont meilleurs avec RMSE = 0,05 m3.m-3 et R = 0,83. À l'échelle du pixel, les résultats sont mauvais, avec un RMSE de 0,13 m3/m3, un coefficient de corrélation faible et non significatif de 0,14 (valeur p < 0,38) pour les NDVI inférieurs à 0,6; et un RMSE de 0,14 m3/m3, un coefficient de corrélation très faible et non significatif de 0,069 (valeur p < 0,48) pour les NDVI supérieurs à 0,6.Abstract : Soil moisture is critical to agricultural land. Variations in soil moisture (low or high) can greatly affect crop yields. Soil moisture status becomes a limiting factor for crop growth. Climate change affects the availability of water in the soil layers. For a better management of water stress or plant asphyxia, due respectively to a lack or an excess of soil moisture, the implementation of soil moisture monitoring methods is necessary. Soil moisture is highly variable in time and space due to its dependence on several parameters including soil texture, precipitation and topography. Therefore, knowledge of soil surface water content at a high spatial and temporal scale presents a great challenge. Thus, the objective of this study is to contribute to the improvement of soil moisture estimation over agricultural areas by combining radar and optical satellite data using a change detection method. The study is based on the complementarity of optical and radar data and focuses on the application of an existing algorithm on a site with sufficient variability in terms of crop types and soil texture. Soil moisture is estimated at two scales: field scale and pixel scale (30 m). In addition, a study is conducted to analyze the limitations of the algorithm. The study area is the site from the 2016 Soil Moisture Active and Passive (SMAP) mission soil moisture validation experiment conducted in Manitoba, Canada (SMAPVEX16-MB). During this campaign, soil characteristics (soil moisture and roughness) and vegetation data (biomass, LAI, etc.) were collected from 50 fields, of approximately 800 m x 800 m, each. In addition, the study benefits from in-situ data from permanent soil moisture stations of the Realtime In-situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) network and from temporary stations. The satellite database is composed of radar data (Radarsat-2 and Sentinel-1) and multi-source optical data (Sentinel-2, Landsat-8, Rapideye, and Planetscope) in order to ensure a high temporal frequency (about seven days). Radar images were normalized to an incidence angle of 33° to reduce the angular dependence of the backscatter coefficients, followed by speckle reduction. The optical data provide vegetation information that facilitates the estimation of soil moisture from the radar data. The backscatter coefficient is extracted at the field and pixel scales using the pre-processed radar images. Then, the difference in backscatter coefficients is calculated between two consecutive acquisitions, for a given cell (i, j). The normalized difference vegetation index (NDVI) calculated from the multi-sensor optical images was harmonized to reduce the effect of different sensor parameters, at both scale levels. This index is also averaged between two consecutive acquisitions for a given cell (i, j). For the change detection method adopted in this study, we plotted, for each scale level, the difference in backscatter coefficients as a function of NDVI averaged between two consecutive acquisitions. Finally, the relationship obtained from this representation is used in an iterative approach to determine the soil moisture, both at the field and pixel scales, for the next acquisition date. To perform the iteration, the algorithm considers a known initial soil moisture input value. At the field scale, for the entire data set, we obtained an RMSE = 0.07 m3.m−3 and a significant correlation coefficient R = 0.7 (p-value 0.6). However, for low vegetation conditions (NDVI < 0.6), the results are better with RMSE = 0.05 m3.m−3and R = 0.83. At the pixel scale, very poor results are obtained with an RMSE of 0.13 m3/m3, a low and insignificant correlation coefficient of 0.14 (p-value < 0.38) for NDVI below 0.6; and an RMSE of 0.14 m3/m3, a very low and insignificant correlation coefficient of 0.069 (p-value < 0.48) for NDVI above 0.6

Relationship between Soil Moisture and Streamflow along the Douro: Assessment with Remote Sensing data

Trabajo de Fin de Máster del Máster en Geotecnologías cartográficas en ingeniería y arquitectura, curso...La humedad del suelo es ampliamente reconocida como elemento clave en los procesos de lluvia-escorrentía y, por lo tanto, en la modelización y estudio del ciclo hidrológico, debido a que delimita la parte de lluvia que se infiltra dentro del suelo y la parte que pasa a formar la escorrentía superficial. En este trabajo se estudia la relación entre la humedad del suelo y la escorrentía, a partir de un análisis de correlación entre datos satelitales de humedad del suelo y caudales registrados en estaciones de aforo a lo largo de la cuenca del Duero, desde la cabecera hasta Zamora. También se estudia la variación de esta relación entre ambas variables respecto al aumento de la superficie de la cuenca vertiente. Para ello se han utilizado los productos satelitales Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) y Climate Change Initiative Soil Moisture (CCI SM), tanto de la zona superficial (0-5 cm) como del perfil (0-100 cm), con el objetivo de dotar al análisis de una mayor diversidad en cuanto a productos satelitales y de analizar la idoneidad de los mismos y a diferentes profundidades. Estos datos de humedad del suelo, seleccionados como los más idóneos, se han utilizado para aplicar el modelo de regresión logarítmica a escala decadal desarrollado por Scipal et al. (2005), el cual simula caudales partiendo de datos de humedad del suelo. Este modelo se calibra en base al desfase temporal (diferencia entre el tiempo de respuesta de ambas variables a un evento de precipitaciones), lo que permite conocer, por un lado, si existen realmente desfases temporales y, por otro lado, si estos desfases temporales varían con el aumento de la superficie de la cuenca vertiente. Por último, se han calculado los puntos críticos de humedad del suelo y caudales a partir de los cuales ambas variables se desacoplan, es decir, dejan de estar relacionadas. Estos valores críticos son de gran utilidad, ya que permiten conocer los puntos a partir de los cuales el suelo no es capaz de almacenar más agua, y la formación de escorrentía pasa a depender fundamentalmente de la cantidad y la intensidad de la lluvia. La obtención de estos valores críticos se ha complementado con la estimación de la probabilidad y periodo de retorno de ocurrencia de los mismos, con el fin de estudiar el comportamiento de estos puntos e inferir información útil de cara al análisis del riesgo hidrológico. Los resultados de correlación entre humedad del suelo y caudal muestran valores más altos con los datos procedentes del producto SMOS, obteniéndose mejores resultados, a 7 su vez, con los datos referidos al perfil frente a la capa superficial. Esto puede deberse a una sobreestimación de la humedad del suelo por parte de los datos satelitales que no ocurre en la estimación para la obtención de datos del perfil. También se observa un aumento de los valores de la correlación entre ambas variables según aumenta la superficie de la cuenca. Del mismo modo ocurre con los valores de correlación que muestra la calibración del modelo presentado, ajustándose más, por tanto, cuanto mayor es la superficie de la cuenca. Por otro lado, no se observa desfase temporal en el modelo que utiliza datos referidos al perfil mientras que en el modelo que utiliza datos referidos a la superficie se observa un desfase temporal de 10 días a partir de cuencas con áreas superiores a 10.000 km². Por último, los puntos de humedad del suelo y caudal críticos muestran una mayor probabilidad de ser alcanzados y, por tanto, un menor periodo de retorno para los puntos críticos obtenidos del modelo que usa datos de humedad del suelo del perfil frente a los valores ofrecidos por el modelo que usa datos superficiales

A roadmap for high-resolution satellite soil moisture applications – confronting product characteristics with user requirements

Soil moisture observations are of broad scientific interest and practical value for a wide range of applications. The scientific community has made significant progress in estimating soil moisture from satellite-based Earth observation data, particularly in operationalizing coarse-resolution (25-50 km) soil moisture products. This review summarizes existing applications of satellite-derived soil moisture products and identifies gaps between the characteristics of currently available soil moisture products and the application requirements from various disciplines. We discuss the efforts devoted to the generation of high-resolution soil moisture products from satellite Synthetic Aperture Radar (SAR) data such as Sentinel-1 C-band backscatter observations and/or through downscaling of existing coarse-resolution microwave soil moisture products. Open issues and future opportunities of satellite-derived soil moisture are discussed, providing guidance for further development of operational soil moisture products and bridging the gap between the soil moisture user and supplier communities

SMOS Neural Network Soil Moisture Data Assimilation in a Land Surface Model and Atmospheric Impact

International audienceThe assimilation of Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) data into the ECMWF (European Centre for Medium Range Weather Forecasts) H-TESSEL (Hydrology revised-Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land) model is presented. SMOS soil moisture (SM) estimates have been produced specifically by training a neural network with SMOS brightness temperatures as input and H-TESSEL model SM simulations as reference. This can help the assimilation of SMOS information in several ways: (1) the neural network soil moisture (NNSM) data have a similar climatology to the model, (2) no global bias is present with respect to the model even if local biases can remain. Experiments performing joint data assimilation (DA) of NNSM, 2 m air temperature and relative humidity or NNSM-only DA are discussed. The resulting SM was evaluated against a large number of in situ measurements of SM obtaining similar results to those of the model with no assimilation, even if significant differences were found from site to site. In addition, atmospheric forecasts initialized with H-TESSEL runs (without DA) or with the analysed SM were compared to measure of the impact of the satellite information. Although NNSM DA has an overall neutral impact in the forecast in the Tropics, a significant positive impact was found in other areas and periods, especially in regions with limited in situ information. The joint NNSM, T 2m and RH 2m DA improves the forecast for all the seasons in the Southern Hemisphere. The impact is mostly due to T 2m and RH 2m but SMOS NN DA alone also improves the forecast in July-September. In the Northern Hemisphere, the joint NNSM, T 2m and RH 2m DA improves the forecast in April-September, while NNSM alone has a significant positive effect in July-September. Furthermore, forecasting skill maps show that SMOS NNSM improves the forecast in North America and in Northern Asia for up to 72 h lead time

Assimilation de données satellitaires pour le suivi des ressources en eau dans la zone Euro-Méditerranée

Une estimation plus précise de l'état des variables des surfaces terrestres est requise afin d'améliorer notre capacité à comprendre, suivre et prévoir le cycle hydrologique terrestre dans diverses régions du monde. En particulier, les zones méditerranéennes sont souvent caractérisées par un déficit en eau du sol affectant la croissance de la végétation. Les dernières simulations du GIEC (Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) indiquent qu'une augmentation de la fréquence des sécheresses et des vagues de chaleur dans la région Euro-Méditerranée est probable. Il est donc crucial d'améliorer les outils et l'utilisation des observations permettant de caractériser la dynamique des processus des surfaces terrestres de cette région. Les modèles des surfaces terrestres ou LSMs (Land Surface Models) ont été développés dans le but de représenter ces processus à diverses échelles spatiales. Ils sont habituellement forçés par des données horaires de variables atmosphériques en point de grille, telles que la température et l'humidité de l'air, le rayonnement solaire et les précipitations. Alors que les LSMs sont des outils efficaces pour suivre de façon continue les conditions de surface, ils présentent encore des défauts provoqués par les erreurs dans les données de forçages, dans les valeurs des paramètres du modèle, par l'absence de représentation de certains processus, et par la mauvaise représentation des processus dans certaines régions et certaines saisons. Il est aussi possible de suivre les conditions de surface depuis l'espace et la modélisation des variables des surfaces terrestres peut être améliorée grâce à l'intégration dynamique de ces observations dans les LSMs. La télédétection spatiale micro-ondes à basse fréquence est particulièrement utile dans le contexte du suivi de ces variables à l'échelle globale ou continentale. Elle a l'avantage de pouvoir fournir des observations par tout-temps, de jour comme de nuit. Plusieurs produits utiles pour le suivi de la végétation et du cycle hydrologique sont déjà disponibles. Ils sont issus de radars en bande C tels que ASCAT (Advanced Scatterometer) ou Sentinel-1. L'assimilation de ces données dans un LSM permet leur intégration de façon cohérente avec la représentation des processus. Les résultats obtenus à partir de l'intégration de données satellitaires fournissent une estimation de l'état des variables des surfaces terrestres qui sont généralement de meilleure qualité que les simulations sans assimilation de données et que les données satellitaires elles-mêmes. L'objectif principal de ce travail de thèse a été d'améliorer la représentation des variables des surfaces terrestres reliées aux cycles de l'eau et du carbone dans le modèle ISBA grâce à l'assimilation d'observations de rétrodiffusion radar (sigma°) provenant de l'instrument ASCAT. Un opérateur d'observation capable de représenter les sigma° ASCAT à partir de variables simulées par le modèle ISBA a été développé. Une version du WCM (water cloud model) a été mise en œuvre avec succès sur la zone Euro-Méditerranée. Les valeurs simulées ont été comparées avec les observations satellitaires. Une quantification plus détaillée de l'impact de divers facteurs sur le signal a été faite sur le sud-ouest de la France. L'étude de l'impact de la tempête Klaus sur la forêt des Landes a montré que le WCM est capable de représenter un changement brutal de biomasse de la végétation. Le WCM est peu efficace sur les zones karstiques et sur les surfaces agricoles produisant du blé. Dans ce dernier cas, le problème semble provenir d'un décalage temporel entre l'épaisseur optique micro-ondes de la végétation et l'indice de surface foliaire de la végétation. Enfin, l'assimilation directe des sigma° ASCAT a été évaluée sur le sud-ouest de la France.More accurate estimates of land surface conditions are important for enhancing our ability to understand, monitor, and predict key variables of the terrestrial water cycle in various parts of the globe. In particular, the Mediterranean area is frequently characterized by a marked impact of the soil water deficit on vegetation growth. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) simulations indicate that occurrence of droughts and warm spells in the Euro-Mediterranean region are likely to increase. It is therefore crucial to improve the ways of understanding, observing and simulating the dynamics of the land surface processes in the Euro-Mediterranean region. Land surface models (LSMs) have been developed for the purpose of representing the land surface processes at various spatial scales. They are usually forced by hourly gridded atmospheric variables such as air temperature, air humidity, solar radiation, precipitation, and are used to simulate land surface states and fluxes. While LSMs can provide a continuous monitoring of land surface conditions, they still show discrepancies due to forcing and parameter errors, missing processes and inadequate model physics for particular areas or seasons. It is also possible to observe the land surface conditions from space. The modelling of land surface variables can be improved through the dynamical integration of these observations into LSMs. Remote sensing observations are particularly useful in this context because they are able to address global and continental scales. Low frequency microwave remote sensing has advantages because it can provide regular observations in all-weather conditions and at either daytime or night-time. A number of satellite-derived products relevant to the hydrological and vegetation cycles are already available from C-band radars such as the Advanced Scatterometer (ASCAT) or Sentinel-1. Assimilating these data into LSMs permits their integration in the process representation in a consistent way. The results obtained from assimilating satellites products provide land surface variables estimates that are generally superior to the model estimates or satellite observations alone. The main objective of this thesis was to improve the representation of land surface variables linked to the terrestrial water and carbon cycles in the ISBA LSM through the assimilation of ASCAT backscatter (sigma°) observations. An observation operator capable of representing the ASCAT sigma° from the ISBA simulated variables was developed. A version of the water cloud model (WCM) was successfully implemented over the Euro-Mediterranean area. The simulated values were compared with those observed from space. A more detailed quantification of the influence of various factors on the signal was made over southwestern France. Focusing on the Klaus storm event in the Landes forest, it was shown that the WCM was able to represent abrupt changes in vegetation biomass. It was also found that the WCM had shortcomings over karstic areas and over wheat croplands. It was shown that the latter was related to a discrepancy between the seasonal cycle of microwave vegetation optical depth (VOD) and leaf area index (LAI). Finally, the direct assimilation of ASCAT sigma° observations was assessed over southwestern France