Ground, Proximal, and Satellite Remote Sensing of Soil Moisture

Soil moisture (SM) is a key hydrologic state variable that is of significant importance for numerous Earth and environmental science applications that directly impact the global environment and human society. Potential applications include, but are not limited to, forecasting of weather and climate variability; prediction and monitoring of drought conditions; management and allocation of water resources; agricultural plant production and alleviation of famine; prevention of natural disasters such as wild fires, landslides, floods, and dust storms; or monitoring of ecosystem response to climate change. Because of the importance and wide‐ranging applicability of highly variable spatial and temporal SM information that links the water, energy, and carbon cycles, significant efforts and resources have been devoted in recent years to advance SM measurement and monitoring capabilities from the point to the global scales. This review encompasses recent advances and the state‐of‐the‐art of ground, proximal, and novel SM remote sensing techniques at various spatial and temporal scales and identifies critical future research needs and directions to further advance and optimize technology, analysis and retrieval methods, and the application of SM information to improve the understanding of critical zone moisture dynamics. Despite the impressive progress over the last decade, there are still many opportunities and needs to, for example, improve SM retrieval from remotely sensed optical, thermal, and microwave data and opportunities for novel applications of SM information for water resources management, sustainable environmental development, and food security

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

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

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

Statistical analysis and combination of active and passive microwave remote sensing methods for soil moisture retrieval

Knowledge about soil moisture and its spatio-temporal dynamics is essential for the improvement of climate and hydrological modeling, including drought and flood monitoring and forecasting, as well as weather forecasting models. In recent years, several soil moisture products from active and passive microwave remote sensing have become available with high temporal resolution and global coverage. Thus, the validation and evaluation of spatial and temporal soil moisture patterns are of great interest, for improving soil moisture products as well as for their proper use in models or other applications. This thesis analyzes the different accuracy levels of global soil moisture products and identifies the major influencing factors on this accuracy based on a small catchment example. Furthermore, on global scale, structural differences betweenthe soil moisture products were investigated. This includes in particular the representation of spatial and temporal patterns, as well as a general scaling law of soil moisture variability with extent scale. The results of the catchment scale as well as the global scale analyses identified vegetation to have a high impact on the accuracy of remotely sensed soil moisture products. Therefore, an improved method to consider vegetation characteristics in pasive soil moisture retrieval from active radar satellite data was developed and tested. The knowledge gained by this thesis will contribute to improve soil moisture retrieval of current and future microwave remote sensors (e.g. SMOS or SMAP)

Validation of spaceborne and modelled surface soil moisture products with cosmic-ray neutron probes

The scale difference between point in situ soil moisture measurements and low resolution satellite products limits the quality of any validation efforts in heterogeneous regions. Cosmic Ray Neutron Probes (CRNP) could be an option to fill the scale gap between both systems, as they provide area-average soil moisture within a 150–250 m radius footprint. In this study, we evaluate differences and similarities between CRNP observations, and surface soil moisture products from the Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2), the METOP-A/B Advanced Scatterometer (ASCAT), the Soil Moisture Active and Passive (SMAP), the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS), as well as simulations from the Global Land Data Assimilation System Version 2 (GLDAS2). Six CRNPs located on five continents have been selected as test sites: the Rur catchment in Germany, the COSMOS sites in Arizona and California (USA), and Kenya, one CosmOz site in New South Wales (Australia), and a site in Karnataka (India). Standard validation scores as well as the Triple Collocation (TC) method identified SMAP to provide a high accuracy soil moisture product with low noise or uncertainties as compared to CRNPs. The potential of CRNPs for satellite soil moisture validation has been proven; however, biomass correction methods should be implemented to improve its application in regions with large vegetation dynamics

Cryosphere Applications

Synthetic aperture radar (SAR) provides large coverage and high resolution, and it has been proven to be sensitive to both surface and near-surface features related to accumulation, ablation, and metamorphism of snow and firn. Exploiting this sensitivity, SAR polarimetry and polarimetric interferometry found application to land ice for instance for the estimation of wave extinction (which relates to sub surface ice volume structure) and for the estimation of snow water equivalent (which relates to snow density and depth). After presenting these applications, the Chapter proceeds by reviewing applications of SAR polarimetry to sea ice for the classification of different ice types, the estimation of thickness, and the characterisation of its surface. Finally, an application to the characterisation of permafrost regions is considered. For each application, the used (model-based) decomposition and polarimetric parameters are critically described, and real data results from relevant airborne campaigns and space borne acquisitions are reported