Estimation de l'humidité du sol à haute résolution spatio-temporelle : une nouvelle approche basée sur la synergie des observations micro-ondes actives/passives et optiques/thermiques

Les capteurs micro-ondes passifs SMOS et SMAP fournissent des données d'humidité du sol (SM) à une résolution d'environ 40 km avec un intervalle de 2 à 3 jours à l' échelle mondiale et une profondeur de détection de 0 à 5 cm. Ces données sont très pertinentes pour les applications cli- matiques et météorologiques. Cependant, pour les applications à échelle régionales (l'hydrologie) ou locales (l'agriculture), des données de SM à une haute résolution spatiale (typiquement 100 m ou plus fine) seraient nécessaires. Les données collectées par les capteurs optiques/thermiques et les radars peuvent fournir des indicateurs de SM à haute résolution spatiale, mais ces deux approches alternatives ont des limites. En particulier, les données optiques/thermiques ne sont pas disponibles sous les nuages et sous les couverts végétaux. Quant aux données radar, elles sont sensibles à la rugosité du sol et à la structure de la végétation, qui sont tous deux difficiles à caractériser depuis l'espace. De plus, la résolution temporelle de ces données est d'environ 6 jours. Dans ce contexte, la ligne directrice de la thèse est de proposer une nouvelle approche qui combine pour la première fois des capteurs passifs micro-ondes, optiques/thermiques et actifs micro-ondes (radar) pour estimer SM sur de grandes étendues à une résolution de 100 m chaque jour. Notre hypothèse est d'abord de nous appuyer sur une méthode de désagrégation existante (DISPATCH) des données SMOS/SMAP pour atteindre la résolution cible obtenue par les radars. A l'origine, DISPATCH est basé sur l'efficacité d' évaporation du sol (SEE) estimée sur des pixels partiellement végétalisés à partir de données optiques/thermiques (généralement MODIS) de température de surface et de couverture végétale à résolution de 1 km. Les données désagrégées de SM sont ensuite combinées avec une méthode d'inversion de SM basée sur les données radar afin d'exploiter les capacités de détection des radars Sentinel-1. Enfin, les capacités de l'assimilation des donnés satellitaires de SM dans un modèle de bilan hydrique du sol sont évaluées en termes de prédiction de SM à une résolution de 100 m et à une échelle temporelle quotidienne.Dans une première étape, l'algorithme DISPATCH est amélioré par rapport à sa version actuelle, principalement 1) en étendant son applicabilité aux pixels optiques entièrement végétalisés en utilisant l'indice de sécheresse de la végétation basé sur la température et un produit de couverture végétale amélioré, et 2) en augmentant la résolution de désagrégation de 1 km à 100 m en utilisant les données optiques/thermiques de Landsat (en plus de MODIS). Le produit de SM désagrégé à la résolution de 100 m est validé avec des mesures in situ collectées sur des zones irriguées au Maroc, indiquant une corrélation spatiale quotidienne variant de 0,5 à 0,9. Dans un deuxième étape, un nouvel algorithme est construit en développant une synergie entre les données DISPATCH et radar à 100 m de résolution. En pratique, le produit SM issu de DISPATCH les jours de ciel clair est d'abord utilisé pour calibrer un modèle de transfert radiatif radar en mode direct. Ensuite, le modèle de transfert radiatif radar ainsi calibré est utilisé en mode inverse pour estimer SM à la résolution spatio-temporelle de Sentinel-1. Sur les sites de validation, les résultats indiquent une corrélation entre les mesures satellitaires et in situ, de l'ordre de 0,66 à 0,81 pour un indice de végétation inférieur à 0,6. Dans une troisième et dernière étape, une méthode d'assimilation optimale est utilisée pour interpoler dans le temps les données de SM à la résolution de 100 m. La dynamique du produit SM dérivé de l'assimilation de SM DISPATCH à 100 m de résolution est cohérente avec les événements d'irrigation. Cette approche peut être facilement appliquée sur de grandes zones, en considérant que toutes les données (télédétection et météorologique) requises en entrée sont disponibles à l' échelle globale.SMOS and SMAP passive microwave sensors provide soil moisture (SM) data at 40 km resolution every 2-3 days globally, with a 0-5 cm sensing depth relevant for climatic and meteorological applications. However, SM data would be required at a higher (typically 100 m or finer) spatial resolution for many other regional (hydrology) or local (agriculture) applications. Optical/thermal and radar sensors can be used for retrieving SM proxies at such high spatial resolution, but both techniques have limitations. In particular, optical/thermal data are not available under clouds and under plant canopies. Moreover, radar data are sensitive to soil roughness and vegetation structure, which are challenging to characterize from outer space, and have a repeat cycle of at least six days, limiting the observations' temporal frequency. In this context, the leading principle of the thesis is to propose a new approach that combines passive microwave, optical/thermal, and active microwave (radar) sensors for the first time to retrieve SM data at 100 m resolution on a daily temporal scale. Our assumption is first to rely on an existing disaggregation method (DISPATCH) of SMOS/SMAP SM data to meet the target resolution achieved by radars. DISPATCH is originally based on the soil evaporative efficiency (SEE) retrieved over partially vegetated pixels from 1 km resolution optical/thermal (typically MODIS) surface temperature and vegetation cover data. The disaggregated SM data is then combined with a radar-based SM retrieval method to exploit the sensing capabilities of the Sentinel-1 radars. Finally, the efficacy of the assimilation of satellite-based SM data in a soil water balance model is assessed in terms of SM predictions at the 100 m resolution and daily temporal scale. As a first step, the DISPATCH algorithm is improved from its current version by mainly 1) extending its applicability to fully vegetated optical pixels using the temperature vegetation dryness index and an enhanced vegetation cover product, and 2) increasing the targeted downscaling resolution from 1 km to 100 m using Landsat (in addition to MODIS) optical/thermal data. The 100 m resolution disaggregated SM product is validated with in situ measurements collected over irrigated areas in Morocco, showing a daily spatial correlation in the range of 0.5-0.9. As a second step, a new algorithm is built on a synergy between DISPATCH and radar 100 m resolution data. In practice, the DISPATCH SM product available on clear sky days is first used to calibrate a radar radiative transfer model in the direct mode. Then the calibrated radar radia- tive transfer model is used in the inverse mode to estimate SM at the spatio-temporal resolution of Sentinel-1. Results indicate a positive correlation between satellite and in situ measurements in the range of 0.66 to 0.81 for a vegetation index lower than 0.6. As a third and final step, an optimal assimilation method is used to interpolate 100 m resolution SM data in time. The assimilation exercise is undertaken over irrigated crop fields in Spain. The analyzed SM product derived from the assimilation of 100 m resolution DISPATCH SM is consistent with irrigation events. This approach can be readily applied over large areas, given that all the required input (remote sensing and meteorological) data are available globally

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

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

Remote Sensing of Savannas and Woodlands

Savannas and woodlands are one of the most challenging targets for remote sensing. This book provides a current snapshot of the geographical focus and application of the latest sensors and sensor combinations in savannas and woodlands. It includes feature articles on terrestrial laser scanning and on the application of remote sensing to characterization of vegetation dynamics in the Mato Grosso, Cerrado and Caatinga of Brazil. It also contains studies focussed on savannas in Europe, North America, Africa and Australia. It should be important reading for environmental practitioners and scientists globally who are concerned with the sustainability of the global savanna and woodland biome