The Global Water Body Layer from TanDEM-X Interferometric SAR Data

The interferometric synthetic aperture radar (InSAR) data set, acquired by the TanDEM-X (TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurement) mission (TDM), represents a unique data source to derive geo-information products at a global scale. The complete Earth's landmasses have been surveyed at least twice during the mission bistatic operation, which started at the end of 2010. Examples of the delivered global products are the TanDEM-X digital elevation model (DEM) (at a final independent posting of 12 m × 12 m) or the TanDEM-X global Forest/Non-Forest (FNF) map. The need for a reliable water product from TanDEM-X data was dictated by the limited accuracy and difficulty of use of the TDX Water Indication Mask (WAM), delivered as by-product of the global DEM, which jeopardizes its use for scientific applications, as well. Similarly as it has been done for the generation of the FNF map, in this work, we utilize the global data set of TanDEM-X quicklook images at 50 m × 50 m resolution, acquired between 2011 and 2016, to derive a new global water body layer (WBL), covering a range from -60° to +90° latitudes. The bistatic interferometric coherence is used as the primary input feature for performing water detection. We classify water surfaces in single TanDEM-X images, by considering the system's geometric configuration and exploiting a watershed-based segmentation algorithm. Subsequently, single overlapping acquisitions are mosaicked together in a two-step logically weighting process to derive the global TDM WBL product, which comprises a binary averaged water/non-water layer as well as a permanent/temporary water indication layer. The accuracy of the new TDM WBL has been assessed over Europe, through a comparison with the Copernicus water and wetness layer, provided by the European Space Agency (ESA), at a 20 m × 20 m resolution. The F-score ranges from 83%, when considering all geocells (of 1° latitudes × 1° longitudes) over Europe, up to 93%, when considering only the geocells with a water content higher than 1%. At global scale, the quality of the product has been evaluated, by intercomparison, with other existing global water maps, resulting in an overall agreement that often exceeds 85% (F-score) when the content in the geocell is higher than 1%. The global TDM WBL presented in this study will be made available to the scientific community for free download and usage

Radar Backscatter Modeling Based on Global TanDEM-X Mission Data

Radarrückstreuung bezeichnet den Teil eines ausgesendeten elektromagnetischen Signals, der von einem Ziel am Boden wieder zurück zur Antenne gerichtet ist. Die Eigenschaften des zurückgestreuten Signals ändern sich in Abhängigkeit von Frequenz und Polarisation des Radarsignals, der Aufnahmegeometrie, sowie vom Zustand des Erdbodens und der Art der Bodenbedeckung. Informationen über das Radarrückstreuverhalten sind von höchster Wichtigkeit für die Auslegung von SAR-Missionen und werden verbreitet zur Entwicklung wissenschaftlicher Modelle genutzt, beispielsweise bei der Erforschung der Biosphäre und Kryosphäre. Hauptziel dieser Arbeit ist die Auswertung und Nutzung des globalen TanDEM-X-Datensatzes zur Modellierung der Radarrückstreuung im X-Band unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aufnahmeparameter und Landnutzungsarten, sowie die Bereitstellung einer Reihe von globalen Rückstreumodellen, die auf aktuellen Daten basieren, für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Es wurde ein neuer Ansatz zur statistischen Modellierung der Rückstreuinformation entwickelt, der die Qualität der zugrunde liegenden Messungen berücksichtigt. Daraus ergeben sich gewichtete polynomiale Modelle für die verschiedenen Landnutzungsarten, wie sie in der GlobCover-Karte der ESA definiert sind. Darüber hinaus wird ein eigener Validierungsansatz vorgestellt, mit zusätzlicher Betrachtung der saisonalen Variation der Rückstreuung und einer separaten Analyse des Rückstreuverhaltens des Tropischen Regenwaldes. Der nächste Schwerpunkt ist die Betrachtung des Grönländischen Eisschildes, das gekennzeichnet ist durch das Vorhandensein verschiedener Arten von Schneebedeckung, die von trockenem bis hin zu sehr feuchtem Schnee variiert. Der begrenzte Detailgrad, den die GlobCover Karte in Grönland aufweist (nur eine Klasse für das gesamte Eisschild), erlaubt dort keine verlässliche Modellierung der Rückstreuung. Diese Schwierigkeit lieferte die Motivation für die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Analyse des Informationsgehalts der interferometrischen TanDEM-X-Daten mit dem Ziel, unterschiedliche Schnee-Fazien mit Hilfe des sog. C-Means Fuzzy Clustering Algorithmus zu lokalisieren. Aus dieser Untersuchung konnte die Existenz von vier unterschiedlichen Klassen von Schnee-Fazien abgeleitet werden, deren Eigenschaften anschließend mit Hilfe externer Referenzdaten interpretiert wurden. Die daraus entstandene Karte wurde zur Erstellung eines einfallswinkelabhängigen Rückstreumodells genutzt, separat für jede der vier Klassen, wobei eine modifizierte Version des entwickelten Algorithmus zur Generierung globaler Rückstreumodelle eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurde als Nebenprodukt zusätzlich die Eindringtiefe von TanDEM-X in die Eisschicht geschätzt, durch Inversion des von Weber Hoen und Zebker vorgeschlagenen "Ein-chicht Volumendekorrelationsmodells". Die Ergebnisse wurden mit dem Höhenunterschied zwischen dem globalen TanDEM-X-DEM und ICESat-Messungen verglichen. Abschließend wird ein neu entwickelter Algorithmus zur Generierung von Rückstreukarten großer Gebiete vorgestellt. Dieser erlaubt unter Verwendung von Rückstreumodellen das Angleichen der erstellten Karten anhand eines Referenzeinfallswinkels, was dann das Füllen verbleibender Lücken ermöglicht, die aufgrund fehlender Eingangsdaten vorhanden sind

One Decade of Glacier Mass Changes on the Tibetan Plateau Derived from Multisensoral Remote Sensing Data

The Tibetan Plateau (TP) with an average altitude of 4,500 meters above sea level is characterized by many glaciers and ice caps. Glaciers are a natural indicator for climate variability in this high mountain environment where meteorological stations are rare or non-existent. In addition, the melt water released from the Tibetan glaciers is feeding the headwaters of the major Asian river systems and contributes to the rising levels of endorheic lakes on the plateau. As many people directly rely on the glacier melt water a continuous glacier monitoring program is necessary in this region. In situ measurements of glaciers are important, but are spatial limited due to large logistical efforts, physical constrains and high costs. Remote sensing techniques can overcome this gap and are suitable to complement in situ measurements on a larger scale. In the last decade several remote sensing studies dealt with areal changes of glaciers on the TP. However, glacier area changes only provide a delayed signal to a changing climate and the amount of melt water released from the glaciers cannot be quantified. Therefore it is important to measure the glacier mass balance. In order to estimate glacier mass balances and their spatial differences on the TP, several remote sensing techniques and sensors were synthesized in this thesis. In a first study data from the Ice Cloud and Elevation Satellite (ICESat) mission were employed. ICESat was in orbit between 2003 and 2009 and carried a laser altimeter which recorded highly accurate surface elevation measurements. As in mid-latitudes these measurements are rather sparse glaciers on the TP were grouped into eight climatological homogeneous sub-regions in order to perform a statistical sound analysis of glacier elevation changes. To assess surface elevation changes of a single mountain glacier from ICESat data, an adequate spatial sampling of ICESat measurements need to be present. This is the case for the Grosser Aletschgletscher, located in the Swiss Alps which served as a test site in this thesis. In another study data from the current TanDEM-X satellite mission and from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) conducted in February 2000 were employed to calculate glacier elevation changes. In a co-authored study, these estimates could be compared with glacier elevation changes obtained from the current French Pléiades satellite mission. In order to calculate glacier mass balances, the derived elevation changes were combined with assumptions about glacier area and ice density in all studies. In this thesis contrasting patterns of glacier mass changes were found on the TP. With an ICESat derived estimate of -15.6±10.1 Gt/a between 2003 and 2009 the average glacier mass balance on the TP was clearly negative. However, some glaciers in the central and north-western part of the TP showed a neutral mass balance or a slightly positive anomaly which was also confirmed by data from the current TanDEM-X satellite mission. A possible explanation of this anomaly in mass balance could be a compensation of the temperature driven glacier melt due to an increase in precipitation

Interferometric SAR DEMs for Forest Change in Uganda 2000–2012

Monitoring changes in forest height, biomass and carbon stock is important for understanding the drivers of forest change, clarifying the geography and magnitude of the fluxes of the global carbon budget and for providing input data to REDD+. The objective of this study was to investigate the feasibility of covering these monitoring needs using InSAR DEM changes over time and associated estimates of forest biomass change and corresponding net CO2 emissions. A wall-to-wall map of net forest change for Uganda with its tropical forests was derived from two Digital Elevation Model (DEM) datasets, namely the SRTM acquired in 2000 and TanDEM-X acquired around 2012 based on Interferometric SAR (InSAR) and based on the height of the phase center. Errors in the form of bias, as well as parallel lines and belts having a certain height shift in the SRTM DEM were removed, and the penetration difference between X- and C-band SAR into the forest canopy was corrected. On average, we estimated X-band InSAR height to decrease by 7 cm during the period 2000–2012, corresponding to an estimated annual CO2 emission of 5 Mt for the entirety of Uganda. The uncertainty of this estimate given as a 95% confidence interval was 2.9–7.1 Mt. The presented method has a number of issues that require further research, including the particular SRTM biases and artifact errors; the penetration difference between the X- and C-band; the final height adjustment; and the validity of a linear conversion from InSAR height change to AGB change. However, the results corresponded well to other datasets on forest change and AGB stocks, concerning both their geographical variation and their aggregated values.publishedVersio

Forest attributes mapping with SAR data in the romanian South-Eastern Carpathians requirements and outcomes

Esta tesis doctoral se centra en la estimación de variables forestales en la zona Sureste de los Cárpatos Rumanos a partir de imágenes de radar de apertura sintética. La investigación abarca parte del preprocesado de las imágenes, métodos de generación de mosaicos y la extracción de la cobertura de bosque, sus subtipos o su biomasa. La tesis se desarrolló en el Instituto Nacional de Investigación y Desarrollo Forestal Marín Dracea (INCDS) y la Universidad de Alcalá (UAH) gracias a varios proyectos: el proyecto EO-ROFORMON del INCDS (Prototyping an Earth-Observation based monitoring and forecasting system for the Romanian forests), y el proyecto EMAFOR de la UAH (Synthetic Aperture Radar (SAR) enabled Analysis Ready Data (ARD) cubes for efficient monitoring of agricultural and forested landscapes). El proyecto EO-ROFORMON fue financiado por la Autoridad Nacional para la Investigación Científica de Rumania y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional. El proyecto EMAFOR fue financiado por la Comunidad Autónoma de Madrid (España). El objetivo de esta tesis es el desarrollo de algoritmos para la extracción de variables forestales de uso general como la cobertura, el tipo o la biomasa del bosque a partir de imagen de radar de apertura sintética. Para alcanzar dicho propósito se analizaron posibles fuentes de sesgo sistemático que podrían aparecer en zonas de montaña (ej., normalización topográfica, generación de mosaicos), y se aplicaron técnicas de aprendizaje de máquina para tareas de clasificación y regresión. La tesis contiene ocho secciones: una introducción, cinco publicaciones en revistas o actas de congresos indexados, una pendiente de publicación (quinto capítulo) y las conclusiones. La introducción contextualiza la importancia del bosque, cómo se recoge la información sobre su estado (ej., inventario forestal) y las iniciativas o marcos legislativos que requieren dicha información. A continuación, se describe cómo la teledetección puede complementar la información de inventario forestal, detallando el contexto histórico de las distintas tecnologías, su funcionamiento, y cómo pueden ser aplicadas para la extracción de información forestal. Por último, se describe la problemática y el monitoreo del bosque en Rumanía, detallando el objetivo de la tesis y su estructura. El primer capítulo analiza la influencia del modelo digital de elevaciones (MDE) en la calidad de la normalización topográfica, analizando tres MDE globales (SRTM, AW3D y TanDEM-X DEM) y uno nacional (PNOA-LiDAR). Los experimentos se basan en la comparación entre órbitas, con un MDE de referencia, y la variación del acierto en la clasificación dependiendo del MDE empleado para la normalización. Los resultados muestran una menor diferencia ente órbitas al utilizar un MDE con una mejor resolución (ej. TanDEM-X, PNOA-LIDAR), especialmente en el caso de zonas con fuertes pendientes o formas del terreno complejas, como pueden ser los valles. En zonas de alta montaña las imágenes de radar de apertura sintética (SAR) sufren frecuentes distorsiones. Estas distorsiones dependen de la geometría de adquisición, por lo que es posible combinar imágenes adquiridas desde varias órbitas para que la cobertura sea lo más completa posible. El segundo capítulo evalúa dos metodologías para la clasificación de usos del suelo utilizando datos de Sentinel-1 adquiridos desde varias órbitas. El primer método crea clasificaciones por órbita y las combina, mientras que el segundo genera un mosaico con datos de múltiples órbitas y lo clasifica. El acierto obtenido mediante combinación de clasificaciones es ligeramente mayor, mientras que la clasificación de mosaicos tiene importantes omisiones de las zonas boscosas debido a problemas en la normalización topográfica y a los efectos direccionales. El tercer capítulo se enfoca en separar la cobertura forestal de otras coberturas del suelo (urbano, vegetación baja, agua) analizando la utilidad de las variables basadas en la coherencia interferométrica. En él se realizan tres clasificaciones de máquina vector-soporte basadas en un conjunto concreto de variables. El primer conjunto contiene las estadísticas anuales de la retrodispersión (media y desviación típica anual), el segundo añade la coherencia a largo plazo (separación temporal mayor a un año), el tercero incluye las estadísticas de la coherencia a corto plazo (mínima separación temporal). Utilizar variables basadas en la coherencia aumenta el acierto de la clasificación hasta un 5% y reduce los errores de omisión de la cobertura forestal. El cuarto capítulo evalúa la posibilidad de detectar talas selectivas utilizando datos de Sentinel-1 y Sentinel-2. Sus resultados muestran que la detección resulta muy difícil debido a la saturación de los sensores y la confusión introducida por el efecto de la fenología. El quinto capítulo se centra en la clasificación de tipos de bosque basado en una serie temporal de datos Sentinel-1. Se basa en la creación de un conjunto de modelos que describen la relación entre la retrodispersión y el ángulo local de incidencia para un determinado tipo de bosque y fecha concreta. Para cada píxel se calcula el residuo respecto al modelo de cada uno de los tipos de bosque, acumulando dichos residuos a lo largo de la serie temporal. Hecho esto, cada píxel es asignado al tipo de bosque que acumula un menor residuo. Los resultados son prometedores, mostrando que frondosas y coníferas tienen un comportamiento distintivo, y que es posible separar ambos tipos de bosque con un alto grado de acierto. El sexto capítulo está dedicado a la estimación de biomasa utilizando datos Sentinel-1, ALOS PALSAR y regresión Random Forest. Se obtiene un error similar para ambos sensores a pesar de utilizar una banda diferente (band-C vs. -L), con poca reducción en el error cuando ambas bandas se utilizan conjuntamente. Sin embargo, el ajuste de un estimador adaptado a las condiciones locales de Rumanía sí ofreció una reducción de del error al ser comparado con las estimaciones globales de biomasa

Open access data in polar and cryospheric remote sensing

This paper aims to introduce the main types and sources of remotely sensed data that are freely available and have cryospheric applications. We describe aerial and satellite photography, satellite-borne visible, near-infrared and thermal infrared sensors, synthetic aperture radar, passive microwave imagers and active microwave scatterometers. We consider the availability and practical utility of archival data, dating back in some cases to the 1920s for aerial photography and the 1960s for satellite imagery, the data that are being collected today and the prospects for future data collection; in all cases, with a focus on data that are openly accessible. Derived data products are increasingly available, and we give examples of such products of particular value in polar and cryospheric research. We also discuss the availability and applicability of free and, where possible, open-source software tools for reading and processing remotely sensed data. The paper concludes with a discussion of open data access within polar and cryospheric sciences, considering trends in data discoverability, access, sharing and use.A. Pope would like to acknowledge support from the Earth Observation Technology Cluster, a knowledge exchange project, funded by the Natural Environment Research Council (NERC) under its Technology Clusters Programme, the U.S. National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program, Trinity College (Cambridge) and the Dartmouth Visiting Young Scientist program sponsored by the NASA New Hampshire Space Grant.This is the final published version. It's also available from MDPI at http://www.mdpi.com/2072-4292/6/7/6183