Derivation and validation of the high resolution satellite soil moisture products: a case study of the Biebrza Sentinel-1 validation sites

• Autorzy: Musial J. , Dabrowska-Zielinska K. , Kiryla W. , Oleszczuk R. , Gnatowski T. , Jaszczynski J.

Warianty tytułu

PL

Wyznaczanie i weryfikacja wilgotności gleby z wysokorozdzielczych danych satelitarnych na przykładzie zobrazowań satelity Sentinel-1 dla obszaru doliny Biebrzy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Soil moisture content is a key variable for numerous disciplines hence the need for its constant monitoring at a global scale. Satellite imagery is the only mean to fulfil this objective. New generations of satellite sensors such as the Sentinel-1 SAR (Synthetic Aperture Radar) system provide measurements at fine spatial and temporal scales. In order to validate such estimates dense in-situ networks measuring soil moisture are required. The scarcity of such networks was the main motivation to establish two validation sites over the Biebrza wetlands within the project funded by the ESA (European Space Agency). The sites are covered by grassland and marshland and are internally homogeneous as far as the soil type and vegetation cover are concerned. Each site is equipped with 9 soil moisture monitoring stations installed every 130 m which allows the derivation of reliable mean soil moisture estimates across the site featuring small standard deviation (0.035 m³/m³ for the grassland site and 0.074 m³/m³ for the marshland site). The main objective of the presented study is to review the soil moisture derivation and validation methodologies suitable for the Sentinel-1 SAR satellite data and to describe physiographical settings of the Biebrza validation sites together with the installed instrumentation. Furthermore, the relationship between the time series of soil moisture measurements and Sentinel-1 sigma nought backscatter coefficient (σ⁰) is examined. Ultimately, the validation results of the low resolution SM-DAS-2 soil moisture product are presented due to the unavailability of the high resolution product.

PL

Stały monitoring wilgotności gleby jest kluczowy dla różnorodnych zastosowań i może być realizowany na globalną skalę jedynie za pomocą teledetekcji satelitarnej. Nowe generacje satelitów środowiskowych np. Sentinel-1 posiadają sensory umożliwiające wysokorozdzielcze pomiary o dużej częstości czasowej. Uzyskane z nich produkty dotyczące wilgotności gleby wymagają gęstej sieci pomiarów naziemnych do celów walidacyjnych. Fakt ten stanowił główną motywację dla założenia dwóch poligonów walidacyjnych wilgotności gleby zlokalizowanych w dolinie Biebrzy w ramach projektu finansowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). Obiekty te pokrywają łąkę i zbiorowisko turzycowe i są homogenicznie pod względem roślinności i typu gleby. Każdy poligon wyposażony jest w 9 stacji do pomiaru wilgotności gleby oddalonych od siebie o 130 metrów. Pozwala to na rzetelne oszacowanie średniej wilgotności dla całego obiektu odznaczającej się niskim odchyleniem standardowym (0.035 m³/m³ dla poligonu łąkowego i 0.074 m³/m³ dla poligonu turzycowego). Głównym celem tego opracowania jest opis metodyki wyznaczania i walidacji wilgotności gleby z wysokorozdzielczych radarowych danych satelitarnych oraz charakterystyka obu poligonów badawczych wraz z instrumentami pomiarowymi umożliwiającymi zaawansowany monitoring środowisk bagiennych. Ponadto przeanalizowana została zależność pomiędzy wilgotnością gleby a współczynnikiem rozproszenia wstecznego (σ⁰) sygnału radarowego satelity Sentinel-1. Ostatecznie wykorzystano dane z opisywanej sieci pomiarowej do walidacji niskorozdzielczego produktu SM-DAS-2 opisującego wilgotność gleby.

Słowa kluczowe

EN

soil moisture; Sentinel-1 satellite; Biebrza wetlands; satellite remote sensing; soil moisture validation

PL

wilgotność gleby; satelita Sentinel-1; Bagna Biebrzańskie; teledetekcja satelitarna; walidacja wilgotności gleby

• Wydawca: Instytut Geodezji i Kartografii
• Czasopismo: Geoinformation Issues
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 8, no. 1(8)
• Strony: 37--53
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Musial J.

• Institute of Geodesy and Cartography, 27 Modzelewskiego St., 02-679, Warsaw, Poland, Tel.: [phone], Fax: [phone]

autor

Dabrowska-Zielinska K.

• Institute of Geodesy and Cartography, 27 Modzelewskiego St., 02-679, Warsaw, Poland, Tel.: [phone], Fax: [phone]

autor

Kiryla W.

• Institute of Geodesy and Cartography, 27 Modzelewskiego St., 02-679, Warsaw, Poland, Tel.: [phone], Fax: [phone]

autor

Oleszczuk R.

• Warsaw University of Life Sciences, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Environmental Improvement, 166 Nowoursynowska St., PL 02-787, Warsaw, Poland, Tel.: [phone], Fax: [phone]

autor

Gnatowski T.

• Warsaw University of Life Sciences, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Environmental Improvement, 166 Nowoursynowska St., PL 02-787, Warsaw, Poland, Tel.: [phone], Fax: [phone]

autor

Jaszczynski J.

• Institute of Technology and Life Sciences, Experimental Department in Biebrza, Biebrza, PL 19-200, Grajewo, Poland, Tel.: [phone], Fax: [phone]

Bibliografia

• [1] Attema E., Ulaby F.T., (1978): Vegetation modeled as a water cloud, Radio science, No 13, pp. 357–364.
• [2] Caron J., Riviére L-M., Charpentier S., Renault P., Michel J-Ch., (2002): Using TDR to estimate hydraulic conductivity and air entry in growing media and sand, Soil Science Society of America Journal, No 66(2), pp. 373–383.
• [3] Crow W.T., Berg A.A., Cosh M.H., Loew A., Mohanty B.P., Panciera R., Rosnay P., Ryu D., Walker J.P., (2012): Upscaling sparse groundbased soil moisture observations for the validation of coarse-resolution satellite soil moisture products, Reviews of Geophysics, No 50.
• [4] Dabrowska-Zielinska K., Inoue Y., Kowalik W., Gruszczynska M., (2007): Inferring the effect ofplant and soil variables on C-and L-band SAR backscatter over agricultural fields, based on model analysis, Advances in Space Research, No 39, pp. 139–148.
• [5] Dabrowska-Zielinska K., Ciolkosz A., Kowalik W., and Budzynska M., (2009): Microwave satellite data applied for agriculture area—Case study—Poland, Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS, Vol. 2, pp. 698–701.
• [6] Dobrzanski B., Zawadzki S., (eds.) (1995), Soil Science (in Polish), PWRiL, pp. 90–153.
• [7] Dorigo W., Wagner W., Hohensinn R., Hahn S., Paulik C., Xaver A., Gruber A., Drusch M., Mecklenburg S., Oevelen P.V. et al., (2011): The International Soil Moisture Network: a data hosting facility for global in situ soil moisture measurements, Hydrology and Earth System Sciences, No 15, pp. 1675–1698.
• [8] Fung A.K., Li Z., Chen K., (1992): Backscattering from a randomly rough dielectric surface, Geoscience and Remote Sensing, IEE Transactions, No 30, pp. 356–369.
• [9] Hallikainen M.T., Ulaby F.T., Dobson M.C., El-Rayes M.A., Wu L.-K., (1985): Microwave dielectric behavior of wet soil-part 1: empirical models and experimental observations, Geoscience and Remote Sensing, IEE Transactions, Vol. 1, pp. 25–34.
• [10] Herkelrath W.N., Hamburg S.P., Murphy F., (1991): Automatic, real-time monitoring of soil moisture in a remote field area with time domain reflectometry, Water Resources Research, Vol. 27(5), pp. 857–864.
• [11] Hornacek M., Klein J.-P., Sabel D., Doubkova M., Wagner W., (2011): GMES Sentinel-1 Soil Moisture Algorithm Development – Final Report, Tech. rep., Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna University of Technology.
• [12] Imbo P., Baghdad N., (2012): GMES Sentinel-1 Independent Soil Moisture Retrieval Algorithm Assessment – Final Report, Tech. rep., CS, Cemagref.
• [13] Malicki M.A., Skierucha W.M., (1989): A manually controlled TDR soil moisture meter operating with 300 ps rise-time needle pulse, Irrigation Science, No 10, pp. 153–163.
• [14] Mattia F., Satalino G., Balenzano A., Pauwels V., de Lathauwer E., (2011): GMES Sentinel-1 Soil Moisture Algorithm Development – Final Report, Tech. rep., Consiglio Nazionale di Ricerca (CNR), Istituto di Studi sui Sistemi Intelligentiper l’Automazione (ISSIA), Ghent University, Laboratory of Hydrology and Water Management (LHWM).
• [15] Mocek A., Drzymala S., Maszner P., (2000): Origin, analysis and classification of soils (in Polish), Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu.
• [16] Okruszko H., (1994): System of hydrogenic soil classification used in Poland, Biblioteka Wiadomości IMUZ, No 84, pp. 5–27.
• [17] Oleszczuk R., Brandyk T., Gnatowski T., Szatylowicz J., (2004): Calibration of TDR for moisture determination in peat deposits, International Agrophysics, No 18(2), pp. 145–151.
• [18] Prevot L., Champion I., Guyot G., (1993): Estimating surface soil moisture and leaf area index of a wheat canopy using a dual-frequency (C and X bands) scatterometer, Remote Sensing of Environment, No 46, pp. 331–339.
• [19] Rodríguez-Iturbe I., Porporato A., (2007): Ecohydrology of water-controlled ecosystems: soil moisture and plant dynamics, Cambridge University Press.
• [20] Schaap M.G., Lange de L., Heimovaara T.J., (1996): TDR calibration of organic forest floor media, Soil Technologies, No 11, pp. 205–217.
• [21] Sienko A., Grygoruk A., (2003): Biebrzański Park Narodowy, BPN.
• [22] Skawina T., Kossowski J., Stępniewski W., (1993): Physical properties of soils (in Polish), Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warsaw.
• [23] SMAD_S-1_Team, (2011): GMES Sentinel-1 Soil Moisture Algorithm Development – Final Report, Tech. Rep SMAD-TN-ACS-GS-0310, Advance Computer Systems.
• [24] Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P., (1980): Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines, Water Resources Research, Vol. 16(3), pp. 574–582.
• [25] Western A.W., Zhou S.L., Grayson R.B., McMahon T.A., Blöschl G., Wilson D.J., (2004): Spatial correlation of soil moisture in small catchments and its relationship to dominant spatial hydrological processes, Journal of Hydrology, 286(1), pp. 113–134.
• [26] Xu L., Baldocchi D.D., Tang J., (2004): How soil moisture, rain pulses, and growth alter the response of ecosystem respiration to temperature, Global Biogeochemical Cycles, 18(4).

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).