Radar Remote Sensing for Monitoring Forest Floods and Agricultural Grasslands

Abstract

Käesolev doktoritöö keskendub radarkaugseire rakenduste arendamisele kahes keerukas looduskeskkonnas: üleujutatud metsas ja põllumajanduslikel rohumaadel. Uurimistöö viidi läbi Tartu Observatooriumis, Tartu Ülikoolis, Ventspilsi Kõrgkoolis ja Aalto Ülikoolis. Töö esimene osa käsitleb X-laineala polarimeetrilise radarisignaali käitumist regulaarselt üleujutatavas metsas Soomaa näitel ning teine osa põllumajanduslike rohumaade seisundi ja polarimeetriliste ning interferomeetriliste tehisava-radari parameetrite vahelisi seoseid. 2012 kevadel Soomaa testalal TerraSAR-X andmetega läbi viidud eksperiment näitas, et topelt-peegeldusele tundlik HH-VV polarimeetriline kanal pakub tõesti kontrastsemat tagasihajumisepõhist üleujutatud metsa eristust üleujutamata metsast kui traditsiooniline HH polarimeetriline kanal. HH-VV kanali eelis HH kanali ees on seda suurem, mida madalam on mets ning raagus tingimustes lehtmetsas oli HH-VV kanali eelis HH kanali ees suurem kui okasmetsas. Lisaks on üleujutusele tundlik HH ja VV kanali polarimeetriline faasivahe, mida on soovitatud ka varasemates töödes kasutada täiendava andmeallikana üleujutuste kaardistamisel. Käesolevas doktoritöös mõõdeti polarimeetrilise X-laineala tehisava-radari HH/VV faasivahe suurenemine üleujutuste tõttu erineva kõrgusega okas- ja lehtmetsas. 2013 a vegetatsiooniperioodil korraldati Rannu test-alal välimõõtmistega toetatud eksperiment uurimaks X- ja C-laineala polarimeetrilise ning X-laineala interferomeetrilise tehisava-radari parameetrite undlikkust rohumaade tingimuste muutustele. Ilmnes, et ühepäevase vahega kogutud X-laineala tehisava-radari interferomeetriliste paaride koherentsus korreleerus rohu kõrgusega. Koherentsus oli seda madalam, mida kõrgem oli rohi - leitud seost on võimalik potentsiaalselt rakendada niitmise tuvastamiseks. TerraSAR-X ja RADARSAT-2 polarimeetriliste aegridade analüüsi tulemusel leiti kaks niitmisele tundlikku parameetrit: HH/VV polarimeetriline koherentsus ja polarimeetriline entroopia. Niitmise järel langes HH/VV polarimeetriline koherentsus järsult ning polarimeetriline entroopia tõusis järsult. Rohu tagasikasvamise faasis hakkas HH/VV polarimeetriline koherentsus aeglaselt kasvama ning entroopia aeglaselt kahanema. Täheldatud efekt oli tugevam TerraSARX X-laineala aegridadel kui RADARSAT-2 C-riba tehisava-radari mõõtmistel ning seda selgemini nähtav mida rohkem biomassi niitmise järgselt maha jäi. Leitud HH/VV polarimeetrilise koherentsuse ja polarimeetrilise entroopia käitumine vastas taimkatte osakestepilve radarikiirguse tagasihajumismudelile. Mudeli järgi põhjus- 60 tas eelnimetatud parameetrite iseloomulikku muutust rohukõrte kui dipoolide orientatsiooni ja korrastatuse muut niitmise tõttu, mis on kooskõlas meie välimõõtmiste andmetega.

This thesis presents research about the application of radar remote sensing for monitoring of complex natural environments, such as flooded forests and agricultural grasslands. The study was carried out in Tartu Observatory, University of Tartu, Ventspils University College, and Aalto University. The research consists of two distinctive parts devoted to polarimetric analysis of images from a seasonal flooding of wetlands, and to polarimetric and interferometric analysis of a summer-long campaign covering eleven agricultural grasslands. TerraSAR-X data from 2012 were used to assess the use of the double-bounce scattering mechanism for improving the mapping of flooded forest areas. The study confirmed that the HH–VV polarimetric channel that is sensitive to double-bounce scattering provides increased separation between flooded and unflooded forest areas when compared to the conventional HH channel. The increase in separation increases with decreasing forest height, and it is more pronounced for deciduous forests due to the leaf-off conditions during the study. The phase difference information provided by the HH–VV channel may provide additional information for delineating flooded and unflooded forest areas. Time series of X-band (TanDEM-X and COSMO-SkyMed) and C-band (RADARSAT-2) data from 2013 were analyzed in respect to vegetation parameters collected during a field survey. The one-day repeat-pass X-band interferometric coherence was shown to be correlated to the grassland vegetation height. The coherence was also found to be potentially useful for detecting mowing events. The polarimetric analysis of TanDEM-X and RADARSAT-2 data identified two parameters sensitive to mowing events - the HH/VV polarimetric coherence magnitude and the H2α entropy. Mowing of vegetation consistently caused the coherence magnitude to decrease and the entropy to increase. The effect was more pronounced in case of X-band data. Additionally, the effect was stronger with more vegetation left on the ground after mowing. The effect was explained using a vegetation particle scattering model. The changes in polarimetric variables was shown to be caused by the change of orientation and the randomness of the vegetation.