Contributions to land, sea, and sea ice remote sensing using GNSS-reflectometry

Abstract

This PhD thesis researches the use of passive remote sensing techniques using signals transmitted from the navigation satellites (GNSS) in order to retrieve different geophysical parameters. The thesis consists of two different parts without taking into account the introduction, the state of the art and the conclusions. The first part analyzes the Interference Pattern Technique (IPT), which was previously used in another PhD thesis, and proposes some key improvements. First, the addition of horizontal polarization to the existing vertical polarization is proposed. Then, the retrieval of soil moisture is studied using the horizontal polarization only and combining both polarizations to correct for the surface roughness effects. It is also demonstrated that the phase difference between the two interference patterns is directly related to soil moisture content. A field campaign was conducted in Australia to test empirically all the theoretical developments and algorithms. Secondly, the possibility of measuring Significant Wave Height (SWH) and Mean Sea Surface Level (MSSL) using the IPT is studied. A three month field campaign over coastal sea is devoted to that study. The SWH retrieval is a new estimation algorithm based on measuring the point where the interference pattern loses coherence. The MSSL retrieval is based on the estimation of the IPT oscillation frequency, testing different spectral estimators to improve the accuracy. Since the IPT is limited in coverage due to its static requirements, the research conducted in this thesis migrated to scatterometric GNSS-R techniques. The main goal that migration was to increase coverage of the different GNSS-R instruments. Therefore, the second part of this thesis analyzes the applicability of a scatterometric technique from different platforms: ground-based (mobile and fixed), airborne, and spaceborne. The ground-based still platforms have allowed to develop a soil moisture retrieval algorithm. The ground-based moving platforms have extended the validity of that algorithm. Airborne platforms have been used to study the reflected electric field statistics when the surface reflecting surface is varying (smooth or rough land, and sea). They have also been used to develop different algorithms to measure the coherent and incoherent scattered components depending on the data structure (real-data or complex data). Coherent reflectivity measured from airborne platforms has been compared to other techniques such microwave radiometry, which is highly used in the soil moisture retrieval from spaceborne sensors, and other sensors using optical, multispectral and thermal frequency bands. These relationships between microwave radiometry and GNSS-R measurements suggests the potential synergy of both techniques. A sea ice detection algorithm is also developed using scatterometric GNSS-R data from the UK TDS-1 mission. This algorithm is based on measuring the degree of coherence of the reflected waveform. Finally, a field campaign was conducted to study the effect of vegetation on the GNSS signals that pass through it in order to take into account and correct the effect of vegetation in the GNSS-R data and in the soil moisture retrieval algorithms.

Aquesta tesi doctoral aprofundeix en el coneixement de les tècniques de teledetecció passives utilitzant senyals emesos pels satèl·lits de navegació (GNSS) amb l'objectiu de recuperar diferents paràmetres geofísics del terreny. La tesi conté dues parts ben diferenciades a banda de la introducció, estat de l'art i conclusions. La primera part analitza la tècnica coneguda com a patró d'interferències, utilitzada prèviament en una altra tesi doctoral, i proposa certes millores per la seva aplicabilitat. En primer lloc es decideix afegir polarització horitzontal a la ja existent polarització vertical, i s'estudia la recuperació d'humitat del sòl utilitzant només polarització horitzontal i combinant les dues polaritzacions per corregir els efectes de la rugositat del terreny. A continuació es demostra que la mesura de desfasament entre els dos patrons d'interferència està directament relacionada amb la humitat del terreny. Es va realitzar una campanya de mesures a Austràlia per provar empíricament tots els desenvolupaments teòrics i algorismes proposats. En segon lloc s'analitza l'aplicabilitat del patró d'interferències en la mesura de l'altura de les onades (SWH) i del nivell del mar (MSSL), tots dos de forma precisa. L'estimació de l'alçada de les onades és un procés totalment nou basat en mesurar el punt on el patró d'interferències perd la coherència. L'estimació del nivell del mar es basa en l'anàlisi espectral del patró d'interferències provant diferents estimadors espectrals. Atès que la tècnica del patró d'interferència està limitada en cobertura per les seves característiques estàtiques, la investigació duta a terme en aquesta tesi doctoral va migrar cap a tècniques GNSS-R escateromètriques. El principal objectiu a assolir va ser el d'augmentar la cobertura dels diferents instruments GNSS-R de mesura. En conseqüència, la segona part d'aquesta tesi analitza l'aplicabilitat d'aquestes tècniques des de diferents plataformes terrestres (mòbils i fixes), aerotransportades i satèl·lit. Les plataformes terrestres fixes han permès derivar algoritmes de recuperació d'humitat i les mòbils estendre la validació d'aquests. Les plataformes aerotransportades s'han utilitzat per mirar l'estadística del camp elèctric reflectit quan la superfície on es reflecteixen els senyals GNSS va variant (terra plana o terra rugosa, i mar). També han servit per desenvolupar diferents algorismes amb l'objectiu de determinar les components coherent i incoherent del senyal reflectit. De la mateixa manera, dades de reflectivitat coherent mesurades des d'aquestes plataformes han estat comparades amb altres tècniques de teledetecció passiva com la radiometria de microones, altament utilitzada en la mesura d'humitat de terreny, i altres sensors òptics, multi-espectrals, i tèrmics. Aquests resultats han permès suggerir la possible sinergia de dades d'ambdues tecnologies. Un algorisme per detectar la presència de gel sobre el mar també ha estat desenvolupat mitjançant l'ús de dades GNSS-R escateromètriques satel·litals de la missió UK TDS-1. Aquest algorisme es basa en mesurar el grau de coherència de la forma d'ona reflectida. Finalment, s'ha realitzat un estudi de l'efecte de la vegetació en els senyals GNSS que la travessen, per tal de poder corregir aquest efecte en els algoritmes de recuperació d'humitat del terreny.