Experimental estimation of soil emissivity and its application to soil moisture retrieval in the SMOS Mission

Abstract

Tot i que l'aigua retinguda pel sòl constitueix una petita fracció del volum total d'aigua que hi ha a la Terra, l'humitat del sòl juga un paper important als models climàtics i hídrics. La radiometria en banda L (1.400 a 1.427 GHz) és la tecnologia més adient per a mesurar l'humitat, no tan sols per la seva gran sensibilitat al contingut d'aigua sinó també perquè proporciona mesures independentment de les condicions meteorològiques. Dues missions espacials mesuraran l'humitat de sòl a escala global: SMOS de l'ESA i SMAP de la NASA. La present tesi doctoral s'ha realitzat dins el marc de les activitats prèvies al llançament de SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). La càrrega útil de SMOS, anomenada MIRAS, és el primer radiòmetre interferomètric per síntesi d'obertura en dues dimensions aplicat a l'observació de la Terra. Cada pixel de la Terra serà observat sota diversos angles d'incidència, de manera que es disposarà d'informació multiangular per a cadascun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenten en primer lloc els sensors de microones i experiments relacionats amb l'estimació de l'humitat del sòl, a més d'incloure una revisió dels fonaments teòrics de la radiometria i de la física del sòl, i dels models que existeixen en la actualitat per a modelar-ne l'emissió. Després es passa a la part central de la tesi, on es tracten les campanyes de mesura que ha dut a terme el grup de radiometria de la UPC i els resultats i conclusions que s'han derivat de l'estudi de les dades. Les mesures radiomètriques van ser adquirides amb el radiòmetre LAURA (L-band Automatic Radiometer), dissenyat i construït a la UPC. La freqüència de funcionament de LAURA és 1.4 GHz, la mateixa que MIRAS. <br/><br/>L'emissivitat del sòl depén de la interacció de molts paràmetres propis del sòl i de la coberta de vegetació que hi ha al damunt, com per exemple la humitat, la temperatura, i la rugositat del sòl, i l'atenuació i la dispersió que introdueix la vegetació. A cadascuna de les campanyes de mesura que es presenten a aquesta tesi doctoral s'ha tractat un d'aquests factors:<br/> <br/>· MOUSE 2004: efecte de la textura en els perfils d'humitat i temperatura del sòl, en l'emissivitat, i en l'algoritme de recuperació d'humitat del sòl a partir de les mesures multiangulars adquirides per LAURA.<br/><br/>· T-REX 2004/2006: efecte de la rugositat en l'emissivitat. Les mesures es comparen amb prediccions teòriques i semi-empíriques dels models existents, els quals tenen en compte de manera diferent l'efecte del paràmetre de rugositat efectiva.<br/><br/> · SMOS REFLEX 2003/2006: efectes de les vinyes i de la fracció de pedres. S'estudia la dependència de l'emissivitat amb l'humitat del sòl i amb l'angle d'observació. Aquests experiments es van dur a terme a la Valencia Anchor Station, una regió que ha estat seleccionada per a dur a terme activitats de cal/val de SMOS durant els sis mesos posteriors al llançament.<br/><br/>· TuRTLE 2006: efecte de la topografia a les mesures adquirides des d'un sensor a terra.<br/><br/>Els resultats mostren que el processador de SMOS hauria de tener en compte un model de constant dielèctrica diferent en funció de la textura, ja que els errors a la recuperació d'humitat poden variar en un 5% segons el tipus de sòl. La rugositat té un impacte important a l'emissivitat, sobre tot a sòls secs. Els models de rugositat segueixen el comportament de les mesures a sòls secs i H-pol, però divergeixen al cas de sòl humit. L'atenuació i dispersió de les vinyes és independent de la polarització. L'error en la recuperació d'humitat sobre camps de vinyes va ser del 2.3%, menor que el 4% requerit per SMOS. L'impacte de la topografia en les mesures és important i no pot modelar-se tenint en compte només la vegetació.

Although water hold by soils represents a small fraction of the Earth's water budget, soil moisture plays an important role in climate models. In the near future, two space missions will measure soil moisture at global scale: ESA' SMOS and NASA's SMAP. The present Ph.D. Thesis has been performed in the context of the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission pre-launch activities over land. An important feature of SMOS is that a given pixel on the Earth is imaged at various observation angles as the satellite moves over it, so multi-angular information of each pixel will be available.<br/><br/>A description of the field campaigns over land carried out by the Universitat Politècnica de Catalunya and of their results is provided in this PhD Thesis. Radiometric measurements were acquired using the UPC L-band Automatic Radiometer (LAURA), which has a working frequency of 1.4 GHz, the same as SMOS payload MIRAS. The execution of these experiments, the data processing, and the physical interpretation of measurements constitute the core of this PhD Thesis. The emissivity of land surfaces depends upon the interaction of several soil and vegetation characteristics such as soil moisture, roughness, and temperature, and vegetation opacity and albedo. Each of the experiments focused on one of the parameters affecting the emission from soils:<br/>· MOUSE 2004: impact of soil texture on soil moisture and temperature profiles, soil emissivity, and the impact on the soil moisture retrieval using multi-angular dual-polarisation radiometric observations.<br/><br/>· T-REX 2004/2006: impact of soil roughness on the brightness temperature. Data collected during the T-REX experiments are compared to theoretical simulations using various models for the effective soil roughness.<br/><br/>· SMOS REFLEX 2003/2006: effects of rock-fraction and vines. The brightness temperature dependence on soil moisture and observation angle is studied, and soil moisture retrieval is discussed. The experiment site in Valencia has already been selected as a SMOS calibration and validation site.<br/><br/>· TuRTLE 2006: impact of topography on soil emissivity at L-band.<br/><br/>Results suggest that the SMOS Level 2 soil moisture processor should select the soil dielectric constant model as a function of soil texture, since the root mean squared error can vary from 2% to 7% depending. Soil roughness was found to have a strong impact on land brightness temperature, especially for dry soils. In general, all semi-empirical land emission models follow the trend of dry soils measurements at H-pol, whereas discrepancies exist for wet soils. On the other hand, vines opacity and albedo were found to be independent on the polarisation. The error between ground-truth and estimated soil moisture over vineyards was 2.3%, better than the 4% required for SMOS. Topography effects are important and cannot be accounted for in the models only by the introduction of the vegetation canopy.