Radar-based techniques for continuous monitoring of soil moisture and vegetation using time series analysis

Abstract

(English) Ongoing changes in climate and weather patterns have emphasized the need for improved observation and understanding of rapid land–atmosphere interactions, particularly those related to the water cycle. This thesis explores the use of high-temporal-resolution SAR to monitor soil and crop dynamics, aiming to support the development of future Earth Observation missions, especially from geosynchronous orbit with short revisit times. The research was conducted within the framework of the HydroSoil project, funded by ESA, which established a unique ground-based SAR observation facility. The system allows for continuous monitoring of fields with a temporal resolution of 10 minutes and a spatial resolution of 1 m2 in the boresight. Complemented by extensive meteorological and ground truth data, the facility offered an ideal setup to study short-term dynamics of SM and crop development, focusing on two crops: barley and corn. The first part of the study examines diurnal cycles in radar backscatter time series and its relationship with environmental variables such as atmospheric humidity, temperature, and dew formation. Time-frequency analysis using wavelets was applied to quantify how radar signals correlate with specific meteorological variables at different time scales. Following this, a two-layer surface scattering model was applied to better capture the effects of diurnal SM variations on radar backscatter. In particular, the model accounts for the formation of a transient wet layer at the soil surface during nighttime, followed by daytime evaporation. When integrated with a short-term change detection method, the model enabled the retrieval of soil moisture time series with improved accuracy, particularly under conditions of high incidence angles and during rapid transitions following precipitation. The second part of the thesis focuses on the radar response to crop development. It is shown that radar backscatter and interferometric coherence are sensitive to plant height and phenological stage, though these relationships weaken under dense vegetation. A new metric, the daily growth rate, was introduced to better characterize crop evolution, correlating better with radar observables than traditional static parameters. Additionally, diurnal cycles in backscatter, primarily driven by dew formation and atmospheric humidity, were consistently observed and quantified. The final part of the thesis investigates the scattering mechanisms underlying the radar signal using several polarimetric decomposition techniques. These tools allowed for a detailed temporal characterization of how radar signals respond to environmental variables and crop growth stages. While all decomposition methods provided valuable insights, each also presented limitations, particularly in high biomass conditions where traditional models tended to overestimate volume scattering due to saturation effects. To address these limitations, the NNED was applied, reducing inconsistent scattering artifacts and improving robustness especially under dense canopies. The study also highlights that attributing all volumetric scattering to cross-polarized channels is overly simplistic. It is suggested that future research should explore combinations of different decomposition methods and leverage time-series analysis to refine interpretations of crop–environment interactions. In conclusion, this work demonstrates the potential of high-temporal-resolution SAR for monitoring short-term variations in soil and vegetation conditions. By integrating advanced modeling, coherence analysis, and polarimetric decompositions, the thesis provides a comprehensive framework for improving the understanding of land surface processes. The findings contribute to the current development of SAR-based methods for precision agriculture and offer practical guidance for the design of future radar missions targeting environmental and agricultural monitoring applications.

(Català) Els canvis recents en el clima i els patrons meteorològics han posat de manifest la necessitat de millorar l’observació i la comprensió de les interaccions ràpides entre la superfície terrestre i l’atmosfera, especialment les relacionades amb el cicle de l’aigua. Aquesta tesi explora l’ús del SAR d’alta resolució temporal per monitorar la dinàmica del sòl i dels conreus, amb l’objectiu de donar suport al desenvolupament de futures missions d’observació de la Terra, especialment aquelles en òrbita geoestacionària amb intervals de revisita curts. La recerca s’ha dut a terme en el marc del projecte HydroSoil, finançat per l’ESA, que va establir una instal·lació única d’observació terrestre basada en SAR. El sistema permet la monitorització contínua de camps de conreu amb una resolució temporal de 10 minuts i espacial d’1 m² en el boresight. Amb dades meteorològiques i de camp detallades, s’ha disposat d’un entorn ideal per estudiar les dinàmiques a curt termini de la humitat del sòl i el desenvolupament del conreu, centrant-se en ordi i blat de moro. La primera part de l’estudi analitza els cicles diürns en les sèries de retrodispersió del radar i la seva relació amb variables ambientals com la humitat atmosfèrica, la temperatura i la rosada. Es van aplicar tècniques temps-freqüència amb ondetes per quantificar les correlacions entre senyals radar i variables meteorològiques a diferents escales. A continuació, un model de dispersió superficial de dues capes va permetre representar millor les variacions diürnes de la humitat del sòl, considerant la formació d’una capa humida durant la nit i la seva evaporació durant el dia. Integrat amb un mètode de detecció de canvis a curt termini, aquest enfocament va millorar la recuperació de la humitat del sòl, especialment amb angles d’incidència alts i durant canvis ràpids després de pluges. La segona part se centra en la resposta del radar al desenvolupament dels conreus. Es mostra que la retrodispersió i la coherència interferomètrica són sensibles a l’alçada i a l’estadi fenològic de la planta, tot i que aquestes relacions es debiliten amb vegetació densa. S’ha introduit la mètrica de taxa de creixement diària per caracteritzar millor l’evolució del conreu, mostrant una correlació més forta amb les observables radar que els paràmetres estructurals estàtics. També es van observar cicles diürns en la retrodispersió, causats principalment per la rosada i la humitat. La darrera part de la tesi investiga els mecanismes de dispersió del senyal radar mitjançant diverses tècniques de descomposició polarimètrica. Aquestes eines van permetre caracteritzar temporalment com el radar respon a les condicions ambientals i al creixement del conreu. Tots els mètodes van aportar informació útil, però amb limitacions en condicions de biomassa elevada, on els models tradicionals sovint sobreestimaven la dispersió volumètrica per saturació. Per arreglar-ho, es va aplicar la tècnica NNED, que redueix artefactes inconsistents i millora la robustesa, especialment en canòpies denses. L’estudi també assenyala que atribuir tota la dispersió volumètrica als canals de polarització creuada és massa simplista. Es proposa combinar tècniques de descomposició i aprofitar l’anàlisi de sèries temporals per refinar la interpretació de les interaccions entre conreu i entorn. En conclusió, aquest treball demostra el potencial del SAR d’alta resolució temporal per monitorar variacions a curt termini en el sòl i la vegetació. Integrant modelització, anàlisi de coherència i tècniques polarimètriques, la tesi ofereix un marc sòlid per a la comprensió dels processos de la superfície terrestre. Els resultats contribueixen al desenvolupament de mètodes SAR per a l’agricultura de precisió i ofereixen orientació pràctica per a futures missions de radar ambientals i agrícoles.

(Español) Los cambios recientes en el clima y los patrones meteorológicos han evidenciado la necesidad de mejorar la observación y comprensión de las interacciones rápidas entre la superficie terrestre y la atmósfera, especialmente las relacionadas con el ciclo del agua. Esta tesis explora el uso de SAR de alta resolución temporal para monitorizar la dinámica del suelo y los cultivos, con el objetivo de apoyar el desarrollo de futuras misiones de observación de la Tierra, sobretodo desde órbitas geoestacionarias con tiempos de revisita cortos. La investigación se ha llevado a cabo en el marco del proyecto HydroSoil, financiado por la ESA, con una instalación terrestre única de observación basada en SAR. El sistema permite el monitoreo continuo de campos de cultivo con resolución temporal de 10’ y espacial de 1 m2 en el centro. Con datos meteorológicos y de campo, se contó con un entorno ideal para estudiar las rápidas de la humedad del suelo y el desarrollo del cultivo (cebada y maíz). La primera parte analiza los ciclos diurnos en las series de retrodispersión del radar y su relación con variables ambientales como la humedad atmosférica, la temperatura y el rocío. Se aplicaron técnicas de análisis tiempo-frecuencia con ondas para cuantificar correlaciones entre señales radar y variables meteorológicas en distintas escalas temporales. También se empleó un modelo de dispersión superficial de dos capas para representar mejor las variaciones diurnas de la humedad del suelo, considerando la formación nocturna de una capa húmeda transitoria y su evaporación diurna. Integrado con un método de detección de cambios a corto plazo, este enfoque mejoró la estimación de la humedad del suelo, especialmente en condiciones de ángulos de incidencia altos y durante transiciones rápidas tras precipitaciones. La segunda parte se centra en la respuesta del radar al desarrollo de los cultivos. Se demuestra que la retrodispersión y la coherencia interferométrica son sensibles a la altura de las plantas y al estado fenológico, aunque estas relaciones se debilitan en presencia de vegetación densa. Se ha introducido la métrica de tasa de crecimiento diaria para caracterizar mejor la evolución del cultivo con mejor correlación con observables radar que los parámetros estáticos tradicionales. Además, se observaron y cuantificaron ciclos diurnos en la retrodispersión, causados principalmente por el rocío y la humedad atmosférica. La última parte de la tesis investiga los mecanismos de dispersión de la señal radar mediante diversas técnicas de descomposición polarimétrica. Estas herramientas permitieron caracterizar temporalmente cómo responde el radar a las condiciones ambientales y al crecimiento del cultivo. Aunque todos los métodos proporcionaron información valiosa, presentaron limitaciones en situaciones de alta biomasa, donde los modelos tradicionales tienden a sobreestimar la dispersión volumétrica debido a efectos de saturación. Para abordar estas limitaciones se aplicó la técnica NNED, que reduce artefactos de dispersión inconsistentes y mejora la robustez, especialmente en cultivos densos. El estudio también destaca que atribuir toda la dispersión volumétrica a los canales de polarización cruzada resulta excesivamente simplista. Se propone que futuras investigaciones combinen distintos métodos de descomposición y aprovechen el análisis temporal para refinar la interpretación de las interacciones cultivo-entorno. En conclusión, este trabajo demuestra el potencial del SAR de alta resolución temporal para monitorizar variaciones a corto plazo en las condiciones del suelo y la vegetación. Al integrar modelización avanzada, análisis de coherencia y técnicas polarimétricas, la tesis establece un marco sólido para comprender los procesos de la superficie terrestre. Los resultados contribuyen al desarrollo de métodos SAR aplicados a la agricultura de precisión y ofrecen orientación práctica para el diseño de futuras misiones radar de seguimiento.