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A Hybrid (Multi-Angle and Multipolarization) Approach to Soil Moisture Retrieval Using the Integral Equation Model: Preparing for the RADARSAT Constellation Mission

Merzouki, A., McNairn, H. (2015). A Hybrid (Multi-Angle and Multipolarization) Approach to Soil Moisture Retrieval Using the Integral Equation Model: Preparing for the RADARSAT Constellation Mission, 41(5), 349-362. http://dx.doi.org/10.1080/07038992.2015.1104629

Abstract

Copyright © 2015 Crown copyright. Abstract. The main objective of this research was to develop, test, and validate a soil moisture retrieval method for agricultural fields using C-band synthetic aperture radar (SAR) data in preparation for the RADARSAT Constellation Mission (RCM). The integral equation model (IEM) was used to estimate soil moisture for 12 quad-polarimetric RADARSAT-2 images acquired in 2011 and 2012 over a test site in eastern Canada. A new hybrid inversion scheme is introduced whereby field-level soil moisture retrieval was accomplished through a look-up table (LUT) optimization using backscatter from pairs of RADARSAT-2 data acquired at two incidence angles and two polarizations. The accuracy of this new hybrid approach was compared to that of the more conventional multipolarization inversion. For validation purposes, in situ soil moisture was monitored using a network of four stations designed to capture the maximum soil variability within the study area. Results showed that the hybrid approach provided the best estimates with a mean absolute error of 4.13%. Unlike the multipolarization inversion, the hybrid approach does not require a roughness calibration term. This model/inversion configuration was implemented to produce soil moisture maps from image pairs acquired at different incidence angles. Spatiotemporal changes conveyed by retrieved maps were assessed using an index of absolute normalized moisture difference. The resulting maps provided meaningful information, showing the potential of combining a soil moisture index statistic, IEM, and RADARSAT data in estimating soil moisture conditions. Based on the results presented here, the hybrid approach is well suited for the planned RADARSAT Constellation Mission considering the more frequent relook expected with three satellites. Agriculture and Agri-Food Canada is preparing to implement the hybrid approach to monitor soil moisture across Canada's agricultural landscapes using RCM. Résumé. L’objectif principal de cette recherche était de développer, tester et valider une méthode d'extraction de l’humidité du sol pour les champs agricoles en utilisant des données du radar à synthèse d’ouverture (RSO) en bande C en préparation de la mission de la Constellation RADARSAT (MCR). Le modèle des équations intégrales (MEI) a été utilisé pour estimer l’humidité du sol pour 12 images polarimétriques de RADARSAT-2 acquises en 2011 et 2012 sur un site d’essai dans l’est du Canada. Un nouveau système d’inversion hybride est présenté dans lequel l'extraction de l’humidité du sol au niveau du terrain a été réalisée grâce à une optimisation de table de recherche en utilisant la rétrodiffusion des paires de données RADARSAT-2 acquises à deux angles d’incidence et à deux polarisations. La précision de cette nouvelle approche hybride a été comparée à celle de l’inversion multipolarisation plus classique. À des fins de validation, l’humidité du sol in situ a été surveillée en utilisant un réseau de quatre stations disposées pour obtenir la variabilité maximum du sol dans la zone d’étude. Les résultats ont montré que l’approche hybride a fourni les meilleures estimations avec une erreur absolue moyenne de 4,13 %. Contrairement à l’inversion multipolarisation, l’approche hybride ne nécessite pas un terme d’étalonnage de rugosité. Cette configuration modèle / inversion a été mise en œuvre pour produire des cartes d’humidité du sol à partir de paires d’images acquises à différents angles d’incidence. Les changements spatio-temporels représentés par des cartes extraites ont été évalués en utilisant un indice de la différence normalisée absolue de l’humidité. Les cartes résultantes ont fourni des informations utiles, montrant le potentiel de combiner une statistique de l’indice de l’humidité du sol, MEI, et les données de RADARSAT pour estimer les conditions d’humidité du sol. Basée sur les résultats présentés ici, l’approche hybride est bien adaptée à la mission de la Constellation RADARSAT compte tenu de la réobservation plus fréquente prévue avec trois satellites. Agriculture et Agroalimentaire Canada se prépare à mettre en œuvre l’approche hybride pour la surveillance de l’humidité du sol dans les paysages agricoles du Canada à l’aide de la MCR.

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