roccopancieramesiano sept25 2013

23
Towards Global Remote Sensing of Soil Moisture: Rocco Panciera Wednesday, September 25, 13

Upload: abouthydrology-slides

Post on 12-Apr-2017

515 views

Category:

Education


0 download

TRANSCRIPT

Towards  Global  Remote  Sensing  of  Soil  Moisture:  

Rocco  Panciera

Wednesday, September 25, 13

The  last  10  years• 2003:        Master,  University  of  Trento,                                                                      

Distributed  hydrological  modeling

• 2004  –  2009:    PhD,  University  of  Melbourne,                                                  Passive  microwave  remote  sensing  of  soil  moisture,

 

• 2009  –  2010:    Research  Fellow,  University  of  Melbourne,  Passive  and  ac9ve  microwave  remote  sensing  of  soil  moisture

• 2011  –  present:  Super  Science  Fellowship,  ARC                                                                    SAR  remote  sensing  of  soil  moisture

2

Wednesday, September 25, 13

AcIvity  Overview

Instrument  Development

Field  Experiments Research

• Soil  moisture  monitoring  system

• Airborne  SyntheIc  Aperture  Radar  (SAR)

• NAFE’05• NAFE’06• SMAPEx-­‐1• SMAPEX-­‐2• SMAPEx-­‐3

• …

3

Wednesday, September 25, 13

Research  Overview

Remote  sensing  of  Land  surface  

Soil  Moisture Land  Cover VegetaAon  Biomass

4

Wednesday, September 25, 13

Research  Overview

Remote  sensing  of  Land  surface  

Soil  Moisture Land  Cover VegetaAon  Biomass

LiDAR

SAR

PassiveMicrowave

OpIcal/IR

SAR SAR

OpIcal/IR

SAR:SyntheIc  Aperture  Radar

4

Wednesday, September 25, 13

(MANY)Field  Experiments

2011

Soil  Moisture  AcIve  Passive  Experiment  (SMAPEx)

Dec  2010

AMSR-­‐E    ValidaIon  2004

NaIonal  Airborne  Field  Experiments  (NAFE)

20062005

Jul  2010

5

Wednesday, September 25, 13

Instrument  Development

• Hydraprobe  Data  AcquisiIon  System  (HDAS)

6

Wednesday, September 25, 13

Instrument  Development

• Hydraprobe  Data  AcquisiIon  System  (HDAS)

Soil  moisture  (vol) VegetaIon  height  (cm)VegetaIon  Type

7

Wednesday, September 25, 13

Instrument  Development

• Polarimetric  L-­‐band  Imaging  SAR  (PLIS)

8

Wednesday, September 25, 13

Instrument  Development

• Polarimetric  L-­‐band  Imaging  Sca`erometer  (PLIS)

SAR  SensiIvity:Soil  moistureSurface  roughnessVegetaIon  structureVegetaIon  water  contentVegetaIon  height

Flight  path

3km

3km

15°15°

45°

45°

9

Wednesday, September 25, 13

Airborne  Field  Experiments

• Soil  Moisture  AcIve  Passive  Experiments  (SMAPEx)

~40km

Soil  moisture  Sampling

Surface  roughness  &  vegetaIon  sampling

Panciera,  R.,  Walker,  J.P,  Jackson,  T  J.,  Ryu,  D.,  Gray,  D.,  Monerris,  A.,  Yardley,  H.,  Tanase,  M.,  Rudiger,  C.  et  al.,“The  Soil  Moisture  Ac9ve  Passive  Experiments  (SMAPEx):  Towards  Soil  Moisture  Retrieval  from  the  SMAP  Mission”,  IEEE  Transac9ons  of  Geoscience  and  Remote  Sensing,  51(9),  2013.  

Passive   AcIve  

10

Wednesday, September 25, 13

Airborne  Field  Experiments11

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  SAR

• SensiIvity  of  SAR  to  soil  moisture  (Mv)

Bare  soil

Canola  ~  140cm  height

Wheat  ~  50cm  height

-­‐20.0000

-­‐15.0000

-­‐10.0000

-­‐5.0000

0 2 4 6 8 10

SAR  dB

Days

SAR  HH-­‐pol MvSAR  VV-­‐pol

12

IrrigaAon

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  SAR

• SensiIvity  of  SAR  to  soil  moisture

13

RoughSurface

Smoothsurface

Surface  RMS  [cm]

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  SAR

• Time-­‐series  approach:  Backsca`er  dynamic  over  short  periods  solely  due  to  soil  moisture  changes

Snapshotapproach

Time-­‐seriesapproach

14

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  SAR

• Time  series  approach  Using  1km  ALOS  PALSAR  data  in  Australia

Satalino,  G.,  Maja,  F.,  Balenzano  A.,  Panciera,  R.,  Walker,  J.P,  “Soil  Moisture  Maps  from  Ime  series  of  PALSAR-­‐1  scansar  data  over  Australia”,  Proceedings  of  IEEE  Interna9onal  Geoscience  and  Remote  Sensing  Symposium  2013  (IGARSS  2013),  21-­‐26  July,  Melbourne,  Australia.  

15

Wednesday, September 25, 13

Surface  roughness  from  LiDAR

Turner,  R.,  Panciera,  R.,  Tanase,  M.,  Lowell,  K.,  Hacker,  J.,  Walker,  P.,  J.,”  Es9ma9on  of  Soil  Surface  Roughness  of  Agricultural  Soils  using  Airborne  LiDAR”,  Remote  Sensing  of  Environment,  In  review,  2013.

16

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  Passive  microwave

• Algorithm  development  for  ESA’s  SMOS  for  Australian  condiIons

Uncalibrated  parameter  “b”   Calibrated  parameter  “b”  

(Jackson  and  Schmugge,  1991)

Wheat/barley

pastures

Panciera,  R.,  Walker,  J.P.,  Kalma,  J.D.,  Kim  E.J.,  Saleh,  K.,  Wigneron,  J.-­‐P.,  “Evalua9on  of  the  SMOS  L-­‐MEB  passive  microwave  soil  moisture  retrieval  algorithm”.  Remote  Sensing  of  Environment,  113(2):  p.  435-­‐444,  2009.  

17

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  AcIve/Passive  microwave

• Downscaling  algorithm  development  for  NASA’s  SMAP  mission

Airborne Simulated  SMAP

AcIve/passiveDownscaling  to  

9km

Downscaling  error  KPassive

AcIve

Passive

AcIve

18

RMSE  =  1.5  –  5.8  KSMAP  target  =  2.4K

Wednesday, September 25, 13

Soil  Moisture  from  Passive  &  OpIcal/NIR

• Downscaled  SMOS  +  MODIS  1km  soil  moisture  productJanuary  2-­‐14,  2011

Tropical  Cyclone  Oswald

Piles,  M.,  Camps,  A.  ,  Vall-­‐llossera,  M.,  Corbella,  I.  Panciera,  R.,  Rudiger,  C.,  Kerr,  Y.  and  Walker,  J.,  “Downscaling  SMOS-­‐derived  soil  moisture  using  MODIS  visible/infrared  data”,  Accepted  for  publica9on  in  IEEE  Transac9on  on  Geoscience  and  Remote  Sensing,  TGRS-­‐2010-­‐00403.R1,  2010.

20

Wednesday, September 25, 13

Land  cover  from  SAR  &  opIcal  • Supervised  land  cover  classificaIon  using  Cosmos-­‐SkyMed  &  Landsat

19

Overall  classifica9on  Accuracy  (OA)

Landsat5,  2  imagesOA  =  93%

Cosmo-­‐SkyMed,  8  images,  HH  and  HV:  OA  

=  80%

Wednesday, September 25, 13

Forest  Biomass  from  SAR  and  LiDAR

Tanase,  M,  R.  Panciera,  K.  Lowell,  C.  Aponte,  J.  M.  Hacker,  J.  P.  Walker,  “Forest  Biomass  Es9ma9on  at  High  Spa9al  Resolu9on:  Radar  vs.  Lidar  sensors”,  accepted  for  publica9on,  IEEE  Geoscience  and  Remote  Sensing  Le_ers;  

21

Wednesday, September 25, 13

CollaboraIons• Consiglio  Nazionale  della  Ricerca,  Italy                                                                                              

–  AcIve  microwave  &  land  cover  mapping• Jet  Propulsion  Laboratory,  Pasadena                                                                                                  

–  AcIve  Microwave  (SMAP  mission)

• United  States  Department  of  Agriculture                                                                                  –  AcIve/passive  microwave  (SMAP  mission)

• European  Space  Agency                                                                                                                                              –  Passive  microwave  (SMOS  mission)

• Australian  Defence  Science  and  Technology  OrganisaAon  (DSTO)                                                                                                                                                                                                            –  Airborne  SAR  development/calibraIon

• Barcelona  SMOS  Expert  Centre                                                                                                                                –  SMOS/MODIS  soil  moisture  product                                                                                                                                                                  

22

Wednesday, September 25, 13