Μια μέθοδος για την απόκτηση υψηλής ευκρίνειας εδαφολογικής επιφανειακής υγρασίας

Από RemoteSensing Wiki

Μια μέθοδος για την απόκτηση υψηλής ευκρίνειας εδαφολογικής επιφανειακής υγρασίας από τις παρατηρήσεις ραδιομέτρων και ραντάρ του L-Band Hydros

Πρωτότυπος Τίτλος: A Method for Retrieving High-Resolution Surface Soil Moisture From Hydros L-Band Radiometer and Radar Observations

Συγγραφείς: Xiwu Zhan, Paul R. Houser, Jeffrey P. Walker, Wade T. Crow

Πηγή: IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 44, NO. 6, JUNE 2006, http://www.civenv.unimelb.edu.au/~jwalker/papers/tgars06.pdf

Εισαγωγή

Η εδαφολογική υγρασία είναι ένα κρίσιμο υδροσφαιρικό μεταβλητό στοιχείο που συχνά περιορίζει τις ανταλλαγές του νερού και της ενέργειας μεταξύ ατμόσφαιρας και επιφάνεια εδάφους, ελέγχει το ποσοστό στις βροχοπτώσεις μεταξύ της εξάτμισης, της διήθησης και της απορροής, και των επιδράσεων στις φωτοσυνθετικές και μικροβιολογικές αναπνευστικές δραστηριότητες. Η ακριβής μέτρηση αυτής της μεταβλητής στο σύνολο της εδαφικής επιφάνειας απαιτείται για το παγκόσμιο νερό, ενέργεια, το κύκλο του άνθρακα και τις σχετικές επιστήμες. Η τεχνολογία της τηλεπισκόπησης έχει τη δυνατότητα να παρέχει τις σφαιρικές χωροχρονικές πληροφορίες για τις μεταβολές της εδαφολογικής υγρασίας.

Υπάρχουν 2 μέθοδοι τηλεπισκόπησης που εφαρμόζονταν για το σκοπό αυτο, η παθητική ραδιομετρική τηλεπισκόπηση, που έχει υψηλότερη ακρίβεια αλλά χαμηλότερη χωρική διακριτική ικανότητα, και η ενεργός τηλεπισκόπηση, ραντάρ, που έχει υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα αλλά χαμηλή ακρίβεια. Για να υπερνικηθούν οι μεμονωμένοι περιορισμοί των δύο αυτών προσεγγίσεων, η αποστολή της NASA, arth System Science Pathfinder Hydrospheric States (Hydros), συνδυάζει καιτις δύο τεχνολογίες.

Για να υπερνικήσει τους μεμονωμένους περιορισμούς των δύο προσεγγίσεων (η παθητική ραδιομετρική τηλεπισκόπηση έχει υψηλότερο η ακρίβεια αλλά η χαμηλότερη χωρική ανάλυση και η ενεργός τηλεπισκόπηση ραντάρ έχουν την υψηλότερη χωρική ανάλυση αλλά τη χαμηλότερη ακρίβεια), ο ανιχνευτής Hydrospheric επιστήμης γήινων συστημάτων της NASA Η κρατική (Hydros) αποστολή συνδυάζει αυτές τις δύο τεχνολογίες. Η αποστολή Hydros θα χρησιμοποιήσει σε συνδυασμό, ένα περίπου 40 χλμ L-band ραδιόμετρο μικροκυμάτων και το ραντάρ 3 χλμ για να παρέχει τις σφαιρικής κλίμακας διαστημικές παρατηρήσεις εδαφολογικής επιφανειακής υγρασίας εδάφους με διάστημα επανάληψης τριών ημερών.

Αυτό το έγγραφο περιγράφει μια Μπεϋζιανή προσέγγιση στη συγχώνευση αυτών των παρατηρήσεων από το ραδιόμετρο και το ραντάρ. Αυτή η Μπεϋζιανή προσέγγιση συγχωνεύει βέλτιστα και των δύο τα στοιχεία παρατήρησης: το σχετικά ακριβές χονδροειδές ψηφίσμα του ραδιόμετρου και τις σχετικά θορυβώδεις υψηλού ψηφίσματος ραντάρ με μία προκαταρκτική υπόθεση εδαφολογικής υγρασίας.

Για την απλοποίηση, το πειραμα του συστήματος προσομοίωσης παρατηρήσεων (observing system simulation experiment - OSSE) υιοθετεί ένα εύκολο πλέγμα με λεπτό, μέσο και χονδροειδές ψηφίσμα από 3, 9, και 36 χλμ, αντίστοιχα.

Σχήμα 1: Σχηματική αναπαράσταση που παρουσιάζει τη σχέση μεταξύ του μιμούμενου HYDROS ραντάρ (3 χλμ) και ραδιόμετρο (36 χλμ που αντιπροσωπεύουν 40 χλμ) και μέσο ψήφισμα (9 χλμ που αντιπροσωπεύουν 10 χλμ) των αποτελεσμάτων εδαφολογικής υγρασίας στο Hydros OSSE.

ΣΥΝΟΛΟ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ HYDROS OSSE

Το σύνολο στοιχείων που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το έγγραφο παρήχθη στο Hydros OSSE. Το OSSE είχε ως σκοπό να μιμηθεί όσο το δυνατόν περισσότερο το συγκεκριμένο αισθητήρα Hydros και τα τροχιακά χαρακτηριστικά για να προετοιμάσει τους αλγορίθμους Hydros για την προγραμματισμένη έναρξή του το 2010. Το OSSE περιλαμβάνει τέσσερα στοιχεία: 1) ένα μοντέλο επιφάνειας εδάφους για να παραγάγει γεωφυσικά στοιχεία ανάλυσης 1 χλμ 2) ένα μοντέλο εκπομπής μικροκυμάτων και οπισθοδιασποράς (MEBM) για να παραγάγει τη ραδιομετρική θερμοκρασία φωτεινότητας και προσομοιώσεις οπισθοδιασποράς από ραντάρ σε ανάλυση 1 χλμ 3) συνάθροιση των παραγμένων 1 χλμ και των δεδομένων στο ραδιόμετρο Hydros (36 χλμ) και στο ραντάρ (3 χλμ) με τα προστιθέμενα λάθη οργάνων για να μιμηθεί τις παρατηρήσεις Hydros και 4) προσθήκη από τα λάθη βοηθητικών στοιχείων και την ανάκτηση εδαφολογικής υγρασίας από τις μιμούμενες παρατηρήσεις Hydros που χρησιμοποιούν τις υποψήφιες μεθόδους.

Εικονα 2: Χωρικοί χάρτες (α) του στατικού NDVI, (β) εδαφολογικού αργίλου, (γ) εδαφολογικής άμμου, (δ) περιεκτικότητα σε νερό της βλάστησης, (ε) παράμετρος τραχύτητας, (f) και δυναμική εδαφολογική υγρασία επιφάνειας μιας ημέρας (ημέρα 155 του 1994) των λεκανών του ποταμού Red-Arkansas.

Η εικόνα 2 δίνει τη χωρική διανομή της περιεκτικότητας σε νερό στη βλάστηση που υπολογίζεται από το χάρτη NDVI, την παράμετρο τραχύτητας, την εδαφολογική σύσταση (μέρη άμμου και αργίλου) και την εδαφολογική υγρασία για μια χαρακτηριστική ημέρα (ημέρα 155 του 1994). Το κεντρικό μέρος των λεκανών του ποταμού Red-Arkansas φαίνεται να είναι ξηρό και λιγότερο καλλιεργήσιμο σε σύγκριση με τη ανατολική πλευρά.

Εικονα 3: είναι ένα διάγραμμα ροής στοιχείων για την Μπεϋζιανή μέθοδο και η παραδοσιακή άμεση μέθοδος αντιστροφής για να ανακτήσει την εδαφολογική υγρασία από το σύνολο των στοιχείων OSSE. Ελλείψει της παρατήρησης και των μοντέλων διαταραχών παραμέτρου, πρέπει να είναι δυνατό να ανακτηθεί ο αληθής τομέας εδαφολογικής υγρασίας τέλεια όπως εάν χρησιμοποιούνταν στη διαδικασία ανάκτησης το ίδιο το ραδιόμετρο και το ραντάρ MEBM. Εντούτοις, δεδομένου ότι τα προσδοκώμενα λάθη έχουν προστεθεί στις αθροισμένες παρατηρήσεις και οι πρότυπες παράμετροι, η ανακτημένη εδαφολογική υγρασία δεν θα είναι ακριβώς ίδια με την αληθή εδαφολογική υγρασία που υπάρχει κάτω από την προσομοίωση. Ο σκοπός αυτού του εγγράφου είναι να καταδειχθεί η Μπεϋζιανή μέθοδος και να συγκριθούν τα αποτελέσματα με την άμεση μέθοδο αντιστροφής κατά τη χρησιμοποίηση του ίδιου συνόλου στοιχείων OSSE.

Εικονα 4: Χωρική διανομή των 3 χλμ (αριστερή στήλη), 9 χλμ (μέση), 36 χλμ (δεξιά), λάθη εδαφολογικής υγρασίας από τη μέθοδο αντιστροφής ραδιομέτρων (Τ) (άνω σειρά), μέθοδος αντιστροφής οπισθοδιασποράς ραντάρ 3 χλμ (μέση σειρά), και η Μπεϋζιανή μέθοδος συγχώνευσης (κατώτατη σειρά) για το υψηλού θορύβου σύνολο στοιχείων. Οι αριθμοί στις παρενθέσεις είναι το RMSEs στο σύνολο της λεκάνης.

Όπως παρουσιάζεται στην εικόνα 4, πολλά εικονοστοιχεία με υψηλά λάθη αντιστροφής ραδιομέτρων δεν έχουν υψηλά λάθη αντιστροφής ραντάρ (π.χ., εκείνα τα εικονοστοιχεία στο νοτιοανατολικό panhandle). Και οι δύο παρατηρήσεις (ραντάρ και ραδιομέτρων) για αυτά τα εικονοστοιχεία σταματούν το ένα το άλλο στη Μπεϋζιανή συγχωνευτική μέθοδο, έτσι ώστε η γενική απόδοση της Μπεϋζιανής μεθόδου να μην αντιστοιχεί απαραιτήτως στα αυξανόμενα λάθη στις αντιστροφές. Εντούτοις, όταν αποτυγχάνουν οι αντιστροφές ραντάρ και ραδιομέτρων ταυτόχρονα, η Μπεϋζιανή μέθοδος μπορεί να παρουσιάσει σχετικά υψηλό λάθος ακόμα κι αν το μέσο RMSEs και των δύο δεν είναι σχετικά υψηλό (δείτε το μικρό αυξανόμενο λάθος στην καμπύλη Bayesian Merging RMSE την ημέρα 150).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

Μια Μπεϋζιανή μέθοδος συγχώνευσης για την εδαφολογική επιφανειακή υγρασία έχει προταθεί και παρουσιάστηκε με τα σύνολα στοιχείων από το μοντέλο OSSE του Hydros. Η μέθοδος εφαρμόζει το σύστημα αναπροσαρμογών του φίλτρου Kalman για το συνδυασμό των δύο διαφορετικών παρατηρήσεων Hydros. Σε αυτήν την παρουσίαση χρησιμοποιήθηκε μια απλή αντιστροφή της οριζόντιας πόλωσης των θερμοκρασιών φωτεινότητας των ραδιομέτρων ως τομέας υποβάθρου της εδαφολογικής υγρασίας και σαν παρατήρηση, οι τρεις πολώσεις του 3 χλμ ραντάρ οπισθοδιασποράς και δύο πολώσεις θερμοκρασίας φωτεινότητας των 36 χλμ ραδιομέτρου. Η Μπεϋζιανή μέθοδος παρήγαγε έπειτα ένα 3 χλμ τομέας με στοιχεία εδαφικής υγρασίας. Αυτά τα 3 χλμ αποτελέσματα εδαφολογικής υγρασίας αθροίστηκαν έπειτα σε 9 χλμ για να παραγάγουν ένα μέσης ανάλυσης στοιχείο εδαφολογικής υγρασίας.

Ενώ η παραγωγή ενός περίπλοκου μοντέλου πρόβλεψης της επιφάνειας του εδάφους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υπόβαθρο για ένα Kalman φίλτρο αναπροσαρμογή ύφους (με τη δυνατότητα να ανακτηθούν επίσης τα πρόσθετα επιφανειακά στοιχεία), η Μπεϋζιανή μέθοδος που παρουσιάζεται απαιτεί μόνο εκείνα τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται από τους «παραδοσιακούς» αλγορίθμους τηλεπισκόπησης για την ανάκτηση εδαφολογικής υγρασίας και οδηγείται σε ένα μοντέλο ανεξάρτητο της επιφανειακής εδαφολογικής υγρασίας.

Με βάση τα στοιχεία από το OSSE, η Μπεϋζιανή μέθοδος παρήγαγε καλύτερα την εδαφολογική υγρασία έναντι των παραδοσιακών αριθμητικών αντιστροφών των παρατηρήσεων του ραντάρ ή ραδιομέτρων. Το μέσο λάθος μέσης τετραγωνικής τιμής (root mean square error - RMSE) των 3 χλμ των αποτελεσμάτων εδαφολογικής υγρασίας από τη Μπεϋζιανή μέθοδο ήταν 2.8%v/v σε σύγκριση με το 3.6%v/v από τις άμεσες αντιστροφές οπισθοδιασποράς ραντάρ για ένα σύνολο στοιχείων χαμηλού θορύβου. Για το ρεαλιστικότερο σύνολο στοιχείων υψηλού θορύβου, το RMSE από τη Μπεϋζιανή μέθοδο ήταν 3.8%v/v σε σύγκριση με 6.0% από τις άμεσες αντιστροφές οπισθοδιασποράς ραντάρ.

Οι τιμές και οι σειρές των παραμέτρων του μοντέλου προσομοίωσης (όπως η περιεκτικότητα σε νερό βλάστησης, η παράμετρος τραχύτητας) μπορούν να μην είναι αντιπροσωπευτικές στην παγκόσμια κλίμακα ή τις μεγάλες περιφερειακές κλίμακες, και οι ίδιοι αλγόριθμοι ανάκτησης χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή και την ανάκτηση στοιχείων. Εντούτοις, η διασύγκριση των μεθόδων ανάκτησης εδαφολογικής υγρασίας είναι βασισμένη στα ίδια δοκιμαστικά στοιχεία και η Μπεϋζιανή μέθοδος χρησιμοποιεί τα ίδια μοντέλα μεταφοράς ακτινοβολίας. Αυτά τα αποτελέσματα υπονοούν ότι η Μπεϋζιανή συγχωνευτική μέθοδος για την εδαφολογική υγρασία από τις παρατηρήσεις του Hydros ραντάρ και των ραδιομέτρων είναι μια ελπιδοφόρος προσέγγιση στην επίτευξη του υψηλότερου χωρικού ψηφίσματος και των ακριβέστερων αποτελεσματων εδαφολογικής υγρασίας από τις δορυφορικές παρατηρήσεις.