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Testing regression equations to derive long-term global soil moisture datasets from passive microwave observations

Authors :
R.A.M. de Jeu
J. P. Wigneron
Yann Kerr
Philippe Richaume
Ahmad Al Bitar
Agnès Ducharne
Arnaud Mialon
Nemesio Rodriguez-Fernandez
Amen Al-Yaari
R. van der Schalie
A. J. Dolman
Interactions Sol Plante Atmosphère (UMR ISPA)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Ecole Nationale Supérieure des Sciences Agronomiques de Bordeaux-Aquitaine (Bordeaux Sciences Agro)
Centre d'études spatiales de la biosphère (CESBIO)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA)
Faculty of Earth and Life Sciences [Amsterdam] (FALW)
Vrije Universiteit Amsterdam [Amsterdam] (VU)
Milieux Environnementaux, Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols (METIS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École pratique des hautes études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)
Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
ESA, TOSCA/CNES
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-École Pratique des Hautes Études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Interactions Sol Plante Atmosphère (ISPA)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École pratique des hautes études (EPHE)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-École pratique des hautes études (EPHE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Remote Sensing of Environment, Remote Sensing of Environment, Elsevier, 2016, 180, pp.453-464. ⟨10.1016/j.rse.2015.11.022⟩, Remote Sensing of Environment, 2016, 180, pp.453-464. ⟨10.1016/j.rse.2015.11.022⟩
Publication Year :
2016
Publisher :
Elsevier BV, 2016.

Abstract

International audience; Within the framework of the efforts of the European Space Agency (ESA) to develop the most consistent and complete record of surface soil moisture (SSM), this study investigated a statistical approach to retrieve a global and long-term SSM dataset from space-borne observations. More specifically, this study investigated the ability of physically based statistical regressions to retrieve SSM from two passive microwave remote sensing observations: the Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E; 2003–Sept. 2011) and the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) satellite. Regression coefficients were calibrated using AMSR-E horizontal and vertical brightness temperature (TB) observations and SMOS level 3 SSM (SMOSL3; as a training dataset). This calibration process was carried out over the June 2010–Sept. 2011 period, over which both SMOS and AMSR-E observations coincide. Based on these calibrated coefficients, a global SSM product (referred here to as AMSR-reg) was computed from the AMSR-E TB observations during the 2003–2011 period. The regression quality was assessed by evaluating the AMSR-reg SSM product against the SMOSL3 SSM product over the period of calibration, in terms of correlation (R) and Root Mean Square Error (RMSE). A good agreement (mean global R = 0.60 and mean global RMSE = 0.057 m3/m3), was obtained between the AMSR-reg and SMOSL3 SSM products particularly over Australia, central USA, central Asia, and the Sahel. In a second step, the AMSR-reg SSM retrievals and commonly used AMSR-E SSM retrievals derived from the Land Parameter Retrieval Model (AMSR-LPRM), were evaluated against two kinds of SSM references (i) the global MERRA-Land SSM simulations and (ii) in situ measurements over 2003–2009. The results demonstrated that both AMSR-reg and AMSR-LPRM (better when considering global simulations) successfully captured the temporal dynamics of the references used having comparable correlation values. AMSR-reg was more consistent with MERRA-land than AMSR-LPRM in terms of unbiased RMSE (ubRMSE) with a global average of ubRMSE of 0.055 m3/m3 for AMSR-reg and 0.084 m3/m3 for AMSR-LPRM. In conclusion, the statistical regression, which is tested here for the first time using long-term spaceborne TB datasets, appears to be a promising approach for retrieving SSM from passive microwave remote sensing TB observations.

Details

ISSN :
00344257 and 18790704
Volume :
180
Database :
OpenAIRE
Journal :
Remote Sensing of Environment
Accession number :
edsair.doi.dedup.....2d67aba0b790c6789eff024b6afc346a