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Integration of L-Band Derived Soil Roughness into a Bare Soil Moisture Retrieval Approach from C-Band SAR Data

Authors :
Marcel M. El Hajj
Ghaleb Faour
Mohamad Hamze
Bruno Cheviron
Hassan Bazzi
Nicolas Baghdadi
Mehrez Zribi
Territoires, Environnement, Télédétection et Information Spatiale (UMR TETIS)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-AgroParisTech-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
National Council for Scientific Research = Conseil national de la recherche scientifique du Liban [Lebanon] (CNRS-L)
ITK [Clapiers]
King Abdullah University of Science and Technology
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)
Gestion de l'Eau, Acteurs, Usages (UMR G-EAU)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-AgroParisTech-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
French Space Study Center (CNES, TOSCA 2021 project)
National Research Institute for Agriculture, Food and the Environment (INRAE)
French Ministry of Foreign Affairs (French Embassy in Beirut)
Lebanese National Council of Scientific Research
King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)
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)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-AgroParisTech-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)
Source :
Remote Sensing, Vol 13, Iss 2102, p 2102 (2021), Remote Sensing, Remote Sensing, MDPI, 2021, 13 (11), ⟨10.3390/rs13112102⟩, Remote Sensing, 2021, 13 (11), ⟨10.3390/rs13112102⟩, Remote Sensing; Volume 13; Issue 11; Pages: 2102
Publication Year :
2021
Publisher :
MDPI AG, 2021.

Abstract

International audience; Surface soil moisture (SSM) is a key variable for many environmental studies, including hydrology and agriculture. Synthetic aperture radar (SAR) data in the C-band are widely used nowadays to estimate SSM since the Sentinel-1 provides free-of-charge C-band SAR images at high spatial resolution with high revisit time, whereas the use of L-band is limited due to the low data availability. In this context, the main objective of this paper is to develop an operational approach for SSM estimation that mainly uses data in the C-band (Sentinel-1) with L-bands (ALOS/PALSAR) as additional data to improve SSM estimation accuracy. The approach is based on the use of the artificial neural networks (NNs) technique to firstly derive the soil roughness (Hrms) from the L-band (HH polarization) to then consider the L-band-derived Hrms and C-band SAR data (VV and VH polarizations) in the input vectors of NNs for SSM estimation. Thus, the Hrms estimated from the L-band at a given date is assumed to be constant for a given times series of C-band images. The NNs were trained and validated using synthetic and real databases. The results showed that the use of the L-band-derived Hrms in the input vector of NN in addition to C-band SAR data improved SSM estimation by decreasing the error (bias and RMSE), mainly for SSM values lower than 15 vol.% and regardless of Hrms values. Based on the synthetic database, the NNs that neglect the Hrms underestimate and overestimate the SSM (bias ranges between −8.0 and 4.0 vol.%) for Hrms values lower and higher than 1.5 cm, respectively. For Hrms 2.0 cm and SSM between 8 to 22 vol.%, the accuracy on the SSM estimation improved and the overestimation decreased by 2.2 vol.% (from 4.5 to 2.3 vol.%). From the real database, the use of Hrms estimated from the L-band brought a significant improvement of the SSM estimation accuracy. For in situ SSM less than 15 vol.%, the RMSE decreased by 1.5 and 2.2 vol.% and the bias by 1.2 and 2.6 vol.%, for Hrms values lower and higher than 1.5 cm, respectively.

Details

Language :
English
ISSN :
20724292
Volume :
13
Issue :
2102
Database :
OpenAIRE
Journal :
Remote Sensing
Accession number :
edsair.doi.dedup.....72e2531af1e9ae2c0123df8c2b833cb7