Multitemporal InSAR in land-cover and vegetation mapping

Abstract

Synthetic Aperture Radar (SAR) is an active microwave instrument that has a number of favourable characteristics, one of which is its independence from lighting conditions or cloud cover, which make it an indispensable instrument for earth observation from space. Classification of land cover and vegetation mapping are some of the major uses of SAR in environmental monitoring, and in order to reach the full potential of the SAR instrument, a coherent technique called SAR interferometry (InSAR) should be utilised. The so-called repeat-pass InSAR-techniques are possible only if the satellite is on a repeating orbit with a relatively short repeat-period (up to two weeks at C-band).

This research focuses on multitemporal repeat-pass InSAR datasets from the Tandem- mission of the ERS-1 and ERS-2 satellites, which provided a time-series of InSAR-acquisitions with a 24-hour temporal baseline, a baseline which is very favourable to land-cover and vegetation mapping at C-band. The main research topic for this thesis is the assessment of the information content of a multitemporal InSAR time-series from an applications perspective. The work has concentrated on three application domains - land cover classification, stem volume estimation in boreal forests and the estimation of agricultural crop heights.

This study demonstrates that multitemporal ERS-1/2 Tandem InSAR data is clearly superior to non-interferometric (intensity-only) data, and that the applications-potential of the data is very high for land cover classification, high to very high for boreal forest stem volume estimation and moderate to high for the estimation of agricultural crop heights. During the study novel methods were developed for both land cover classification and boreal forest stem volume estimation, as well as for their combination. An outline for an operational system for land cover classification and vegetation using multitemporal InSAR data is presented. The methods developed in this thesis can be utilised with data from the C-band ESA Sentinel-1 constellation, whose 12- and 6-day repeat InSAR data can be expected to make a large impact in both land cover classification and vegetation mapping.

Synteettisen apertuurin tutka (SAR) on aktiivinen mikroaaltoinstrumentti jolla on useita hyödyllisiä ominaisuuksia, esimerkiksi riippumattomuus valaistusolosuhteista tai pilvi- peitteestä. Nämä ominaisuudet tekevät SAR-tutkasta korvaamattoman instrumentin maapallon havainnoinnissa avaruudesta. Maankäytön luokittelu ja kasvillisuuden kartoitus ovat eräitä SAR tutkan pääkäyttökohteita ympäristön kaukokartoituksessa. SAR-tutkan täysi potentiaali tämän tyyppisessä kaukokartoituksessa saavutetaan hyödyntämällä instrumentin koherenttia luonnetta niin kutsutussa SAR-tutkainterferometriassa, joka vaatii että SAR-tutkaa operoidaan toistuvalta radalta niin että radan toistojakso on varsin lyhyt (alle kaksi viikkoa C-taajuusalueen tutkalla).

Tässä tutkimuksessa on keskitytty monen ajankohdan interferometrisiin datasetteihin jotka on kerätty ERS-1 ja ERS-2 satelliittien nk. Tandem-kampanjojen aikana, jolloin radan interfetometrinen toistojakso oli vain 24-tuntia, mikä soveltuu erityisen hyvin maankäytön luokitteluun ja kasvillisuuden kartoittamiseen C-taajuusalueella. Tutkimuksen päätutkimuskohde on monen ajankohdan interferometrisen SAR-aikasarjan informaatiosisällön arviointi sovellusnäkökulmasta. Tutkimustyö on keskittynyt kolmelle sovellusalueelle - maankäytön luokitteluun, metsän runkotilavuuden arviointiin sekä viljelykasvien pituuden arviointiin.

Tämä tutkimus osoittaa, että monen ajankohdan interferometrinen ERS-1/2 Tandem aikasarja on hyödynnettävyydessään ylivoimainen ei-interferometriseen (vain intensiteetti) aikasarjaan verrattuna. Tällaisen interferometrisen aikasarjan sovelluspotentiaali on maankäytön luokittelussa erittäin korkea, korkeasta erittäin korkeaan metsän runkotilavuuden arvioinnissa ja keskinkertaisesta korkeaan viljelykasvien pituuden arvioinnissa. Tutkimuksen aikana kehitettiin uusia menetelmiä sekä maankäytön luokitteluun, metsän runkotilavuuden arviointiin, että niiden yhdistelmään. Lisäksi väitöstyössä esitetään menetelmä operatiiviseen maankäytön luokitteluun ja metsän runkotilavuuden arviointiin monen ajankohdan interferometriselta SAR-aikasarjalta. Tässä työssä kehitettyjä menetelmiä voidaan käyttää myös C-taajuudella toimivan Euroopan Avaruusjärjestön Sentinel-1 tutkasatelliitti konstellaation keräämän datan kanssa.