L-band microwave radiometry for the monitoring of high latitude soil processes

Abstract

Remote sensing satellites provide vast possibilities for the observation of the Earth on both the regional (e.g. natural hazards, and various mapping and land use applications) and global scales (e.g. effects and indicators of climate change, weather phenomena). The increasingly rapid technological development of satellite payload instruments continues to make new innovations in Earth Observation possible. One such advancement was achieved with the successful launch of the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) satellite in late 2009. The SMOS payload instrument was the first two-dimensional aperture synthesis radiometer designed for the remote sensing of the Earth. A new imaging technique, using many receivers and passive aperture synthesis, was required to enable L-band observations at a spatial resolution and repetition time that were sufficient for SMOS mission requirements. With L-band observations, information on soil processes beneath the soil-atmosphere boundary layer can be gathered. Due to the characteristics of global L-band measurements, they are highly suitable for monitoring soil processes such as soil moisture and soil freezing and thawing. Global information on the annual soil cycle is important for understanding the Earth's climate. Soil freezing has an effect on the carbon and hydrological cycles as well as the energy balance between the soil surface and the atmosphere. Furthermore, soil freezing partially controls photosynthesis and the microbial activity within soils. This doctoral thesis combines the development work of the airborne L-band passive aperture synthesis radiometer (HUT-2D) and the development work of the soil freeze/thaw detection algorithm using L-band passive observations. HUT-2D was developed as an airborne demonstrator for the SMOS payload. The first successful 2D airborne images of Earth using aperture synthesis technique were acquired using HUT-2D. The HUT-2D project also provided many valuable insights for the SMOS payload development phase. The freeze/thaw detection algorithm developed within this thesis relates the L-band observations to the annual soil processes. The output product of the SMOS-based algorithm provides daily global soil freeze/thaw information with three distinct states; soil within a pixel cell is estimated to be either frozen, partially frozen, or thaw. Global information on soil states can be used for input parameterisation in various models such as weather prediction models, climate models and global circulation models.

Kaukokartoitus Maan kiertoradalta tarjoaa lukuisia mahdollisuuksia Maapallon ympäristön seurantaan sekä paikallisella (mm. ympäristöriskit, tulvat ja metsäpalot, sekä erilaiset kartta- ja maankäyttöaplikaatiot) että globaalilla tasolla (mm. ilmastomuutoksen seuranta ja erilaiset sääilmiöt). Teknologan kehittyminen on tuonut uusia innovaatioita myös kaukokartoitusalalle. SMOS satellitti (Soil Moisture and Ocean Salinity) on hyvä esimerkki uuden teknologian hyödyntämisestä kaukokartoituksessa. SMOS satelliitin mittalaite on ensimmiäinen avaruudesta Maata kuvaava mikroaaltoalueen apertuurisynteesiradiometri. Laite mittaa usealla erillisellä vastaanottimella ja kuva kohteesta muodostetaan laskennallisesti antenneja liikuttamatta. Uusi tekniikka mahdollisti globaalin maanpinnan monitoroinnin matalalla L-alueen taajuudella. L-alueen mittaukset soveltuvat erityisen hyvin maan kosteuden ja maan routaantumisen seurantaan, koska matallalla mikroaaltotaajuudella saadaan tietoa pinnan alta suoraan maaperän ylimmästä kerroksesta. Globaali maaperäprosessien vuosisyklin seuranta on tärkeää mm. maapallon ilmaston ja sen muutosten ymmärtämiseksi. Maaperän routaantuminen ja sulaminen vaikuttavat maapallon hiilen ja veden kiertoon sekä maaperän ja ilmakehän rajapinnan energiataseeseen. Routa-ajan kesto on merkittävä osatekijä myös fotosynteesin kannalta sekä maaperän mikrobien aktiivisen toiminnan ajoittumiselle. Tämä väitöstyö kokoaa yhteen kirjoittajan L-alueen radiometrian alalla tehdyn tutkimustyön: lentokäyttöisen L-alueen mikroaaltoradiometrin (HUT-2D) kehitystyön sekä maaperän routaantumisen ja sulamisen seuranta-algoritmin kehitystyön. Teknillisessa korkeakoulussa kehitetyn HUT-2D:n ensilennolla demonstroitiin ensimmäistä kertaa onnistuneesti SMOS satelliittiin suunnitellun apertuurisynteesitekniikan toiminta ja kuvanmuodostus käytännön mittauksin. HUT-2D radiometrin kehitysprojekti oli myös merkittävä SMOS satelliitin kehitystyölle monien kehitysvaiheessa osoitettujen havaintojen ansiosta. Tässä työssä kehitetty routaantumisen seuranta-algoritmi pohjautuu SMOS satelliitin mittaushavaintoihin. Algoritmin lopputuote on globaali, päivittäinen kartta maaperän tilasta kolmella tasolla: maaperän arvioidaan olevan joko roudassa, osittain roudassa tai sula. Globaalia tietoa maan routaantumisesta voidaan käyttää syötteenä erilasille globaaleille malleille kuten sääennuste- ja ilmastomalleille.