Microwave radiometry of snow covered terrain and calibration of an interferometric radiometer
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2012-11-27
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
250
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 142/2012
Abstract
Remote sensing of the Earth using microwave radiometers is an important tool for the monitoring of diverse environmental processes from space. Passive microwave instruments are used, amongst other applications, for the monitoring of ocean processes, the properties of soil and vegetation, and different aspects of the Earth's cryosphere. Compared to optical instrumentation, passive microwaves provide the advantage of being largely insensitive to atmospheric and lighting conditions. However, the radiometers typically suffer from a poor spatial resolution, which makes the interpretation of observations of heterogeneous areas challenging. An important part in understanding passive microwave signatures of the Earth's surface is the development of emission models, linking the observations to the physical properties of the target. Advanced models can be further applied to account for the effects of varying vegetation and land cover in the observation. The first part of this thesis dissertation describes the development, validation and application of a radiative transfer based model for the simulation of microwave emission from snow covered terrain. The model is an improvement of an existing model published in literature, introducing the possibility to account for the vertical layering of snow and ice structures in the simulation. The modified model is verified against experimental observations from ground based and airborne radiometer instruments, and finally applied for the retrieval of snow cover parameters from space. Calibration of radiometer instruments is a prerequisite for reliable observations. Calibration of space-borne radiometers is particularly challenging due to the typically high sensitivity of instrumentation to changes in environmental conditions. In the second part of this dissertation, the calibration method for a novel type of radiometer instrument, the first interferometric radiometer using aperture synthesis in space, is presented. Specifically, on-ground characterization of the calibration subsystem of the instrument is described, including an analysis of the effects of the characterization errors on the final performance of the instrument.Maapallon kaukokartoitus mikroaaltoradiometreillä on käyttökelpoinen menetelmä eri ympäristötekijöiden seurannassa. Passiivisten mikroaaltolaitteiden mittauksia käytetään mm. valtamerten, kasviston sekä lumi- ja jääpeitteen havainnointiin. Verrattuna optisiin kaukokartoitusinstrumentteihin mikroaaltolaitteiden etuina ovat ilmakehän heikko vaikutus sekä riippumattomuus valaistusolosuhteista. Passiivisilla mikroaaltolaitteilla on kuitenkin vaatimaton spatiaalinen erottelukyky, mikä tekee heterogeenisten alueiden havaintojen tulkinnasta haastavaa; tähän tarvitaan maanpinnan tuottaman mikroaaltosäteilyn mallinnusta. Kehittyneiden mallien avulla voidaan myös kompensoida esimerkiksi heterogeenisten kasvillisuuden tai maaston vaikutusta havaintoihin. Väitöskirjatyö kuvaa lumipeitteen mikroaaltoemissiota selittävän mallin kehitystä, malliennusteiden oikeellisuuden tarkastelua kokeellisin mittauksin sekä mallin soveltamista kaukokartoitushavaintojen tulkintaan. Kehitetty malli laajentaa aiempaa emissiomallia kuvaamaan myös eri kerrosrakenteiden vaikutusta lumen emissioon, mahdollistaen mm. lumipeitteisten järvien mikroaaltovasteen mallinnuksen. Laajennetun mallin ennusteita vertaillaan työssä sekä maan pinnalta että lentokoneesta mitattuihin radiometrihavaintoihin, sekä käytetään lopulta lumipeitteen ominaisuuksien tulkintaan satelliittihavainnoista. Tärkeä edellytys kaukokartoitushavaintojen käytölle on niihin käytettyjen laitteiden kalibrointi. Satelliittiradiometrien kalibroinnin erityisenä haasteena on laitteiden suuri lämpötilariippuvuus. Väitöstyössä esitellään uudenlaisen kuvaavan radiometrijärjestelmän kalibrointimenetelmä. Osana väitöstyötä kehitettiin malli kalibrointijärjestelmän ominaisuuksien kuvaamiseen eri lämpötiloissa, sekä tutkittiin mallin epävarmuuksien vaikutusta radiometrin kuvanmuodostuksen luotettavuuteen.Description
Supervising professor
Hallikainen, Martti, Prof., Aalto UniversityThesis advisor
Pulliainen, Jouni, Prof., Finnish Meteorological InstituteKeywords
passive microwave remote sensing, radiometer calibration, snow cover, passiivinen mikroaaltokaukokartoitus, lumen vesiarvo, radiometrien kalibrointi
Parts
- [Publication 1]: Lemmetyinen J., C. Derksen, J. Pulliainen, W. Strapp, P. Toose, A. Walker, S. Tauriainen, J. Pihlflyckt, J.-P. Kärnä, and M. Hallikainen, 2009. A comparison of airborne microwave brightness temperatures and snowpack properties across the boreal forests of Finland and Western Canada. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 47(3), 965-978.
- [Publication 2]: Lemmetyinen, J., J. Pulliainen, A. Rees, A. Kontu, Yubao Qiu, C. Derksen, 2010. Multiple-layer adaptation of HUT snow emission model: comparison with experimental data. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 48(7), 2781-2794.
- [Publication 3]: Gunn, G. E., C. R. Duguay, C. Derksen, J. Lemmetyinen, and P. Toose, 2011. Evaluation of the HUT modified snow emission model over lake ice using airborne passive microwave measurements. Remote Sens. Environ., 115(1), 233-244.
- [Publication 4]: Lemmetyinen, J., A. Kontu, J.-P. Kärnä, J. Vehviläinen, M. Takala, J. Pulliainen, 2011. Correcting for the influence of frozen lakes in satellite microwave radiometer observations through application of a microwave emission model. Remote Sens. Environ., 115(12), 3695-3706.
- [Publication 5]: Rautiainen, K., J. Lemmetyinen, J. Pulliainen, J. Vehviläinen, M. Drusch, A. Kontu, J. Kainulainen, J. Seppänen, 2012. L-Band radiometer observations of soil processes in boreal and subarctic environments. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 50(5), 1483-1497.
- [Publication 6]: Lemmetyinen, J., J. Uusitalo, J. Kainulainen, K. Rautiainen, N. Fabritius, M. Levander, V. Kangas, H. Greus, J. Pihlflyckt, A. Kontu, S. Kemppainen, A. Colliander, M.T. Hallikainen, and J. Lahtinen, 2007. SMOS Calibration Subsystem. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 45(11), 3691-3700.
