Monitoring vlhkostních poměrů půdy metodami dálkového průzkumu Země

Bc. et Bc. Matúš Hrnčiar

Master's thesis

Remote sensing monitoring of soil moisture conditions

Abstract:

This diploma thesis deals with the usability of satellite data in the study of soil moisture in agricultural areas. Three approaches to soil moisture monitoring are tested in this work, all based on the use of the change detection method. The research took place in two study areas in the Czech Republic and Germany. The first of the tested methods – CDMWagner – uses a long-term archive of Sentinel-1 radar (SAR) images to eliminate the interfering effects of surface roughness and speckle noise in soil moisture monitoring. In addition to the Sentinel-1 mission data, two other methods – CDMFoucras and CDMGao – utilize the NDVI vegetation index, derived from the Sentinel-2 mission data, to eliminate the effect of vegetation. Five resolutions are tested for each of the methods – 10 m, 100 m, 500 m, 1000 m, and the resolution at the level of individual agricultural fields. All three methods are applied to a satellite data archive covering a period of three years (April 2017 – April 2020) and are validated against ground measurements and the Copernicus SSM satellite product. In addition, the CDMFoucras method is validated against precipitation totals. In most cases, medium correlation values were achieved between the modeled soil moisture values and ground measurements, while the differences in the values of the correlation coefficient R were small between the individual methods. In terms of ubRMSE values, the CDMFoucras method led to slightly more accurate results at all stations than the CDMWagner method (ubRMSE values lower by a maximum of 0.005 m3/m3), while the CDMGao method provided more accurate results at some stations and worsened the results at others. At the same time, the CDMFoucras method gave slightly more accurate results when compared to the Copernicus SSM product. The most robust of the tested resolutions were 500 and 1000 m. By comparing the results of the CDMFoucras method with the precipitation totals on the day of the satellite overflight, a high degree of correlation was found, with the value of the Pearson correlation coefficient at the level R = 0.7. The results of the work proved that soil moisture in agricultural areas can be monitored using data from Sentinel-1 and Sentinel-2 satellites. Moreover, all the tested methods can be used operationally, globally, and are independent of ground measurements.

Abstract:

Táto diplomová práca sa zaoberá využiteľnosťou satelitných dát pri štúdiu pôdnej vlhkosti v poľnohospodársky využívaných oblastiach. V práci sú testované tri prístupy k monitoringu pôdnej vlhkosti, všetky založené na využití metódy detekcie zmien. Výskum prebehol na dvoch študijných lokalitách v Česku a v Nemecku. Prvá z testovaných metód – CDMWagner – využíva dlhodobý archív radarových (SAR) snímok Sentinel-1 na elimináciu rušivého vplyvu drsnosti povrchu a šumu speckle pri monitoringu pôdnej vlhkosti. Ďalšie dve metódy – CDMFoucras a CDMGao – okrem dát misie Sentinel-1 využívajú vegetačný index NDVI, získaný z dát misie Sentinel-2, ktorý slúži k eliminácii vplyvu vegetácie. Pre každú z metód je testovaných päť rozlíšení – 10 m, 100 m, 500 m, 1000 m a rozlíšenie na úrovni jednotlivých poľnohospodárskych polí. Všetky tri metódy sú aplikované na archív satelitných dát pokrývajúci obdobie troch rokov (apríl 2017–apríl 2020) a sú validované voči pozemným meraniam a satelitnému produktu Copernicus SSM. Metóda CDMFoucras je navyše validovaná voči zrážkovým úhrnom. Medzi modelovanými hodnotami pôdnej vlhkosti a pozemnými meraniami boli vo väčšine prípadov dosiahnuté stredné hodnoty korelácie. Rozdiely v hodnotách korelačného koeficientu R boli pritom medzi jednotlivými metódami malé. Z pohľadu hodnôt ubRMSE viedla na všetkých staniciach metóda CDMFoucras k mierne presnejším výsledkom ako metóda CDMWagner (hodnoty ubRMSE nižšie o maximálne 0,005 m3/m3), zatiaľ čo metóda CDMGao na niektorých staniciach poskytovala presnejšie výsledky a na niektorých staniciach výsledky zhoršovala. Metóda CDMFoucras zároveň poskytla mierne presnejšie výsledky aj pri porovnaní s produktom Copernicus SSM. Najrobustnejšie z testovaných rozlíšení boli rozlíšenia 500 a 1000 m. Porovnaním výsledkov metódy CDMFoucras so zrážkovými úhrnmi v deň preletu satelitu bola zistená vysoká miera korelácie, s hodnotou Pearsonovho korelačného koeficientu na úrovni R = 0,7. Výsledky práce dokázali, že vlhkosť pôdy v poľnohospodársky využívaných oblastiach môže byť monitorovaná pomocou dát satelitov Sentinel-1 a Sentinel-2. Všetky z testovaných metód sú pritom využiteľné operatívne, globálne a sú nezávislé na pozemných meraniach.

Kľúčové slová

vlhkosť pôdy, diaľkový prieskum Zeme, SAR, Sentinel-1, NDVI, Sentinel-2, metóda detekcie zmien, soil moisture, Earth observation, change detection method

Jazyk práce: Slovak

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 8. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 3. 9. 2020
• Vedúci: Ing. Kateřina Tajovská, Ph.D.
• Oponent: Mgr. Bc. Roman Bohovic, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / odbor:
Geography and Cartography / Geographical Cartography and Geoinformatics