Subsurface backscatter effects over Croatia

Abstract

Die durchschnittlichen globalen Temperaturen steigen, Klimamuster und -trends ändern sich und die Auswirkungen sind überall zu beobachten. Die Fernerkundung hat die Art und Weise, wie wir diese Klimaveränderungen auf unserem Planeten Erde wahrnehmen, revolutioniert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unterirdische Streueffekte in C-Band-Rückstreuung über Kroatien mit Sentinel-1 in hoher Auflösung zu charakterisieren. In den Sommermonaten ist die Bodenfeuchtigkeitsinformation, die durch C-Band-Rückstreuung von Sentinel-1 gesammelt wird, viel höher als die GLDAS-Bodenfeuchtigkeitsmodelldaten, die als die absolute Wahrheit angesehen werden. Es wird vermutet, dass diese hohe Rückstreuung in Zeiten extrem niedriger Bodenfeuchte durch Volumenstreuung in der trockenen Bodenschicht und weiters durch unterirdische Unstetigkeiten erklärt werden kann. Nach einem theoretischen Einblick zur Volumsstreuung unter der Erdoberfläche werden zwei Forschungsfragen behandelt. 1) Was sind die räumlichen und zeitlichen Merkmale der Untergrundstreuung in Kroatien? 2) Welche physikalischen Prozesse treiben die Streuung unter der Oberfläche in Kroatien voran? Weiterhin muss ein Bodenfeuchteschwellenwert vorliegen, ab dem die übliche positive Korrelation zwischen Rückstreuung und Bodenfeuchte stattfindet. Eine zeitliche Analyse wurde durchgeführt, um zu verstehen, zu welcher Jahreszeit und für welche Zeitspanne S-1 SM in Abwesenheit von Niederschlag fälschlicherweise anzusteigen beginnt. Für die räumliche Analyse wurden die Korrelationskoeffizienten der Bodenfeuchte von Sentinel-1 und GLDAS Daten mit Google-Satellitenbildern, ESA-CCI-LC-Daten, SoilGrids-Daten und IHME-1500-Lithologiedaten verglichen um geografische Muster und Trends der Streuung des Untergrunds in Zeiten mit geringer Bodenfeuchte aufzudecken und um zu sehen unter welchen Umständen eine solche Untergrundstreuung auftritt. Die Ergebnisse zeigten klare zeitliche Trends sowie räumliche Korrelationen mit Landbedeckung, Bodentyp und Lithologietyp über Kroatien. Diese Untersuchung beweist jedoch, dass keine einzige Oberflächeneigenschaft dieses Phänomen bestimmt, sondern dass es ein Zusammenspiel aller Eigenschaften ist welches dieses Phänomen zulässt, oder auch nicht.

Average global temperatures are rising, climate patterns and trends are changing and the effects are seen everywhere. Remote Sensing has revolutionized the way we perceive these climate changes on our Planet Earth. The objective of this research is to characterize subsurface scattering effects in C-band backscatter data over Croatia at high resolution using Sentinel-1. In the summer months the soil moisture information collected through C-band backscatter data from Sentinel-1 is seen to be much higher than the GLDAS soil moisture model data which is considered to be the absolute truth. It is hypothesized that this high backscatter during times of extreme low soil moisture can be explained by volume scattering within the dry soil layer and consequently backscattering by subsurface discontinuities. After providing a theoretical background on subsurface scattering, this research will address two research questions. 1) What are the spatial and temporal characteristics of subsurface scattering over Croatia? 2) Which physical processes are driving subsurface scattering in Croatia? Furthermore, there must be a threshold soil moisture value after which the usual positive correlation between backscatter and soil moisture takes place. A temporal analysis was performed to understand during which time of year and for which timespan S-1 SM falsely begins to rise in the absence of precipitation. For the spatial analysis, soil moisture correlation coefficients between Sentinel-1 and GLDAS data were compared with google satellite imagery, ESA CCI-LC data, SoilGrids data, and IHME 1500 lithology data to uncover geographical patterns and trends of the subsurface scattering during times of low surface soil moisture levels and deduce under which circumstances such subsurface scattering arises. Results revealed clear temporal trends as well as spatial correlations with landcover, soil type and lithology type over Croatia; however, this investigation proves that no one surface characteristic determines this phenomenon but that it is an aggregate of all characteristics which deduces if this phenomenon arises or not.