Bartalis, Z. (2009). Spaceborne scatterometers for change detection over land [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/184253
Untersuchungen der Erdoberfläche mit Scatterometern erlangen in der Mikrowellenfernerkundung einen immer größeren Stellenwert. Vor diesem Hintergrund muss festgestellt werden, dass ein zeitnaher Zugriff auf global verfügbare geophysikalische Parameter wie beispielsweise Bodenfeuchte oder Biomasse unumgänglich und essenziell für hydrologische und klimatologische Studien ist. Ein typisches Beispiel für die Ableitung geophysikalischer Parameter aus orbitgestützten Scatterometerdaten bietet die derzeitige Methodik zur Extraktion von Bodenfeuchteinformationen, die am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (I.P.F.) der Technischen Universität Wien entwickelt wurde. Dabei werden die Bodenfeuchtedaten aus C-Band Scatterometerdaten der "European Remote Sensing Satellites" ERS-1 und ERS-2 abgeleitet. Durch den an Bord der Metop-Satellitenfamilie eingebauten "Advanced Scatterometer" (ASCAT) ist eine operationelle Kontinuität der Methodik gegeben. Zudem liefert der "SeaWinds"-Scatterometer an Bord des Satelliten QuikSCAT Daten in einem zusätzlichen Wellenlängenbereich (Ku-Band) und einer kontinuierlichen 360º azimuthal orientieren Blickrichtung. Jeder Versuch, aus diesen Sensoren (möglichst) globale geophysikalische Parameter der Landoberflächen abzuleiten, sieht sich aufgrund des spezifischen Rückstreuverhaltens verschiedener Landbedeckungskategorien und Klimate mit einer Reihe von Problemen konfrontiert. Die vorliegende Dissertation verfolgt mehrere Zielsetzungen. Anfangs wird auf die Grundlagen der Radarfernerkundung im Allgemeinen und auf die der Scatterometrie im Speziellen eingegangen, und das unter besonderer Berücksichtigung des Instrumentendesigns und Funktionalität, der räumlichen und zeitlichen Datenabdeckung, der Datenprozessierung, -kalibrierung und -validierung sowie möglicher Synergien zwischen den ERS-, ASCAT- und SeaWinds-Instrumenten. In einem zweiten wichtigen Punkt wird auf den Verbesserungsbedarf zweier derzeitiger Problempunkte bei der Bodenfeuchteableitung eingegangen. Dabei handelt es sich zum einen um die Wahl eines neuen diskreten geodätischen Gitternetz, um den Anforderungen der ASCAT-Daten im Bodenfeuchteprozessor Rechnung zu tragen. Des Weiteren wird dabei auf die Korrektur von Azimuthaleffekten in den Rückstreudaten des Scatterometers zur Verbesserung der Bodenfeuchteableitung in einigen problematischen Gebieten eingegangen. Ein drittes Ziel dieser Arbeit ist die Darlegung des eigentlichen Bodenfeuchtealgorithmus unter Einbeziehung der zuvor genannten Verbesserungsvorschläge und der notwendigen Anpassung des ASCAT-Prozessors für die nahezu in Echtzeit erfolgende Datenverarbeitung. Die vierte und damit letzte Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Bewertung der absoluten und relativen Kalibrierung der beiden Instrumentengenerationen (ERS-1/2 und ASCAT), welche für Bereitstellung langfristiger, einheitlicher und konsistenter Rückstreu- und Bodenfeuchtedatensätze von großer Bedeutung ist.
Studies of the Earth's land surface involving scatterometers are becoming an increasingly important application field of microwave remote sensing. In this respect, the global and real time access to geophysical parameters such as soil moisture or biomass proves to be necessary and often critical in many hydrological and climatological applications. A typical example of geophysical parameter retrieval using spaceborne scatterometers is the recent method of deriving soil moisture developed at the Institute of Photogrammetry and Remote Sensing (I.P.F.) of Vienna University of Technology. The derived soil moisture time series are based on data from the C-band scatterometers onboard the European Remote Sensing Satellites ERS-1 and ERS-2. An interesting aspect of this work is the operational continuity the ers scatterometers have found in the Advanced Scatterometers (ASCAT) flown onboard the Metop series of satellites. In addition to the above instruments, the SeaWinds scatterometer onboard the QuikSCAT satellite offers an additional wavelength (Ku-band) and a 360º continuous azimuthal viewing direction range. Any attempt to use these instruments to retrieve (preferably global) geophysical parameters over land is confronted with a series of complications and pitfalls arising from the very special regime of backscatter behaviour for many land cover types and climates. The present dissertation has several objectives. Firstly, it describes the basics of radar remote sensing in gerneral and scatterometers in particular, in terms of instrument design, functionality, data coverage, processing, calibration and validation, as well as the synergies between the ERS, ASCAT and SeaWinds instruments. Secondly, two of the soil moisture algorithm issues currently requiring improvements are addressed: the selection of a new discrete geodetic grid for accomodating ascat data in the soil moisture processor and the characterisation and correction of azimuthal effects observed in scatterometer backscatter, in order to improve soil moisture retrieval in certain problematic regions. The third objective consists in presenting the soil moisture retrieval method itself after incorporating the above changes, as well as a new processor that has been developed for NRT (near real-time) ASCAT processing. Also, some first results with ascat soil moisture are presented. The fourth goal is to assess the absolute and relative calibration of the two instrument generations (ERS and ASCAT), very important for establishing long-term, uniformand consistent datasets of backscattering coefficients and soil moisture.
