The influence of soil moisture and vegetation - ETH E

DISS. ETH NO. 23434
The influence of soil moisture and vegetation
changes in differential interferometry
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
SIMON ZWIEBACK
Dipl.-Ing., Vienna University of Technology
born on 25.08.1986
citizen of Austria
accepted on the recommendation of
Irena Hajnsek
Ramon Hanssen
Scott Hensley
Keith Morrison
Abstract
Differential interferometry is a radar remote sensing technique with which movements of
the earth’s surface can be estimated with centimetric precision, for instance from satellites.
These estimates have become central to a wide range of scientific disciplines, including
geophysics and glaciology. They are formed by combining two radar acquisitions taken
at different instants of time, between which the soil moisture content and the vegetation
can change. The influence of these changes on the deformation estimates has long been
suspected, but the prevalence, magnitude and origin of these effects remain uncertain.
The thesis contributes to addressing the influence of soil moisture changes and vegetation
growth using both data-driven and theoretical modelling approaches. To this end, simple
mechanisms that can potentially give rise to these effects in radar data are presented and
analysed. These hypotheses are subsequently assessed by confronting their predictions
with observations. The analyses suggest the transmission of the microwaves through many
agricultural crops to be the dominant vegetation-related mechanism that influences the observations. The impact of soil moisture changes is similarly inferred to be related to the
propagation of the electromagnetic waves through the soil: an increase in soil moisture
lengthens the optical path between the antenna and subsurface heterogeneities within the
soil, corresponding to a movement away from the antenna.
The insights gained from the data analyses and previous studies form the basis for the development of a scattering model of bare soil based on Maxwell’s equations, which allows
us to address two important questions. First, can soil moisture changes be estimated using differential interferometry in the absence of displacements? And second, can they be
separated from deformations, e.g. to provide corrections for the estimation of displacements? Both the data and the theoretical analyses indicate that soil moisture estimation at
the field scale is indeed feasible when displacements can be ruled out. However, they also
suggest that, in practice, the second question cannot be answered in the affirmative without
additional prior assumptions, chiefly due to the similar influence of displacements and soil
moisture changes on the measurements.
Even though it is difficult to separate soil moisture from displacements, the subtle differences may provide a way to detect the impact of soil moisture changes and also that of
other systematic processes. To this end, a statistical test is introduced. When applied to
measurements over high-latitude regions, it indicates the impact of snow metamorphism
and melt in differential interferometry. Moreover, it detects significant influences on the
measurements in ice-rich permafrost regions, especially in late summer. While the origin
of these influences is not clear – possible mechanisms include soil moisture changes, the
influence of open water surfaces, and heterogeneous displacements –, their non-random
nature suggests that they may have a systematic and deleterious impacts on the estimated
movements.
As the measurements indicate the importance of subsurface scattering, we conduct a radar
experiment in which the subsurface contributions can be resolved. The observations are
consistent with the central tenet of the scattering model – the soil moisture effects in differential interferometry are chiefly due to the changing propagation characteristics of electromagnetic waves through the soil – but they also indicate shortcomings of the way it is
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parameterized. As the depth-resolved measurements are closely related to soil moisture
changes, we conclude that such depth-resolved observations have considerable potential
for estimating soil moisture profiles.
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Zusammenfassung
Differenzielle Interferometrie ist eine Radar-Fernerkundungstechnik, mithilfe derer Bewegungen der Erdoberfläche mit Präzisionen im Zentimeterbereich bestimmt werden können,
beispielsweise von Satelliten. Diese Messungen sind mittlerweile von zentraler Bedeutung
in diversen wissenschaftlichen Disziplinen, z.B. in der Geophysik und in der Glaziologie.
Sie entstehen durch die Kombination von zwei Radarmessungen, welche zu verschiedenen
Zeitpunkten durchgeführt werden. Innerhalb dieser Zeitspanne können auch Änderungen
der Bodenfeuchte oder der Vegetation auftreten. Der Einfluss dieser Änderungen auf die gemessenen Verschiebungen (insbesondere dessen Prävalenz, Magnitude und physikalischer
Ursprung) ist jedoch mit Unsicherheit behaftet.
Diese Arbeit trägt zur Untersuchung des Einflusses von Bodenfeuchte und Vegetation durch
empirische Beobachtungen und theoretische Modellierung bei. Einfache Mechanismen zur
Erklärung der den Einflüssen zugrundeliegenden Prozesse werden analysiert und ihre Vorhersagen mit Beobachtungen verglichen. Die Daten deuten darauf hin, dass der beobachtete
Effekt von Ackerpflanzen von deren Einfluss auf die Ausbreitung der elektromagnetischen
Wellen stammt. Der Einfluss von Bodenfeuchteänderungen scheint ebenso mit der Ausbreitung der Wellen in Verbindung zu stehen – je feuchter der Boden, desto länger der optische
Pfad zwischen der Antenne und Heterogenitäten unterhalb der Bodenoberfläche, was einer
zunehmenden Entfernung von der Antenne entspricht.
Diese und frühere Beobachtungen stellen den Ausgangspunkt für die Entwicklung eines
Streumodells für kahlen Boden dar. Dieses basiert auf den Maxwell-Gleichungen und gestattet uns, zwei wichtige Fragen zu behandeln. Erstens, können Bodenfeuchteänderungen
mittels differenzieller Interferometrie in Abwesenheit von Verschiebungen bestimmt werden? Und zweitens, können sie von Verschiebungen separiert werden, beispielsweise zur
Korrektur von Verformungsmessungen? Sowohl die Daten als auch theoretische Analysen
deuten auf die Eignung zur Bestimmung von Bodenfeuchte in Abwesenheit von Bewegungen hin. Die zweite Frage muss hingegen in der Praxis meist negativ beantwortet werden,
da sich beide Einflüsse ähnlich auf die Beobachtungen auswirken.
Obwohl die Auswirkungen von Bodenfeuchteänderungen und Verschiebungen auf die Beobachtungen ähnlich sind, bestehen doch subtile Unterschiede, anhand derer der Einfluss
von Feuchteänderungen und jener von anderen systematischen Prozessen eventuell detektiert werden kann. Zu diesem Zweck wird ein statistischer Test vorgeschlagen. Wir finden
damit Indizien für den Einfluss von Schneemetamorphismus und -schmelzprozessen auf
die Daten. Darüber hinaus werden systematische Effekte unbekannten Ursprungs in Permafrostregionen detektiert; möglicherweise Bodenfeuchteänderungen, aber z.B. auch heterogene Verschiebungen oder der Einfluss von Wasserkörpern können nicht ausgeschlossen
werden. Da sie nicht durch Rauschen erklärt werden können, haben sie eventuell einen systematischen und negativen Einfluss auf die beobachteten Bewegungen der Erdoberfläche.
Zur näheren Analyse von Streumechanismen, welche von unterhalb der Bodenoberfläche
stammen, führen wir ein Radarexperiment durch, mit welchem diese Mechanismen als
Funktion der Tiefe abgebildet werden können. Die Beobachtungen stützen die zentrale
Idee des Streumodells, nämlich dass die von der Bodenfeuchte abhängigen Ausbreitungseigenschaften innerhalb des Bodens für die differenzielle Interferometrie von essenziel4
ler Bedeutung sind. Allerdings indizieren sie auch gewisse Mängel der Parametrisierung
dieser Streumechanismen. Da die tiefenaufgelösten Beobachtungen eng mit Bodenfeuchteänderungen in Verbindung stehen, schlussfolgern wir, dass solche Radarmessungen Potenzial zur Bestimmungen von Bodenfeuchteprofilen haben.
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