بررسی پتانسیل ماهواره‌های ارتفاع‌سنجی در برآورد رطوبت سطحی خاک در مناطق نیمه‌خشک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه ژئودزی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2 گروه ژئودزی، دانشکده مهندسی ژئودزی و ژئوماتیک، دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

چکیده

ارتفاع‌سنج‌های ماهواره‌ای به‌طور متداول در پایش ارتفاعی آب‌های کره‌زمین و همچنین صفحات یخی استفاده می‌شوند. اما با توجه به تأثیر ناهمواری سطح بر شکل موج‌های بازگشتی ارتفاع‌سنج‌ها، آنها را می‌توان در تخمین ویژگی‌های سطح نظیر رطوبت سطحی خاک نیز به‌کار گرفت. هدف اصلی این پژوهش بررسی پتانسیل ارتفاع‌سنج‌های نسل قدیم و جدید (ارتفاع‌سنج‌های رادار با دهانه ترکیبی) در برآورد رطوبت سطحی خاک در قسمت نیمه‌خشک کشور اسپانیا در بازه زمانی 2016 الی 2023 است. جهت نیل به این هدف، گذر 644 ماهواره سنتینل-3 آ و گذر 213 ماهواره جیسون-3 انتخاب شدند. علاوه‌بر هندسه برداشت متفاوت این دو ماهواره ارتفاع‌سنجی، کارایی بازتعقیب‌گرهای مورداستفاده در آنها در برآورد رطوبت سطحی خاک نیز در این پژوهش به چالش کشیده شدند. روابط بین ضرایب پراکنش به‌دست‌آمده از بازتعقیب‌گرهای موجود در داده‌های سطح دو ماهواره سنتینل-3 آ، جیسون-3 و رطوبت سطحی خاک حاصل از داده‌های میدانی بررسی شدند. نتایج یک رابطه خطی دقیق را بین ضرایب پراکنش و رطوبت سطحی خاک اندازه‌گیری شده در دو ایستگاه زمینی مختلف در امتداد برداشت در هر دو ماهواره نشان دادند. بهترین نتایج برای ماهواره‌های سنتینل-3 آ و جیسون-3 به‌ترتیب با بازتعقیب‌گرهای اقیانوسی (با ضریب همبستگی 75/0) و آیس (با ضریب همبستگی 7/0) حاصل شد. نتایج ضمن بیان قابلیت بالای هر دو ماهواره سنتینل-3 آ و جیسون-3، برتری ارتفاع‌سنج‌های رادار با دهانه ترکیبی را نسبت به ارتفاع‌سنج‌های نسل قدیم در برآورد رطوبت سطحی خاک در منطقه موردمطالعه نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigate the potential of satellite altimeters in estimating surface soil moisture in semi-arid areas

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mardoukhi 1
  • Seyed Rohallah Emadi 1
  • Parisa Agar 2
1 Department of Geodesy Engineering, South Tehran, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Geodesy, Faculty of Geodesy and Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Surface soil moisture is an important variable in the climate system, controlling the exchange of water, energy and carbon, between the Earth's surface and the atmosphere. Also, the quantification of surface soil moisture is necessary for the simulation of climate change, the prediction of floods and droughts and the optimal irrigation of agricultural land. Satellite altimeters are often used to monitor water levels (ocean and inland waters such as lakes, rivers and dams) and the dynamics of ice sheets. However, due to the influence of surface roughness on the return waveforms captured by altimeters, they can also be used to estimate surface features such as surface soil moisture. Against this backdrop, the main objective of this study is to investigate the potential of conventional altimeters (Low Resolution Mode (LRM) satellite altimeters such as Jason series satellites, Envisat, Saral and...) and new generation altimeters (synthetic aperture radar (SAR) satellite altimeters such as Cryosat-2, Sentinel-3 and Sentinel-6) in the estimation of surface soil moisture in the semi-arid region of Spain over the period from 2016 to 2023. To achieve this goal, level 2 (L2) data from the SRAL altimeter sensor of Sentinel-3A satellite along the pass of 644 and geophysical data record (GDR) from the Poseidon-3B altimeter sensor of Jason-3 satellite along the pass of 213 were used. In addition to the different acquisition geometry of these two altimetry satellites, the effectiveness of the re-tracking algorithms used in them in estimating soil surface moisture, was also questioned in this study. The relationships between the observed backscattering coefficients derived from 4 re-tracking algorithms (re-tracker: Ocean re-tracker, OCOG re-tracker, Sea-ice re-tracker and Ice-sheet re-tracker) in the L2 data of the Sentinel-3A satellite additionally 3 re-tracking algorithms (re-tracker: MLE-4 re-tracker, MLE-3 re-tracker and Ice re-tracker) in the GDR data of the Jason-3 satellite and the surface soil moisture obtained from ground stations (the closest ground station to the satellite pass was selected) were investigated. The results of the analysis, demonstrate a strong linear relationship between the scattering coefficients derived from the satellite data and the corresponding soil moisture measurements obtained from ground stations along the coverage of the two satellites. The best results (the highest correlation coefficient) for the Sentinel-3A and Jason-3 satellites were achieved with the Ocean Re-tracker (with a correlation coefficient of 0.75), and the Ice Re-tracker (with a correlation coefficient of 0.7), respectively. MLE-3 re-tracker in Jason-3 Satellite has also obtained a result almost similar to ICE re-tracker in one of the ground stations. While the results express the high performance of the Sentinel-3A and Jason-3 satellites in estimating surface soil moisture, they show the superiority of synthetic aperture radar altimeters over the conventional altimeters in estimating surface soil moisture in the area studied.

کلیدواژه‌ها [English]

  • surface soil moisture
  • altimetry satellites
  • Sentinel-3A
  • Jason-3
  • dispersion coefficient

مراجع

آگار، پ.؛ وثوقی، ب.؛ روحی، ش. و امینی، آ. (۱۴۰۱). ارزیابی روش بازتعقیب اولین موجک شکل موج به منظور بهبود صحت مشاهدات ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای در مناطق ساحلی (مطالعه موردی: منطقه ساحلی خلیج فارس)، م. نشریه علمی مهندسی فناوری اطلاعات مکانی، ۱۰(۴)، ۳۷-۱۷.
Agar, P., Roohi, S., Voosoghi, B., Amini, A. & Poreh, D. )2023(. Sea Surface Height Estimation from Improved Modified, and Decontaminated Sub-Waveform Retracking Methods over Coastal Areas. Remote Sensing, 15, 804.
Fatras, C., Frappart, F., Mougin, É., Grippa, M., & Hiernaux, P. )2012(. Estimating surface soil moisture over Sahel using ENVISAT radar altimetry. Remote sensing of environment, 123, 496-507.
Fatras, C., Frappart, F., E. Mougin, E., P.-L. Frison, P.-L., Faye, G., Borderies, P., Jarlan, L. )2015(. Spaceborne altimetry and scatterometry backscattering signatures at C- and Ku-bands over West Africa. Remote Sensing of Environment, 159, 117–133.
Gommenginger, C., Thibaut, P., Fenoglio-Marc, L., Quartly, G., Deng, X., Gómez-Enri, J., Challenor, P., & Gao, Y. (2011). Retracking altimeter waveforms near the coasts: A review of retracking methods and some applications to coastal waveforms. Coastal altimetry. 61-101.
Idris, N. H., Vignudelli, S. & Deng, X. )2021(. Assessment of retracked sea levels from Sentinel-3A Synthetic Aperture Radar (SAR) mode altimetry over the marginal seas at Southeast Asia. International Journal of Remote Sensing, 42, 1535-1555.
Kim, H. Y., & Chappell, A. (2010). Soil water balance in soil physics with HYDRUS (pp. 3-31). Springer, Dordrecht.
Mostafavi, M., Delpeche-Ellmann, N., Ellmann, A. (2021). Accurate sea surface heights from Sentinel-3A and Jason-3 retrackers by incorporating high-resolution marine geoid and hydrodynamic models. Journal of Geodetic Science. 1, 11(1), 58-74.
Nababan, B., Hakim, M. R., Panjaitan, J. P. (2018). Waveform identification and retracking analyses of Jason-2 altimeter satellite data for improving sea surface height estimation in Southern Java Island Waters and Java Sea, Indonesia. InIOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 149(1), 012057). IOP Publishing.
Peng, J., Niesel, J. & Loew, A. )2015(. Evaluation of soil moisture downscaling using a simple thermal-based proxy–the REMEDHUS network (Spain) example. Hydrology and Earth System Sciences, 19, 4765-4782.
Roohi, S. (2015). Capability of Pulse-Limited Satellite Radar Altimetry to Monitor Inland Water Bodies. Master Thesis, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany.
Roohi, S., Sneeuw, N., Benveniste, J., Dinardo, S., Issawy, E. A. & Zhang, G. (2019). Evaluation of CryoSat-2 water level derived from different retracking scenarios over selected inland water bodies. Advances in Space Research.
Sanchez, N., Martinez-Fernandez, J., Scaini, A. & Perez-Gutierrez, C. (2012). Validation of the SMOS L2 Soil Moisture Data in the REMEDHUS Network (Spain). IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 50, 1602-1611.
Smith, J., & Johnson, A. (2020). Impact of Surface Soil Moisture Variations on Radar Altimetry Echoes at Ku and Ka Bands in Semi-Arid Areas. Remote Sensing, 15(3), 112-125. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2019.123456
Tourian, M. J. (2012). Controls on satellite altimetry over inland water surfaces for hydrological purposes.
Uebbing, B., Forootan, E., Braakmann-Folgmann, A., Kusche, J. (2017). Inverting surface soil moisture information from satellite altimetry over arid and semi-arid regions. Remote sensing of environment. 196, 205-23.
Wang, J., Xu, H., Yang, L., Song, Q., & Ma, C. (2021). Cross-Calibrations of the HY-2B Altimeter Using Jason-3 Satellite During the Period of April 2019–September 2020. Frontiers in Earth Science, 9.
 
فیزیک زمین و فضا
دوره 50، شماره 3
تاریخ انتشار الکترونیکی: 14 مهر 1403
مهر 1403
صفحه 637-654

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار