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2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Vancouver, Canada, 24-29 July 2011
Politecnico di Bari Dipartimento di Ingegneria delle
Acque e di Chimica
Politecnico di Bari Dipartimento di Ingegneria delle
Acque e di Chimica
Università degli Studi di Napoli Federico II
Dipartimento di Ingegneria Agraria ed Agronomia del
Territorio
Università degli Studi di Napoli Federico II
Dipartimento di Ingegneria Agraria ed Agronomia del
Territorio
“On the use of multi-temporal series of COSMO-SkyMed data for LANDcover classification and surface parameter
retrieval over agricultural sites (COSMOLAND)”Anna Balenzano (1), Giuseppe Satalino (1), Antonella Belmonte (1), Guido
D’Urso (2), Fulvio Capodici (2), Vito Iacobellis (3), Andrea Gioia (3), Michele Rinaldi (4), Sergio Ruggieri (4) and Francesco Mattia (1)
(1) Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) – Istituto di Studi sui Sistemi Intelligenti per l’Automazione (ISSIA), Bari, Italy
(2) Dipartimento di Ingegneria Agraria e Agronomia del Territorio - Università Federico II (UniNa)
(3) Politecnico di Bari (PoliBa) – Dipartimento di Ingegneria delle Acque e di Chimica (4) Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura, Unità di Ricerca sui Sistemi Colturali per
Ambienti Caldo-Aridi (CRA-SCA)
Acknowledgement: the research is supported by the Italian Space Agency under contract I/051/09/0. COSMO-SkyMed data were provided by ©ASI in the framework of ©CSK AO 2161. SPOT data were obtained from CNES (2010) Distribution Spot Image ISIS-368
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to present the activities carried out during the first year of COSMOLAND project on land cover classification and the retrieval of surface parameters (i.e. Leaf Area Index and soil moisture content) using temporal series of COSMO-SkyMed data
Objective
Application context COSMO SkyMed & ground data collected over an agricultural site, Foggia (Italy), during the COSMOLAND campaign in 2010 Sensitivity of multi-temporal X band SAR data to crops:
classification algorithm
Sensitivity of multi-temporal X band SAR data to vegetation and soil moisture content
Leaf Area Index retrieval algorithm Soil moisture content retrieval algorithm (SMOSAR algorithm)
Summary and future work
Outline
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Application context
Crucial information for the land process model performances:
Land use maps (at medium/low resolution, e.g. monthly)
Leaf area index maps(at high temporal resolution, e.g. weekly)
Soil moisture content maps (at high/very high temporal resolution during alert periods, e.g. daily or hourly)
The project intends to contribute to the COSMO-SkyMed objectives in agriculture and hydrology application domains, combining SAR-derived information and hydrological/crop growth models to improve land and water resource managment.
A limitation of land process models is the need for numerous input parameters, which are seldom available at the appropriate temporal scale. This lack of information often leads to erroneous model predictions.
COSMO-SkyMed constellation characterized by a short revisiting time gives a chance to monitor the surface parameters at high temporal resolution and to demonstrate the use of EO data for improving land process model forecasts
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Puglia
Product derived from SPOT images (2010)
2010 COSMOLAND campaign over Foggia (Italy)
Classified image from multi-temporal SPOT data (Maximum likelihood algorithm on SPOT4 04/07/2010, 25/07/2010).
Overall accuracy in test: 95% for the test fields
In situ measurements from March to September:
soil moisture with gravimetric method fresh & dry biomass, plant density and height, Leaf Area Index, yield
Foggia site (Apulia region)
Series of 1C-Geocoded Ellipsoid Corrected COSMO Sky-Med StripMap PingPong products
Main crops (% of cultivated area):
Wheat (48%) Sugar beet (3%)
Tomatao ( 7%) Vineyard (8%)
Olives ( 5%)
Main crops (% of cultivated area):
Wheat (48%) Sugar beet (3%)
Tomatao ( 7%) Vineyard (8%)
Olives ( 5%)
Main crops (% of cultivated area):
Wheat (48%) Sugar beet (3%)
Tomatao ( 7%) Vineyard (8%)
Olives ( 5%)
Main crops of the area of approx. 700km2
Wheat (42%) Sugar beet (4%)
Tomato ( 8%) Vineyard (4%)
Olives ( 4%)
Limitation: lack of planned dense temporal series of COSMO SkyMed data (average revisiting time ∆T=18 days)
8
8
16
40
8
24
24
∆T
HH/HV26StripMap PP0209/08/10D8
HH/HV26StripMap PP0201/08/10D7
HH/HV26StripMap PP0224/07/10D6
HH/HV26StripMap PP0208/07/10D5
HH/HV26StripMap PP0229/05/10D4
HH/HV26StripMap PP0221/05/10D3
HH/HV26StripMap PP0227/04/10D2
HH/HV26StripMap PP0203/04/10D1
PolarizationMean incidence angle [°]
Mode swathDateID
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RGB compositions of the COSMO HH images (left) and of HV images (right) over Foggia. R: 20100403, G:20100427, B:20100521
Sensitivity of multi-temporal X band data to crops
Product derived from original COSMO-SkyMed products ©ASI- Agenzia Spaziale Italiana (2010)
Temporal X-band backscatter signature of crops is significantly different and provides useful information for classification.
HH pol. HV pol.
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Accuracy of the land use classification using multi-temporal COSMO data over Foggia in 2010
Overall classification accuracy of multi-temporal, single/multi-polarization COSMO images vs the number of the SAR images
T es t
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8
N r images
H H
H V
H H H V
Product derived from original COSMO-SkyMed products ©ASI- Agenzia Spaziale Italiana (2010)
Land use image from COSMO ping-pong Strip Map HH+HV (acquisition dates 03/04/10, 21/05/10, 08/07/10, 09/08/10 )
Details in Satalino et al., Proc. of Multitemp, July 2011
Overall classification accuracy of multi-temporal, single/multi-polarization COSMO images vs the number of the SAR images
T es t
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8
N r images
H H
H V
H H H V
Based on the Maximum Likelihood algorithm
T es t
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4
N r images
H H
H V
H H H V
Temporal information during the growing season is important to improve the crop classification accuracy.
Overall classification accuracy of selected (close to the time of full development of crops) multi-temporal, single/multi-polarization COSMO images vs the number of the SAR images
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Temporal behaviour of E-SAR σ0 at X-band (HH polarization and 33° incidence angle) and mv and 1/fb of wheat field (N=11)
Sensitivity of X band backscatter to soil moisture (mv) and vegetation of wheat fields
The radar signal is strongly affected by the canopy, which attenuates the backscatter and reduces the sensitivity to the soil moisture.
X band SAR data are suited to retrieve vegetation parameters (fb&LAI) of wheat fields and soil moisture content over low vegetated or bare soils.
soil moisture fresh biomass
0.55 (< 7.8%) -0.77 (<0.6%)Correlation coefficients
X band
data set collected during the ESA AgriSAR 2006 campaign, DEMMIN site (Germany):
dense temporal series of X band E-SAR data from April to August
well-documented ground data
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Empirical approach for Leaf Area Index retrieval
The rmse is 1.1 m 2/m 2 for LAI derived by COSMO SkyMed data.
29/05/2010
2 LAI [m2/m2 ] 6
The rmse is 0.8 or 1.0 m2/m2 using LAI derived by SPOT or MERIS data acquired over Foggia from 2006 to 2008
y = -0.28x + 0.32
R2 = 0.69
0
1
2
3
4
5
-20 -15 -10 -5
Backscatter [dB]
LA
I [m
2/m
2]
Experimental relationship between LAI and backscatter of wheat field (derived by the ESA AgriSAR’06
campaign data set)
Example of LAI map obtained applying the experimental
relashionship to 2010 COSMO data over Foggia
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Soil moisture retrieval based on σ0 temporal changes using dense time series of SAR data
The alpha approximation is appealing as it simplifies the backscatter ratio between two subsequent and closed SAR observations into a quantity that depends only on soil moisture changes (θ constant)
Soil roughness and vegetation from DoY → DoY+1 constant (e.g. 1 week revisiting time)
s0
20 στσ ≈
( )( )
( )( ) 2
2
1
0
10
,
,
doy
rpp
doy
rpp
doy
doy
εϑα
εϑα
σσ ++ ≈
( ) [ ]22sincos
)1(,
ϑεϑ
εϑεα−+
−=r
rr
HH
dominant scattering mechanism:
The rational of this approach is that temporal changes of soil roughness and vegetation take place at longer temporal scales than soil moisture changes
soil scattering
soil attenuated by the canopy
s00 σσ ≈
( ) ( )ACFlsFrpp
s ,,,,2
0 ϑεϑασ •= SPM & SSA & PO
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Quantitative retrieval of mv
N SAR acquisitions ⇒ N-1 linear equations in N unknown αpp coefficients
( )( ) ji
idoy
jdoy S=)(0
)(0
σσ
( ) ( ){ } 0,, )()( =−kidoy
rppjijdoy
rpp SS εϑαεϑα
1+= ij11 −≤≤ Ni
11 −≤≤ Nk
Under determined linear system ⇒ infinite number of solutions
Solution found through Least Square minimization subject to the linear constraints:
( ) maxmin , ppr
pppp αεϑαα ≤≤Details in Balenzano et al., IEEE JSTARS 2011
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Soil moisture maps over bare fields of Foggia site using COSMO data at HH pol. in 2010
Doy 205 Doy 213
Rain event on DoY 212
A quantitative assessment of the soil moisture retrieval accuracy comparing retrieved and hydrologically modeled m v maps is in progress
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Fast Delivered mv maps
Off-line processor Averaging procedure
Precision mv - error maps
On-line processor
Retrieving block Masking block N-masked Co-Pol images
Time series of N-mv maps
Time series of N-SAR images
Cross-Pol SAR images
Co-Pol SAR
images
Inc. angles images
NDVI maps
Land cover maps
Texture maps
Ancillary data
N-FD mv maps of the same DoY
1-P mv map & 1-error map of the same DoY
SMOSAR transforms dense time series of N SAR images into N-m v maps over agricultural areas with vegetation cover not dominated by volume scattering
SMOSAR (Soil Moisture retrieval
from multi-temporal SAR data) algorithm based on the alpha
approximation
European Space Agency project "GMES Sentinel-1 Soil Moisture Algorithm Development“poster section in area K on Wed.
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II year of the COSMOLAND project: validation of the retrieval/classification algorithms and assessment of the improvement due to the coupling of the land process models with SAR-derived information
Summary
Future work
classification, LAI and soil moisture retrieval algorithms, based on
maximum likelihood, empirical approach and temporal backscatter changes, respectively, have been illustrated and applied to temporal series of X band SAR data the experimental data set consists of 8 COSMO SkyMed images, at HH/HV polarization, acquired in 2010 over an agricultural site in Italy.
Results show that: classification accuracy improves as a function of the number of the SAR images. Accuracy of 87% when 4 COSMO images on dates close to the full development of crops are used. potential to retrieve LAI of wheat fields and soil moisture content of bare or low vegetated soils using multi-temporal SAR data at X band