Advanced methods for earth observation data synergy for geophysical parameter retrieval
Authors:   , Herbert Christoph Josef 
Published: October 2023

The first part of the thesis focuses on the analysis of relevant factors to estimate the response time between satellite-based and in-situ soil moisture (SM) using a Dynamic Time Warping (DTW). DTW was applied to the SMOS L4 SM, and was compared to in-situ root-zone SM in the REMEDHUS network in Western Spain. The method was customized to control the evolution of time lag during wetting and drying conditions. Climate factors in combination with crop growing seasons were studied to reveal SM-related processes. The heterogeneity of land use was analyzed using high-resolution images of NDVI from Sentinel-2 to provide information about the level of spatial representativity of SMOS data to each in-situ station. The comparison of long-term precipitation records and potential evapotranspiration allowed estimation of SM seasons describing different SM conditions depending on climate and soil properties.
The second part of the thesis focuses on data-driven methods for sea ice segmentation and parameter retrieval.
A Bayesian framework is employed to segment sets of multi-source satellite data. The Bayesian unsupervised learning algorithm allows to investigate the ‘hidden link’ between multiple data. The statistical properties are accounted for by a Gaussian Mixture Model, and the spatial interactions are reflected using Hidden Markov Random Fields. The algorithm segments spatial data into a number of classes, which are represented as a latent field in physical space and as clusters in feature space. In a first application, a two-step probabilistic approach based on Expectation-Maximization and the Bayesian segmentation algorithm was used to segment SAR images to discriminate surface water from sea ice types. Information on surface roughness is contained in the radar backscattering images which can be - in principle - used to detect melt ponds and to estimate high-resolution sea ice concentration (SIC). In a second study, the algorithm was applied to multi-incidence angle TB data from the SMOS L1C product to harness the its sensitivity to thin ice. The spatial patterns clearly discriminate well-determined areas of open water, old sea ice and a transition zone, which is sensitive to thin sea ice thickness (SIT) and SIC. In a third application, SMOS and the AMSR2 data are used to examine the joint effect of CIMR-like observations. The information contained in the low-frequency channels allows to reveal ranges of thin sea ice, and thicker ice can be determined from the relationship between the high-frequency channels and changing conditions as the sea ice ages. The proposed approach is suitable for merging large data sets and provides metrics for class analysis, and to make informed choices about integrating data from future missions into sea ice products.
A regression neural network approach was investigated with the goal to infer SIT using TB data from the Flexible Microwave Payload 2 (FMPL-2) of the FSSCat mission. Two models - covering thin ice up to 0.6m and the full-range of SIT - were trained on Arctic data using ground truth data derived from the SMOS and Cryosat-2. This work demonstrates that moderate-cost CubeSat missions can provide valuable data for applications in Earth observation.

La primera parte de la tesis se centra en el análisis de los factores relevantes para estimar el tiempo de respuesta entre la humedad del suelo (SM) basada en el satélite y la in-situ, utilizando una deformación temporal dinámica (DTW). El DTW se aplicó al SMOS L4 SM, y se comparó con la SM in-situ en la red REMEDHUS en el oeste de España. El método se adaptó para controlar la evolución del desfase temporal durante diferentes condiciones de humedad y secado. Se estudiaron los factores climáticos en combinación con los períodos de crecimiento de los cultivos para revelar los procesos relacionados con la SM. La heterogeneidad del uso del suelo se analizó utilizando imágenes de alta resolución de NDVI de Sentinel-2 para proporcionar información sobre el nivel de representatividad espacial de los datos de SMOS a cada estación in situ. La comparación de los patrones de precipitación a largo plazo y la evapotranspiración potencial permitió estimar las estaciones de SM que describen diferentes condiciones de SM en función del clima y las propiedades del suelo. La segunda parte de esta tesis se centra en métodos dirigidos por datos para la segmentación del hielo marino y la obtención de parámetros. Se emplea un método de inferencia bayesiano para segmentar conjuntos de datos satelitales de múltiples fuentes. El algoritmo de aprendizaje bayesiano no supervisado permite investigar el “vínculo oculto” entre múltiples datos. Las propiedades estadísticas se contabilizan mediante un modelo de mezcla gaussiana, y las interacciones espaciales se reflejan mediante campos aleatorios ocultos de Markov. El algoritmo segmenta los datos espaciales en una serie de clases, que se representan como un campo latente en el espacio físico y como clústeres en el espacio de las variables. En una primera aplicación, se utilizó un enfoque probabilístico de dos pasos basado en la maximización de expectativas y el algoritmo de segmentación bayesiano para segmentar imágenes SAR con el objetivo de discriminar el agua superficial de los tipos de hielo marino. La información sobre la rugosidad de la superficie está contenida en las imágenes de backscattering del radar, que puede utilizarse -en principio- para detectar estanques de deshielo y estimar la concentración de hielo marino (SIC) de alta resolución. En un segundo estudio, el algoritmo se aplicó a los datos TB de múltiples ángulos de incidencia del producto SMOS L1C para aprovechar su sensibilidad al hielo fino. Los patrones espaciales discriminan claramente áreas bien determinadas de aguas abiertas, hielo marino viejo y una zona de transición, que es sensible al espesor del hielo marino fino (SIT) y al SIC. En una tercera aplicación, se utilizan los datos de SMOS y de AMSR2 para examinar el efecto conjunto de las observaciones tipo CIMR. La información contenida en los canales de baja frecuencia permite revelar rangos de hielo marino delgado, y el hielo más grueso puede determinarse a partir de la relación entre los canales de alta frecuencia y las condiciones cambiantes a medida que el hielo marino envejece. El enfoque propuesto es adecuado para fusionar grandes conjuntos de datos y proporciona métricas para el análisis de clases, y para tomar decisiones informadas sobre la integración de datos de futuras misiones en los productos de hielo marino. Se investigó un enfoque de red neuronal de regresión con el objetivo de inferir el SIT utilizando datos de TB de la carga útil de microondas flexible 2 (FMPL-2) de la misión FSSCat. Se entrenaron dos modelos - que cubren el hielo fino hasta 0.6 m y el rango completo del SIT - con datos del Ártico utilizando datos de “ground truth” derivados del SMOS y del Cryosat-2. Este trabajo demuestra que las misiones CubeSat de coste moderado pueden proporcionar datos valiosos para aplicaciones de observación de la Tierra.