Αξιολόγηση μοντέλων και μεθοδολογιών εκτίμησης εδαφικής υγρασίας μέσω εικόνων ραντάρ

Πέτκοβιτς, Στέφανος; Petkovic, Stefanos

dc.contributor.author	Πέτκοβιτς, Στέφανος	el
dc.contributor.author	Petkovic, Stefanos	en
dc.date.accessioned	2023-04-07T06:33:58Z
dc.date.available	2023-04-07T06:33:58Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57510
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25207
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ογκομετρική εδαφική υγρασία	el
dc.subject	Ραντάρ συνθετικού ανοίγματος	el
dc.subject	Volumetric soil moisture	en
dc.subject	Synthetic aperture radar	en
dc.subject	Μοντέλο Οπισθοσκέδασης	el
dc.subject	Backscattering model	en
dc.title	Αξιολόγηση μοντέλων και μεθοδολογιών εκτίμησης εδαφικής υγρασίας μέσω εικόνων ραντάρ	el
dc.title	Evaluation of models and methodologies for the estimation of soil moisture via radar images	en
dc.contributor.department	Τομέας Τοπογραφίας. Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Τηλεπισκόπηση	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-03-06
heal.abstract	Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε η ανάλυση ορισμένων μεθόδων για τον προσδιορισμό της ογκομετρικής εδαφικής υγρασίας από εικόνες ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR) Sentinel-1. Οι μέθοδοι αυτοί αφορούσαν αρχικά στην μοντελοποίηση του συντελεστή οπισθοσκέδασης του στόχου του ραντάρ (σε απεικονίσεις Sentinel-1 η συγκεκριμένη ποσότητα αναπαρίσταται μέσω των εικονοστοιχείων μιας ραδιομετρικά διορθωμένης απεικόνισης και ποσοτικοποιεί την οπισθοσκέδαση του σήματος του ραντάρ από τον στόχο) μέσω παραμέτρων με τους οποίους αλληλεπιδρά η μικροκυματική ακτινοβολία όπως είναι η γωνία πρόσπτωσης του σήματος, θ η εδαφική τραχύτητα μέσω των δεικτών kHrms ή kL αλλά και η ίδια η εδαφική υγρασία mv. Επιπλέον, οι συγκεκριμένες μέθοδοι/μοντέλα χωρίζονται σε εμπειρικές και φυσικές υπό την έννοια ότι οι εμπειρικές μέθοδοι στηρίζονται σε απλές μαθηματικές σχέσεις που περιέχουν τους παράγοντες αλληλεπίδρασης (π.χ. f(θ, kHrms, mv) ή f(θ, kL, mv)) ενώ οι φυσικές μέθοδοι στηρίζονται στο να ποσοτικοποιήσουν την οπισθοσκέδαση (ή γενικότερα την σκέδαση σε ορισμένο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα προς μια κατεύθυνση) από μια τραχεία επιφάνεια με χρήση φυσικομαθηματικών νόμων (π.χ. η αρχή Huygens–Fresnel, το θεώρημα εξαφάνισης Ewald–Oseen κ.α.) και συνήθως απαιτούν την πραγματοποίηση ορισμένων παραδοχών και προσεγγίσεων για λόγους υπολογιστικού κόστους και δυσκολίας. Αναφορικά με την εφαρμογή που έγινε στo πλαίσιo της εργασίας, αυτή αφορούσε στον έμμεσο προσδιορισμό της ογκομετρικής εδαφικής υγρασίας σε 12 σταθμούς του δικτύου I.S.M.N. (International Soil Moisture Network) μέσω ραδιομετρικά και γεωμετρικά διορθωμένων απεικονίσεων SAR Sentinel-1 G.R.D. (Ground Range Detected) και επίγειων δεδομένων από τους σταθμούς (εδαφική υγρασια, υετός κ.α.) για ένα χρονικό εύρος μερικών ετών. Αρχικά, για το ίδιο χρονικό εύρος υπολογίστηκαν οι μοντελοποιημένοι συντελεστές οπισθοσκέδασης από ορισμένες εμπειρικές και φυσικές μεθόδους (π.χ. μοντέλο Dubois, μοντέλο ολοκληρωτικών εξισώσεων ή I.E.M. κ.α.). Κατόπιν, βάσει των μοντελοποιημένων συντελεστών οπισθοσκέδασης και των συντελεστών οπισθοσκέδασης από τις SAR απεικονίσεις αλλά και μιας συνάρτησης κόστους η οποία ορίζεται από τις δύο αυτές ποσότητες, έγινε μέσω μιας μεθόδου μαθηματικής βελτιστοποίησης ο έμμεσος προσδιορισμός της εδαφικής υγρασίας η οποία συγκρίθηκε με τις επίγειες μετρήσεις εδαφικής υγρασίας. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκε και μια μικρή εφαρμογή στην οποία διερευνήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης εικόνων κλεισίματος φάσης (κλειστός βρόχος συμβολομετρικών φάσεων από τριπλέτα SAR απεικονίσεων) για την ανίχνευση μεταβολών από γεγονότα βροχόπτωσης. Τελικά, σε σχέση με τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την εφαρμογή των μοντέλων οπισθοσκέδασης για τον έμμεσο προσδιορισμό της ογκομετρικής εδαφικής υγρασίας, παρατηρείται ότι με βάση το φυσικό μοντέλο I.E.M. (Integral Equation Model) επιτυγχάνεται η καλύτερη προσαρμογή (βάσει του συντελεστή προσδιορισμού R2 και των χρονοσειρών σύγκρισης) μεταξύ των συνόλων SAR και μοντελοποιημένων συντελεστών οπισθοσκέδασης αλλά και των συνόλων in-situ και μοντελοποιημένων τιμών ογκομετρικής εδαφικής υγρασίας. Παράλληλα, όσον αφορά την χρήση εικόνων κλεισίματος φάσης για την ανίχνευση μεταβολών από γεγονότα βροχόπτωσης, δεν παράχθηκαν τα επιθυμητά αποτελέσματα και επομένως για τον συγκεκριμένο σκοπό ενδείκνυνται περισσότερο η αξιοποίηση συμβολομετρικών χρονοσειρών.	el
heal.abstract	In the present thesis certain methods for the determination of the volumetric soil moisture content of a soil using Sentinel-1 Synthetic Aperture Radar (SAR) images were analyzed. These methods included the modeling of the backscatter coefficient of a radar target (in Sentinel-1 images this variable is represented by the pixels of a radiometrically and geometrically corrected image and it quantifies the backscattering of the radar signal from the target) through parameters that interact with the microwaves such as the incidence angle of the signal, the surface roughness θ through the indices kHrms or kL and the volumetric soil moisture itself mv. Furthermore, these models are divided into empirical and physical models in the sense that the empirical methods are relatively simple mathematical relations that include the factors of backscattering (e.g. f(θ, kHrms, mv) or f(θ, kL, mv)) while the physical methods are quantifying the backscattering (or in a more broad sense the scattering in a certain electromagnetic spectrum) of a rough surface with usage of physical and mathematical laws (e.g. the Huygens-Fresnel principle, the Ewald-Oseen extinction theorem e.t.c.) and usually demand the acceptance of some approximations for reasons of computational cost. Regarding the application which was developed in the present thesis, it was about the computation of the volumetric soil moisture content in 12 stations of the I.S.M.N. (International Soil Moisture Network) through radiometrically and geometrically corrected SAR Sentinel-1 G.R.D. (Ground Range Detected) images and in-situ data (volumetric soil moisture, precipitation e.t.c.) for a time length of several years. Initially, for the same time length the modeled backscatter coefficients were computed using empirical and physical methods (e.g. Dubois model, Integral Equation Model - I.E.M. e.t.c.). Afterwards, based on the modeled backscatter coefficients and the backscatter coefficients from SAR images as well as on a cost function which is defined from these two parameters, the volumetric soil moisture content was computed indirectly (using an optimization method) which was then compared with the in-situ volumetric soil moisture content. Additionally, a small application was created where the possibility of using phase closure (closed loop of interferometric phase values from a triplet of SAR images) images for the detection of changes from rainfall events was evaluated. Ultimately, regarding the conclusions which were made from the application of the backscattering models for the computation of the volumetric soil moisture content, it can be observed that using the I.E.M. (Integral Equation Model) physical model the best fit (based on the coefficient of determination R squared and the produced timeseries) between the SAR and modeled backscatter coefficients as well as the modeled and in-situ volumetric soil moisture values can be observed. Meanwhile, regarding the usage of phase closure images for the detection of changes from rainfall events, the desired results were not produced and therefore for this specific purpose inSAR time series are indicated as more suitable.	en
heal.advisorName	Καραθανάση, Βασιλεία	el
heal.committeeMemberName	Παπαδοπούλου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Καράντζαλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών. Τομέας Τοπογραφίας. Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	128 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false