Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion
The methodology of multispectral optical and dual-polarized radar satellite data fusion for soils physical parameters estimation is developed. In particular, the methodology comprises relative permittivity estimation based on the Integral Equation Model (IEM) by using high resolution Sentinel-1 GRDH...
Saved in:
| Date: | 2021 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth Institute of Geological Science National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
2021
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/197 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Ukrainian Journal of Remote Sensing of the Earth |
Institution
Ukrainian Journal of Remote Sensing of the Earth| id |
uajuacgovua-article-197 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Ukrainian Journal of Remote Sensing of the Earth |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2022-07-10T20:55:19Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
optical and radar data soil moisture permittivity surface roughness physical temperature thermal emissivity supreme measurements ground truth |
| spellingShingle |
optical and radar data soil moisture permittivity surface roughness physical temperature thermal emissivity supreme measurements ground truth Svideniuk, Mykhailo Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| topic_facet |
optical and radar data soil moisture permittivity surface roughness physical temperature thermal emissivity supreme measurements ground truth оптические и радиолокационные данные влажность грунта диэлектрическая проницаемость шероховатость поверхности физическая температура коэффициент теплового излучения подспутниковые измерения оптичні та радіолокаційні супутникові дані вологість ґрунту діелектрична проникність шорсткість поверхні фізична температура коефіцієнт теплового випромінювання підсупутникові вимірювання |
| format |
Article |
| author |
Svideniuk, Mykhailo |
| author_facet |
Svideniuk, Mykhailo |
| author_sort |
Svideniuk, Mykhailo |
| title |
Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| title_short |
Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| title_full |
Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| title_fullStr |
Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| title_full_unstemmed |
Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| title_sort |
methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion |
| title_alt |
Методика определения физических параметров земной поверхности по результатам комплексирования данных оптической и радиолокационной съемки Методика визначення фізичних параметрів земної поверхні за результатами комплексування даних оптичного та радіолокаційного знімання |
| description |
The methodology of multispectral optical and dual-polarized radar satellite data fusion for soils physical parameters estimation is developed. In particular, the methodology comprises relative permittivity estimation based on the Integral Equation Model (IEM) by using high resolution Sentinel-1 GRDH radar data. The calibration of ε was provided based on the compensation of soil acidity and temperature destabilizing effects. High-resolution multispectral images PlanetScope were used for vegetation indices and thermal emissivity estimation. Both, low-resolution MODIS and medium resolution Landsat-7/8 ETM+/TIRS thermal infrared images were processed in order to estimate ground plane thermodynamic temperature. An investigated approach for the radar signal depolarization compensation is based on local signal deviations and surface roughness estimation. The relief heterogeneity is restored based on the medium-resolution digital terrain elevation model ALOS AWD3D. Aiming to evaluate the accuracy of a soil moisture estimation model designed based on the presented methodology, ground truth measurements were carried out. Specifically, they included soil samples retrieving for the gravimetric soil moisture. In addition, the soil acidity and temperature were measured by applying the GM1312 differential thermometer and WALCOM multifunction device. The estimated parameters and ground truth data were used in order to retrieve the soil moisture based on the multivatiative regression dependence. Root mean square error of soil moisture retrieving was estimated as 4,73 %. Such accuracy is completely acceptable for the soil moisture monitoring of natural-reserved fund territories |
| publisher |
Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth Institute of Geological Science National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine |
| publishDate |
2021 |
| url |
https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/197 |
| work_keys_str_mv |
AT svideniukmykhailo methodologyfordeterminingthephysicalparametersofgroundplanebytheresultsoftheopticalandradardatafusion AT svideniukmykhailo metodikaopredeleniâfizičeskihparametrovzemnojpoverhnostiporezulʹtatamkompleksirovaniâdannyhoptičeskojiradiolokacionnojsʺemki AT svideniukmykhailo metodikaviznačennâfízičnihparametrívzemnoípoverhnízarezulʹtatamikompleksuvannâdanihoptičnogotaradíolokacíjnogoznímannâ |
| first_indexed |
2025-07-17T11:22:35Z |
| last_indexed |
2025-07-17T11:22:35Z |
| _version_ |
1850411106811510784 |
| spelling |
uajuacgovua-article-1972022-07-10T20:55:19Z Methodology for determining the physical parameters of ground plane by the results of the optical and radar data fusion Методика определения физических параметров земной поверхности по результатам комплексирования данных оптической и радиолокационной съемки Методика визначення фізичних параметрів земної поверхні за результатами комплексування даних оптичного та радіолокаційного знімання Svideniuk, Mykhailo optical and radar data soil moisture permittivity surface roughness physical temperature thermal emissivity supreme measurements ground truth оптические и радиолокационные данные влажность грунта диэлектрическая проницаемость шероховатость поверхности физическая температура коэффициент теплового излучения подспутниковые измерения оптичні та радіолокаційні супутникові дані вологість ґрунту діелектрична проникність шорсткість поверхні фізична температура коефіцієнт теплового випромінювання підсупутникові вимірювання The methodology of multispectral optical and dual-polarized radar satellite data fusion for soils physical parameters estimation is developed. In particular, the methodology comprises relative permittivity estimation based on the Integral Equation Model (IEM) by using high resolution Sentinel-1 GRDH radar data. The calibration of ε was provided based on the compensation of soil acidity and temperature destabilizing effects. High-resolution multispectral images PlanetScope were used for vegetation indices and thermal emissivity estimation. Both, low-resolution MODIS and medium resolution Landsat-7/8 ETM+/TIRS thermal infrared images were processed in order to estimate ground plane thermodynamic temperature. An investigated approach for the radar signal depolarization compensation is based on local signal deviations and surface roughness estimation. The relief heterogeneity is restored based on the medium-resolution digital terrain elevation model ALOS AWD3D. Aiming to evaluate the accuracy of a soil moisture estimation model designed based on the presented methodology, ground truth measurements were carried out. Specifically, they included soil samples retrieving for the gravimetric soil moisture. In addition, the soil acidity and temperature were measured by applying the GM1312 differential thermometer and WALCOM multifunction device. The estimated parameters and ground truth data were used in order to retrieve the soil moisture based on the multivatiative regression dependence. Root mean square error of soil moisture retrieving was estimated as 4,73 %. Such accuracy is completely acceptable for the soil moisture monitoring of natural-reserved fund territories Разработано методику комплексирования многоспектральных оптических и двохполяризаційних радарных спутниковых данных для расчёта физических параметров почв. В частности, методика включает расчёт относительной диэлектрической проницаемости (ε) на основе модели интегрального уравнения (IEM) с использованием радиолокационных данных с высоким пространственным разрешением Sentinel-1 GRDH. Выполнено калибрование ε путём компенсации дестабилизирующего влияния кислотности и температуры почвы. Многоспектральные оптические спутниковые данные высокого пространственного разрешения PlanetScope были использованы для расчёта вегетационных индексов и коэффициента теплового излучения. Восстановление термодинамической температуры земной поверхности были выполнены с использованием тепловых спутниковых данных, полученных системами низкого - MODIS и среднего - Landsat-7/8 ETM+/TIRS пространственного разрешения. Исследован способ компенсации деполяризации радиолокационного сигнала путем вычисления локальных девиаций сигнала и шероховатости поверхности. Неоднородность рельефа восстановлена с использованием цифровой модели местности среднего пространственного разрешения ALOS AWD3D. Для проверки точности модели расчёта влажности почвы, построенной на основе представленной методики, были проведены наземные заверочные измерения. В частности, они включали отбор образцов почвы для расчёта влажности гравиметрическим методом. Кроме того, проводились измерения кислотности и температуры почвы с применением дифференциального термометра GM1312 и многофункционального прибора WALCOM. Параметры, рассчитанные с использованием спутниковых данных, и результаты наземных заверочных измерений были использованы для восстановления влажности почв на основе многомерной регрессионной зависимости. Установленное расхождение определения влажности (RMSE = 4,73%) вполне приемлемо для количественного мониторинга влажности земельных ресурсов природно-заповедного фонда. Розроблено методику комплексування багатоспектральних оптичних та двохполяризаційних радарних супутникових даних для обчислення фізичних параметрів ґрунтів. Зокрема, методика включає обчислення відносної діелектричної проникності (ε) на основі моделі інтегрального рівняння (IEM) з використанням радіолокаційних даних з високою просторовою розрізненністю Sentinel-1 GRDH. Виконано калібрування ε шляхом компенсації дестабілізуючого впливу кислотності та температури ґрунту. Багатоспектральні оптичні супутникові дані високої просторової розрізненності PlanetScope були використані для обчислення вегетаційних індексів та коефіцієнта теплового випромінювання. Відновлення термодинамічної температури земної поверхні було виконано з використанням теплових супутникових даних, отриманих системами низької – MODIS та середньої Landsat-7/8 ETM+/TIRS просторової розрізненності. Досліджено спосіб компенсації деполяризації радіолокаційного сигналу шляхом обчислення локальних девіацій сигналу та шорсткості поверхні. Неоднорідність рельєфу відновлена з використанням цифрової моделі місцевості середньої просторової розрізненності ALOS AWD3D. Для перевірки точності моделі обчислення вологості ґрунту, побудованої на основі представленої методики, було проведено наземні завіркові вимірювання. Зокрема, вони включали відбір зразків ґрунту для обчислення вологості гравіметричним методом. Крім того, проводилися вимірювання кислотності та температури ґрунту із застосуванням диференціального термометру GM1312 та багатофункціонального приладу WALCOM. Параметри, обчислені з використанням супутникових даних, та результати наземних завіркових вимірювань були використані для відновлення вологості ґрунтів на основі багатомірної регресійної залежності. Встановлена розбіжність визначення вологості (RMSE=4,73 %) є цілком прийнятною для кількісного моніторингу вологості земельних ресурсів природно-заповідного фонду. Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth Institute of Geological Science National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine 2021-09-21 Article Article application/pdf https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/197 10.36023/ujrs.2021.8.3.197 Ukrainian journal of remote sensing; Vol. 8 No. 3 (2021); 4-26 Украинский журнал дистанционного зондирования Земли; Том 8 № 3 (2021); 4-26 Український журнал дистанційного зондування Землі; Том 8 № 3 (2021); 4-26 2313-2132 uk https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/197/221 Copyright (c) 2021 Ukrainian journal of remote sensing |