Radarfernerkundung landwirtschaftlicher Flächen mit einem flugzeuggetragenen L-, C- und X-Band Scatterometer

Abstract

Während einer Flugmeßkampagne im Juli/August 1989 wurde die Radarrückstreuung von Böden unter verschiedenen Bewuchstypen und Bodenfeuchteverhältnissen gemessen. Ziel war die Auswahl einer geeigneten Mikrowellenfrequenz, die unabhängig vom Vegetationsdach zur Kartierung der Bodenfeuchte geeignet ist. Die Messungen erfolgten in vier verschiedenen Frequenzbändern L- (1 GHz), C- (5,3 GHz), X-(10 GHz) und Ku-Band (15 GHz), sowohl bei Kreuz- wie auch bei Parallelpolarisationen des einfallenden bzw. des rückgestreuten Signals. Die Rückstreuwerte wurden den Bewuchsklassen zugeordnet und mit in situ Bodendaten verglichen. Die Ergebnisse können folgendermaßen zusammengefasst werden: Die X-Band Signale zeigen eine direkte Abhängigkeit vom Vegetationstyp, aber es ist – für Zuckerrübe und Kartoffel - keine Veränderung nach dem Niederschlagsereignis bzw. der Bodenfeuchtezunahme festzustellen. Bei Weizen nahm aufgrund von Interzeption des Niederschlags die Rückstreuung gering zu. Das X-Band ist deshalb nicht zur Bodenfeuchtekartierung geeignet. C-Band Daten zeigen eine Abhängigkeit vom Tagesverlauf (Tau im Vegetationsdach, Blattstellung) und vom Vegetationstyp, aber nur geringe Veränderungen nach Niederschlag. Daher ist das C-Band für die großflächige Fernerkundung der Bodenfeuchte nicht geeignet. Die Ergebnisse zeigen nur im L-Band einen deutlichen Zusammenhang zu den Bodenfeuchteveränderungen. Insbesondere ist dieses Verhältnis unabhängig vom Bewuchstypus. Die Rückstreuung im L-Band ist weiterhin mit dem Winkel der Antennenblickrichtung zur Anbaurichtung korreliert. Dieser Geländeparameter ist jedoch gegenüber dem Einfluß der Bodenfeuchte auf die Signalstärke zu vernachlässigen. Als Ergebnis dieser Arbeit wird die Verwendung sehr kurzer Wellenlängen (z.B. X- oder Ku-Band) vorgeschlagen, um die Oberflächenstrukur des Vegetationsdaches zu erkennen. Die Rückstreuung mittlerer Wellenlängen (C-Band) enthält schwer trennbare Einflüße vom Bodenaggregat, der Feuchte in und auf den Blättern und der Pflanzengeometrie. Wellenlängen ab L-Band und länger reagieren -unabhängig von einer Vegetationsbedeckung- direkt mit der obersten Bodenschicht.

Radar backscattering from soils under different moisture conditions and four types of agricultural crops was measured during an airborne campaign in July/August 1989. The aim of this experiment was to determine a microwave frequency, that measures soil moisture independently from the vegetation type and cover. Measurements were made in four frequencies L- (1 GHz), C- (5.3 GHz), X- (10 GHz), and Kuband (15 GHz), and co- and crosspolarized modes. The results can be summarized as follows: The X-band signals have a high correlation to crop types, but show no change of backscattering intensity - for sugar beet and potato - after the precipitation event and the change of soil moisture. Only wheat fields showed a minor increase of the scattered signals due to interception. Therefore, X-band is not suited for soil moisture determination. C-band data reveal a day time dependence of the backscattering intensity (due to dew and varying plant geometry), high crop type dependency, but only some variation after the rainfall. Hence, C-band is not suggested for remote sensing of soil moisture. Only the results in L-band show a strong correlation to the soil moisture increase and, furthermore, are independent of the type of vegetation cover. As a result of this work, the use of very short wavelengths (such as X- or Ku-band) is suggested to determine the structure of the vegetation canopy. The C-band backscatter information consists of multiple scattering mechanisms from the soil, the moisture in and on the leafs, and the plant geometry which are difficult to determine. L-band or longer wavelengths react - independently from the vegetation cover - directly with the uppermost soil layer.