Boreal forest classification and monitoring using Sentinel-1 coherence information

Abstract

Many works in the world of Earth observation focus on forest monitoring and classification to analyze the evolution and impact on the planet and society, notably for climate change. In all those studies, using Synthetic Aperture Radar in different frequency bands is one of the most common approaches. This work aims to use the Sentinel-1 system at C-Band to analyze boreal forest regions. Specifically, it will be studied if, with this system, it is possible to extract height information and biomass information. Additionally, it is tried to obtain the conditions in which that is possible. Two areas of interest in Finland are studied through the analysis of the interferometric coherence, meteorological data and ground truth. First, a pixel-based study is conducted. Then, an area-based. Three types of regions are studied: tall trees, low trees and flat areas (without trees). All the results are contrasted with the different theoretical volume and temporal decorrelation models. Finally, a reflection on the physical phenom behind this decorrelation effect in the data is made. It has been discovered that it is possible to determine qualitatively areas with taller trees and areas with lower ones under particular conditions in winter when there is a lot of snow, which is frozen due to the low temperatures. Also, it can be appreciated how quantitative analysis is very complex because all the external factors involved in C-band together with a certain aleatory component.

En el mundo de la observación de la tierra, muchos trabajos se han centrado en la motorización y clasificación de bosques para analizar su evolución y el impacto en el planeta y en la sociedad, en específico con el tema del cambio climático. Entre estos estudios el uso de Radares de Apertura Sintética en diferentes bandas frequenciales es una de las formas más habituales. En este trabajo se pretende utilizar el sistema Sentinel-1 en banda C para analizar regiones de bosques boreales. En concreto se pretende estudiar si con este sistema es posible extraer información de la altura y, por tanto, de la cantidad de biomasa. Adicionalmente, se intenta obtener las condiciones en las cuales esto es posible. A través del análisis de la coherencia interferométrica, junto con datos meteorológicos y datos verificados sobre el terreno de la altura de la vegetación, se estudian dos áreas de interés en Finlandia. Primero se realiza un estudio a escala de píxeles y a continuación de áreas. En concreto, se estudian los casos de regiones con árboles altos, regiones de árboles bajos y regiones planas (sin árboles). Los resultados conseguidos se contrastan con los diferentes modelos teóricos de decorrelación volumétrica y decorrelación temporal y se realiza una reflexión sobre los posibles fenómenos físicos que están provocando estas decorrelaciones en los datos. Por último, descubrimos cómo es posible determinar cualitativamente regiones con árboles más altos y regiones con árboles más bajos en unas condiciones muy específicas en invierno cuando hay mucha nieve y ésta está congelada debido a las bajas temperaturas. También vemos cómo un análisis cuantitativo es muy complejo por culpa de todos los factores externos que intervienen en banda C junto con una cierta componente de aleatoriedad.

En el món de l'observació de la terra molts treballs s'han centrat en la monitorització i classificació de boscos per analitzar la seva evolució i l'impacte en el planeta i en la societat, en específic amb el tema del canvi climàtic. Entre aquests estudis l'ús de Radars d'Obertura Sintètica en diferents bandes freqüencials és una de les maneres més habituals. En aquest treball es pretén utilitzar el sistema Sentinel-1 a banda C per analitzar regions de boscos boreals. En concret es pretén estudiar si amb aquest sistema és possible extreure informació de l'alçada i, per tant, de la quantitat de biomassa. Addicionalment, s'intenten obtenir les condicions en les quals això és possible. A través de l'anàlisi de la coherència interferomètrica, juntament amb dades meteorològiques i dades verificades sobre el terreny de l'alçada de la vegetació s'estudien dues àrees d'interès a Finlàndia. Primer es realitza un estudi a escala de píxels i a continuació d'àrees. En concret s'estudien els casos de regions amb arbres alts, regions d'arbres baixos i regions planes (sense arbres). Els resultats aconseguits es contrasten amb els diferents models teòrics de decorrelació volumètrica i decorrelació temporal i es fa una reflexió sobre els possibles fenòmens físics que estan provocant aquestes decorrelacions en les dades. Finalment, descobrim com és possible determinar qualitativament regions amb arbres més alts i regions amb arbres més baixos en unes condicions molt especifiques a l'hivern quan hi ha molta neu i aquesta està congelada degut a les baixes temperatures. També veiem com una anàlisi quantitatiu és molt complex per culpa de tots els factors externs que intervenen en banda C juntament amb una certa component d'aleatorietat.