Estimation of Soil Moisture Content from Backscattering Coefficients Using a Radar Scatterometer

Microwave remote sensing can help monitor the land surface water cycle, crop growth and soil moisture. A ground-based polarimetric scatterometer has an advantage for continuous crop using multi-polarization and multi-frequencies and various incident angles have been used extensively in a frequency range expanding from L-band to Ka-band. In this study, we analyzed the relationships between L-, C- and X-band signatures and soil moisture content over the whole soybean growth period. Polarimetric backscatter data at L-, C- and X-bands were acquired every 10 minutes. L-band backscattering coefficients were higher than those observed using C- or X-band over the period. Backscattering coefficients for all frequencies and polarizations increased until Day Of Year (DOY) 271 and then decreased until harvesting stage (DOY 294). Time serious of soil moisture content was not a corresponding with backscattering over the whole growth stage, although it increased relatively until early August (R2, DOY 224). We conducted the relationship between the backscattering coefficients of each band and soil moisture content. Backscattering coefficients for all frequencies were not correlated with soil moisture content when considered over the entire stage ($r{\leq}0.50$). However, we found that L-band HH polarization was correlated with soil moisture content (r=0.90) when Leaf Area Index (LAI)<2. Retrieval equations were developed for estimating soil moisture content using L-band HH polarization. Relation between L-HH and soil moisture shows exponential pattern and highly related with soil moisture content ($R^2=0.92$). Results from this study show that backscattering coefficients of radar scatterometer appear effective to estimate soil moisture content.

레이더 산란계 후방산란계수를 이용한 토양수분함량 추정

다편파 레이더 산란계 시스템 (L, C, X-밴드 안테나)에서 얻어진 편파별 후방산란계수와 토양수분함량과의 상관성을 분석하고 후방산란계수를 이용 토양수분함량을 추정하고자 하였다. 콩 생육시기에 따른 밴드별 후방산란계수 변화 관측 결과 L-밴드 후방산란계수가 C-, X-밴드후방산란계수보다 높게 나타났고, 모든 안테나 밴드에서 콩 생육초기에는 VV-편파가 HH, HV-편파보다 후방산란계수가 높게 나타났다. HH-편파가 VV-편파보다 후방산란계수가 높게 나타나는 시기는 밴드에 따라 차이를 보였다. L-밴드의 경우 7월 20일 (DOY 200), C, X-밴드는 7월 30일 (DOY 210)부터 HH-편파가 다른 편파들 보다 후방산란계수가 높게 나타났다. 모든 안테나 편파별 후방산란계수가 9월 29일 (DOY 271)에 최대값을 보였고, 그 이후 수확기 (DOY 294) 까지 감소하였다. L-밴드 HH-편파와 VV-편파 간의 차이는 꼬투리가 생성되는 착협기 (R3, DOY 228) 부터 다른 밴드에 비해 크게 나타났고, 반면에 C-밴드 HH-편파와 VV-편파 간의 차이는 착협성기 (R4, DOY 242) 이후 증가폭이 크게 나타났다. 후방산란계수와 토양수분함량과의 변화를 분석한 결과 생육기간동안 토양수분함량 변이가 컸고, 전체 생육기간에서는 모든 밴드별 후방산란계수와 토양수분함량 간에 상관성이 나타나지 않았다. 하지만 엽면적지수가 2 이하 (R2, DOY 224) 일 때 후방산란계수가 증가함에 따라 토양수분함량도 증가하는 경향을 보였다. 밴드별 후방산란계수와 토양수분함량과의 상관관계를 분석하였다. 전체 생육기간에서는 모든 밴드에서 두 변수간의 상관계수가 낮게 나타났다 ($r{\leq}0.50$). 반면에 엽면적지수 2 이하 일 때 모든 밴드에서 후방산란계수와 토양수분함량과의 상관계수가 전체 생육단계에서 조사한 것 보다 높게 나타났다. L-밴드 후방산란계수가 C-, X-밴드 후방산란계수 보다 토양수분함량과의 상관성이 높게 나타났고 ($r{\geq}0.84$), L-밴드 HH-편파가 상관계수가 가장 높았다 (r=0.90). X-밴드 후방산란계수는 L-, C-밴드 후방산란계수보다 상관계수가 낮게 나타났다 ($r{\leq}0.71$). 후방산란계수를 이용하여 토양수분함량 추정 모형식을 작성하였다. L-밴드 HH-편파 후방산란계수와 토양수분함량과의 관계를 비교해 본 결과 결정계수가 높게 나타났다($R^2=0.92$). 본 연구를 통해 레이더 산란계 시스템에서 얻어진 후방산란계수를 이용하여 토양수분함량을 추정할 수 있음을 확인하였다.