Integration of optical and synthetic aperture radar imagery for improving crop mapping - Nasırzadehdizaji, Rouhollah (My University, 2020)
Land use/cover mapping is one of the main application fields of the remote sensingdata and thus is well suited for mapping of seasonally changing variables such asagricultural areas. Since, crops are characterized by their typical spatial patterns,temporal dynamics and changing radiation reflecting and scattering behavior due tocrop phenology and plant status, hence applying time series of remote sensing datawithin a short revisiting time would be a beneficial method for agriculture monitoring.The aim of this thesis therefore, centered on the monitoring and investigation ofthe agriculture activities over the time in terms of estimation of the biophysicalparameters, crops phenological development and different growth stages, theidentification of certain types of crops, and providing useful information about cropsstatus in the study region located in the Konya basin central Anatolia Turkey. In thiswork, Synthetic Aperture Radar (SAR) and optical as two different remote sensingsystems were applied to investigate and evaluate the temporal and spatial variabilityof agricultural activities more precisely. The focus of this thesis is two-fold: (1) toevaluate the use of SAR, Polarimetric SAR (PolSAR) and Interferometric SAR (InSAR)techniques in estimation and monitoring of crop variables and parameters, and discusstheir potential relationship with remotely sensed data and field observations (2) toinvestigate the integration of optical and SAR imagery for improving crop mapping,and discuss the performance of the sensors backscatter and reflectance for temporalcrop type mapping with combination of the optical and SAR data. For these purposes as a first work, the sensitivity of 10 parameters derived frommulti-temporal C-band Sentinel-1 SAR data, to crop height and canopy coverage (CC)of maize, sunflower, and wheat in the study area were analyzed. The coefficientdetermination(R2)of 0.82 indicates that there is a strong relationship between themaize height and SAR parameters of VV+VH, during the early growing stage. Themaize CC is well correlated with VV parameter(R2=0.73), however, it is observedthat at the later growing stage the correlation became weaker. This means that thesensitivity decreases with increasing vegetation cover growth. The sensitivity of SARparameters to wheat variables is often good at the early stage. The sunflower’s CCshows a relatively higher correlation with VV polarization(R2=0.46)at the earlystage while no considerable correlation is observed at the later stage. The sunflowerheight also had an insignificant correlation with the majority of SAR parameters. It isfound that Sentinel-1 SAR data has a high potential for estimation of crop height andCC of the maize as a broad-leaf crop. The same is not true for sunflower as anotherbroad-leaf crop.The next step was the application of Sentinel-1 multi-temporal data for cropmonitoring and mapping and thereby extracting useful information, such as cropsstatus, estimating irrigation and harvesting time according to the changes made inbackscatters. From the backscattering analysis, it was observed that each similar croptype in different test fields due to the distinct methods of irrigation and fertilizationhas shown different intensity values. It has indicated that the homogeneity betweenSAR backscatters is high for each field with the same crop type in descending passdirection with VH polarization. In contrary, high-intensity values are recorded in VVpolarization for entire crop types. It is also observed that polarimetric compositeimages for a different date are useful to roughly identify crop types, and validatedwith the application of classification methods in the study area.Later on, two different Sentinels data types in the same period of time and the samescene have been selected to describe how to get information from combined opticaland SAR data. Hereby, to discriminate different land use/cover categories of the studyarea, the potential of remotely sensed image analysis to merge multi-spectral and SARimages within a hierarchical classification framework was evaluated. Multi-temporalSentinel-1, C-band VV, and VH polarized SAR data and Sentinel-2 optical data wereacquired simultaneously by in-situ measurements to investigate the performance ofthe sensors backscatter and reflectance for temporal crop type mapping and thesustainable management of agricultural activities for the study area. Results showedthat the combination of the radar and optical data indices caused to enhance cropclassification methodology and classification accuracies were improved results (5%)using combinations of sensors and reached 93% in this study. Finally, the correlation between different phenological stages (sowing, growth, andharvesting) of the crops and radar coherence were studied. Within the context ofthis work, the relationship between the interferometric coherence calculated from thedifferent pass directions and multi-track of 12 and 6-day Sentinel-1 SAR image pairsand the different crop type’s growth stages (i.e. sowing, growing and harvesting)were investigated. For this purpose, field surveys were conducted for validation ofthe correlation between the coherence and crop growth status. For interferometriccoherence analysis to monitoring the time evolution of different crop fields, 31 SARimages in ascending and 31 in descending orbit direction were acquired throughoutthe same growth season of the subject area. The results showed that coherence valueswere high before plowing and seeding and had sharp coherence decrease with startingthe growing the crops. During the growth stage of crops the values stay low andslightly similar for each field and crop type. The coherence values were significantlyhigher after crop harvesting and reaping the remnants of the crops. In comparingwith ascending pass direction it has indicated that coherence value is high for eachfield with the same crop type in descending orbit.This dissertation emphasizes the potentialities of the remote sensing data - themethodology of SAR, PolSAR and InSAR time-series analysis and integrated use of SARand optical data to efficiently evaluate the crop variables and parameters at differentphenological stages and crop map as an agricultural monitoring and managementstrategies. To the better interpretation of the sensitivity of SAR parameters to the cropbiophysical variables most precise field observations are needed and as the furtherwork high spatial resolution SAR data would be efficient to achieve more accurateinformation regarding agricultural activities and crop studying.

Arazi kullanımı/örtüsü haritası üretimi, uzaktan algılama verilerinin ana uygulama alanlarından biridir ve tarımsal alanlar gibi mevsimsel olarak farklılık gösteren değişkenlerin haritalanması için çok uygundur. Tarım alanları tipik mekansal özellikleri ile karakterize edildiğinden bitki fenolojisi ve bitki durumuna bağlı olarak paternler, zamansal dinamikler ve değişen ışınımın yansıma ve saçılma davranışlarından dolayı uzaktan algılama sistemleri ile izlenebilmektedir. Uyduların kısa aralıklarla tekrarlı geçişleri sayesinde elde edilen zaman serisi verileri ile tarım alanlarının izlenmesinde çok faydalı bir method olarak kabul edilmektedir .Bu nedenle, bu tezin amacı, zaman içerisinde bitkilerin biyofiziksel parametrelerinin tahmini, bitkilerin fenolojik gelişmeleri ve farklı büyüme aşamaları, bitki türlerinin belirlenmesi ve bu konuda bitkilerin statüsü ile ilgili yararlı bilgiler verilmesi açısından Türkiye'nin Konya havzasında bulunan çalışma bölgesinde ekili alanların tarımsal faaliyetlerin izlenmesi ve araştırılması konusuna odaklanmıştır. Bu çalışmada, tarımsal faaliyetlerin zamansal ve mekansal değişkenliğini daha kesin ve doğru olarak araştırmak ve değerlendirmek için Sentetik Açıklık Radarı (SAR) ve optik sistemler iki farklı uzaktan algılama veri kaynağı olarak kullanılmıştır. Bu tezin iki temel odağı vardır: (1) SAR, Polarimetric SAR (PolSAR) ve Interferometric SAR(InSAR) tekniklerinin bitki değişkenleri ve parametrelerinin tahmini ve izlenmesinde kullanımını değerlendirmek ve uzaktan algılanan verilerle arazi gözlemleri arasındaki potansiyel ilişkiyi analiz etmek; (2) ürün deseni haritalarının iyileştirilmesi için optik ve SAR görüntülerinin entegrasyonunu araştırmak ve aynı zamanda optik ve SAR verilerini birleştirerek yansıma ve saçılma değerlerinin zamansal ürün deseni harita üretimindeki performansını analiz etmektir. Bu amaçlar için ilk çalışmada, çok zamanlı C-bant Sentinel-1 SAR verilerinden elde edilen 10 parametrenin, çalışma alanındaki mısır, ayçiçeği ve buğday bitkilerinin yüksekliği ve toprağı örtme oranına (CC) olan duyarlılığı analiz edildi. Korelasyon katsayısı değerleri, ilk büyüme aşamasında mısır için yüksek bir korelasyon olduğunu göstermektedir. Saptama katsayısı(R2=0.82), ilk büyüme aşamasında, VV+VH’nin mısır yüksekliği ile SAR parametreleri arasında yüksek bir ilişki olduğunu göstermektedir. Mısırın toprağı örtme oranı, VV parametresi ile iyi korelasyonludur(R2=0.73), ancak son büyüme evresinde korelasyonun zayıflaştığı görülmektedir. Yani bitki örtüsünün büyümesi arttıkça duyarlığının azaldığı anlamına gelir. SAR parametrelerinin buğday değişkenlerine duyarlılığı ilk aşamada genellikle iyidir. Ayçiçeğinin toprağı örtme oranı, ilk aşamada VV polarizasyonu(R2=0.46)ile nispeten daha yüksek bir korelasyon gösterirken, sonraki aşamada önemli bir korelasyon gözlenmemiştir. Ayçiçeği yüksekliği, SAR parametrelerinin çoğunluğu ile anlamlı olmayan bir korelasyona sahiptir. Sentinel-1 SAR verilerinin, geniş yapraklı bir bitki olarak mısırın toprağı örtme oranı ve boyunu tahmin etmek için yüksek bir potansiyele sahip olduğu bulunmuştur. Aynısı durum diğer bir geniş yapraklı bitki olan ayçiçeği için geçerli değildir. Bir sonraki adım, Sentinel-1 çok-zamanlı verilerinin kullanılmasıyla ürünlerin izlenmesi ve haritalarının üretilmesi ve böylece geri saçılmalarda oluşan değişikliklere göre bitkinin durumu, sulama ve hasat zamanı gibi yararlı bilgilerin çıkarılmasıyla ilgilidir. Geri saçılma analizinden, farklı sulama ve gübreleme yöntemleri nedeniyle farklı test alanlarındaki benzer bitki türlerinin farklı yoğunluk değerlerin elde edildiği görülmüştür. SAR geri saçılmaları arasındaki homojenliğin, VH polarizasyonu ile alçalan geçiş yönünde aynı bitki tipinde olan her alan için yüksek olduğunu göstermiştir. Ancak yüksek yoğunluk değerleri tüm ürün tipleri için VV polarizasyonunda kaydedilmiştir. Farklı tarihlerde elde edilen polarimetrik kompozit görüntülerin bitki tiplerini kabaca tanımlamak için yararlı olduğu gözlemlenmiştir ve çalışma alanında sınıflandırma yöntemlerinin uygulanmasıyla doğrulanmıştır. Daha sonraki aşamada, aynı zaman dilimine ve aynı alana ait Sentinel 1 ve Sentinel2 verileri SAR ve optik verilerin birleştirilmesi ile nasıl bilgi elde edileceği amacıyla seçilmiştir. Böylelikle, çalışma alanının farklı arazi kullanımı/örtüsü kategorilerini ayırt etmek için, hiyerarşik bir sınıflandırma çerçevesi içinde çok bantlı optic ve SAR görüntülerini birleştirmek üzere uzaktan algılama görüntü analizi potansiyeli değerlendirilmiştir. Arazi çalışmaları ile aynı tarihte alınan çok zamanlı Sentinel-1, C-band VV ve VH polarizasyonlu SAR verileri ve Sentinel-2 optik verileri, sensörlerin geri saçılma ve yansıma performansı zamansal ürün deseni harita üretimi ve tarımsal faaliyetlerinin sürdürülebilir yönetiminin de kullanılabilirliğini araştırmak amacıyla incelendi. Sonuçlar, radar ve optik verilerin kombinasyonunun bitki sınıflandırma doğruluğunun artmasını sağladığı (5%) ve bu çalışmada toplam doğruluğun 93%’eulaştığını gösterdi. Son çalışma, bitkilerin farklı fenolojik aşamaları (ekim, büyüme ve hasat) ve radar tutarlılığı (coherence) arasındaki ilişkiyi incelemektedir. Bu çalışma kapsamında, farklı geçiş yönlerinden hesaplanan interferometrik tutarlılık ile 12 ve 6 günlük farklı izlerde alınan Sentinel-1 SAR görüntü çiftlerinin farklı ürün türleri için büyüme aşamaları (yani ekim, yetiştirme ve hasat) arasındaki ilişki araştırılmıştır. Bu amaçla, tutarlılık ile bitki büyüme durumu arasındaki korelasyonun doğrulanması için arazi çalışmaları yapılmıştır. Farklı bitki alanlarının zaman evrimini izlemeye yönelik interferometrik tutarlılık analizi için, söz konusu alanın aynı büyüme mevsimi boyunca yükselen ve alçalan yörünge yönünde 31 SAR görüntüsü kullanılmıştır. Sonuçlar, tarlaların sürülmesi ve tohumlanmasından önce korelasyonun yüksek olduğunun ve bitkilerin büyümeye başladığında korelasyonun keskin bir şekilde azaldığını göstermiştir. Bitkilerin büyüme aşamasında, değerler her bir ürün tipi için düşük ve az da olsa benzer kaldığı gözlemlenmiştir. Tutarlılık değerleri, bitkinin hasadı ve bitkilerin kalıntılarının toplanmasından sonra önemli ölçüde yüksek değerde elde edilmiştir. Yükselen geçiş yönüyle karşılaştırıldığında, alçalan yörüngede aynı bitki tipinde olan her alan için tutarlılık değerinin yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, uzaktan algılama verilerinin zaman serisi analizi ve farklı fenolojik aşamalardaki ürün değişkenleri ve parametreleri için – SAR, PolSAR ve InSAR ve deSAR ve optik verilerin entegre kullanılmasında ve ayrıca tarımsal izleme ve yönetim stratejileri olarak ürün deseni haritasını etkin bir şekilde değerlendirmesinde kipotansiyelini vurgulamaktadır. SAR parametrelerinin bitki biyofiziksel değişkenlerine duyarlılığının daha iyi yorumlanması için hassas arazi gözlemleri gereklidir ve bir sonraki çalışmada tarımsal faaliyetler hakkında daha doğru bilgi elde etmek üzere yüksek mekânsal çözünürlüklü SAR verileri değerlendirilecektir
Tez (Doktora) - Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Keywords: Tarımsal izleme; Sentinel-1 SAR geri saçılması; Ürün değişkenleri; Ürün deseni haritası üretimi; Agricultural monitoring; Sentinel-1 SAR backscatter; Polarimetric andinterferometric SAR; Crop variables; Crop mapping; Polarimetrik veinterferometrik SAR