About the possibility to differentiate between different soils on the basis of infrared thermography

From the intuition of relating dominant thermal patterns, derived from principal components maps, to physical properties of soils, the Institute of Water Management, Hydrology and Hydraulic Engineering (IWHW), University of Natural Resources and Applied Life Sciences Vienna (BOKU), has performed studies to estimate topsoil texture maps through time series of thermal infrared (TIR) remote sensing. High-resolution soil texture maps at the catchment scale are fundamental for the estimation of hydraulic parameters, affecting subsurface water and solute transport processes. This master thesis aims at evaluating the effectiveness of this new method at a local scale using a high-temporal-resolution TIR time series. The project consisted of an open air experiment carried out at BOKU. The work is necessary to understand how energy exchange between the soil and atmosphere affects the soil surface temperature signature for different soil textures and to analyse if time series of TIR imagery allow for the differentiation between these soil textures. Starting from the acquisition of TIR images from soil plots with two different soil textures, the temporal and spatial variation of soil surface temperature is analysed under varying soil moisture states and natural covers. In analogy to the preceding work, a principal component analysis was performed on the data set. The results lead to the conclusion that differentiating between different soil textures from TIR images is not possible in presence of dense vegetation, while for the case of bare soils, the two soils appear easily differentiable. For further developments, the experiment could be repeated using longer time series and other vegetation covers, taking also into account the influence of the underlying soil texture on the water stress of the vegetation.

Partendo dall’ intuizione di legare le proprietà fisiche del suolo ai principali pattern termici derivanti dall’analisi delle componenti principali, l’Institute of Water Management, Hydrology and Hydraulic Engineering (IWHW), University of Natural Resources and Applied Life Sciences Vienna (BOKU), ha condotto diversi studi per la stima di mappe della tessitura dello spessore superficiale del suolo, sulla base di serie temporali di immagini telerilevate sull’infrarosso termico (TIR). Mappe della tessitura del suolo ad alta risoluzione spaziale sulla scala di bacino, sono fondamentali per la stima dei parametri idraulici, i quali influenzano i processi di trasporto di acqua e soluti nel primo spessore di terreno. Questa tesi di laurea si propone di valutare l’efficacia di questo nuovo metodo, a una scala locale e utilizzando un’alta risoluzione temporale per le immagini TIR, essendo il progetto basato sulla realizzazione di un esperimento all’ esterno, condotto presso la BOKU. Questo lavoro è necessario per comprendere come gli scambi di energia tra atmosfera e suolo regolano e caratterizzano la firma della temperatura superficiale del suolo per diverse tessiture di terreno, e analizzare se le serie temporali di immagini TIR consentono di differenziare tra queste. Partendo dall’ acquisizione di immagini TIR, di diversi campioni di terreno, sono analizzate le variazioni spaziali e temporali delle temperature superficiali, testate diversi stati di umidità e coperture naturali. In analogia con studi precedenti, un’analisi delle componenti principali è stata eseguita sul set di dati. I risultati conducono alle conclusioni che non è possibile differenziare tra diverse tessiture di suolo a partire dalle immagini TIR in presenza di una fitta vegetazione, mentre per suoli spogli, questi appaiono facilmente differenziabili. Riguardo i futuri sviluppi, si potrebbero effettuare ulteriori sperimentazioni utilizzando una serie temporale più lunga e altri tipi di vegetazione, tenendo anche conto dell’influenza che il tipo di suolo sottostante ha sullo stress idrico della vegetazione stessa.