Multi-source and multi-scale satellite observations for hydrological modelling and irrigation water management

Remote Sensing has known a consistent spread in use for agricultural purposes in recent years, although the relationship with in-situ correspondents and hydro-energetical modelling results is still being debated. Among the main variables in agricultural applications, Evapotranspiration (ET) plays a major role and its measuring complexity has prompted the development of numerous modelling formulations. This thesis work has focused on the improvement of hydrological modelling in agricultural applications, covering a wide variety of inter-connected themes, all linked to spatial heterogeneity and data source multiplicity. Satellite Surface Soil Moisture (SSM) datasets have been analysed to determine their reliability in agricultural applications. A hydrological consistency algorithm has been developed, providing quite underwhelming results: on average, consistency was attained barely 60% of the time. The reason for these low values was explored, identifying generally-better performances during the irrigation season and with newer retrieval technologies. Extending the analysis to other satellite data, a high-density sensor network in a greatly heterogeneous agricultural area has been used as a reference to determine the reliability of satellite observations, with surface temperature (LST) and Leaf Area Index showing good correspondences. SSM data, on the other hand, has shown weak feasibility for use in irrigation schemes. Thus, the optimal solution for improving irrigation management and agricultural monitoring would be a merging of on-ground information and satellite data. Hydrological modelling is a robust way to improve, characterise and exploit the full potential of input data (whether from satellite and on-ground measurements) and thus the second part of the thesis has focused on the FEST-EWB distributed energy-water balance model. Firstly, the model scale dependence has been investigated, with a multi-scale cross-analysis over a vineyard. Model accuracy with coarser data showed positive results, with a lower-than-one-third estimation error on ET, compared to roughly 10% errors from the (benchmark) aggregated model outputs. Another source of model uncertainty is the energetical heterogeneity in mixed soil-vegetation systems. A two-source version of FEST-EWB (FEST-2-EWB) has been developed to the purpose, separating the energy balances for the two components of any given pixel. The new model was tested over a dedicated innovative laboratory setting where it was possible to extract the Transpiration component from the total ET. Global performances were similar across both models, whereas Transpiration was portrayed quite closely by FEST-2-EWB, while FEST-EWB saw a consistent overestimation. A similar comparison was also performed in two open field cases, obtaining comparable results. Finally, the role of Aerodynamic Temperature (To) in Sensible Heat formulation has been explored. A considerable dataset of EC measurements in a water-abundant and a quasi-arid location have been used to derive and compare To and LST. Notwithstanding temperature differences as high as 15-20°C, the integration of Aerodynamic Temperature into the model infrastructure yielded only small gains in terms of Sensible and Latent Heat estimation.

Il telerilevamento ha conosciuto un notevole impiego in ambito agricolo negli anni più recenti, nonostante la relazione con il corrispondente date a terra ed il risultato della modellistica idrologica è ancora oggetto di discussione. Fra le variabili principali, l’Evapotraspirazione (ET) gioca un ruolo fondamentale e la complessità della sua misura ha determinato la formulazione di diversi approcci modellistici. Questo lavoro di tesi si è concentrato sul miglioramento della modellistica idrologica in ambito agricolo, coprendo una grande varietà di temi interconnessi, tutti legati all’eterogeneità spaziale ed alla molteplicità delle fonti del dato. Alcuni prodotti di umidità superficiale (SSM) da satellite sono stati analizzati allo scopo di determinare la loro affidabilità in ambito agricolo. È stato sviluppato un algoritmo di consistenza idrologica, che ha fornito risultati poco incoraggianti: in media, la consistenza è dimostrata appena il 60% del tempo. Le ragioni per questi valori così bassi sono state discusse, identificando tendenze migliori durante la stazione irrigua e per prodotti con tecnologie di rilevamento più recenti. Estendendo l’analisi ad altri dati da satellite, si è presa a riferimento una rete di sensori ad alta densità in un’area agricola molto eterogenea, allo scopo di determinare la affidabilità delle osservazioni satellitari; temperatura superficiale ed indice di area fogliare hanno mostrato buone corrispondenze. I dati SSM, d’altra parte, hanno invece mostrato una scarsa compatibilità con l’utilizzo nella pianificazione irrigua. Di conseguenza, si è proposto che la soluzione ottimale per migliorare la gestione irrigua ed il monitoraggio agricolo sia l’unione di dato al suolo e da satellite. La modellistica idrologica è una via robusta per migliorare, caratterizzare e sfruttare il pieno potenziale dei dati in ingresso (tanto da satellite quanto al suolo) e di conseguenza la seconda parte della tesi si è concentrata sul FEST-EWB, un modello distribuito di bilancio idro-energetico. Come prima cosa, si è investigata la dipendenza del modello dalla scala di rappresentazione, con un’analisi di scala su di un vigneto. L’accuratezza del modello in presenza di dati a minor qualità si è rivelata positiva, con un errore di stima di ET minore di 1/3, paragonato al circa 10% dei risultati aggregati post-simulazione, usati come riferimento. Un’altra fonte di incertezza nel modello è l’eterogeneità energetica in sistemi misti suolo-vegetazione. Una versione a doppia sorgente di FEST-EWB (chiamata FEST-2-EWB) è stata sviluppata allo scopo, separando i bilanci energetici delle due componenti di ciascun pixel. Il nuovo modello è stato provato su di un esperimento di laboratorio dedicato, dov’è stato possibile estrarre la componente di Traspirazione dalla ET totale. Mentre le prestazioni globali sono risultate simili fra i due modelli, la Traspirazione è stata modellata in maniera molto accurata da FEST-2-EWB, mentre FEST-EWB ha mostrato una sovrastima consistente. Un paragone simile è stato anche effettuato in due casi studio di campo, con risultati comparabili. Infine, è stato esplorato il ruolo della Temperatura Aerodinamica (To) nella formulazione del Calore Sensibile. Un notevole database di misure Eddy-Covariance in due casi studio (uno ricco d’acqua e l’altro quasi arido) sono stati impiegati per derivare e paragonare le To ed LST. Nonostante differenze anche di 15-20°C, l’integrazione della Temperatura Aerodinamica nella struttura del modello ha restituito guadagni minimi in termini di efficacia della stima di Calore Latente e Sensibile.