Methods for BIOMASS tomography of boreal forests

Synthetic Aperture Radar (SAR) tomography enables the reconstruction of the vertical structure of forests, providing observables that are directly linked to Above Ground Biomass (AGB) and motivating the ESA BIOMASS mission. However, the achievable vertical resolution depends on the baseline aperture, which sensitively decreases at high latitudes, severely limiting conventional tomographic reconstruction over boreal forests. This thesis investigates parametric tomographic approaches designed to retrieve the forest height, under conditions of degraded resolution via two physical models: a discrete two-layer representation of ground and canopy scattering, and a continuous extinction model derived from the Random Volume over Ground (RVoG) framework, in which the canopy distribution is described by its height and extinction coefficient. Both formulations are implemented as covariance-fitting inversion problems and compared with conventional non-parametric methods, namely beamforming, Capon, and MUSIC, using both simulated and real datasets. Simulation results show that parametric approaches can provide stable estimates even in situations where the available tomographic resolution becomes insufficient for conventional reconstruction techniques. The methodology is then applied to real BIOMASS P-band datasets: a tropical forest site in Gabon, offering a higher-resolution validation case, and a boreal forest site in Siberia (Russia), representative of the degraded-resolution scenario that motivates this work. Over both sites, the two-delta and extinction models yield consistent and comparable canopy-height estimates, despite their different structural description, demonstrating that meaningful forest structural information can be retrieved even where conventional tomographic resolution is insufficient. These results support the applicability of parametric tomography to BIOMASS observations of boreal forests.

La tomografia SAR (Synthetic Aperture Radar) consente di ricostruire la struttura verticale delle foreste, fornendo parametri direttamente correlati alla biomassa epigea (Above-Ground Biomass) e costituendo dunque una delle principali motivazioni scientifiche di ESA BIOMASS. Tuttavia, la risoluzione verticale dipende dall'apertura tomografica disponibile, la quale si riduce sensibilmente alle alte latitudini, limitando gravemente le prestazioni delle tecniche tomografiche convenzionali per le foreste boreali. Questa tesi analizza metodi tomografici parametrici finalizzati alla stima dell'altezza delle foreste in condizioni di risoluzione degradata, attraverso due modelli fisici: una rappresentazione a due strati, che descrive i contributi di scattering del terreno e della chioma, e un modello continuo derivato dal Random Volume over Ground (RVoG), dove la distribuzione della vegetazione è descritta tramite la sua altezza e il coefficiente di estinzione. Entrambe le formulazioni sono implementate come problemi di inversione basati sul fitting della matrice di covarianza e i risultati sono confrontati con quelli ottenuti tramite metodi non parametrici convenzionali, quali beamforming, Capon e MUSIC, sia su dati simulati che su dati reali. I risultati delle simulazioni mostrano come gli approcci parametrici forniscano stime stabili anche con risoluzione insufficiente per le tecniche tomografiche convenzionali. La metodologia è successivamente applicata a dati reali in banda P della missione BIOMASS: un sito tropicale in Gabon, come caso di validazione, e un sito boreale in Siberia (Russia), rappresentativo dello scenario a risoluzione degradata che motiva questo lavoro. In entrambi i siti, i modelli a due delta e a estinzione forniscono stime dell'altezza della chioma coerenti e comparabili tra loro, nonostante le differenti ipotesi strutturali adottate, dimostrando che è possibile estrarre informazioni significative sulla verticalità della foresta anche in condizioni di scarsa risoluzione. Questi risultati supportano l'applicabilità della tomografia parametrica alle osservazioni delle foreste boreali acquisite durante la missione BIOMASS.