Tomographic imaging of the tropical forest in P-band

The scope of this dissertation is to provide a discussion about the potentials and performances of the Tomographic Phase of the candidate future radar satellite BIOMASS of the European Space Agency. This satellite would host a P-band radar with 6 MHz bandwidth for the remote sensing of natural scenarios, such as agricultural fields, soil surfaces, mountain areas and forests. In the case of forested areas, the object under analysis corresponds to the vertical structure of the trees, to be explored by tomographic techniques. This work can be divided in three parts as follows. The first part of the dissertation focuses on the problem of biomass estimation in tropical forests. The retrieval of biomass in dense tropical forests using Synthetic Aperture Radar (SAR) images is widely recognized as a challenging task. This is mainly due to the backscatter saturation effect at high biomass values and the ground topography effect. The study presented in this part is an attempt to overcome these problems based on direct three-dimensional imaging of the forest volume, which is possible through multi-baseline SAR tomography. The second part is dedicated to the ground based array system to complement tomographic airborne data-set. We proposed an array design which is well suited to study the vertical distribution of forest parameters and their temporal changes. This design has been successfully implemented in October 2011 in Paracou, French Guiana. Concerning short term temporal decorrelation, results indicate that during the day-time the motion of the forest is strong due to wind and temperature changes, whereas it appears to be definitively more stable during night hours. This result suggests that BIOMASS mission performance over tropical forest could be optimized by gathering acquisitions at dawn or dusk time. The coherence values at different forest heights are observed to stay high even after 27 days. This result is critical for the BIOMASS mission because the high temporal coherence after a 27 day is a prerequisite for SAR Polarimetric Interferometry and Tomographic applications in a single satellite configuration. The final part is to provide performance assessments on the BIOMASS Tomographic Phase. We discuss the impact of temporal decorrelation and ionospheric disturbances affecting SAR images on the quality of BIOMASS tomographic measurements. It is shown that temporal decorrelation has a more significant impact than ionosphere disturbance. Concerning the temporal decorrelation, the results from studies show that, providing that the revisit times for the tomographic campaigns be 3-4 days as predicted, the problem does not becomes critical.

Lo scopo della dissertazione è discutere il potenziale e le prestazioni derivanti dalla Fase Tomografica del sistema Radar satellitare BIOMASS, attualmente in fase di valutazione presso l'Agenzia Spaziale Europea (ESA) in qualità di futura missione per l'osservazione della Terra. Tale sistema sarebbe costituito da un Radar ad Apertura Sintetica (SAR) operante in banda-P dedicato al telerilevamento di scenari naturali, quali ad esempio i campi agricoli, zone montagnose e soprattutto foreste. Queste ultime verrebbero analizzate tramite BIOMASS per mezzo di tecniche tomografiche, permettendo di ricostruire l'informazione sulla struttura verticale della vegetazione. Questo lavoro è diviso in tre parti. La prima parte della dissertazione è focalizzata sulla stima della biomassa nelle foreste tropicali. Tale problema è stato considerato in un gran numero di lavori in letteratura, nei quali la biomassa viene stimata a partire da misure SAR di intensità o polarimetriche. È stato tuttavia largamente riconosciuto che tali metodi offrono prestazioni limitate, a causa degli effetti di saturazione dell'intensità del segnale ad alti valori di biomassa e delle interazioni con la topografia del territorio. Lo studio in oggetto si propone di risolvere questi problemi mediante la formazione di immagini tridimensionali del volume delle foreste, ottenute combinando passaggi multipli tramite tecniche SAR tomografiche. La seconda parte della dissertazione è dedicata ad illustrare il progetto, l'implementazione e i risultati di una campagna Radar di terra volta a raccogliere informazioni sulle variazioni temporali in una foresta tropicale. La strumentazione è costituita da una schiera di antenne, configurate in modo tale da produrre immagini della struttura verticale della foresta ogni 15 minuti per un tempo totale di vari mesi. Il sistema è stato realizzato con successo nell'Ottobre 2011 a Paracou, in Guiana Francese. I risultati indicano una forte decorrelazione a breve termine durante il giorno, a causa del cambiamento di vento e temperatura, mentre le ore serali e notturne appaiono essere più stabili. Questo risultato suggerisce che le prestazioni di BIOMASS nelle foreste tropicali possano essere ottimizzate acquisendo all'alba o al tramonto. La coerenza a differenti altezze nelle foreste si osserva essere alta persino dopo 27 giorni. Questo risultato è essenziale per la missione BIOMASS perché l'alta coerenza temporale a 27 giorni è un prerequisito per l'applicazione di tecniche interferometriche. L'ultima parte della dissertazione è dedicata alla valutazione delle prestazioni della Fase Tomografica di BIOMASS sulla base degli sviluppi descritti nelle prime due parti. Verrà dimostrato come la decorrelazione temporale sia il principale elemento di criticità. Verrà inoltre dimostrata sperimentalmente, sulla base delle misure ottenute, la possibilità di ottenere misure tomografiche tramite BIOMASS utilizzando un tempo di rivisita di 3-4 giorni.