Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales. / Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen.

Los Radares de Apertura Sintética, o sistemas SAR, representan el mejorejemplo de sistemas activos de teledetección por microondas. Debido a su naturaleza coherente, un sistema SAR es capaz de adquirir información dedispersión electromagnética con una alta resolución espacial, pero por otro lado, esta naturaleza coherente provoca también la aparición de speckle.A pesar de que el speckle es una medida electromagnética, sólo puede ser analizada como una componente de ruido debido a la complejidad asociadacon el proceso de dispersión electromagnética.Para eliminar los efectos del ruido speckle adecuadamente, es necesario un modelo de ruido, capaz de identificar las fuentes de ruido y como éstasdegradan la información útil. Mientras que este modelo existe para sistemasSAR unidimensionales, conocido como modelo de ruido speckle multiplicativo,éste no existe en el caso de sistemas SAR multidimensionales.El trabajo presentado en esta tesis presenta la definición y completa validación de nuevos modelos de ruido speckle para sistemas SAR multidimensionales,junto con su aplicación para la reducción de ruido speckle y la extracción de información.En esta tesis, los datos SAR multidimensionales, se consideran bajo una formulación basada en la matriz de covarianza, ya que permite el análisisde datos sobre la base del producto complejo Hermítico de pares de imágenesSAR. Debido a que el mantenimiento de la resolución especial es un aspectoimportante del procesado de imágenes SAR, la reducción de ruido speckleestá basada, en este trabajo, en la teoría de análisis wavelet.

Las técnicas de Interferometría Diferencial se basan en la combinación de varias imágenes SAR con distinta separación temporal y permiten la recuperación de las componentes lineales y no-lineales del proceso de deformación ocurrida en el entorno de interés durante el entero periodo de observación. Condición imprescindible para una correcta estimación de los fenómenos geodéticos es la elevada estabilidad de la plataforma que embarca el sensor SAR. Por esta razón, a nivel operativo se utilizan datos SAR satelitales.El objetivo de la Polarimetría SAR es describir el entorno de interés analizando las propiedades de la señal que éste dispersa cuando se utilizan diferentes combinaciones de polarización de las antenas transmisora y receptora, definidas canales polarimétricos. La polarimetría interferométrica SAR junta la capacidad de la polarimetría de separar mecanismos de dispersión independientes con la sensibilidad de la Interferometría a la altura de los correspondientes centros de fase, y permite describir la distribución volumétrica de los dispersores dentro de la escena observada. Debido a la falta de conjuntos de datos polarimétricos SAR satelitales que cubran tramos temporales suficientemente largos, hay aún un gran interés en las mejoras que la polarimetría podría aportar a técnicas ya consolidadas como las de Interferometría Diferencial.La actividad de investigación que se presentará en esta tesis doctoral abarca, por primera vez conjuntamente, las dos áreas de la Polarimetría SAR y de la Interferometría Diferencial utilizando el sensor radar terrestre de corto alcance (gbSAR) desarrollado por la Universitat Politècnica de Catalunyua (UPC). El trabajo constará de dos bloques principales.El primer bloque describirá las técnicas que se han desarrollado para convertir el sistema UPC gbSAR en un instrumento operativo y simplificar la utilización de sus adquisiciones, incluyendo la formulación matemática de los principios de funcionamiento del sistema, la cadena de procesado de los raw data y su calibración polarimétrica, los procedimientos de georeferenciación, y las técnicas de compensación de los artefactos atmosféricos presentes en sus medidas diferenciales.La segunda parte se ocupará de demostrar los beneficios que los datos SAR polarimétricos ofrecen respecto a la medición de un único canal polarimétrico para aplicaciones diferenciales. A fin de llevar a cabo esta tarea, se analizarán los datos gbSAR adquiridos durante una campaña de medidas de un año realizada en el pueblo de Sallent, en Cataluña, afectado por un fenómeno de subsidencia. En esta parte se analizarán tres temas principales. El primero es el comportamiento no estacionario en tiempo del entorno urbano bajo la geometría de observación del sensor terrestre. Se estudiarán en detalle los efectos de su inestabilidad y se propondrá una técnica de filtrado novedosa entallada a las propiedades de los blancos deterministas con el fin de preservar la información de la fase diferencial. El segundo tema abarca el problema de los efectos de troposfera en datos diferenciales con separación temporal superior al mes y de su separación de las variaciones de fase inducidas por el proceso de deformación. El tercer tema es la utilización de toda la información polarimétrica diferencial. Con fin de superar las limitaciones propias de las técnicas DInSAR clásicas, se propondrá un nuevo modelo polarimétrico de dispersión y se demostrarán las ventajas de la nueva formulación enseñando la mejor estimación del proceso de subsidencia en Sallent. En la parte final de este apartado se explorará también el potencial de las técnicas polarimétricas de optimización de la coherencia para aplicaciones diferenciales. / Differential SAR interferometry (DInSAR) deals with the combination of multi-temporal SAR images for the estimation of the linear and non-linear components of the deformation process within an area of interest during the whole observation period. A high stability of the platform is required for a reliable estimation of the geodetic phenomena. Accordingly, space-borne SAR images are operatively employed for DInSAR estimation, air-borne DInSAR still constituting a challenging research issue. SARPolarimetry aims at charactering the illuminated area through the analysis of its response under different combinations of transmitting and receiving antennas polarization, called polarimetric channels. The Polarimetric SAR Interferometry joins the capability of Polarimetry to separate independent scattering mechanisms and the sensitivity of Interferometry to the corresponding phase centers' elevation, making it possible to describe the volumetric distribution of the scatterers within the observed area. Owing to the lack of long-time collections of polarimetric space-borne SAR data, the studies carried out in this research field have been mainly based on air-borne acquisitions. Yet, there is a great expectation for the improvements that polarimetry may bring to assessed single-polarization techniques such as the DinSAR.The research described in this PhD dissertation fills for the first time the gap between SAR Polarimetry and SAR Differential Interferometry through the employment of an X-band ground-based SAR (gbSAR) sensor developed by the Remote Sensing Lab of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).The work is divided into two main blocks. The first part deals with the algorithms that have been developed to make the UPC system operative and its acquisitions easy to use. Summarily, they include the mathematical formulation of the sensor's working principles, the raw data processing chain and the polarimetric calibration method, the geocoding procedures, and the techniques compensating for the atmospheric artefacts affecting gbSAR zero-baseline acquisitions.The second part is concerned with demonstrating the benefits that polarimetric SAR measurements provide with respect to single-polarization data for differential applications. In order to cope with this task, the data sets acquired during a one-year measurement campaign carried out in the village of Sallent, northeastern Spain, are analyzed. The experiment was focused on monitoring the subsidence phenomenon affecting a district of the village with the UPC gbSAR sensor. Three main issues are here argued. The first one is the time non-stationary behaviors characterizing the urban environment at X-band in the gbSAR observation geometry. Their effects are analyzed in detail and a novel non-stationary filtering technique tailored to deterministic scatterers' properties is introduced to preserve the differential phase information. The second one is the compensation of the troposphere changes in long-time span gbSAR differential interferograms. A new technique is worked out to effectively separate the differential phase variations due to the atmospheric artefacts from the deformation components. The third one is the use of the whole polarimetric differential information. A novel polarimetric differential scattering model is put forward to relax the constraints of an advanced DInSAR technique, the Coherent Pixel Technique, and to propose an innovative polarimetric approach. The advantages offered by Polarimetric DInSAR are demonstrated in terms of quality of the deformation-rate map describing the subsidence phenomenon in Sallent. In the end, the potentials of coherence-optimization techniques for the further improvement of the deformation process estimation are stressed.