Analysis of surface roughness in agricultural soils using in-situ measurements and remote sensing techniques

Abstract

El término rugosidad superficial del suelo es utilizado para describir las variaciones de elevación de la superficie del suelo (micro-relieve). La rugosidad afecta diferentes procesos hidrológicos importantes como el almacenamiento superficial, la infiltración, la escorrentía y la erosión del suelo. Al mismo tiempo, la rugosidad superficial también afecta la retrodispersión de las microondas en la superficie del suelo y determina el coeficiente de retrodispersión observado por los sensores radar. Debido a esto, su caracterización y cuantificación es relevante en diferentes áreas científicas. Sin embargo, el conocimiento actual sobre esta cuestión está lejos de ser completo y aceptado universalmente. Además, el micro-relieve natural de los suelos agrícolas puede verse afectado también de muy diferentes maneras por la acción del laboreo. En esta tesis doctoral, se ha llevado a cabo experimentación en suelos agrícolas afectados por diferentes tipos de tratamientos de laboreo, persiguiendo los siguientes objetivos: (i) La evaluación y caracterización de diferentes parámetros de rugosidad. (ii) El análisis de la influencia de la escala de medida de la rugosidad en la retrodispersión radar. (iii) El análisis de la influencia del tamaño de la muestra de rugosidad en la retrodispersión radar. (iv) La evaluación de las técnicas de Laser Escáner Terrestre y la denominada “Structure from Motion” para cuantificar la rugosidad superficial. Con todo ello, se espera que esta tesis doctoral contribuya a un mejor entendimiento del fenómeno de la rugosidad superficial del suelo y su caracterización en suelos agrícolas.

The term soil surface roughness is used to describe the variations in soil surface elevation (micro-relief). Roughness affects different important hydrological processes such as surface depression storage, infiltration, overland flow and soil erosion. At the same time, it strongly affects the scattering of microwaves at the soil surface and determines the backscattering coefficient observed by radar sensors. Then, its characterization and quantification is relevant for different sciences areas. However, the current knowledge about this issue is far from being complete and universally accepted. Besides, the natural micro-relief of agricultural soils can be also affected by tillage action in many different ways. In this thesis, field experiments were carried out in agricultural soils affected by different types of conventional tillage, pursuing the following objectives. (i) The evaluation and characterization of different roughness parameters. (ii) The analysis of the influence of roughness measurement scale on radar backscattering. (iii) The analysis of the influence of roughness sample size on radar backscattering. (iv) The evaluation of Terrestrial Laser Scanner and Structure from Motion techniques for quantifying surface roughness. With all this, it is expected that this thesis will contribute to a better understanding of the soil surface roughness phenomenon and its characterization in agricultural soils.

Lurrazalaren zimurtasun kontzeptua erabiltzen da lurrazalaren altueraren bariazioak (mikro-erliebea) deskribatzeko. Zimurtasunak prozesu hidrologiko garrantzitsuak eragiten ditu, hala nola, gainazaleko metatzea, infiltrazioa, isurketa, higadura, etab. Era berean, gainazalaren zimurtasunak eragina du gainazaleko mikrouhinen erretrodispertsioan eta radar sentsoreek behatutako erretrodispertsio koefizientea zehazten du. Hori dela eta, zimurtasunaren ezaugarritze eta kuantifikazioa esanguratsua da zenbait zientzia alorretan. Hala ere, gai honen inguruko ezagutza guztiz eta unibertsalki onartua izatetik urrun dago. Gainera, nekazal lurzoruen gainazaleko mikro-erliebe naturalak laborantza lanen eragin desberdinak jasan ditzake ere. Doktore-tesi honen esperimentazioa laborantza lanen eragina pairatu duten nekazal lurretan burutu da. Ondorengo helburu hauek jarraitu direlarik: (i) Zimurtasun parametroen ebaluazioa eta ezaugarritzea. (ii) Zimurtasuna neurtzeko eskalaren eraginaren analisia radar erretrodispertsioan. (iii) Zimurtasun laginaren tamainaren eraginaren analisia radar erretrodispertsioan. (iv) Lurrazalaren zimurtasuna ezaugarritzeko “Terrestrial Laser Scanner” eta “Structure from Motion” tekniken ebaluazioa. Horrekin guztiarekin, doktore-tesi honek nekazal lurren gainazaleko zimurtasunaren fenomenoa eta berorren ezaugarritzea hobeto ulertzen lagunduko duela espero da.