The biomass of three agricultural crops, winter wheat (Triticum aestivum L.), barley (Hordeum vulgare L.), and canola (Brassica napus L.), was studied using multi-temporal dual-polarimetric TerraSAR-X data. The radar backscattering coefficient sigma nought of the two polarization channels HH and VV was extracted from the satellite images. Subsequently, combinations of HH and VV polarizations were calculated (e.g. HH/VV, HH + VV, HH × VV) to establish relationships between SAR data and the fresh and dry biomass of each crop type using multiple stepwise regression. Additionally, the semi-empirical water cloud model (WCM) was used to account for the effect of crop biomass on radar backscatter data. The potential of the Random Forest (RF) machine learning approach was also explored. The split sampling approach (i.e. 70% training and 30% testing) was carried out to validate the stepwise models, WCM and RF. The multiple stepwise regression method using dual-polarimetric data was capable to retrieve the biomass of the three crops, particularly for dry biomass, with R 2 > 0.7, without any external input variable, such as information on the (actual) soil moisture. A comparison of the random forest technique with the WCM reveals that the RF technique remarkably outperformed the WCM in biomass estimation, especially for the fresh biomass. For example, the R 2 > 0.68 for the fresh biomass estimation of different crop types using RF whereas WCM show R 2 < 0.35 only. However, for the dry biomass, the results of both approaches resembled each other.
KeywordsTerraSAR-X • Agricultural crop • Biomass • Stepwise regression • Water cloud model (WCM) • Random Forest • DEMMIN Zusammenfassung Biomassebewertung von landwirtschaftlichen Kulturen mit multitemporalen Methoden basierend auf dual-polarimetrischen TerraSAR-X-Daten. Die Studie zielt auf die Bestimmung von Biomasse dreier landwirtschaftlicher Kulturen, Winterweizen (Triticum aestivum L.), Gerste (Hordeum vulgare L.) und Raps (Brassica napus L.) mit multitemporalen dual-polarimetrischen TerraSAR-X-Daten. Der Radarrückstreuungskoeffizient Sigma Null der beiden Polarisationskanäle HH und VV wurde aus den Satellitenbildern extrahiert. Anschließend wurden Kombinationen von HH-und VV-Polarisationen berechnet (z. B. HH/VV, HH + VV, HH × VV), um Beziehungen zwischen den SAR-Daten und der frischen und der trockenen Biomasse jeder Kulturart unter Verwendung einer multiplen schrittweisen Regression zu bestimmen. Zusätzlich wurde das semi-empirische Water Cloud Model (WCM) verwendet, um die Wirkung von Pflanzenbiomasse auf Radarrückstreudaten abzuschätzen. Das Potenzial des maschinellen Lernens mit Random Forest (RF) wurde ebenfalls untersucht.