Soil moisture monitoring using GNSS-IR : investigation in continuously operating GNSS stations under challenging environments

Abstract

Resumo: O monitoramento da umidade do solo é essencial para aplicações ambientais, agrícolas e geotécnicas, influenciando a gestão de recursos hídricos e a previsão de desastres. Métodos tradicionais, como sondas e sensoriamento remoto, apresentam limitações quanto à resolução espacial, temporal e aos custos envolvidos. A Refletometria Interferométrica GNSS (GNSS-IR) surge como uma alternativa promissora, explorando o efeito do multicaminho, fenômeno decorrente da recepção simultânea de sinais diretos, utilizados no posicionamento, e de sinais refletidos nas superfícies ao redor da estação GNSS. A Razão Sinal-Ruído, registrada por receptores GNSS convencionais, é a observável que melhor evidencia esse efeito e é empregada na GNSS-IR para estimar propriedades das superfícies refletoras, incluindo a umidade do solo. Nesse contexto, a técnica se destaca pelo aproveitamento da infraestrutura consolidada do GNSS, permitindo medições contínuas, com cobertura global, footprint intermediário e possibilidade de uso combinado para posicionamento e sensoriamento. Contudo, sua aplicação apresenta limitações, principalmente por requerer uma linha de visada direta entre a superfície de reflexão e a antena, além de ser influenciada pela topografia e cobertura do solo. O escopo desta pesquisa é a aplicação da técnica GNSS-IR no monitoramento da umidade do solo a partir de diferentes estações, incluindo locais ideais e adversos. Três estudos de caso são apresentados. O primeiro estudo foi realizado em São Paulo, Brasil, em um ambiente ideal, caracterizado por vegetação rasteira, topografia plana e poucas obstruções, condições que favorecem a validação da técnica. O segundo caso investiga duas estações GNSS no Arizona, EUA, localizadas em áreas com características não ideais devido à presença de vegetação e relevo irregular. Esse cenário permitiu identificar limitações da técnica e desenvolver estratégias metodológicas para minimizar a influência dessas adversidades por meio de adaptações nas configurações do processamento refletométrico. O terceiro estudo concentra-se na implementação da GNSS-IR em uma estação da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS, no Paraná, Brasil. Para isso, foi desenvolvido um algoritmo voltado à automatização da preparação dos dados de entrada. Os resultados demonstram que a técnica GNSS-IR fornece estimativas consistentes de umidade do solo, especialmente em locais com baixa interferência de vegetação e relevo. No estudo de caso 1, obteve-se correlação superior a 0,70 em relação a uma sonda de raios cósmicos. No estudo de caso 2, comprovou-se que ajustes nas configurações de processamento podem otimizar os resultados em até 54%. As configurações devem ser definidas especificamente para cada estação a fim de garantir precisão nas estimativas, destacando-se a seleção do intervalo de ângulos de elevação dos satélites, a máscara de azimute e a parametrização da média móvel. Conclui-se que a GNSS-IR possui grande potencial para o monitoramento oportunístico da umidade do solo, além de complementar e validar outros métodos de sensoriamento, contribuindo para o monitoramento global dessa variável. A metodologia mostrou-se aplicável mesmo em estações não ideais, embora os resultados ainda sejam influenciados por adversidades ambientais. Trata-se de uma técnica em desenvolvimento, que exige investigações adicionais, como o aprimoramento dos coeficientes de calibração teóricos e a minimização dos efeitos da vegetação. Esta tese contribui para o avanço da metodologia e estabelece diretrizes para futuras pesquisas na área

Abstract: Soil moisture monitoring is essential for environmental, agricultural, and geotechnical applications, influencing water resource management and disaster forecasting. Traditional methods, such as in situ probes and remote sensing, have limitations like spatial and temporal resolution, and cost. GNSS Interferometric Reflectometry (GNSS-IR) emerges as a promising alternative, leveraging the multipath effect, resulting from the simultaneous reception of direct signals, used for positioning, and signals reflected from surfaces around the GNSS station. The Signal-to-Noise Ratio (SNR), recorded by conventional GNSS receivers, is the observable that best reveals this effect and is used in GNSS-IR to estimate properties of the reflecting surfaces, including soil moisture. In this context, the technique stands out for utilizing the well-established GNSS infrastructure, enabling continuous measurements with global coverage, an intermediate footprint, and the possibility of combined use for positioning and sensing. However, its application has limitations, mainly due to the need for a direct line of sight between the reflecting surface and the antenna, and its sensitivity to topography and land cover. The scope of this research is the application of GNSS-IR in soil moisture monitoring using different GNSS stations, including both ideal and challenging environments. Three case studies are presented. The first study was conducted in São Paulo, Brazil, in an ideal environment characterized by low vegetation, flat topography, and few obstructions—conditions that favor the validation of the technique. The second case investigates two GNSS stations in Arizona, USA, located in areas with non-ideal characteristics due to vegetation and irregular terrain. This scenario allowed the identification of limitations in the technique and the development of methodological strategies to minimize the influence of these adversities through adaptations in reflectometric processing configurations. The third study focuses on the implementation of GNSS-IR in a station of the Brazilian Network for Continuous GNSS Monitoring (RBMC) in Paraná, Brazil. For this purpose, an algorithm was developed to automate the preparation of input data. The results demonstrate that the GNSS-IR technique provides consistent soil moisture estimates, especially in locations with low vegetation and terrain interference. In Case Study 1, a correlation above 0.70 was obtained compared to a cosmic-ray neutron probe. In Case Study 2, it was proven that adjustments in processing configurations can optimize results by up to 54%. The configurations must be specifically defined for each station to ensure accuracy in the estimates, with emphasis on selecting the range of satellite elevation angles, azimuth mask, and moving average settings. It is concluded that GNSS-IR has great potential for opportunistic soil moisture monitoring, in addition to complementing and validating other sensing methods, contributing to global monitoring of this variable. The methodology proved applicable even in non-ideal stations, although the results are still influenced by environmental adversities. This is a developing technique that requires further investigations, such as improving theoretical calibration coefficients and minimizing vegetation effects. This thesis contributes to the advancement of the methodology and establishes guidelines for future research in the field