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An operational framework for mapping irrigated areas at plot scale using Sentinel-1 and Sentinel-2 data

Authors :
Hatem Belhouchette
Mehrez Zribi
Ibrahim Fayad
Valérie Demarez
Hassan Bazzi
Nicolas Baghdadi
Ghaith Amin
Territoires, Environnement, Télédétection et Information Spatiale (UMR TETIS)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-AgroParisTech-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Centre d'études spatiales de la biosphère (CESBIO)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre International de Hautes Etudes Agronomiques Méditerranéennes - Institut Agronomique Méditerranéen de Montpellier (CIHEAM-IAMM)
Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)
Agrosystèmes Biodiversifiés (UMR ABSys)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Centre International de Hautes Etudes Agronomiques Méditerranéennes - Institut Agronomique Méditerranéen de Montpellier (CIHEAM-IAMM)
Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)-Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Fonctionnement et conduite des systèmes de culture tropicaux et méditerranéens (UMR SYSTEM)
This research received funding from the French Space Study Center (CNES, TOSCA 2021 project), the National Research Institute for Agriculture, Food and the Environment (INRAE), the Occitanie Region of France and the Mediterranean Agronomic Institute of Montpellier (CIHEAM-IAMM).
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre International de Hautes Etudes Agronomiques Méditerranéennes - Institut Agronomique Méditerranéen de Montpellier (CIHEAM-IAMM)
Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)-Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)
Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)-Centre International de Hautes Études Agronomiques Méditerranéennes (CIHEAM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier
Source :
Remote Sensing, Remote Sensing, MDPI, 2021, 13 (13), pp.2584. ⟨10.3390/rs13132584⟩, Remote Sensing; Volume 13; Issue 13; Pages: 2584, Remote Sensing, Vol 13, Iss 2584, p 2584 (2021), Remote Sensing, 2021, 13 (13), pp.2584. ⟨10.3390/rs13132584⟩
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

International audience; In this study, we present an operational methodology for mapping irrigated areas at plot scale, which overcomes the limitation of terrain data availability, using Sentinel-1 (S1) C-band SAR (synthetic-aperture radar) and Sentinel-2 (S2) optical time series. The method was performed over a study site located near Orléans city of north-central France for four years (2017 until 2020). First, training data of irrigated and non-irrigated plots were selected using predefined selection criteria to obtain sufficient samples of irrigated and non-irrigated plots each year. The training data selection criteria is based on two irrigation metrics; the first one is a SAR-based metric derived from the S1 time series and the second is an optical-based metric derived from the NDVI (normalized difference vegetation index) time series of the S2 data. Using the newly developed irrigation event detection model (IEDM) applied for all S1 time series in VV (Vertical-Vertical) and VH (Vertical-Horizontal) polarizations, an irrigation weight metric was calculated for each plot. Using the NDVI time series, the maximum NDVI value achieved in the crop cycle was considered as a second selection metric. By fixing threshold values for both metrics, a dataset of irrigated and non-irrigated samples was constructed each year. Later, a random forest classifier (RF) was built for each year in order to map the summer agricultural plots into irrigated/non-irrigated. The irrigation classification model uses the S1 and NDVI time series calculated over the selected training plots. Finally, the proposed irrigation classifier was validated using real in situ data collected each year. The results show that, using the proposed classification procedure, the overall accuracy for the irrigation classification reaches 84.3%, 93.0%, 81.8%, and 72.8% for the years 2020, 2019, 2018, and 2017, respectively. The comparison between our proposed classification approach and the RF classifier built directly from in situ data showed that our approach reaches an accuracy nearly similar to that obtained using in situ RF classifiers with a difference in overall accuracy not exceeding 6.2%. The analysis of the obtained classification accuracies of the proposed method with precipitation data revealed that years with higher rainfall amounts during the summer crop-growing season (irrigation period) had lower overall accuracy (72.8% for 2017) whereas years encountering a drier summer had very good accuracy (93.0% for 2019).

Details

Language :
English
ISSN :
20724292
Database :
OpenAIRE
Journal :
Remote Sensing, Remote Sensing, MDPI, 2021, 13 (13), pp.2584. ⟨10.3390/rs13132584⟩, Remote Sensing; Volume 13; Issue 13; Pages: 2584, Remote Sensing, Vol 13, Iss 2584, p 2584 (2021), Remote Sensing, 2021, 13 (13), pp.2584. ⟨10.3390/rs13132584⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....9aec0fb12978b402c86c32aae32c9495