Radar Tomography for Remote Sensing of Forest Biomass and Water Dynamics
Doktorsavhandling, 2026

There is an increasing need for global monitoring of forests’ state and connections to climate. Synthetic aperture radar (SAR) observations can sense into dense canopies with high spatial resolution; they provide information on forest biomass and water status, important for quantifying the role of forests in the global carbon and hydrological cycles. Tomographic SAR (TomoSAR) techniques achieve vertical resolution, improving and expanding radar remote sensing capabilities.

Paper I investigates the sensitivity of P- and L-band (0.7 m and 0.2 m wavelengths) TomoSAR to above-ground biomass (AGB) in the TomoSense campaign. For the first time, differences between the AGB dependence of spruce and beech reflectivity profiles are identified. Moreover, unique observations of ground slope influence on AGB retrieval are presented, with significant effects for P-band. This is directly relevant for the exploitation of the recently launched BIOMASS satellite. Without separating forest types, AGB was estimated for P-/L-band (ground slopes below 10◦), with R2 = 0.77/0.54 and RMSE = 11.4/12.0%.

New connections between radar observations and forest water dynamics are established. Paper II presents surprising signatures in L-band reflectivity of a forest subject to drought. A novel model is formulated, describing the reflectivity profiles, and model-estimated quantities strengthens connections to forest water dynamics; they show R2 = 0.70 with vapor-pressure deficit, a driver of transpiration, and R2 = 0.92 with soil moisture, indicating tree water stress. In Paper III, for the first time, tree hydraulics and tomographic radar observations are compared; uniquely, it is shown that reflectivity variations at P-band relate directly to crown hydraulic variations and at L-band are driven more by canopy attenuation. Paper IV presents a novel hydraulic forest model, and, for the first time, estimates forest transpiration using tomographic radar measurements.

Spaceborne TomoSAR imaging at L-band and above is limited by movements of canopy structures causing decorrelation between satellite passes. Paper V investigates novel radar correlation tomography techniques, which are robust against decorrelation. Importantly, these techniques may be implemented with tandem-formation SAR missions. This thesis strengthens prospects of TomoSAR for remote sensing of forest biomass and water dynamics, and contributes with techniques that facilitate new global observations.

EA, EDIT building, Hörsalsvägen 11
Opponent: Prof. Paul Siqueira, University of Massachusetts Amherst, USA

Författare

Patrik Bennet

Geovetenskap och fjärranalys 1

Temporal Variations in L-band Reflectivity Profiles of a Boreal Forest During Growth and Drought

IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,;Vol. 19(2026)p. 16299-16313

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Relations Between P- to L-Band Radar Tomography and Sub-Daily Tree Water Dynamics in a Boreal Forest

International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS),;(2025)p. 3579-3583

Paper i proceeding

Sensitivity of P- and L-band SAR Tomography to Above-Ground Biomass in a Hilly Temperate Forest

IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,;Vol. 62(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

P. J. Bennet, A. R. Monteith, J. Gutierres Lopez and L. M. H. Ulander. A hydraulic forest model driven by tomographic radar at P-band.

P. J. Bennet, A. R. Monteith and L. M. H. Ulander. Analysis of radar correlation tomography techniques: From theory to imaging a forest under temporal decorrelation.

Skogarna spelar en viktig roll för klimatet på vår planet. De har format förutsättningarna för liv över miljontals år – jorden vore inte sig lik utan dem. Nu står de dock inför drastisk påverkan till följd av klimatutvecklingen och människans resurshållning. Klimatförändring förväntas även ske i snabbast takt för boreala skogar, som vi har i Sverige. Det är därför viktigt för oss att kunna övervaka skogarnas tillstånd och hur de kopplar till klimatet, där deras roll i kol- och vattencykeln är en stor osäkerhet för våra klimatmodeller.

En radar kan ge oss unik inblick i skogen. För radarn är skogen delvis genomskinlig och den kan se strukturer som stammar och större grenar ända ner till marken, till och med genom täta tropiska lövverk. Radarn kan även se vad som sker inuti träden, där vatten flödar som livets puls genom dess stammar när de transpirerar för att ta upp kol från atmosfären med hjälp av fotosyntes. Det vill säga, för att få näring till att leva och växa.

Genom att radarn är känslig för trädens struktur kan skogens biomassa bestämmas, och därmed även hur mycket kol som finns bundet. Denna mängd och dess förändring berättar om skogens roll i den globala kolcykeln. Genom att följa vattenflödet i träden kan radarn berätta om trädens hälsa samt hur mycket vatten de tar upp från marken och avger till atmosfären. Detta ger oss information om skogens tillstånd och dess roll i vattencykeln.

Denna avhandling presenterar resultat från forskning där radar använts för att tomografiskt avbilda skog, det vill säga som en storskalig röntgenbild. Forskningen behandlar hur väl skogens biomassa kan bestämmas, det vill säga hur mycket kol den innehåller, och hur vi kan känna av skogens vattendynamik. Den har även visat på ny teknik som möjliggör radartomografi av skog från satellit. Detta har gett oss kunskap om radarns unika förmåga att berätta om skogens hälsa och roll för klimatet.

Tomosense: Technical Assistance for Airborne Measurements during the Tomographic Sensing Experiment

Europeiska rymdorganisationen (ESA) (4000127285/19/NL/FF/gp), 2018-01-01 -- 2022-12-31.

Kvantifiering och uppdelning av evapotranspiration i skog baserad på samlokaliserade radar- och fluxtornmätningar

Vetenskapsrådet (VR) (2019-05289), 2020-01-01 -- 2023-12-31.

Mätning av skogens vitalitet med radarfjärranalys

Formas (2020-01961), 2021-01-01 -- 2023-12-31.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Skogsvetenskap

Oceanografi, hydrologi och vattenresurser

Jordobservationsteknik

Signalbehandling

Drivkrafter

Hållbar utveckling

DOI

10.63959/chalmers.dt/5898

ISBN

978-91-8103-441-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5898

Utgivare

Chalmers

EA, EDIT building, Hörsalsvägen 11

Online

Opponent: Prof. Paul Siqueira, University of Massachusetts Amherst, USA

Mer information

Senast uppdaterat

2026-06-02