Quantitative Estimation of Surface Soil Moisture in Agricultural Landscapes using Spaceborne Synthetic Aperture Radar Imaging at Different Frequencies and Polarizations

Soil moisture and its distribution in space and time plays an important role in the surface energy balance at the soil-atmosphere interface. It is a key variable influencing the partitioning of solar energy into latent and sensible heat flux as well as the partitioning of precipitation into runoff and percolation. Due to their large spatial variability, estimation of spatial patterns of soil moisture from field measurements is difficult and not feasible for large scale analyses. In the past decades, Synthetic Aperture Radar (SAR) remote sensing has proven its potential to quantitatively estimate near surface soil moisture at high spatial resolutions. Since the knowledge of the basic SAR concepts is important to understand the impact of different natural terrain features on the quantitative estimation of soil moisture and other surface parameters, the fundamental principles of synthetic aperture radar imaging are discussed. Also the two spaceborne SAR missions whose data was used in this study, the ENVISAT of the European Space Agency (ESA) and the ALOS of the Japanese Aerospace Exploration Agency (JAXA), are introduced. Subsequently, the two essential surface properties in the field of radar remote sensing, surface soil moisture and surface roughness are defined, and the established methods of their measurement are described. The in situ data used in this study, as well as the research area, the River Rur catchment, with the individual test sites where the data was collected between 2007 and 2010, are specified. On this basis, the important scattering theories in radar polarimetry are discussed and their application is demonstrated using novel polarimetric ALOS/PALSAR data. A critical review of different classical approaches to invert soil moisture from SAR imaging is provided. Five prevalent models have been chosen with the aim to provide an overview of the evolution of ideas and techniques in the field of soil moisture estimation from active microwave data. As the core of this work, a new semi-empirical model for the inversion of surface soil moisture from dual polarimetric L-band SAR data is introduced. This novel approach utilizes advanced polarimetric decomposition techniques to correct for the disturbing effects from surface roughness and vegetation on the soil moisture retrieval without the use of a priori knowledge. The land use specific algorithms for bare soil, grassland, sugar beet, and winter wheat allow quantitative estimations with accuracies in the order of 4 Vol.-%. Application of remotely sensed soil moisture patterns is demonstrated on the basis of mesoscale SAR data by investigating the variability of soil moisture patterns at different spatial scales ranging from field scale to catchment scale. The results show that the variability of surface soil moisture decreases with increasing wetness states at all scales. Finally, the conclusions from this dissertational research are summarized and future perspectives on how to extend the proposed model by means of improved ground based measurements and upcoming advances in sensor technology are discussed. The results obtained in this thesis lead to the conclusion that state-of-the-art spaceborne dual polarimetric L-band SAR systems are not only suitable to accurately retrieve surface soil moisture contents of bare as well as of vegetated agricultural fields and grassland, but for the first time also allow investigating within-field spatial heterogeneities from space

X-band synthetic aperture radar methods

Spaceborne Synthetic Aperture Radars (SARs), operating at L-band and above, offer microwave observations of the Earth at very high spatial resolution in almost all-weather conditions. Nevertheless, precipitating clouds can significantly affect the signal backscattered from the ground surface in both amplitude and phase, especially at X band and beyond. This evidence has been assessed by numerous recent efforts analyzing data collected by COSMO-SkyMed (CSK) and TerraSAR-X (TSX) missions at X band. This sensitivity can be exploited to detect and quantify precipitations from SARs at the spatial resolution of a few hundred meters, a very appealing feature considering the current resolution of precipitation products from space. Forward models of SAR response in the presence of precipitation have been developed for analyzing SAR signature sensitivity and developing rainfall retrieval algorithms. Precipitation retrieval algorithms from SARs have also been proposed on a semi-empirical basis. This chapter will review experimental evidences, modelling approaches, retrieval methods and recent applications of X-band SAR data to rainfall estimation

Radarkaugseire rakendused metsaüleujutuste ja põllumajanduslike rohumaade jälgimiseks

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.Käesolev doktoritöö keskendub radarkaugseire rakenduste arendamisele kahes keerukas looduskeskkonnas: üleujutatud metsas ja põllumajanduslikel rohumaadel. Uurimistöö viidi läbi Tartu Observatooriumis, Tartu Ülikoolis, Ventspilsi Kõrgkoolis ja Aalto Ülikoolis. Töö esimene osa käsitleb X-laineala polarimeetrilise radarisignaali käitumist regulaarselt üleujutatavas metsas Soomaa näitel ning teine osa põllumajanduslike rohumaade seisundi ja polarimeetriliste ning interferomeetriliste tehisava-radari parameetrite vahelisi seoseid. 2012 kevadel Soomaa testalal TerraSAR-X andmetega läbi viidud eksperiment näitas, et topelt-peegeldusele tundlik HH-VV polarimeetriline kanal pakub tõesti kontrastsemat tagasihajumisepõhist üleujutatud metsa eristust üleujutamata metsast kui traditsiooniline HH polarimeetriline kanal. HH-VV kanali eelis HH kanali ees on seda suurem, mida madalam on mets ning raagus tingimustes lehtmetsas oli HH-VV kanali eelis HH kanali ees suurem kui okasmetsas. Lisaks on üleujutusele tundlik HH ja VV kanali polarimeetriline faasivahe, mida on soovitatud ka varasemates töödes kasutada täiendava andmeallikana üleujutuste kaardistamisel. Käesolevas doktoritöös mõõdeti polarimeetrilise X-laineala tehisava-radari HH/VV faasivahe suurenemine üleujutuste tõttu erineva kõrgusega okas- ja lehtmetsas. 2013 a vegetatsiooniperioodil korraldati Rannu test-alal välimõõtmistega toetatud eksperiment uurimaks X- ja C-laineala polarimeetrilise ning X-laineala interferomeetrilise tehisava-radari parameetrite undlikkust rohumaade tingimuste muutustele. Ilmnes, et ühepäevase vahega kogutud X-laineala tehisava-radari interferomeetriliste paaride koherentsus korreleerus rohu kõrgusega. Koherentsus oli seda madalam, mida kõrgem oli rohi - leitud seost on võimalik potentsiaalselt rakendada niitmise tuvastamiseks. TerraSAR-X ja RADARSAT-2 polarimeetriliste aegridade analüüsi tulemusel leiti kaks niitmisele tundlikku parameetrit: HH/VV polarimeetriline koherentsus ja polarimeetriline entroopia. Niitmise järel langes HH/VV polarimeetriline koherentsus järsult ning polarimeetriline entroopia tõusis järsult. Rohu tagasikasvamise faasis hakkas HH/VV polarimeetriline koherentsus aeglaselt kasvama ning entroopia aeglaselt kahanema. Täheldatud efekt oli tugevam TerraSARX X-laineala aegridadel kui RADARSAT-2 C-riba tehisava-radari mõõtmistel ning seda selgemini nähtav mida rohkem biomassi niitmise järgselt maha jäi. Leitud HH/VV polarimeetrilise koherentsuse ja polarimeetrilise entroopia käitumine vastas taimkatte osakestepilve radarikiirguse tagasihajumismudelile. Mudeli järgi põhjus- 60 tas eelnimetatud parameetrite iseloomulikku muutust rohukõrte kui dipoolide orientatsiooni ja korrastatuse muut niitmise tõttu, mis on kooskõlas meie välimõõtmiste andmetega.This thesis presents research about the application of radar remote sensing for monitoring of complex natural environments, such as flooded forests and agricultural grasslands. The study was carried out in Tartu Observatory, University of Tartu, Ventspils University College, and Aalto University. The research consists of two distinctive parts devoted to polarimetric analysis of images from a seasonal flooding of wetlands, and to polarimetric and interferometric analysis of a summer-long campaign covering eleven agricultural grasslands. TerraSAR-X data from 2012 were used to assess the use of the double-bounce scattering mechanism for improving the mapping of flooded forest areas. The study confirmed that the HH–VV polarimetric channel that is sensitive to double-bounce scattering provides increased separation between flooded and unflooded forest areas when compared to the conventional HH channel. The increase in separation increases with decreasing forest height, and it is more pronounced for deciduous forests due to the leaf-off conditions during the study. The phase difference information provided by the HH–VV channel may provide additional information for delineating flooded and unflooded forest areas. Time series of X-band (TanDEM-X and COSMO-SkyMed) and C-band (RADARSAT-2) data from 2013 were analyzed in respect to vegetation parameters collected during a field survey. The one-day repeat-pass X-band interferometric coherence was shown to be correlated to the grassland vegetation height. The coherence was also found to be potentially useful for detecting mowing events. The polarimetric analysis of TanDEM-X and RADARSAT-2 data identified two parameters sensitive to mowing events - the HH/VV polarimetric coherence magnitude and the H2α entropy. Mowing of vegetation consistently caused the coherence magnitude to decrease and the entropy to increase. The effect was more pronounced in case of X-band data. Additionally, the effect was stronger with more vegetation left on the ground after mowing. The effect was explained using a vegetation particle scattering model. The changes in polarimetric variables was shown to be caused by the change of orientation and the randomness of the vegetation

Spaceborne L-Band Synthetic Aperture Radar Data for Geoscientific Analyses in Coastal Land Applications: A Review

The coastal zone offers among the world’s most productive and valuable ecosystems and is experiencing increasing pressure from anthropogenic impacts: human settlements, agriculture, aquaculture, trade, industrial activities, oil and gas exploitation and tourism. Earth observation has great capability to deliver valuable data at the local, regional and global scales and can support the assessment and monitoring of land‐ and water‐related applications in coastal zones. Compared to optical satellites, cloud‐cover does not limit the timeliness of data acquisition with spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors, which have all‐weather, day and night capabilities. Hence, active radar systems demonstrate great potential for continuous mapping and monitoring of coastal regions, particularly in cloud‐prone tropical and sub‐tropical climates. The canopy penetration capability with long radar wavelength enables L‐band SAR data to be used for coastal terrestrial environments and has been widely applied and investigated for the following geoscientific topics: mapping and monitoring of flooded vegetation and inundated areas; the retrieval of aboveground biomass; and the estimation of soil moisture. Human activities, global population growth, urban sprawl and climate change‐induced impacts are leading to increased pressure on coastal ecosystems causing land degradation, deforestation and land use change. This review presents a comprehensive overview of existing research articles that apply spaceborne L‐band SAR data for geoscientific analyses that are relevant for coastal land applications

Precipitation observations from high frequency spaceborne polarimetric synthetic aperture radar and ground-based radar: theory and model validation

2010 Fall.Includes bibliographical references.Global weather monitoring is a very useful tool to better understand the Earth's hydrological cycle and provide critical information for emergency and warning systems in severe cases. Developed countries have installed numerous ground-based radars for this purpose, but they obviously are not global in extent. To address this issue, the Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) was launched in 1997 and has been quite successful. The follow-on Global Precipitation Measurement (GPM) mission will replace TRMM once it is launched. However, a single precipitation radar satellite is still limited, so it would be beneficial if additional existing satellite platforms can be used for meteorological purposes. Within the past few years, several X-band Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites have been launched and more are planned. While the primary SAR application is surface monitoring, and they are heralded as "all weather'' systems, strong precipitation induces propagation and backscatter effects in the data. Thus, there exists a potential for weather monitoring using this technology. The process of extracting meteorological parameters from radar measurements is essentially an inversion problem that has been extensively studied for radars designed to estimate these parameters. Before attempting to solve the inverse problem for SAR data, however, the forward problem must be addressed to gain knowledge on exactly how precipitation impacts SAR imagery. This is accomplished by simulating storms in SAR data starting from real measurements of a storm by ground-based polarimetric radar. In addition, real storm observations by current SAR platforms are also quantitatively analyzed by comparison to theoretical results using simultaneous acquisitions by ground radars even in single polarization. For storm simulation, a novel approach is presented here using neural networks to accommodate the oscillations present when the particle scattering requires the Mie solution, i.e., particle diameter is close to the radar wavelength. The process of transforming the real ground measurements to spaceborne SAR is also described, and results are presented in detail. These results are then compared to real observations of storms acquired by the German TerraSAR-X satellite and by one of the Italian COSMO-SkyMed satellites both operating in co-polar mode (i.e., HH and VV). In the TerraSAR-X case, two horizontal polarization ground radars provided simultaneous observations, from which theoretical attenuation is derived assuming all rain hydrometeors. A C-band fully polarimetric ground radar simultaneously observed the storm captured by the COSMO-SkyMed SAR, providing a case to begin validating the simulation model. While previous research has identified the backscatter and attenuation effects of precipitation on X-band SAR imagery, and some have noted an impact on polarimetric observations, the research presented here is the first to quantify it in a holistic sense and demonstrate it using a detailed model of actual storms observed by ground radars. In addition to volumetric effects from precipitation, the land backscatter is altered when water is on or near the surface. This is explored using TRMM, Canada's RADARSAT-1 C-band SAR and Level 3 NEXRAD ground radar data. A weak correlation is determined, and further investigation is warranted. Options for future research are then proposed

Remote Sensing of Snow Cover Using Spaceborne SAR: A Review

The importance of snow cover extent (SCE) has been proven to strongly link with various natural phenomenon and human activities; consequently, monitoring snow cover is one the most critical topics in studying and understanding the cryosphere. As snow cover can vary significantly within short time spans and often extends over vast areas, spaceborne remote sensing constitutes an efficient observation technique to track it continuously. However, as optical imagery is limited by cloud cover and polar darkness, synthetic aperture radar (SAR) attracted more attention for its ability to sense day-and-night under any cloud and weather condition. In addition to widely applied backscattering-based method, thanks to the advancements of spaceborne SAR sensors and image processing techniques, many new approaches based on interferometric SAR (InSAR) and polarimetric SAR (PolSAR) have been developed since the launch of ERS-1 in 1991 to monitor snow cover under both dry and wet snow conditions. Critical auxiliary data including DEM, land cover information, and local meteorological data have also been explored to aid the snow cover analysis. This review presents an overview of existing studies and discusses the advantages, constraints, and trajectories of the current developments

Monitoring permafrost environments with Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors

Permafrost occupies approximately 24% of the exposed land area in the Northern Hemisphere. It is an important element of the cryosphere and has strong impacts on hydrology, biological processes, land surface energy budget, and infrastructure. For several decades, surface air temperatures in the high northern latitudes have warmed at approximately twice the global rate. Permafrost temperatures have increased in most regions since the early 1980s, the averaged warming north of 60°N has been 1-2°C. In-situ measurements are essential to understanding physical processes in permafrost terrain, but they have several limitations, ranging from difficulties in drilling to the representativeness of limited single point measurements. Remote sensing is urgently needed to supplement ground-based measurements and extend the point observations to a broader spatial domain. This thesis concentrates on the sub-arctic permafrost environment monitoring with SAR datasets. The study site is selected in a typical discontinuous permafrost region in the eastern Canadian sub-Arctic. Inuit communities in Nunavik and Nunatsiavut in the Canadian eastern sub-arctic are amongst the groups most affected by the impacts of climate change and permafrost degradation. Synthetic Aperture Radar (SAR) datasets have advantages for permafrost monitoring in the Arctic and sub-arctic regions because of its high resolution and independence of cloud cover and solar illumination. To date, permafrost environment monitoring methods and strategies with SAR datasets are still under development. The variability of active layer thickness is a direct indication of permafrost thermal state changes. The Differential SAR Interferometry (D-InSAR) technique is applied in the study site to derive ground deformation, which is introduced by the thawing/freezing depth of active layer and underlying permafrost. The D-InSAR technique has been used for the mapping of ground surface deformation over large areas by interpreting the phase difference between two signals acquired at different times as ground motion information. It shows the ability to detect freeze/thaw-related ground motion over permafrost regions. However, to date, accuracy and value assessments of D-InSAR applications have focused mostly on the continuous permafrost region where the vegetation is less developed and causes fewer complicating factors for the D-InSAR application, less attention is laid on the discontinuous permafrost terrain. In this thesis, the influencing factors and application conditions for D-InSAR in the discontinuous permafrost environment are evaluated by using X- band and L-band data. Then, benefit from by the high-temporal resolution of C-band Sentinel-1 time series, the seasonal displacement is derived from small baseline subsets (SBAS)-InSAR. Landforms are indicative of permafrost presence, with their changes inferring modifications to permafrost conditions. A permafrost landscape mapping method was developed which uses multi-temporal TerraSAR-X backscatter intensity and interferometric coherence information. The land cover map is generated through the combined use of object-based image analysis (OBIA) and classification and regression tree analysis (CART). An overall accuracy of 98% is achieved when classifying rock and water bodies, and an accuracy of 79% is achieved when discriminating between different vegetation types with one year of single-polarized acquisitions. This classification strategy can be transferred to other time-series SAR datasets, e.g., Sentinel-1, and other heterogeneous environments. One predominant change in the landscape tied to the thaw of permafrost is the dynamics of thermokarst lakes. Dynamics of thermokarst lakes are developed through their lateral extent and vertical depth changes. Due to different water depth, ice cover over shallow thermokarst ponds/lakes can freeze completely to the lake bed in winter, resulting in grounded ice; while ice cover over deep thermokarst ponds/lakes cannot, which have liquid water persisting under the ice cover all winter, resulting in floating ice. Winter ice cover regimes are related to water depths and ice thickness. In the lakes having floating ice, the liquid water induces additional heat in the remaining permafrost underneath and surroundings, which contributes to further intensified permafrost thawing. SAR datasets are utilized to detect winter ice cover regimes based on the character that liquid water has a remarkably high dielectric constant, whereas pure ice has a low value. Patterns in the spatial distribution of ice-cover regimes of thermokarst ponds in a typical discontinuous permafrost region are first revealed. Then, the correlations of these ice-cover regimes with the permafrost degradation states and thermokarst pond development in two historical phases (Sheldrake catchment in the year 1957 and 2009, Tasiapik Valley 1994 and 2010) were explored. The results indicate that the ice-cover regimes of thermokarst ponds are affected by soil texture, permafrost degradation stage and permafrost depth. Permafrost degradation is difficult to directly assess from the coverage area of floating-ice ponds and the percentage of all thermokarst ponds consisting of such floating-ice ponds in a single year. Continuous monitoring of ice-cover regimes and surface areas is recommended to elucidate the hydrological trajectory of the thermokarst process. Several operational monitoring methods have been developed in this thesis work. In the meanwhile, the spatial distribution of seasonal ground thaw subsidence, permafrost landscape, thermokarst ponds and their winter ice cover regimes are first revealed in the study area. The outcomes help understand the state and dynamics of permafrost environment.Der Permafrostboden bedeckt etwa 24% der exponierten Landfläche in der nördlichen Hemisphäre. Es ist ein wichtiges Element der Kryosphäre und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der Landoberfläche und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die Oberflächenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frühen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche Erwärmung nördlich von 60° N beträgt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell für das Verständnis der physischen Prozesse im Permafrostgelände. Es gibt jedoch mehrere Einschränkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur Repräsentativität begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergänzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren räumlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-Datensätzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewählt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stärksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) Datensätze haben Vorteile für das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der Unabhängigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-Datensätzen für Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die Variabilität der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der Veränderung des thermischen Zustands der Permafrostböden. Die Differential-SAR-Interferometrie(D-Insar)-Technik wird im Untersuchungsgebiet zur Ableitung der Bodendeformation, die durch Auftau- / und Gefriertiefe der aktiven Schicht und des unterliegenden Permafrostbodens eingeführt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde für Kartierung der Landoberflächendeformation über große Flächen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die Fähigkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen über Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und Wertschätzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsächlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren für D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche Permafrostgelände wurde nur weniger berücksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen für D-InSAR im diskontinuierlichen Permafrostgebiet mittels X-Band und L-Band Daten ausgewertet. Dann wurde die saisonale Verschiebung dank der hohen Auflösung der C-Band Sentinel-1 Zeitreihe von „Small Baseline Subsets (SBAS)-InSAR“ abgeleitet. Landformen weisen auf die Präsenz des Permafrosts hin, wobei deren Veränderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X Rückstreuungsintensität und interferometrische Kohärenzinformationen verwendet. Die Landbedeckungskarte wurde durch kombinierte Anwendung objektbasierter Bildanalyse (OBIA) und Klassifikations- und Regressionsbaum Analyse (CART) generiert. Eine Gesamtgenauigkeit in Höhe von 98% wurde bei Klassifikation der Gesteine und Wasserkörper erreicht. Bei Unterscheidung zwischen verschiedenen Vegetationstypen mit einem Jahr einzelpolarisierte Akquisitionen wurde eine Genauigkeit von 79% erreicht. Diese Klassifikationsstrategie kann auf andere Zeitreihen der SAR-Datensätzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten übertragen werden. Eine vorherrschende Veränderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch Veränderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke über den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollständig gefroren sein, was zum geerdeten Eis führt, während die Eisdecke über den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flüssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis führt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flüssige Wasser zusätzliche Wärme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren Verstärkung des Permafrostauftauen beiträgt. Basiert auf den Charakter, dass das flüssige Wasser eine bemerkenswert hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, während reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR Datensätzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. Zunächst wurden Schemen in der räumlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die Zusammenhänge dieser Eisdeckenregimes mit dem Degradationszustand des Permafrosts und der Entwicklung der Thermokarstteiche in zwei historischen Phasen (Sheldrake Einzugsgebiet in 1957 und 2009, Tasiapik Tal in 1994 und 2010) erforscht. Die Ergebnisse deuten darauf, dass die Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche von der Bodenart, dem Degradationszustand des Permafrosts und der Permafrosttiefe beeinflusst werden. Es ist schwer, die Permafrostdegradation in einem einzelnen Jahr direkt durch den Abdeckungsbereich der Treibeis-Teiche und die Prozentzahl aller aus solchen Treibeis-Teichen bestehenden Thermokarstteiche abzuschätzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflächen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erläutern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die räumliche Verteilung der saisonalen Bodentauabsenkung, die Permafrostlandschaft, die Thermokarstteiche und ihre Wintereisdeckenregimes erstmals in diesem Untersuchungsgebiet aufgedeckt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Zustand und die Dynamik der Permafrostumwelt zu verstehen

Monitoring permafrost environments with Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors

Permafrost occupies approximately 24% of the exposed land area in the Northern Hemisphere. It is an important element of the cryosphere and has strong impacts on hydrology, biological processes, land surface energy budget, and infrastructure. For several decades, surface air temperatures in the high northern latitudes have warmed at approximately twice the global rate. Permafrost temperatures have increased in most regions since the early 1980s, the averaged warming north of 60°N has been 1-2°C. In-situ measurements are essential to understanding physical processes in permafrost terrain, but they have several limitations, ranging from difficulties in drilling to the representativeness of limited single point measurements. Remote sensing is urgently needed to supplement ground-based measurements and extend the point observations to a broader spatial domain. This thesis concentrates on the sub-arctic permafrost environment monitoring with SAR datasets. The study site is selected in a typical discontinuous permafrost region in the eastern Canadian sub-Arctic. Inuit communities in Nunavik and Nunatsiavut in the Canadian eastern sub-arctic are amongst the groups most affected by the impacts of climate change and permafrost degradation. Synthetic Aperture Radar (SAR) datasets have advantages for permafrost monitoring in the Arctic and sub-arctic regions because of its high resolution and independence of cloud cover and solar illumination. To date, permafrost environment monitoring methods and strategies with SAR datasets are still under development. The variability of active layer thickness is a direct indication of permafrost thermal state changes. The Differential SAR Interferometry (D-InSAR) technique is applied in the study site to derive ground deformation, which is introduced by the thawing/freezing depth of active layer and underlying permafrost. The D-InSAR technique has been used for the mapping of ground surface deformation over large areas by interpreting the phase difference between two signals acquired at different times as ground motion information. It shows the ability to detect freeze/thaw-related ground motion over permafrost regions. However, to date, accuracy and value assessments of D-InSAR applications have focused mostly on the continuous permafrost region where the vegetation is less developed and causes fewer complicating factors for the D-InSAR application, less attention is laid on the discontinuous permafrost terrain. In this thesis, the influencing factors and application conditions for D-InSAR in the discontinuous permafrost environment are evaluated by using X- band and L-band data. Then, benefit from by the high-temporal resolution of C-band Sentinel-1 time series, the seasonal displacement is derived from small baseline subsets (SBAS)-InSAR. Landforms are indicative of permafrost presence, with their changes inferring modifications to permafrost conditions. A permafrost landscape mapping method was developed which uses multi-temporal TerraSAR-X backscatter intensity and interferometric coherence information. The land cover map is generated through the combined use of object-based image analysis (OBIA) and classification and regression tree analysis (CART). An overall accuracy of 98% is achieved when classifying rock and water bodies, and an accuracy of 79% is achieved when discriminating between different vegetation types with one year of single-polarized acquisitions. This classification strategy can be transferred to other time-series SAR datasets, e.g., Sentinel-1, and other heterogeneous environments. One predominant change in the landscape tied to the thaw of permafrost is the dynamics of thermokarst lakes. Dynamics of thermokarst lakes are developed through their lateral extent and vertical depth changes. Due to different water depth, ice cover over shallow thermokarst ponds/lakes can freeze completely to the lake bed in winter, resulting in grounded ice; while ice cover over deep thermokarst ponds/lakes cannot, which have liquid water persisting under the ice cover all winter, resulting in floating ice. Winter ice cover regimes are related to water depths and ice thickness. In the lakes having floating ice, the liquid water induces additional heat in the remaining permafrost underneath and surroundings, which contributes to further intensified permafrost thawing. SAR datasets are utilized to detect winter ice cover regimes based on the character that liquid water has a remarkably high dielectric constant, whereas pure ice has a low value. Patterns in the spatial distribution of ice-cover regimes of thermokarst ponds in a typical discontinuous permafrost region are first revealed. Then, the correlations of these ice-cover regimes with the permafrost degradation states and thermokarst pond development in two historical phases (Sheldrake catchment in the year 1957 and 2009, Tasiapik Valley 1994 and 2010) were explored. The results indicate that the ice-cover regimes of thermokarst ponds are affected by soil texture, permafrost degradation stage and permafrost depth. Permafrost degradation is difficult to directly assess from the coverage area of floating-ice ponds and the percentage of all thermokarst ponds consisting of such floating-ice ponds in a single year. Continuous monitoring of ice-cover regimes and surface areas is recommended to elucidate the hydrological trajectory of the thermokarst process. Several operational monitoring methods have been developed in this thesis work. In the meanwhile, the spatial distribution of seasonal ground thaw subsidence, permafrost landscape, thermokarst ponds and their winter ice cover regimes are first revealed in the study area. The outcomes help understand the state and dynamics of permafrost environment.Der Permafrostboden bedeckt etwa 24% der exponierten Landfläche in der nördlichen Hemisphäre. Es ist ein wichtiges Element der Kryosphäre und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der Landoberfläche und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die Oberflächenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frühen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche Erwärmung nördlich von 60° N beträgt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell für das Verständnis der physischen Prozesse im Permafrostgelände. Es gibt jedoch mehrere Einschränkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur Repräsentativität begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergänzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren räumlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-Datensätzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewählt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stärksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) Datensätze haben Vorteile für das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der Unabhängigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-Datensätzen für Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die Variabilität der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der Veränderung des thermischen Zustands der Permafrostböden. Die Differential-SAR-Interferometrie(D-Insar)-Technik wird im Untersuchungsgebiet zur Ableitung der Bodendeformation, die durch Auftau- / und Gefriertiefe der aktiven Schicht und des unterliegenden Permafrostbodens eingeführt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde für Kartierung der Landoberflächendeformation über große Flächen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die Fähigkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen über Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und Wertschätzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsächlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren für D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche Permafrostgelände wurde nur weniger berücksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen für D-InSAR im diskontinuierlichen Permafrostgebiet mittels X-Band und L-Band Daten ausgewertet. Dann wurde die saisonale Verschiebung dank der hohen Auflösung der C-Band Sentinel-1 Zeitreihe von „Small Baseline Subsets (SBAS)-InSAR“ abgeleitet. Landformen weisen auf die Präsenz des Permafrosts hin, wobei deren Veränderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X Rückstreuungsintensität und interferometrische Kohärenzinformationen verwendet. Die Landbedeckungskarte wurde durch kombinierte Anwendung objektbasierter Bildanalyse (OBIA) und Klassifikations- und Regressionsbaum Analyse (CART) generiert. Eine Gesamtgenauigkeit in Höhe von 98% wurde bei Klassifikation der Gesteine und Wasserkörper erreicht. Bei Unterscheidung zwischen verschiedenen Vegetationstypen mit einem Jahr einzelpolarisierte Akquisitionen wurde eine Genauigkeit von 79% erreicht. Diese Klassifikationsstrategie kann auf andere Zeitreihen der SAR-Datensätzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten übertragen werden. Eine vorherrschende Veränderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch Veränderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke über den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollständig gefroren sein, was zum geerdeten Eis führt, während die Eisdecke über den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flüssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis führt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flüssige Wasser zusätzliche Wärme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren Verstärkung des Permafrostauftauen beiträgt. Basiert auf den Charakter, dass das flüssige Wasser eine bemerkenswert hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, während reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR Datensätzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. Zunächst wurden Schemen in der räumlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die Zusammenhänge dieser Eisdeckenregimes mit dem Degradationszustand des Permafrosts und der Entwicklung der Thermokarstteiche in zwei historischen Phasen (Sheldrake Einzugsgebiet in 1957 und 2009, Tasiapik Tal in 1994 und 2010) erforscht. Die Ergebnisse deuten darauf, dass die Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche von der Bodenart, dem Degradationszustand des Permafrosts und der Permafrosttiefe beeinflusst werden. Es ist schwer, die Permafrostdegradation in einem einzelnen Jahr direkt durch den Abdeckungsbereich der Treibeis-Teiche und die Prozentzahl aller aus solchen Treibeis-Teichen bestehenden Thermokarstteiche abzuschätzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflächen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erläutern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die räumliche Verteilung der saisonalen Bodentauabsenkung, die Permafrostlandschaft, die Thermokarstteiche und ihre Wintereisdeckenregimes erstmals in diesem Untersuchungsgebiet aufgedeckt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Zustand und die Dynamik der Permafrostumwelt zu verstehen