InSAR-based mapping of ground deformation caused by industrial waste disposals: the case study of the Huelva phosphogypsum stack, SW Spain

Close to the city of Huelva, SW Spain, and near the Atlantic Ocean, there is a phosphogypsum (PG) stack that accumulates 100 Mt of wastes and extends over 1000 ha. The stack lies directly over estuarine unconsolidated sediments with no protective layer in between. Here, we evaluate for the first time the structural stability of the PG stack, monitoring the deformation suffered by the salt-marsh basement. Through the web-based Geohazard Exploitation Platform (GEP) of the European Space Agency (ESA), a specific differential SAR interferometry (DInSAR) algorithm known as arallel Small Baseline Subset (P-SBAS) has been used to process 279 ESA Sentinel-1 images acquired between October 2016 and June 2021. Resulting displacement maps and time-series curves reveal vertical displacements of up to 16 cm/year. This vertical motion has been associated to subsidence. In parallel with subsidence, horizontal movements > 2.5 cm/year have been also accounted and linked to talus destabilization. The analysis also demonstrates that the Huelva PG stack is vulnerable to adverse weather condition. The present study demonstrates that the InSAR-based methods are effective tools for monitoring the stability and ground motion of large waste stockpiles.This work was financed by the ESA thorough a project covered by the NOR Sponsorship Program. The project (ID: Felipe González) was intended to use the Geohazards TEP service (https:// geoha zards- tep. eu/#!) for the analysis of the subsidence of SW Spain. Special thanks are extended to Hervé Caumont (Terradue Programme Manager) who patiently provided technical support during all the analysis. The original manuscript was significantly improved thanks to the valuable suggestions and comments of two anonymous reviewers. Aerial photograph in Figure 1 was provided by the Mesa de la Ría Association. Funding for open access charge: Universidad de Huelva / CBUA

SAR Phase Unwrapping Using Path-Based Least-Squares Phase Estimation and Region-Growing with Polynomial-Based Phase Prediction

Differential SAR interferometry (DInSAR) has proven to be a processing approach that is well-suited to precisely identifying large-scale land deformation patterns. This is useful for many environmental monitoring applications, but the speckle noise and temporal decorrelation present in SAR images presents particular challenges in processing SAR images. This research focuses on the phase unwrapping problem, proposing two new approaches: Polynomial-Based Region-Growing Phase Unwrapping (PBRGPU), which expands upon the traditional region-growing approach to phase unwrapping; and Path-Based Least-Squares Phase Unwrapping (PBLSPU), which extends the least-squares phase unwrapping models in a path-based framework. Both algorithms were tested using simulated data and interferograms generated from RADARSAT-2 data. Both approaches significantly reduced the root mean square error compared to the algorithms they build from, and achieved a similar level of performance to the commonly-used SNAPHU algorithm without the need for masking low coherence areas

Robust and Flexible Persistent Scatterer Interferometry for Long-Term and Large-Scale Displacement Monitoring

Die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ist eine Methode zur Überwachung von Verschiebungen der Erdoberfläche aus dem Weltraum. Sie basiert auf der Identifizierung und Analyse von stabilen Punktstreuern (sog. Persistent Scatterer, PS) durch die Anwendung von Ansätzen der Zeitreihenanalyse auf Stapel von SAR-Interferogrammen. PS Punkte dominieren die Rückstreuung der Auflösungszellen, in denen sie sich befinden, und werden durch geringfügige Dekorrelation charakterisiert. Verschiebungen solcher PS Punkte können mit einer potenziellen Submillimetergenauigkeit überwacht werden, wenn Störquellen effektiv minimiert werden. Im Laufe der Zeit hat sich die PSI in bestimmten Anwendungen zu einer operationellen Technologie entwickelt. Es gibt jedoch immer noch herausfordernde Anwendungen für die Methode. Physische Veränderungen der Landoberfläche und Änderungen in der Aufnahmegeometrie können dazu führen, dass PS Punkte im Laufe der Zeit erscheinen oder verschwinden. Die Anzahl der kontinuierlich kohärenten PS Punkte nimmt mit zunehmender Länge der Zeitreihen ab, während die Anzahl der TPS Punkte zunimmt, die nur während eines oder mehrerer getrennter Segmente der analysierten Zeitreihe kohärent sind. Daher ist es wünschenswert, die Analyse solcher TPS Punkte in die PSI zu integrieren, um ein flexibles PSI-System zu entwickeln, das in der Lage ist mit dynamischen Veränderungen der Landoberfläche umzugehen und somit ein kontinuierliches Verschiebungsmonitoring ermöglicht. Eine weitere Herausforderung der PSI besteht darin, großflächiges Monitoring in Regionen mit komplexen atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Letztere führen zu hoher Unsicherheit in den Verschiebungszeitreihen bei großen Abständen zur räumlichen Referenz. Diese Arbeit befasst sich mit Modifikationen und Erweiterungen, die auf der Grund lage eines bestehenden PSI-Algorithmus realisiert wurden, um einen robusten und flexiblen PSI-Ansatz zu entwickeln, der mit den oben genannten Herausforderungen umgehen kann. Als erster Hauptbeitrag wird eine Methode präsentiert, die TPS Punkte vollständig in die PSI integriert. In Evaluierungsstudien mit echten SAR Daten wird gezeigt, dass die Integration von TPS Punkten tatsächlich die Bewältigung dynamischer Veränderungen der Landoberfläche ermöglicht und mit zunehmender Zeitreihenlänge zunehmende Relevanz für PSI-basierte Beobachtungsnetzwerke hat. Der zweite Hauptbeitrag ist die Vorstellung einer Methode zur kovarianzbasierten Referenzintegration in großflächige PSI-Anwendungen zur Schätzung von räumlich korreliertem Rauschen. Die Methode basiert auf der Abtastung des Rauschens an Referenzpixeln mit bekannten Verschiebungszeitreihen und anschließender Interpolation auf die restlichen PS Pixel unter Berücksichtigung der räumlichen Statistik des Rauschens. Es wird in einer Simulationsstudie sowie einer Studie mit realen Daten gezeigt, dass die Methode überlegene Leistung im Vergleich zu alternativen Methoden zur Reduktion von räumlich korreliertem Rauschen in Interferogrammen mittels Referenzintegration zeigt. Die entwickelte PSI-Methode wird schließlich zur Untersuchung von Landsenkung im Vietnamesischen Teil des Mekong Deltas eingesetzt, das seit einigen Jahrzehnten von Landsenkung und verschiedenen anderen Umweltproblemen betroffen ist. Die geschätzten Landsenkungsraten zeigen eine hohe Variabilität auf kurzen sowie großen räumlichen Skalen. Die höchsten Senkungsraten von bis zu 6 cm pro Jahr treten hauptsächlich in städtischen Gebieten auf. Es kann gezeigt werden, dass der größte Teil der Landsenkung ihren Ursprung im oberflächennahen Untergrund hat. Die präsentierte Methode zur Reduzierung von räumlich korreliertem Rauschen verbessert die Ergebnisse signifikant, wenn eine angemessene räumliche Verteilung von Referenzgebieten verfügbar ist. In diesem Fall wird das Rauschen effektiv reduziert und unabhängige Ergebnisse von zwei Interferogrammstapeln, die aus unterschiedlichen Orbits aufgenommen wurden, zeigen große Übereinstimmung. Die Integration von TPS Punkten führt für die analysierte Zeitreihe von sechs Jahren zu einer deutlich größeren Anzahl an identifizierten TPS als PS Punkten im gesamten Untersuchungsgebiet und verbessert damit das Beobachtungsnetzwerk erheblich. Ein spezieller Anwendungsfall der TPS Integration wird vorgestellt, der auf der Clusterung von TPS Punkten basiert, die innerhalb der analysierten Zeitreihe erschienen, um neue Konstruktionen systematisch zu identifizieren und ihre anfängliche Bewegungszeitreihen zu analysieren

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

Method for landslides detection with semi-automatic procedures: The case in the zone center-east of Cauca department, Colombia

Landslides are a common natural hazard that causes human casualties, but also infrastructure damage and land-use degradation. Therefore, a quantitative assessment of their presence is required by means of detecting and recognizing the potentially unstable areas. This research aims to develop a method supported on semiautomatic methods to detect potential mass movements at a regional scale. Five techniques were studied: Morphometry, SAR interferometry (InSAR), Persistent Scatterer InSAR (PS-InSAR), SAR polarimetry (PolSAR) and NDVI composites of Landsat 5, Landsat 7, and Landsat 8. The case study was chosen within the mid-eastern area of the Cauca state, which is characterised by its mountainous terrain and the presence of slope instabilities, officially registered in the CGS-SIMMA landslide inventory. This inventory revealed that the type `slide' occurred with 77.4% from the entire registries, `fall' with 16.5%, followed by `creeps' with 3%, flows with 2.6%, and `lateral spread' with 0.43%. As a result, we obtained the morphometric variables: slope, CONVI, TWI, landform, which were highly associated with landslides. The effect of a DEM in the processing flow of the InSAR method was similar for the InSAR coherence variable using the DEMs ASTER, PALSAR RTC, Topo-map, and SRTM. Then, a multiInSAR analysis gave displacement velocities in the LOS direction between -10 and 10 mm/year. With the dual-PolSAR analysis (Sentinel-1), VH and VV C-band polarised radar energy emitted median values of backscatters, for landslides, about of -14.5 dB for VH polarisation and -8.5 dB for VV polarisation. Also, L-band fully polarimetric NASA-UAVSAR data allowed to nd the mechanism of dispersion of CGS landslide inventory: 39% for surface scattering, 46.4% for volume dispersion, and 14.6% for double-bounce scattering. The optical remote sensing provided NDVI composites derived from Landsat series between 2012 and 2016, showing that NDVI values between 0.40 and 0.70 had a high correlation to landslides. In summary, we found the highest categories related to landslides by Weight of Evidence method (WofE) for each spaceborne technique applied. Finally, these results were merged to generate the landslide detection model by using the supervised machine learning method of Random Forest. By taking training and test samples, the precision of the detection model was of about 70% for the rotational and translational types.Los deslizamientos son una amenaza natural que causa pérdidas humanas, daños a la infraestructura y degradación del suelo. Una evaluación cuantitativa de su presencia se requiere mediante la detección y el reconocimiento de potenciales áreas inestables. Esta investigación tuvo como alcance desarrollar un método soportado en métodos semi-automáticos para detectar potenciales movimientos en masa a escala regional. Cinco técnicas fueron estudiadas: Morfometría, Interferometría radar, Interferometría con Persistent Scatterers, Polarimetría radar y composiciones del NDVI con los satélites Landsat 5, Landsat 7 y Landsat 8. El caso de estudio se seleccionó dentro de la región intermedia al este del departamento del Cauca, la cual se caracteriza por terreno montañoso y la presencia de inestabilidades de la pendiente oficialmente registrados en el servicio SIMMA del Servicio Geológico Colombiano. Este inventario reveló que el tipo de movimiento deslizamiento ocurrió con una frecuencia relativa de 77.4%, caidos con el 16.5% de los casos y reptaciones con 3%, flujos con 2.6% y propagación lateral con 0.43%. Como resultado, se obtuvo las variables morfométricas: pendiente, convergencia, índice topográfico de humedad y forma del terreno altamente asociados con los deslizamientos. El efecto de un DEM en el procesamiento del método InSAR fue similar para la variable coherencia usando los DEMs: ASTER, PAlSAR RTC, Topo-map y SRTM. Un análisis Multi-InSAR estimó velocidades de desplazamiento en dirección de vista del radar entre -10 y 10 mm/año. El análisis de polarimetría dual del Sentinel-1 arrojó valores de retrodispersión promedio de -14.5 dB en la banda VH y -8.5dB en la banda VV. Las cuatro polarimetrías del sensor aéreo UAVSAR permitió caracterizar el mecanismo de dispersión del Inventario de Deslizamiento así: 39% en el mecanismo de superficie, 46.4% en el mecanismo de volumen y 14.6% en el mecanismo de doble rebote. La información generada en el rango óptico permitió obtener composiciones de NDVI derivados de la plataforma Landsat entre los años 2012 y 2016, mostrando que el rango entre 0.4 y 0.7 tuvieron una alta asociación con los deslizamientos. En esta investigación se determinaron las categorías de las variables de Teledetección más altamente relacionadas con los movimientos en masa mediante el método de Pesos de Evidencias (WofE). Finalmente, estos resultados se fusionaron para generar el modelo de detección de deslizamientos usando el método supervisado de aprendizaje de máquina Random Forest. Tomando muestras aleatorias para entrenar y validar el modelo en una proporción 70:30, el modelo de detección, especialmente los movimientos de tipo rotacional y traslacional fueron clasificados con una tasa general de éxito del 70%.Ministerio de CienciasConvocatoria 647 de 2014Research line: Geotechnics and Geoenvironmental HazardDoctorad

The SAR Handbook: Comprehensive Methodologies for Forest Monitoring and Biomass Estimation

This Synthetic Aperture Radar (SAR) handbook of applied methods for forest monitoring and biomass estimation has been developed by SERVIR in collaboration with SilvaCarbon to address pressing needs in the development of operational forest monitoring services. Despite the existence of SAR technology with all-weather capability for over 30 years, the applied use of this technology for operational purposes has proven difficult. This handbook seeks to provide understandable, easy-to-assimilate technical material to remote sensing specialists that may not have expertise on SAR but are interested in leveraging SAR technology in the forestry sector

Automatic Detection of Volcanic Unrest Using Interferometric Synthetic Aperture Radar

A diverse set of hazards are posed by the world's 1500 subaerial volcanoes, yet the majority of them remain unmonitored. Measurements of deformation provide a way to monitor volcanoes, and synthetic aperture RaDAR (SAR) provides a powerful tool to measure deformation at the majority of the world's subaerial volcanoes. This is due to recent changes in how regularly SAR data are acquired, how they are distributed to the scientific community, and how quickly they can be processed to create time series of interferograms. However, for interferometric SAR (InSAR) to be used to monitor the world's volcanoes, an algorithm is required to automatically detect signs of deformation-generating volcanic unrest in a time series of interferograms, as the volume of new interferograms produced each week precludes this task being achieved by human interpreters. In this thesis, I introduce two complementary methods that can be used to detect signs of volcanic unrest. The first method centres on the use of blind signal separation (BSS) methods to isolate signals of geophysical interest from nuisance signals, such as those due to changes in the refractive index of the atmosphere between two SAR acquisitions. This is achieved through first comparing which of non-negative matrix factorisation (NMF), principal component analysis (PCA), and independent component analysis (ICA) are best suited for solving BSS problems involving time series of InSAR data, and how InSAR data should best be arranged for its use with these methods. I find that NMF can be used with InSAR data, providing the time series is formatted in a novel way that reduces the likelihood of any pixels having negative values. However, when NMF, PCA, and ICA are applied to a set of synthetic data, I find that the most accurate recovery of signals of interest is achieved when ICA is set to recover spatially independent sources (termed sICA). I find that the best results are produced by sICA when interferograms are ordered as a simple ``daisy chain'' of short temporal baselines, and when sICA is set to recover around 1-3 more sources than were thought to have contributed to the time series. However, I also show that in cases such as deformation centred under a stratovolcano, the overlapping nature of a topographically correlated atmospheric phase screen (APS) signal and a deformation signal produces a pair of signals that are no longer spatially statistically independent, and so cannot be recovered accurately by sICA. To validate these results, I apply sICA to a time series of Sentinel-1 interferograms that span the 2015 eruption of Wolf volcano (Galapagos archipelago, Ecuador) and automatically isolate three signals of geophysical interest, which I validate by comparing with the results of other studies. I also apply the sICA algorithm to a time series of interferograms that image Mt Etna, and through isolating signals that are likely to be due to instability of the east flank of the volcano, show that the method can be applied to stratovolcanoes to recover useful signals. Utilising the ability of sICA to isolate signals of interest, I introduce a prototype detection algorithm that tracks changes in the behaviour of a subaerial volcano, and show that it could have been used to detect the onset of the 2015 eruption of Wolf. However, for use in an detection algorithm that is to be applied globally, the signals recovered by sICA cannot be manually validated through comparison with other studies. Therefore, I seek to incorporate a module into my detection algorithm that is able to quantify the significance of the sources recovered by sICA. I achieve this through extensively modernising the ICASO algorithm to create a new algorithm, ICASAR, that is optimised for use with InSAR time series. This algorithm allows me to assess the significance of signals recovered by sICA at a given volcano, and to then prioritise the tracking of any changes they exhibit when they are used in my detection algorithm. To further develop the detection algorithm, I create two synthetic time series that characterise the different types of unrest that could occur at a volcanic centre. The first features the introduction of a new signal, and my algorithm is able to detect when this signal enters the time series by tracking how well the baseline sources are able to fit new interferograms. The second features the change in rate of a signal that was present during the baseline stage, and my algorithm is able to detect when this change in rate occurs by tracking how sources recovered from the baseline data are used through time. To further test the algorithm, I extended the Sentinel-1 time series I used to study the 2015 eruption of Wolf to include the 2018 eruption of Sierra Negra, and I find that my algorithm is able to detect the increase in inflation that precedes the eruption, and the eruption itself. I also perform a small study into the pre-eruptive inflation seen at Sierra Negra using the deformation signal and its time history that are outputted by ICASAR. A Bayesian inversion is performed using the GBIS software package, in which the inflation signal is modelled as a horizontal rectangular dislocation with variable opening and uniform overpressure. Coupled with the time history of the inflation signal provided by ICASAR, this allows me to determine the temporal evolution of the pre-eruptive overpressure since the beginning of the Sentinel-1 time series in 2014. To extend this back to the end of the previous eruption in 2005, I use GPS data that spans the entire interruptive period. I find that the total interruptive pressure change is ~13.5 MPa, which is significantly larger than the values required for tensile failure of an elastic medium overlying an inflating body. I conclude that it is likely that one or more processes occurred to reduce the overpressure within the sill, and that the change in rate of inflation prior to the final failure of the sill is unlikely to be coincidental. The second method I develop to detect volcanic deformation in a time series of interferograms uses a convolutional neural network (CNN) to classify and locate deformation signals as each new interferogram is added to the time series. I achieve this through building a model that uses the five convolutional blocks of a previously state-of-the-art classification and localisation model, VGG16, but incorporates a classification output/head, and a localisation output/head. In order to train the model, I perform transfer learning and utilise the weights made freely available for the convolutional blocks of a version of VGG16 that was trained to classify natural images. I then synthesise a set of training data, but find that better performance is achieved on a testing set of Sentinel-1 interferograms when the model is trained with a mixture of both synthetic and real data. I conclude that CNNs can be built that are able to differentiate between different styles of volcanic deformation, and that they can perform localisation by globally reasoning with a 224 x 224 pixel interferogram without the need for a sliding window approach. The results I present in this thesis show that many machine learning methods can be applied to both time series of interferograms, and individual interferograms. sICA provides a powerful tool to separate some geophysical signals from atmospheric ones, and the ICASAR algorithm that I develop allows a user to evaluate the significance of the results provided by sICA. I incorporate these methods into an deformation detection algorithm, and show that this could be used to detect several types of volcanic unrest using data produced by the latest generation of SAR satellites. Additionally, the CNN I develop is able to differentiate between deformation signals in a single interferogram, and provides a complementary way to monitor volcanoes using InSAR