Development and Evaluation of a Multi-Year Fractional Surface Water Data Set Derived from Active/Passive Microwave Remote Sensing Data

abstract: The sensitivity of Earth’s wetlands to observed shifts in global precipitation and temperature patterns and their ability to produce large quantities of methane gas are key global change questions. We present a microwave satellite-based approach for mapping fractional surface water (FW) globally at 25-km resolution. The approach employs a land cover-supported, atmospherically-corrected dynamic mixture model applied to 20+ years (1992–2013) of combined, daily, passive/active microwave remote sensing data. The resulting product, known as Surface WAter Microwave Product Series (SWAMPS), shows strong microwave sensitivity to sub-grid scale open water and inundated wetlands comprising open plant canopies. SWAMPS’ FW compares favorably (R[superscript 2] = 91%–94%) with higher-resolution, global-scale maps of open water from MODIS and SRTM-MOD44W. Correspondence of SWAMPS with open water and wetland products from satellite SAR in Alaska and the Amazon deteriorates when exposed wetlands or inundated forests captured by the SAR products were added to the open water fraction reflecting SWAMPS’ inability to detect water underneath the soil surface or beneath closed forest canopies. Except for a brief period of drying during the first 4 years of observation, the inundation extent for the global domain excluding the coast was largely stable. Regionally, inundation in North America is advancing while inundation is on the retreat in Tropical Africa and North Eurasia. SWAMPS provides a consistent and long-term global record of daily FW dynamics, with documented accuracies suitable for hydrologic assessment and global change-related investigations.The final version of this article, as published in Remote Sensing, can be viewed online at: http://www.mdpi.com/2072-4292/7/12/1584

EPS/Metop-SG Scatterometer Mission Science Plan

89 pages, figures, tablesThis Science Plan describes the heritage, background, processing and control of C-band scatterometer data and its remaining exploitation challenges in view of SCA on EPS/MetOp-SGPeer reviewe

Development and Evaluation of a Multi-Year Fractional Surface Water Data Set Derived from Active/Passive Microwave Remote Sensing Data

The sensitivity of Earth’s wetlands to observed shifts in global precipitation and temperature patterns and their ability to produce large quantities of methane gas are key global change questions. We present a microwave satellite-based approach for mapping fractional surface water (FW) globally at 25-km resolution. The approach employs a land cover-supported, atmospherically-corrected dynamic mixture model applied to 20+ years (1992–2013) of combined, daily, passive/active microwave remote sensing data. The resulting product, known as Surface WAter Microwave Product Series (SWAMPS), shows strong microwave sensitivity to sub-grid scale open water and inundated wetlands comprising open plant canopies. SWAMPS’ FW compares favorably (R2 = 91%–94%) with higher-resolution, global-scale maps of open water from MODIS and SRTM-MOD44W. Correspondence of SWAMPS with open water and wetland products from satellite SAR in Alaska and the Amazon deteriorates when exposed wetlands or inundated forests captured by the SAR products were added to the open water fraction reflecting SWAMPS’ inability to detect water underneath the soil surface or beneath closed forest canopies. Except for a brief period of drying during the first 4 years of observation, the inundation extent for the global domain excluding the coast was largely stable. Regionally, inundation in North America is advancing while inundation is on the retreat in Tropical Africa and North Eurasia. SWAMPS provides a consistent and long-term global record of daily FW dynamics, with documented accuracies suitable for hydrologic assessment and global change-related investigations

The seasonal dynamics of Arctic surface hydrology in permafrost environments

Climate-induced landscape evolution is resulting in changes to biogeochemical and hydrologi- cal cycling. In the Arctic and sub-Arctic permafrost zones, rising air temperatures are warming, and in some regions even thawing, the frozen ground. Permafrost is a carbon sink. The thermal state of the ground therefore has important implications on carbon exchange with the atmo- sphere. Permafrost thaw mobilises previously sequestered carbon stocks, potentially turning these high latitude regions into a net carbon source. Borehole temperature and active layer depth measurements are the traditional means for monitoring permafrost, however these point measurements cannot easily be extrapolated to the landscape-scale; Earth Observation (EO) data may be used for such purposes. It is widely recognised that changes in the thermal state of permafrost may be associated with longterm changes in surface hydrology. As the ground shifts from a frozen to a thawed state, Arctic lakes display changes in surface extent. Therefore, it has become common practice to explore lake dynamics, using these as indicators of permafrost change; dynamics being the keyword. Surface hydrology is a dynamic process. Discharge studies in the Arctic and sub-Arctic regions are associated with flashy hydrographs. Currently, however, remote sensing of permafrost lake change is done on the scale of decades without explicitly taking seasonality and rapid hydrolog- ical phenology into consideration. To examine the seasonal changes in Arctic surface hydrology on the landscape scale high temporal resolution data are necessary. Synthetic aperture radar instruments are exemplary for such a task. The PhD research focuses on establishing operational techniques for mapping open surface water using synthetic aperture radar data, investigating straightforward raster classification methods and exploring their feasibility by undertaking map accuracy and sensitivity studies (chapter 3). The results are then used to justify error propagation when developing an auto- mated procedure that creates temporal composites of water body extent. These temporal water body classifications are the main EO product used to identify and image seasonal surface water change in Arctic permafrost environments (chapter 4). Furthermore, a terrain-based hydrolog- ical study is undertaken to explore the context of the detected changes and possible links to relief and stream channel network (chapter 5). The aim of this PhD is to demonstrate a new method of dynamic monitoring using the Euro- pean Space Agency’s Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar, recommending its incorpo- ration in longterm lake change studies. Technical feasibility is explored, the inherent trade-off vii between spatial and temporal resolution discussed. An automated surface water change de- tection algorithm is developed and its applicability to monitoring spring floods is assessed; noting possible modifications to the drainage system given present-day land-use and land- cover changes that are taking place in the study area, the hydrocarbon-rich Yamalo-Nenets Autonomous District in the North of West Siberia (chapter 6). The key significance of this research is to improve the current knowledge of Arctic lake change by including spring flood events and seasonality in the equation. Therefore, it is strongly believed that this research is of benefit to the entire permafrost community.AM Trofaier was a recipient of a DOC-fFORTE Fellowship [Women in Research and Technology] of the Austrian Academy of Sciences

Data Fusion and Synergy of Active and Passive Remote Sensing; An application for Freeze Thaw Detections

There has been a recent evolvement in the field of remote sensing after increase of number satellites and sensors data which could be fused to produce new data and products. These efforts are mainly focused on using of simultaneous observations from different platforms with different spatial and temporal resolutions. The research dissertation aims to enhance the synergy use of active and passive microwave observations and examine the results in detection land freeze and thaw (FT) predictions. Freeze thaw cycles particularly in high-latitude regions have a crucial role in many applications such as agriculture, biogeochemical transitions, hydrology and ecosystem studies. The dielectric change between frozen ice and melted water can dramatically affect the brightness temperature (TB) signal when water transits from the liquid to the solid phase which makes satellite-based microwave remote sensing unique for characterizing the surface freeze thaw status. Passive microwave (PMW) sensors with coarse resolution (about 25 km) but more frequent observations (at least twice a day and more frequent in polar regions) have been successfully utilized to define surface state in terms of freeze and thaw in the past. Alternatively, active microwave (AMW) sensors provide much higher spatial resolution (about 100 m or less) though with less temporal resolution (each 12 days). Therefore, an integration of microwave data coming from different sensors may provide a more complete estimation of land freeze thaw state. In this regard, the overarching goal of this research is to explore estimating high spatiotemporal freeze and thaw states using the combination of passive and active microwave observations. To obtain a high temporal resolution TB, this study primarily builds an improved diurnal variation of land surface temperature from integration of infrared sensors. In the next step, a half an hourly diurnal cycle of TB based on fusion of different passive sensors is estimated. It should be mentioned that each instrument has its own footprint, resolution, viewing angle, as well as frequency and consequently their data need to be harmonized in order to be combined. Later, data from an AMW sensor with fine spatial resolution are merged and compared to the corresponding passive data in order to find a relation between TB and backscatter data. Subsequently, PMW TB map can be downscaled to a higher spatial resolution or AMW backscatter timeseries can be generalized to high temporal resolution. Eventually, the final high spatiotemporal resolution TB product is used to examine the freeze thaw state for case studies areas in Northern latitudes

Passive microwave derived snowmelt timing: significance, spatial and temporal variability, and potential applications

Snow accumulation and melt are dynamic features of the cryosphere indicative of a changing climate. Spring melt and refreeze timing are of particular importance due to the influence on subsequent hydrological and ecological processes, including peak runoff and green-up. To investigate the spatial and temporal variability of melt timing across a sub-arctic region (the Yukon River Basin (YRB), Alaska/Canada) dominated by snow and lacking substantial ground instrumentation, passive microwave remote sensing was utilized to provide daily brightness temperatures (Tb) regardless of clouds and darkness. Algorithms to derive the timing of melt onset and the end of melt-refreeze, a critical transition period where the snowpack melts during the day and refreezes at night, were based on thresholds for Tb and diurnal amplitude variations (day and night difference). Tb data from the Special Sensor Microwave Imager (1988 to 2011) was used for analyzing YRB terrestrial snowmelt timing and for characterizing melt regime patterns for icefields in Alaska and Patagonia. Tb data from the Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (2003 to 2010) was used for determining the occurrence of early melt events (before melt onset) associated with fog or rain on snow, for investigating the correlation between melt timing and forest fires, and for driving a flux-based snowmelt runoff model. From the SSM/I analysis: the melt-refreeze period lengthened for the majority of the YRB with later end of melt-refreeze and earlier melt onset; and positive Tb anomalies were found in recent years from glacier melt dynamics. From the AMSR-E analysis: early melt events throughout the YRB were most often associated with warm air intrusions and reflect a consistent spatial distribution; years and areas of earlier melt onset and refreeze had more forest fire occurrences suggesting melt timing\u27s effects extend to later seasons; and satellite derived melt timing served as an effective input for model simulation of discharge in remote, ungauged snow-dominated basins. The melt detection methodology and results present a new perspective on the changing cryosphere, provide an understanding of melt\u27s influence on other earth system processes, and develop a baseline from which to assess and evaluate future change. The temporal and spatial variability conveyed through the regional context of this research may be useful to communities in climate change adaptation planning

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

Science plan for the Alaska SAR facility program. Phase 1: Data from the first European sensing satellite, ERS-1

Science objectives, opportunities and requirements are discussed for the utilization of data from the Synthetic Aperture Radar (SAR) on the European First Remote Sensing Satellite, to be flown by the European Space Agency in the early 1990s. The principal applications of the imaging data are in studies of geophysical processes taking place within the direct-reception area of the Alaska SAR Facility in Fairbanks, Alaska, essentially the area within 2000 km of the receiver. The primary research that will be supported by these data include studies of the oceanography and sea ice phenomena of Alaskan and adjacent polar waters and the geology, glaciology, hydrology, and ecology of the region. These studies focus on the area within the reception mask of ASF, and numerous connections are made to global processes and thus to the observation and understanding of global change. Processes within the station reception area both affect and are affected by global phenomena, in some cases quite critically. Requirements for data processing and archiving systems, prelaunch research, and image processing for geophysical product generation are discussed