65 research outputs found

    Monitoring permafrost environments with Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors

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    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 LandflĂ€che in der nördlichen HemisphĂ€re. Es ist ein wichtiges Element der KryosphĂ€re und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der LandoberflĂ€che und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die OberflĂ€chenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frĂŒhen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche ErwĂ€rmung nördlich von 60° N betrĂ€gt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell fĂŒr das VerstĂ€ndnis der physischen Prozesse im PermafrostgelĂ€nde. Es gibt jedoch mehrere EinschrĂ€nkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur ReprĂ€sentativitĂ€t begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergĂ€nzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren rĂ€umlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-DatensĂ€tzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewĂ€hlt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stĂ€rksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) DatensĂ€tze haben Vorteile fĂŒr das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der UnabhĂ€ngigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-DatensĂ€tzen fĂŒr Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die VariabilitĂ€t der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der VerĂ€nderung 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 eingefĂŒhrt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde fĂŒr Kartierung der LandoberflĂ€chendeformation ĂŒber große FlĂ€chen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die FĂ€higkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen ĂŒber Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und WertschĂ€tzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsĂ€chlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren fĂŒr D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche PermafrostgelĂ€nde wurde nur weniger berĂŒcksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen fĂŒr 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 PrĂ€senz des Permafrosts hin, wobei deren VerĂ€nderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X RĂŒckstreuungsintensitĂ€t und interferometrische KohĂ€renzinformationen 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-DatensĂ€tzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten ĂŒbertragen werden. Eine vorherrschende VerĂ€nderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch VerĂ€nderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke ĂŒber den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollstĂ€ndig gefroren sein, was zum geerdeten Eis fĂŒhrt, wĂ€hrend die Eisdecke ĂŒber den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flĂŒssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis fĂŒhrt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flĂŒssige Wasser zusĂ€tzliche WĂ€rme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren VerstĂ€rkung des Permafrostauftauen beitrĂ€gt. Basiert auf den Charakter, dass das flĂŒssige Wasser eine bemerkenswert hohe DielektrizitĂ€tskonstante besitzt, wĂ€hrend reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR DatensĂ€tzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. ZunĂ€chst wurden Schemen in der rĂ€umlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die ZusammenhĂ€nge 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 abzuschĂ€tzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflĂ€chen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erlĂ€utern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die rĂ€umliche 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

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    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 LandflĂ€che in der nördlichen HemisphĂ€re. Es ist ein wichtiges Element der KryosphĂ€re und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der LandoberflĂ€che und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die OberflĂ€chenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frĂŒhen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche ErwĂ€rmung nördlich von 60° N betrĂ€gt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell fĂŒr das VerstĂ€ndnis der physischen Prozesse im PermafrostgelĂ€nde. Es gibt jedoch mehrere EinschrĂ€nkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur ReprĂ€sentativitĂ€t begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergĂ€nzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren rĂ€umlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-DatensĂ€tzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewĂ€hlt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stĂ€rksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) DatensĂ€tze haben Vorteile fĂŒr das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der UnabhĂ€ngigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-DatensĂ€tzen fĂŒr Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die VariabilitĂ€t der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der VerĂ€nderung 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 eingefĂŒhrt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde fĂŒr Kartierung der LandoberflĂ€chendeformation ĂŒber große FlĂ€chen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die FĂ€higkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen ĂŒber Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und WertschĂ€tzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsĂ€chlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren fĂŒr D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche PermafrostgelĂ€nde wurde nur weniger berĂŒcksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen fĂŒr 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 PrĂ€senz des Permafrosts hin, wobei deren VerĂ€nderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X RĂŒckstreuungsintensitĂ€t und interferometrische KohĂ€renzinformationen 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-DatensĂ€tzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten ĂŒbertragen werden. Eine vorherrschende VerĂ€nderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch VerĂ€nderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke ĂŒber den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollstĂ€ndig gefroren sein, was zum geerdeten Eis fĂŒhrt, wĂ€hrend die Eisdecke ĂŒber den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flĂŒssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis fĂŒhrt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flĂŒssige Wasser zusĂ€tzliche WĂ€rme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren VerstĂ€rkung des Permafrostauftauen beitrĂ€gt. Basiert auf den Charakter, dass das flĂŒssige Wasser eine bemerkenswert hohe DielektrizitĂ€tskonstante besitzt, wĂ€hrend reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR DatensĂ€tzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. ZunĂ€chst wurden Schemen in der rĂ€umlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die ZusammenhĂ€nge 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 abzuschĂ€tzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflĂ€chen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erlĂ€utern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die rĂ€umliche 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

    ALOS-2/PALSAR-2 Calibration, Validation, Science and Applications

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    Twelve edited original papers on the latest and state-of-art results of topics ranging from calibration, validation, and science to a wide range of applications using ALOS-2/PALSAR-2. We hope you will find them useful for your future research

    Regional water balance analysis of glacierised river basins in the north-eastern Himalaya applying the J2000 hydrological model

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    The glacierised basins of the Northeast Himalayan region are highly vulnerable to climate-change impacts. The spatio-temporal hydroclimatic and physiographic variability impact the water balance of these glacierised basins across the region. This study assesses the glaciohydrological processes and dynamics in the data scarce region for the present as well future climate change scenarios by regional water balance analysis. The J2000 hydrological model was adapted to incorporate the frozen ground as well as glacier dynamics in a stepwise, nested basin calibration approach. The modelled ERA-Interim precipitation data cannot capture the high amplitude orographic and convective events. Therefore, Orographic correction factors were used to inversely correct the ERA-Interim precipitation data to account for the orographic as well as cyclonic precipitation in the region from reported glacier mass balance and evapotranspiration estimates. Monthly temperature lapse rate was adopted for correcting the ERA-Interim temperature dataset. The Beki basin was selected as the donor basin for model development and evaluation. The parameters from the Beki basin were regionalised to the receptor Lohit and the Noadihing basins by the Proxy-basin method. Multi-objective optimization criteria such as the Kling-Gupta efficiency (KGE) for temporal dynamics and flow distribution and Bias for overall water balance showed high to moderate conformity between measured and simulated discharge at the corresponding basin outlets. The variability in the water balance and runoff components among the three basins was primarily related to the spatio-temporal variation in the mean annual precipitation, runoff and evapotranspiration estimates. The impact of climate-change scenarios on the study basins indicated that water availability would sustain until the end of the century due to higher projected precipitation even though after the depletion of glaciers in the region

    Spatial variability of aircraft-measured surface energy fluxes in permafrost landscapes

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    Arctic ecosystems are undergoing a very rapid change due to global warming and their response to climate change has important implications for the global energy budget. Therefore, it is crucial to understand how energy fluxes in the Arctic will respond to any changes in climate related parameters. However, attribution of these responses is challenging because measured fluxes are the sum of multiple processes that respond differently to environmental factors. Here, we present the potential of environmental response functions for quantitatively linking energy flux observations over high latitude permafrost wetlands to environmental drivers in the flux footprints. We used the research aircraft POLAR 5 equipped with a turbulence probe and fast temperature and humidity sensors to measure turbulent energy fluxes along flight tracks across the Alaskan North Slope with the aim to extrapolate the airborne eddy covariance flux measurements from their specific footprint to the entire North Slope. After thorough data pre-processing, wavelet transforms are used to improve spatial discretization of flux observations in order to relate them to biophysically relevant surface properties in the flux footprint. Boosted regression trees are then employed to extract and quantify the functional relationships between the energy fluxes and environmental drivers. Finally, the resulting environmental response functions are used to extrapolate the sensible heat and water vapor exchange over spatio-temporally explicit grids of the Alaskan North Slope. Additionally, simulations from the Weather Research and Forecasting (WRF) model were used to explore the dynamics of the atmospheric boundary layer and to examine results of our extrapolation

    Mobile robot transportation in laboratory automation

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    In this dissertation a new mobile robot transportation system is developed for the modern laboratory automation to connect the distributed automated systems and workbenches. In the system, a series of scientific and technical robot indoor issues are presented and solved, including the multiple robot control strategy, the indoor transportation path planning, the hybrid robot indoor localization, the recharging optimization, the robot-automated door interface, the robot blind arm grasping & placing, etc. The experiments show the proposed system and methods are effective and efficient

    Railway Ecology

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    carbon footprint; environmental impacts of railways; transportation; wildlife; landscape; planning; engineering; efficiency; sustainability; biodiversity; animal casualties on rail

    The potential of multi-sensor satellite data for applications in environmental monitoring with special emphasis on land cover mapping, desertification monitoring and fire detection

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    Unprecedented pressure on the physical, chemical and biological systems of the Earth results in environment problems locally and globally, therefore the detection and understanding of environmental change based on long-term environmental data is very urgent. In developing countries/regions, because the natural resources are depleted for development while environmental awareness is poor, environment is changing faster. The insufficient environmental investment and sometimes infeasible ground access make the environment information acquisition and update inflexible through standard methods. With the main advantages of global observation, repetitive coverage, multispectral sensing and low-cost implementation, satellite remote sensing technology is a promising tool for monitoring environment, especially in the less developed countries. Multi-sensor satellite images may provide increased interpretation capabilities and more reliable results since data with different characteristics are combined and can achieve improved accuracies, better temporal coverage, and better inference about the environment than could be achieved by the use of a single sensor alone. The objective of this thesis is to demonstrate the capability and technique of the multi-sensor satellite data to monitor the environment in developing countries. Land cover assessment of Salonga national park in the democratic republic of Congo of Africa, desertification monitoring in North China and tropical/boreal wildland fire detection in Indonesia/Siberia were selected as three cases in this study for demonstrating the potential of multi-sensor application to environment monitoring. Chapter 2 demonstrates the combination of Landsat satellite images, Global Position System (GPS) signals, aerial videos and digital photos for assessing the land cover of Salonga national park in Congo. The purpose was to rapidly assess the current status of Salonga national park, especially its vegetation, and investigated the possible human impacts by shifting cultivation, logging and mining. Results show that the forests in the Salonga national park are in very good condition. Most of the area is covered by undisturbed, pristine evergreen lowland and swamp forests. No logging or mining activity could be detected. Chapter 3 demonstrates the one full year time series SPOT VEGETATION with coarse resolution of 1 km and the ASTER images with higher resolution of 15 meters as well as Landsat images for land cover mapping optimised for desertification monitoring in North-China. One point six million km2 were identified as risk areas of desertification. Results show within a satellite based multi-scale monitoring system SPOT VEGETATION imagery can be very useful to detect large scale dynamic environmental changes and desertification processes which then can be analysed in more detail by high resolution imagery and field surveys. Chapter 4 demonstrates the detection of tropical forest fire and boreal forest fire. Firstly, the ENVISAT ASAR backscatter dynamics and ENVISAT full resolution MERIS characteristics of fire scars were investigated in Siberian boreal forest, and results show these two sensors are very useful for fire monitoring and impact assessment. Secondly, the general capability and potential of ENVISAT multi-sensor of MERIS, AATSR, ASAR as well as NOAA-AVHRR and MODIS for tropical forest fire event monitoring and impact assessment in tropical Indonesia were investigated, and results show the capability of ENVISAT to acquire data from different sensors simultaneously or within a short period of time greatly enhances the possibilities to monitor fire occurrence and assess fire impact. Finally, the multi-sensor technology was applied to the disastrous boreal forest fire event of 2003 around East and West Lake Baikal in Siberia, and results show that 202,000 km2 burnt in 2003 within the study area of 1,300,000 km2, which is more than the total burnt area between 1996-2002. 71.4% of the burnt areas were forests, and 11.6% were wetlands or bogs. In total 32.2% of the forest cover has been burnt at least once from 1996 to 2003, 14% of the area has been affected at least twice by fire. These demonstrations show that in spite of the two disadvantages of indirect satellite measurements and the difficulty of detecting the cause of environment change, multi-sensor satellite technology is very useful in environment monitoring. However more studies on multi-sensor data fusion methods are needed for integrating the different satellite data from various sources. The lack of personnel skilled in remote sensing is a severe deficiency in developing countries, so the technology transfer from the developed countries is needed
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