The influence of soil properties in estimating soil moisture from satellite C-band synthetic aperture radar

Regularly updated soil moisture maps are needed that combine wide scale for regional and national studies, whilstcapturing the field-scale variability that is needed by many applications in agriculture, hydrology and meteorology.C-band SAR satellites, such as Sentinel-1, offer the high spatial and temporal resolution required, but the estimationof soil moisture from SAR requires correction for many contributing factors including vegetation, soil roughness,soil texture and temperature. This paper reviews and predicts the significance of soil texture and organic mattercontent to the errors that may be present in any estimation that is made using default assumptions. We showthat each factor may contribute to a 10% error if an incorrect assumption is made. Soil moisture retrieval overagricultural fields in northern latitudes requires any algorithm to account for rapid and large changes in SARbackscatter due to crop growth and harvesting, tillage operations and freezing of the soil surface. This has particularsignificance for the extending the use of change detection approaches into arable farming areas. We discuss theprospect for developing a model to guide the setting of soil roughness parameters based on land use, soil textureand tillage, and for automatic correction for frozen soil. Successful implementation will improve the accuracy andvalidity of estimating soil moisture from C-band SAR satellite data, at the field scale

Détection des cycles de gel/dégel de la couche active du sol en toundra arctique à partir d’imageries radar à synthèse d’ouverture (RSO) multicapteur en bande C

L’augmentation de la température de l’air moyenne annuelle, chiffrée à +2,3 °C pour les régions de l’arctique Canadien entre 1948 et 2016, a des impacts considérables sur le couvert nival arctique et sur la végétation en place. Ces deux paramètres influencent le régime thermique du sol et donc, les cycles de gel/dégel de sa couche active dans l’écosystème arctique. L’importance du suivi de ces cycles réside dans leur influence sur plusieurs paramètres de la cryosphère tels que le cycle hydrologique et du carbone, la saison de croissance de la végétation, l’état du pergélisol sous-jacent ainsi que l’épaisseur de sa couche active. L’utilisation de données ponctuelles ou provenant de capteurs micro-onde passive à basse résolution présente un enjeu pour le suivi spatial et temporel de ces cycles. Le projet vise à développer un algorithme de détection des cycles de gel/dégel du sol en toundra arctique à partir d’imageries RSO multicapteur (i.e., Sentinel-1 et RADARSAT-2) ayant une couverture temporelle quasi journalière en bande C, afin d’évaluer l’impact de la variabilité spatiale et temporelle des paramètres influençant le régime thermique du sol tel que, les écosystèmes terrestres (i.e., écotype) et la présence de neige. L’étude se concentre sur une zone à l’intérieur du bassin versant du lac Greiner à proximité de la ville de Cambridge Bay au Nunavut. La normalisation de l’angle d’incidence a permis de diminuer le bruit dans les séries temporelles ainsi que de rendre possible l’utilisation d'images acquises à l'intérieur de plusieurs orbites d’observation. Cela a aussi permis d’uniformiser les données des deux capteurs pour les combiner en une seule série temporelle. Deux algorithmes de détections ont été utilisés, soit un algorithme de seuil saisonnier (STA) ainsi qu’un algorithme de détection de changement (CPD). La validation s’est faite à partir des données spatialement distribuées de température du sol et de l’air indépendamment sous forme de précision (%) et de délai (#jours) de détection. Les deux algorithmes ont permis d’obtenir une précision de détection de plus de 97% sur les sites de référence. Une spatialisation, pixel par pixel, de la méthode STA a permis la création de cartes de jour de gel/dégel pour le site d’étude. La combinaison des cartes de jour de transition avec la carte d’écotype a permis de modéliser l’impact des caractéristiques des écotypes sur le jour de transition. Les résultats obtenus dans ce projet démontrent clairement le potentiel de l’utilisation des données RSO en bande C pour la détection des cycles de gel/dégel, ce qui constitue un résultat important en raison de la quantité grandissante de données à cette fréquence (e.g., RCM, Sentinel-1A-C-D). La méthode présentée dans ce projet pourrait permettre de créer des cartes de transition pour tout le bassin versant du lac Greiner à partir de données RSO en bande C.Abstract : The observed average annual surface temperature increase of 2.3°C in the Canadian Arctic regions between 1948 and 2016 has significant effects on the Arctic snow cover and on the vegetation in place. Those two parameters influence the thermal regime of the ground and therefore the freeze and thaw (F/T) cycles of the soil active layer in the Arctic tundra ecosystem. The importance of monitoring these cycles lies in their influence on several parameters of the cryosphere such as the hydrological and carbon cycle, the vegetation growing season, the state of the underlying permafrost and the thickness of its active layer. The use of punctual data or low-resolution passive microwave sensors presents a challenge for the spatial and temporal monitoring of these cycles. The project aims to develop an algorithm for soil freeze/thaw cycles detection in arctic tundra from multisensor C-band imagery (i.e., Sentinel-1 and RADARSAT-2) to assess the impact of the spatial and temporal variability of the parameters influencing the thermal regime of the ground, such as the terrestrial ecosystems (i.e., ecotype) and the snow cover. The study focused on a region of the Greiner lake watershed on Victoria Island in Nunavut. An incidence angle normalization was applied to the backscatter time series to remove influence of the acquisition angle on backscatter and to allow for the use of images acquired within several orbits of observation. This also standardized the data from the two sensors to combine them into a single time series. Two detection algorithms were used on the normalized backscatter coefficient data, namely a seasonal threshold algorithm (STA) and a change point detection algorithm (CPD). A spatially distributed network of soil and air temperature were used for validation in the form of accuracy (%) and delay (#days) of detection. Both algorithms achieved a detection accuracy of more than 97% for the entire analysis period on the reference sites. A pixel-by-pixel spatialization of the STA method allowed to create F/T transition maps for the extended study site. The combination of the transition maps with the ecotype data made it possible to model the impact of ecotype characteristics on the day of transition. The results obtained in this project clearly demonstrate the potential of using C-band for the detection of F/T cycles, which is an important aspect due to the increasing number of data at this frequency (e.g., RCM, Sentinel -1A-C-D). The method presented in this project could then make it possible to create transition maps for the entire Greiner Lake watershed from C-band SAR data and thus improve the integration of this parameter in climate models

Towards long-term records of rain-on-snow events across the Arctic from satellite data

Rain-on-snow (ROS) events occur across many regions of the terrestrial Arctic in mid-winter. Snowpack properties are changing, and in extreme cases ice layers form which affect wildlife, vegetation and soils beyond the duration of the event. Specifically, satellite microwave observations have been shown to provide insight into known events. Only Ku-band radar (scatterometer) has been applied so far across the entire Arctic. Data availability at this frequency is limited, however. The utility of other frequencies from passive and active systems needs to be explored to develop a concept for long-term monitoring. The latter are of specific interest as they can be potentially provided at higher spatial resolution. Radar records have been shown to capture the associated snow structure change based on time-series analyses. This approach is also applicable when data gaps exist and has capabilities to evaluate the impact severity of events. Active as well as passive microwave sensors can also detect wet snow at the timing of an ROS event if an acquisition is available. The wet snow retrieval methodology is, however, rather mature compared to the identification of snow structure change since ambiguous scattering behaviour needs consideration. C-band radar is of special interest due to good data availability including a range of nominal spatial resolutions (10 m–12.5 km). Scatterometer and SAR (synthetic aperture radar) data have therefore been investigated. The temperature dependence of C-band backscatter at VV (V – vertical) polarization observable down to −40 ◦C is identified as a major issue for ROS retrieval but can be addressed by a combination with a passive microwave wet snow indicator (demonstrated for Metop ASCAT – Advanced Scatterometer – and SMOS – Soil Moisture and Ocean Salinity). Results were compared to in situ observations (snowpit records, caribou migration data) and Ku-band products. Ice crusts were found in the snowpack after detected events (overall accuracy 82 %). The more crusts (events) there are, the higher the winter season backscatter increase at C-band will be. ROS events captured on the Yamal and Seward peninsulas have had severe impacts on reindeer and caribou, respectively, due to ice crust formation. SAR specifically from Sentinel-1 is promising regarding ice layer identification at better spatial details for all available polarizations. The fusion of multiple types of microwave satellite observations is suggested for the creation of a climate data record, but the consideration of performance differences due to spatial and temporal cover, as well as microwave frequency, is crucial. Retrieval is most robust in the tundra biome, where results are comparable between sensors. Records can be used to identify extremes and to apply the results for impact studies at regional scale

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

Remote Sensing of Environmental Changes in Cold Regions

This Special Issue gathers papers reporting recent advances in the remote sensing of cold regions. It includes contributions presenting improvements in modeling microwave emissions from snow, assessment of satellite-based sea ice concentration products, satellite monitoring of ice jam and glacier lake outburst floods, satellite mapping of snow depth and soil freeze/thaw states, near-nadir interferometric imaging of surface water bodies, and remote sensing-based assessment of high arctic lake environment and vegetation recovery from wildfire disturbances in Alaska. A comprehensive review is presented to summarize the achievements, challenges, and opportunities of cold land remote sensing

Microwave Indices from Active and Passive Sensors for Remote Sensing Applications

Past research has comprehensively assessed the capabilities of satellite sensors operating at microwave frequencies, both active (SAR, scatterometers) and passive (radiometers), for the remote sensing of Earth’s surface. Besides brightness temperature and backscattering coefficient, microwave indices, defined as a combination of data collected at different frequencies and polarizations, revealed a good sensitivity to hydrological cycle parameters such as surface soil moisture, vegetation water content, and snow depth and its water equivalent. The differences between microwave backscattering and emission at more frequencies and polarizations have been well established in relation to these parameters, enabling operational retrieval algorithms based on microwave indices to be developed. This Special Issue aims at providing an overview of microwave signal capabilities in estimating the main land parameters of the hydrological cycle, e.g., soil moisture, vegetation water content, and snow water equivalent, on both local and global scales, with a particular focus on the applications of microwave indices

Menetelmä Suomen vesistöjen jääfenologian määrittämiseen perustuen Sentinel-1 IW -moodin satelliittidatan yhdistämiseen tuulennopeusmittauksiin

The subject of this thesis was to find a method for determining ice phenology, or ice freeze-up and break-up dates, in Finnish waterbodies using Sentinel-1 C-band synthetic aperture radar images. The method should minimize manual steps to make it suitable for automatic processing. Though possibilities for detecting these changes are presented by optical earth observation satellites, optical images are often limited by cloud cover and darkness over autumn-winter months in the northern hemisphere. A great advantage of synthetic aperture radars as active sensors is their capability to penetrate through cloud cover and their independence of sunlight to operate. For specific advantages of the Sentinel-1 constellation, data is gathered with a very high acquisition rate near polar regions and all data is openly accessible since 2014. As this thesis is written, few studies have been conducted on observing inland waterbodies’ ice using Sentinel-1 IW mode radar images. To gather data from local wind conditions, lake water / ice / snow surface and temperatures in preparation for the thesis to determine and develop the final method, an automatic sensor station was built to a lake shoreline in southern Finland. The method developed and presented in this thesis is based on the similarity of Sentinel-1 IW mode radar images produced by water surface waves in similar wind conditions. By classifying radar images using similar wind conditions determined by weather station measurements, then estimating a numerical value for the difference between the radar images, waterbodies with open water will feature higher similarity with each other than frozen waterbodies with open water. The difference in similarity is used to determine the dates when changes in ice phenology, freeze-ups and ice break-ups, occur. Calculated by the method, lake freeze-up and break-up periods were determined to be accurate to within few satellite flyovers for select four lakes of different sizes in southern Finland which included the lake with the sensor station. For river portions few hundred meters wide and long, the method was found to distinguish changes in ice phenology for inland river portions better than portions near the sea discharge location. As the method could be used for estimating ice phenology for a variety of waterbodies in Finland not being routinely observed, it will offer possibilities in expansion of freeze-up and break-up models for such waterbodies. There are also potential applications for other watershed models, as seasonal ice can affect certain types of data used to calibrate these models.Tämän diplomityön aiheena on löytää ja kehittää menetelmä Suomen sisävesistöjen jäätymis- ja sulamisajankohtien määrittämiseen hyödyntämällä Sentinel-1 C-taajuuden tutkasatelliittien keräämää dataa. Optisia satelliittikuvia voidaan käyttää jääfenologian määrittämisessä, mutta ovat pohjoisessa rajoittuneita etenkin loppuvuoden jäätymisajankohtien määrittämisessä johtuen pilvisyydestä sekä pimeydestä. Synteettisen apertuurin tutka (engl. SAR) on aktiivinen sensori mikä kykenee toimimaan ilman auringonvaloa sekä pilvipeitteiden läpi. Jääfenologian määrittämisen osalta Sentinel-1 tutkasatelliitit hyötyvät lisäksi korkeasta ylilentotaajuudesta pohjoisilla alueilla sekä vuodesta 2014 asti kerätystä avoimesti saatavilla olevasta tutkakuva-arkistosta. Työn kirjoitushetkellä tutkimuksia Sentinel-1:n IW -moodin tutkahavaintojen hyödyntämisestä sisävesistöjen jääfenologian tulkinnassa ei ole juurikaan laadittu. Tästä syystä työn yhteydessä on rakennettu mittausasema Etelä-Suomessa sijaitsevan järven rantaan, jonka kautta erilaisten menetelmien kehittämiseen vaadittavaa tietoa on kerätty sekä vaihtoehtoja karsittu johtaen nykyiseen versioon menetelmästä. Tässä diplomityössä esitetty menetelmä hyödyntää vesistöjen aaltojen samankaltaisuutta kun tuuliolosuhteet ovat vesistön osalta liki identtiset. Kun tutkakuvassa sulaa vesistöä samoissa tuuliolosuhteissa verrataan sulaan vesistöön, ne eroavat vain vähän toisistaan ja vastaavasti jäätynyt vesistö eroaa tyypillisesti sulasta vesistöstä. Tuuliolosuhteiden samankaltaisuus määritetään hyödyntämällä Ilmatieteen laitoksen sääasemien tuulihavaintoja. Menetelmällä määritettiin jäätymis- ja sulamisajankohdat neljälle järvelle Etelä-Suomessa mukaanlukien sensoriaseman mittaama järvi. Vertaamalla ajankohtia saatavilla oleviin manuaalisiin havaintoihin, menetelmä määritti ajankohdat oikein muutaman satelliittin ylilennon tarkkuudella. Menetelmän soveltuvuus muutaman sadan metrin pituisille ja leveille jokiosuuksille todettiin olevan parempi sisämaassa kuin sijainnissa jossa joki laskee mereen. Menetelmän todettiin tarjoavan mahdollisuuksia sellaisten sisävesistöjen jääfenologian seurantaan joissa jäätymis- ja sulamisajankohtaa ei mitata, tarjoten dataa kyseisten vesistöjen jääolojen mallintamiseen. On myös mahdollista että vesistömalleissa voidaan hyödyntää tietoa jääfenologiasta, koska kausiluontoinen jää vaikuttaa muunmuassa näiden mallien kalibroinnissa käytettyihin mittauksiin