Improved Goldstein Interferogram Filter Based on Local Fringe Frequency Estimation

The quality of an interferogram, which is limited by various phase noise, will greatly affect the further processes of InSAR, such as phase unwrapping. Interferometric SAR (InSAR) geophysical measurements’, such as height or displacement, phase filtering is therefore an essential step. In this work, an improved Goldstein interferogram filter is proposed to suppress the phase noise while preserving the fringe edges. First, the proposed adaptive filter step, performed before frequency estimation, is employed to improve the estimation accuracy. Subsequently, to preserve the fringe characteristics, the estimated fringe frequency in each fixed filtering patch is removed from the original noisy phase. Then, the residual phase is smoothed based on the modified Goldstein filter with its parameter alpha dependent on both the coherence map and the residual phase frequency. Finally, the filtered residual phase and the removed fringe frequency are combined to generate the filtered interferogram, with the loss of signal minimized while reducing the noise level. The effectiveness of the proposed method is verified by experimental results based on both simulated and real data

Radar-Coding and Geocoding Lookup Tables for the Fusion of GIS Data and SAR images in Mountain Areas

International audienceSynthetic aperture radar (SAR) image orthorectification induces an important alteration of information due to the side-looking geometry of SAR acquisition. In high-relief areas, the difficulty is increased by the foldover effect: The images acquired with low incidence angles cannot be registered by a bijective transformation like polynomial transformations, as usually proposed by conventional software. In this letter, a simple and efficient method, fitted to geocoded data and SAR images, is introduced to propose a generic coregistration tool that takes SAR geometry into account without requiring the exact sensor model, specific parameters, and precise navigation data. This method is based on a simulated SAR image and on the computation of lookup tables (LUTs) that represent the coordinate transform from one geometry to the other. Results are presented on a high-relief area in the Alps, where satellite and airborne SAR images are used for glacier evolution monitoring. A comparison to other sensor-independent approaches has been performed, showing that the proposed approach performs better in mountain areas. The resulting LUTs allow merging SAR data with the georeferenced data, either in ground geometry by orthorectifying the SAR information or in radar geometry by the inverse transformation, namely, radar-coding data from a geographic information system, to improve the analysis of SAR images and the result interpretation

An error prediction framework for interferometric SAR data

Three of the major error sources in interferometric synthetic aperture radar measurements of terrain elevation and displacement are baseline errors, atmospheric path length errors, and phase unwrapping errors. In many processing schemes, these errors are calibrated out by using ground control points (GCPs) (or an external digital elevation model). In this paper, a simple framework for the prediction of error standard deviation is outlined and investigated. Inputs are GCP position, a priori GCP accuracy, baseline calibration method along with a closed-form model for the covariance of atmospheric path length disturbances, and a model for phase unwrapping errors. The procedure can be implemented as a stand-alone add-on to standard interferometric processors. It is validated by using a set of single-frame interferograms acquired over Rome, Italy, and a double difference data set over Flevoland, The Netherlands

Atmospheric artifacts correction for InSAR using empirical model and numerical weather prediction models

lnSAR has been proved its unprecedented ability and merits of monitoring ground deformation on large scale with centimeter to millimeter scale accuracy. However, several factors affect the reliability and accuracy of its applications. Among them, atmospheric artifacts due to spatial and temporal variations of atmosphere state often pose noise to interferograms. Therefore, atmospheric artifacts m itigalion remains one of the biggest challenges to be addressed in the In SAR community. State-of-the-art research works have revealed atmospheric artifacts can be partially compensated with empirical models, temporal-spatial filtering approach in lnSAR time series, pointwise GPS zenith path delay and numerical weather prediction models. In this thesis, firstly, we further develop a covariance weighted linear empirical model correction method. Secondly, a realistic LOS direction integration approach based on global reanalysis data is employed and comprehensively compared with the conventional method that integrates along zenith direction. Finally, the realistic integration method is applied to local WRF numerical forecast model data. l'vbreover, detailed comparisons between different global reanalysis data and local WRF model are assessed. In terms of empirical models correcting methods, many publications have studied correcting stratified tropospheric phase delay by assuming a linear model between them and topography. However, most of these studies ha\19 not considered the effect of turbulent atmospheric artefacts when adjusting the linear model to data. In this thesis, an improved technique that minimizes the influence of turbulent atmosphere in the model adjustment has been presented. In the proposed algorithm, the model is adjusted to the phase differences of pixels instead of using the unwrapped phase of each pixel. In addition, the different phase differences are weighted as a function of its APS covariance estimated from an empirical variogram to reduce in the model adjustment the impact of pixel pairs with significant turbulent atmosphere. The performance of the proposed method has been validated with both simulated and real Sentinel-1 SAR data in Tenerife island, Spain. Considering methods using meteorological observations to mitigate APS, an accurate realistic com puling strategy utilizing global atmospheric reanalysis data has been implemented. With the approach, the realistic LOS path along satellite and the monitored points is considered, rather than converting from zenith path delay. Com pared with zenith delay based method, the biggest advantage is that it can avoid errors caused by anisotropic atmospheric behaviour. The accurate integration method is validated with Sentinel-1 data in three test sites: Tenerife island, Spain, Almeria, Spain and Crete island, Greece. Compared to conventional zenith method, the realistic integration method shows great improvement. A variety of global reanalysis data are available from different weather forecasting organizations, such as ERA-Interim, ERAS, MERRA2. In this study, the realistic integration mitigation method is assessed on these different reanalysis data. The results show that these data are feasible to mitigate APS to some extent in most cases. The assessment also demonstrates that the ERAS performs the best statistically, compared to other global reanalysis data. l'vbreover, as local numerical weather forecast models have the ability to predict high spatial resolution atmospheric parameters, by using which, it has the potential to achieve APS mitigation. In this thesis, the realistic integration method is also employed on the local WRF model data in Tenerife and Almeria test s ites. However, it turns out that the WRF model performs worse than the original global reanalysis data.Las técnicas lnSAR han demostrado su capacidad sin precedentes y méritos para el monitoreo de la deformaci6n del suelo a gran escala con una precisión centimétrica o incluso milimétrica. Sin embargo, varios factores afectan la fiabilidad y precisión de sus aplicaciones. Entre ellos, los artefactos atmosféricos debidos a variaciones espaciales y temporales del estado de la atm6sfera a menudo añaden ruido a los interferogramas. Por lo tanto, la mitigación de los artefactos atmosféricos sigue siendo uno de los mayores desafíos a abordar en la comunidad lnSAR. Los trabajos de investigaci6n de vanguardia han revelado que los artefactos atmosféricos se pueden compensar parcialmente con modelos empíricos, enfoque de filtrado temporal-espacial en series temporales lnSAR, retardo puntual del camino cenital con GPS y modelos numéricos de predicción meteorológica. En esta tesis, en primer lugar, desarrollamos un método de corrección de modelo empírico lineal ponderado por covarianza. En segundo lugar, se emplea un enfoque realista de integracion de dirección LOS basado en datos de reanálisis global y se compara exhaustivamente con el método convencional que se integra a lo largo de la dirección cenital. Finalmente, el método de integraci6n realista se aplica a los datos del modelo de pronóstico numérico WRF local. Ademas, se evalúan las comparaciones detalladas entre diferentes datos de reanálisis global y el modelo WRF local. En términos de métodos de corrección con modelos empíricos, muchas publicaciones han estudiado la corrección del retraso estratificado de la fase troposférica asumiendo un modelo lineal entre ellos y la topografía. Sin embargo, la mayoría de estos estudios no han considerado el efecto de los artefactos atmosféricos turbulentos al ajustar el modelo lineal a los datos. En esta tesis, se ha presentado una técnica mejorada que minimiza la influencia de la atm6sfera turbulenta en el ajuste del modelo. En el algoritmo propuesto, el modelo se ajusta a las diferencias de fase de los pixeles en lugar de utilizar la fase sin desenrollar de cada pixel. Además, las diferentes diferencias de fase se ponderan en función de su covarianza APS estimada a partir de un variograma empírico para reducir en el ajuste del modelo el impacto de los pares de pixeles con una atm6sfera turbulenta significativa. El rendimiento del método propuesto ha sido validado con datos SAR Sentinel-1 simulados y reales en la isla de Tenerife, España. Teniendo en cuenta los métodos que utilizan observaciones meteorológicas para mitigar APS, se ha implementado una estrategia de computación realista y precisa que utiliza datos de reanálisis atmosférico global. Con el enfoque, se considera el camino realista de LOS a lo largo del satélite y los puntos monitoreados, en lugar de convertirlos desde el retardo de la ruta cenital. En comparación con el método basado en la demora cenital, la mayor ventaja es que puede evitar errores causados por el comportamiento atmosférico anisotrópico. El método de integración preciso se valida con los datos de Sentinel-1 en tres sitios de prueba: la isla de Tenerife, España, Almería, España y la isla de Creta, Grecia. En comparación con el método cenital convencional, el método de integración realista muestra una gran mejora.Postprint (published version

Atmospheric artifacts correction for InSAR using empirical model and numerical weather prediction models

lnSAR has been proved its unprecedented ability and merits of monitoring ground deformation on large scale with centimeter to millimeter scale accuracy. However, several factors affect the reliability and accuracy of its applications. Among them, atmospheric artifacts due to spatial and temporal variations of atmosphere state often pose noise to interferograms. Therefore, atmospheric artifacts m itigalion remains one of the biggest challenges to be addressed in the In SAR community. State-of-the-art research works have revealed atmospheric artifacts can be partially compensated with empirical models, temporal-spatial filtering approach in lnSAR time series, pointwise GPS zenith path delay and numerical weather prediction models. In this thesis, firstly, we further develop a covariance weighted linear empirical model correction method. Secondly, a realistic LOS direction integration approach based on global reanalysis data is employed and comprehensively compared with the conventional method that integrates along zenith direction. Finally, the realistic integration method is applied to local WRF numerical forecast model data. l'vbreover, detailed comparisons between different global reanalysis data and local WRF model are assessed. In terms of empirical models correcting methods, many publications have studied correcting stratified tropospheric phase delay by assuming a linear model between them and topography. However, most of these studies ha\19 not considered the effect of turbulent atmospheric artefacts when adjusting the linear model to data. In this thesis, an improved technique that minimizes the influence of turbulent atmosphere in the model adjustment has been presented. In the proposed algorithm, the model is adjusted to the phase differences of pixels instead of using the unwrapped phase of each pixel. In addition, the different phase differences are weighted as a function of its APS covariance estimated from an empirical variogram to reduce in the model adjustment the impact of pixel pairs with significant turbulent atmosphere. The performance of the proposed method has been validated with both simulated and real Sentinel-1 SAR data in Tenerife island, Spain. Considering methods using meteorological observations to mitigate APS, an accurate realistic com puling strategy utilizing global atmospheric reanalysis data has been implemented. With the approach, the realistic LOS path along satellite and the monitored points is considered, rather than converting from zenith path delay. Com pared with zenith delay based method, the biggest advantage is that it can avoid errors caused by anisotropic atmospheric behaviour. The accurate integration method is validated with Sentinel-1 data in three test sites: Tenerife island, Spain, Almeria, Spain and Crete island, Greece. Compared to conventional zenith method, the realistic integration method shows great improvement. A variety of global reanalysis data are available from different weather forecasting organizations, such as ERA-Interim, ERAS, MERRA2. In this study, the realistic integration mitigation method is assessed on these different reanalysis data. The results show that these data are feasible to mitigate APS to some extent in most cases. The assessment also demonstrates that the ERAS performs the best statistically, compared to other global reanalysis data. l'vbreover, as local numerical weather forecast models have the ability to predict high spatial resolution atmospheric parameters, by using which, it has the potential to achieve APS mitigation. In this thesis, the realistic integration method is also employed on the local WRF model data in Tenerife and Almeria test s ites. However, it turns out that the WRF model performs worse than the original global reanalysis data.Las técnicas lnSAR han demostrado su capacidad sin precedentes y méritos para el monitoreo de la deformaci6n del suelo a gran escala con una precisión centimétrica o incluso milimétrica. Sin embargo, varios factores afectan la fiabilidad y precisión de sus aplicaciones. Entre ellos, los artefactos atmosféricos debidos a variaciones espaciales y temporales del estado de la atm6sfera a menudo añaden ruido a los interferogramas. Por lo tanto, la mitigación de los artefactos atmosféricos sigue siendo uno de los mayores desafíos a abordar en la comunidad lnSAR. Los trabajos de investigaci6n de vanguardia han revelado que los artefactos atmosféricos se pueden compensar parcialmente con modelos empíricos, enfoque de filtrado temporal-espacial en series temporales lnSAR, retardo puntual del camino cenital con GPS y modelos numéricos de predicción meteorológica. En esta tesis, en primer lugar, desarrollamos un método de corrección de modelo empírico lineal ponderado por covarianza. En segundo lugar, se emplea un enfoque realista de integracion de dirección LOS basado en datos de reanálisis global y se compara exhaustivamente con el método convencional que se integra a lo largo de la dirección cenital. Finalmente, el método de integraci6n realista se aplica a los datos del modelo de pronóstico numérico WRF local. Ademas, se evalúan las comparaciones detalladas entre diferentes datos de reanálisis global y el modelo WRF local. En términos de métodos de corrección con modelos empíricos, muchas publicaciones han estudiado la corrección del retraso estratificado de la fase troposférica asumiendo un modelo lineal entre ellos y la topografía. Sin embargo, la mayoría de estos estudios no han considerado el efecto de los artefactos atmosféricos turbulentos al ajustar el modelo lineal a los datos. En esta tesis, se ha presentado una técnica mejorada que minimiza la influencia de la atm6sfera turbulenta en el ajuste del modelo. En el algoritmo propuesto, el modelo se ajusta a las diferencias de fase de los pixeles en lugar de utilizar la fase sin desenrollar de cada pixel. Además, las diferentes diferencias de fase se ponderan en función de su covarianza APS estimada a partir de un variograma empírico para reducir en el ajuste del modelo el impacto de los pares de pixeles con una atm6sfera turbulenta significativa. El rendimiento del método propuesto ha sido validado con datos SAR Sentinel-1 simulados y reales en la isla de Tenerife, España. Teniendo en cuenta los métodos que utilizan observaciones meteorológicas para mitigar APS, se ha implementado una estrategia de computación realista y precisa que utiliza datos de reanálisis atmosférico global. Con el enfoque, se considera el camino realista de LOS a lo largo del satélite y los puntos monitoreados, en lugar de convertirlos desde el retardo de la ruta cenital. En comparación con el método basado en la demora cenital, la mayor ventaja es que puede evitar errores causados por el comportamiento atmosférico anisotrópico. El método de integración preciso se valida con los datos de Sentinel-1 en tres sitios de prueba: la isla de Tenerife, España, Almería, España y la isla de Creta, Grecia. En comparación con el método cenital convencional, el método de integración realista muestra una gran mejora

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