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

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

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

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

Study of the speckle noise effects over the eigen decomposition of polarimetric SAR data: a review

This paper is focused on considering the effects of speckle noise on the eigen decomposition of the co- herency matrix. Based on a perturbation analysis of the matrix, it is possible to obtain an analytical expression for the mean value of the eigenvalues and the eigenvectors, as well as for the Entropy, the Anisotroopy and the dif- ferent a angles. The analytical expressions are compared against simulated polarimetric SAR data, demonstrating the correctness of the different expressions.Peer ReviewedPostprint (published version

Monitoring wetlands and water bodies in semi-arid Sub-Saharan regions

Surface water in wetlands is a critical resource in semi-arid West-African regions that are frequently exposed to droughts. Wetlands are of utmost importance for the population as well as the environment, and are subject to rapidly changing seasonal fluctuations. Dynamics of wetlands in the study area are still poorly understood, and the potential of remote sensing-derived information as a large-scale, multi-temporal, comparable and independent measurement source is not exploited. This work shows successful wetland monitoring with remote sensing in savannah and Sahel regions in Burkina Faso, focusing on the main study site Lac Bam (Lake Bam). Long-term optical time series from MODIS with medium spatial resolution (MR), and short-term synthetic aperture radar (SAR) time series from TerraSAR-X and RADARSAT-2 with high spatial resolution (HR) successfully demonstrate the classification and dynamic monitoring of relevant wetland features, e.g. open water, flooded vegetation and irrigated cultivation. Methodological highlights are time series analysis, e.g. spatio-temporal dynamics or multitemporal-classification, as well as polarimetric SAR (polSAR) processing, i.e. the Kennaugh elements, enabling physical interpretation of SAR scattering mechanisms for dual-polarized data. A multi-sensor and multi-frequency SAR data combination provides added value, and reveals that dual-co-pol SAR data is most recommended for monitoring wetlands of this type. The interpretation of environmental or man-made processes such as water areas spreading out further but retreating or evaporating faster, co-occurrence of droughts with surface water and vegetation anomalies, expansion of irrigated agriculture or new dam building, can be detected with MR optical and HR SAR time series. To capture long-term impacts of water extraction, sedimentation and climate change on wetlands, remote sensing solutions are available, and would have great potential to contribute to water management in Africa

Radar satellite imagery for humanitarian response. Bridging the gap between technology and application

This work deals with radar satellite imagery and its potential to assist of humanitarian operations. As the number of displaced people annually increases, both hosting countries and relief organizations face new challenges which are often related to unclear situations and lack of information on the number and location of people in need, as well as their environments. It was demonstrated in numerous studies that methods of earth observation can deliver this important information for the management of crises, the organization of refugee camps, and the mapping of environmental resources and natural hazards. However, most of these studies make use of -high-resolution optical imagery, while the role of radar satellites is widely neglected. At the same time, radar sensors have characteristics which make them highly suitable for humanitarian response, their potential to capture images through cloud cover and at night in the first place. Consequently, they potentially allow quicker response in cases of emergencies than optical imagery. This work demonstrates the currently unused potential of radar imagery for the assistance of humanitarian operations by case studies which cover the information needs of specific emergency situations. They are thematically grouped into topics related to population, natural hazards and the environment. Furthermore, the case studies address different levels of scientific objectives: The main intention is the development of innovative techniques of digital image processing and geospatial analysis as an answer on the identified existing research gaps. For this reason, novel approaches are presented on the mapping of refugee camps and urban areas, the allocation of biomass and environmental impact assessment. Secondly, existing methods developed for radar imagery are applied, refined, or adapted to specifically demonstrate their benefit in a humanitarian context. This is done for the monitoring of camp growth, the assessment of damages in cities affected by civil war, and the derivation of areas vulnerable to flooding or sea-surface changes. Lastly, to foster the integration of radar images into existing operational workflows of humanitarian data analysis, technically simple and easily-adaptable approaches are suggested for the mapping of rural areas for vaccination campaigns, the identification of changes within and around refugee camps, and the assessment of suitable locations for groundwater drillings. While the studies provide different levels of technical complexity and novelty, they all show that radar imagery can largely contribute to the provision of a variety of information which is required to make solid decisions and to effectively provide help in humanitarian operations. This work furthermore demonstrates that radar images are more than just an alternative image source for areas heavily affected by cloud cover. In fact, what makes them valuable is their information content regarding the characteristics of surfaces, such as shape, orientation, roughness, size, height, moisture, or conductivity. All these give decisive insights about man-made and natural environments in emergency situations and cannot be provided by optical images Finally, the findings of the case studies are put into a larger context, discussing the observed potential and limitations of the presented approaches. The major challenges are summarized which need be addressed to make radar imagery more useful in humanitarian operations in the context of upcoming technical developments. New radar satellites and technological progress in the fields of machine learning and cloud computing will bring new opportunities. At the same time, this work demonstrated the large need for further research, as well as for the collaboration and transfer of knowledge and experiences between scientists, users and relief workers in the field. It is the first extensive scientific compilation of this topic and the first step for a sustainable integration of radar imagery into operational frameworks to assist humanitarian work and to contribute to a more efficient provision of help to those in need.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit bildgebenden Radarsatelliten und ihrem potenziellen Beitrag zur Unterstützung humanitärer Einsätze. Die jährlich zunehmende Zahl an vertriebenen oder geflüchteten Menschen stellt sowohl Aufnahmeländer als auch humanitäre Organisationen vor große Herausforderungen, da sie oft mit unübersichtlichen Verhältnissen konfrontiert sind. Effektives Krisenmanagement, die Planung und Versorgung von Flüchtlingslagern, sowie der Schutz der betroffenen Menschen erfordern jedoch verlässliche Angaben über Anzahl und Aufenthaltsort der Geflüchteten und ihrer natürlichen Umwelt. Die Bereitstellung dieser Informationen durch Satellitenbilder wurde bereits in zahlreichen Studien aufgezeigt. Sie beruhen in der Regel auf hochaufgelösten optischen Aufnahmen, während bildgebende Radarsatelliten bisher kaum Anwendung finden. Dabei verfügen gerade Radarsatelliten über Eigenschaften, die hilfreich für humanitäre Einsätze sein können, allen voran ihre Unabhängigkeit von Bewölkung oder Tageslicht. Dadurch ermöglichen sie in Krisenfällen verglichen mit optischen Satelliten eine schnellere Reaktion. Diese Arbeit zeigt das derzeit noch ungenutzte Potenzial von Radardaten zur Unterstützung humanitärer Arbeit anhand von Fallstudien auf, in denen konkrete Informationen für ausgewählte Krisensituationen bereitgestellt werden. Sie sind in die Themenbereiche Bevölkerung, Naturgefahren und Ressourcen aufgeteilt, adressieren jedoch unterschiedliche wissenschaftliche Ansprüche: Der Hauptfokus der Arbeit liegt auf der Entwicklung von innovativen Methoden zur Verarbeitung von Radarbildern und räumlichen Daten als Antwort auf den identifizierten Forschungsbedarf in diesem Gebiet. Dies wird anhand der Kartierung von Flüchtlingslagern zur Abschätzung ihrer Bevölkerung, zur Bestimmung von Biomasse, sowie zur Ermittlung des Umwelteinflusses von Flüchtlingslagern aufgezeigt. Darüber hinaus werden existierende oder erprobte Ansätze für die Anwendung im humanitären Kontext angepasst oder weiterentwickelt. Dies erfolgt im Rahmen von Fallstudien zur Dynamik von Flüchtlingslagern, zur Ermittlung von Schäden an Gebäuden in Kriegsgebieten, sowie zur Erkennung von Risiken durch Überflutung. Zuletzt soll die Integration von Radardaten in bereits existierende Abläufe oder Arbeitsroutinen in der humanitären Hilfe anhand technisch vergleichsweise einfacher Ansätze vorgestellt und angeregt werden. Als Beispiele dienen hier die radargestützte Kartierung von entlegenen Gebieten zur Unterstützung von Impfkampagnen, die Identifizierung von Veränderungen in Flüchtlingslagern, sowie die Auswahl geeigneter Standorte zur Grundwasserentnahme. Obwohl sich die Fallstudien hinsichtlich ihres Innovations- und Komplexitätsgrads unterscheiden, zeigen sie alle den Mehrwert von Radardaten für die Bereitstellung von Informationen, um schnelle und fundierte Planungsentscheidungen zu unterstützen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit deutlich, dass Radardaten für humanitäre Zwecke mehr als nur eine Alternative in stark bewölkten Gebieten sind. Durch ihren Informationsgehalt zur Beschaffenheit von Oberflächen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Rauigkeit, Feuchte, Form, Größe oder Höhe, sind sie optischen Daten überlegen und daher für viele Anwendungsbereiche im Kontext humanitärer Arbeit besonders. Die in den Fallstudien gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend vor dem Hintergrund von Vor- und Nachteilen von Radardaten, sowie hinsichtlich zukünftiger Entwicklungen und Herausforderungen diskutiert. So versprechen neue Radarsatelliten und technologische Fortschritte im Bereich der Datenverarbeitung großes Potenzial. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit einen großen Bedarf an weiterer Forschung, sowie an Austausch und Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern, Anwendern und Einsatzkräften vor Ort. Die vorliegende Arbeit ist die erste umfassende Darstellung und wissenschaftliche Aufarbeitung dieses Themenkomplexes. Sie soll als Grundstein für eine langfristige Integration von Radardaten in operationelle Abläufe dienen, um humanitäre Arbeit zu unterstützen und eine wirksame Hilfe für Menschen in Not ermöglichen

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

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

Detection of temporarily flooded vegetation using time series of dual polarised C-band synthetic aperture radar data

The intense research of the last decades in the field of flood monitoring has shown that microwave sensors provide valuable information about the spatial and temporal flood extent. The new generation of satellites, such as the Sentinel-1 (S-1) constellation, provide a unique, temporally high-resolution detection of the earth's surface and its environmental changes. This opens up new possibilities for accurate and rapid flood monitoring that can support operational applications. Due to the observation of the earth's surface from space, large-scale flood events and their spatiotemporal changes can be monitored. This requires the adaptation of existing or the development of new algorithms, which on the one hand enable precise and computationally efficient flood detection and on the other hand can process a large amounts of data. In order to capture the entire extent of the flood area, it is essential to detect temporary flooded vegetation (TFV) areas in addition to the open water areas. The disregard of temporary flooded vegetation areas can lead to severe underestimation of the extent and volume of the flood. Under certain system and environmental conditions, Synthetic Aperture Radar (SAR) can be utilized to extract information from under the vegetation cover. Due to multiple backscattering of the SAR signal between the water surface and the vegetation, the flooded vegetation areas are mostly characterized by increased backscatter values. Using this information in combination with a continuous monitoring of the earth's surface by the S-1 satellites, characteristic time series-based patterns for temporary flooded vegetation can be identified. This combination of information provides the foundation for the time series approach presented here. This work provides a comprehensive overview of the relevant sensor and environmental parameters and their impact on the SAR signal regarding temporary open water (TOW) and TFV areas. In addition, existing methods for the derivation of flooded vegetation are reviewed and their benefits, limitations, methodological trends and potential research needs for this area are identified and assessed. The focus of the work lies in the development of a SAR and time series-based approach for the improved extraction of flooded areas by the supplementation of TFV and on the provision of a precise and rapid method for the detection of the entire flood extent. The approach developed in this thesis allows for the precise extraction of large-scale flood areas using dual-polarized C-band time series data and additional information such as topography and urban areas. The time series features include the characteristic variations (decrease and/or increase of backscatter values) on the flood date for the flood-related classes compared to the whole time series. These features are generated individually for each available polarization (VV, VH) and their ratios (VV/VH, VV-VH, VV+VV). The generation of the time series features was performed by Z-transform for each image element, taking into account the backscatter values on the flood date and the mean value and standard deviation of the backscatter values from the nonflood dates. This allowed the comparison of backscatter intensity changes between the image elements. The time series features constitute the foundation for the hierarchical threshold method for deriving flood-related classes. Using the Random Forest algorithm, the importance of the time series data for the individual flood-related classes was analyzed and evaluated. The results showed that the dual-polarized time series features are particularly relevant for the derivation of TFV. However, this may differ depending on the vegetation type and other environmental conditions. The analyses based on S-1 data in Namibia, Greece/Turkey and China during large-scale floods show the effectiveness of the method presented here in terms of classification accuracy. Theiv supplementary integration of temporary flooded vegetation areas and the use of additional information resulted in a significant improvement in the detection of the entire flood extent. It could be shown that a comparably high classification accuracy (~ 80%) was achieved for the flood extent in each of study areas. The transferability of the approach due to the application of a single time series feature regarding the derivation of open water areas could be confirmed for all study areas. Considering the seasonal component by using time series data, the seasonal variability of the backscatter signal for vegetation can be detected. This allows for an improved differentiation between flooded and non-flooded vegetation areas. Simultaneously, changes in the backscatter signal can be assigned to changes in the environmental conditions, since on the one hand a time series of the same image element is considered and on the other hand the sensor parameters do not change due to the same acquisition geometry. Overall, the proposed time series approach allows for a considerable improvement in the derivation of the entire flood extent by supplementing the TOW areas with the TFV areas

Land cover and forest mapping in boreal zone using polarimetric and interferometric SAR data

Remote sensing offers a wide range of instruments suitable to meet the growing need for consistent, timely and cost-effective monitoring of land cover and forested areas. One of the most important instruments is synthetic aperture radar (SAR) technology, where transfer of advanced SAR imaging techniques from mostly experimental small test-area studies to satellites enables improvements in remote assessment of land cover on a global scale. Globally, forests are very suitable for remote sensing applications due to their large dimensions and relatively poor accessibility in distant areas. In this thesis, several methods were developed utilizing Earth observation data collected using such advanced SAR techniques, as well as their application potential was assessed. The focus was on use of SAR polarimetry and SAR interferometry to improve performance and robustness in assessment of land cover and forest properties in the boreal zone. Particular advances were achieved in land cover classification and estimating several key forest variables, such as forest stem volume and forest tree height. Important results reported in this thesis include: improved polarimetric SAR model-based decomposition approach suitable for use in boreal forest at L-band; development and demonstration of normalization method for fully polarimetric SAR mosaics, resulting in improved classification performance and suitable for wide-area mapping purposes; establishing new inversion procedure for robust forest stem volume retrieval from SAR data; developing semi-empirical method and demonstrating potential for soil type separation (mineral soil, peatland) under forested areas with L-band polarimetric SAR; developing and demonstrating methodology for simultaneous retrieval of forest tree height and radiowave attenuation in forest layer from inter-ferometric SAR data, resulting in improved accuracy and more stable estimation of forest tree height