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

Applications of SAR Interferometry in Earth and Environmental Science Research

This paper provides a review of the progress in regard to the InSAR remote sensing technique and its applications in earth and environmental sciences, especially in the past decade. Basic principles, factors, limits, InSAR sensors, available software packages for the generation of InSAR interferograms were summarized to support future applications. Emphasis was placed on the applications of InSAR in seismology, volcanology, land subsidence/uplift, landslide, glaciology, hydrology, and forestry sciences. It ends with a discussion of future research directions

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

Interferomeetriline tehisavaradar kui vahend turbaalade pinna dünaamika jälgimiseks

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneSood on unikaalsed ökosüsteemid, kus turba ladestumise käigus seotakse pikaajaliselt süsinikku. Üleilmselt on soodes seotud süsiniku kogus, mis võrdub peaaegu poolega hetkel atmosfääris olevast. Tasakaalu süsiniku sidumise ja lendumise vahel mõjutab soodes kõige enam veetase, mistõttu veerežiimi muutudes võivad sood muutuda süsiniku talletajast kasvuhoonegaaside õhku paiskajaks. Tehisavaradar (SAR) on aktiivne mikrolainealas töötav kaugseiresüsteem, mille kasutamine võimaldaks turbaalade ülemaailmset seiret. SAR näeb läbi pilvede, katab korraga suure ala, on hea ruumilise lahutuse ja tiheda ajalise katvusega. Interferomeetriline SAR (InSAR) on uudne meetod, mis võimaldab mõõta maapinna kõrgusmuutusi, tuginedes radarisignaali pool läbitava teekonna pikkusete erinevusele kahest samast kohast, aga eri aegadel tehtud pildi vahel. Tulemuseks on kõrgusmuutuse pilt (interferogramm), kõrvalsaaduseks on koherentsuse pilt, mis kirjeldab võrreldavate piltide ruumimustrite sarnasust. Meetodi kitsaskohaks on suurte kõrgusmuutuste õigesti hindamine. Töö eesmärk oli katsetada InSAR meetodi kasutusvõimaluse piire ja rakendada uusi teadmisi rabade seirel. Uurisin: 1) raba veetaseme mõju koherentsusele; 2) freesturba tootmisega kaasnevat pinna muutuse mõju koherentsusele; 3) InSAR meetodi usaldusväärsust raba pinna kõrguse muutuse hindamisel. Tulemused näitavad, et koherentsustest on kasu soode veerežiimi uurimisel, kuid see ei sobi pinnase niiskuse otseseks mõõtmiseks. Koherentsust saab kasutada turba tootmise seireks, võttes arvesse SAR-ist ja turba tootmise protsessist tulenevaid piiranguid. Töös on visandatud seiremetoodika, mis võimaldab eristada aktiivseid turbatootmisalasid kasutuses välja jäänud aladest ja jälgida turba tootmise intensiivsust, edendamaks tõhusamat ressursikasutust. InSAR meetodil maapinna kõrguse mõõtmised tavapärase 5,6 sentimeetrise lainepikkuse juures ei ole rabas usaldusväärsed. Katsetatud InSAR meetodid ei suutnud kiiresti toimuvaid suuri kõrgusmuutusi õigesti hinnata. Sarnaselt varasematele uuringutele oleks selline viga jäänud avastamata, kui meil poleks võrdluseks olnud maapealseid kõrgusandmeid. Tõenäoliselt võiks soos maapinna kõrguse muutuse hindamiseks paremini sobida lähitulevikku planeeritud pikalainelised (24 cm) radarsatelliidi missioonid.  Peatlands are significant in regard to climate change because peatlands may switch from being a net carbon sink to an emitter of greenhouse gases. The delicate carbon balance in peatlands is controlled by the peatland water table. Peatland soils contain globally nearly as much carbon as a half of what is currently in the atmosphere. Synthetic Aperture Radar (SAR) is an active microwave remote sensing system which has potential for global peatland monitoring. SAR can penetrate through clouds, covers simultaneously a vast area at high spatial resolution and has a short revisit cycle. Interferometric SAR (InSAR) is an emerging technique to measure surface height changes utilising the difference in the path length that the signal travels between SAR acquisitions of the same target from the same orbital position at different times. The resultant deformation image does not show the absolute change in the path length but the result is ambiguously wrapped in cycles corresponding to half of the signal wavelength, complicating estimation of larger changes. A co-product of InSAR processing is the coherence image, describing the similarity of the spatial patterns in the images. The objective of my dissertation is testing the limits of InSAR and, built on it, improving peatland monitoring. It was studied: 1) coherence response to the water table in raised bogs; 2) coherence response to peat surface alteration caused by the milled peat production; 3) reliability of InSAR deformation estimates in open bogs. Based on the results, coherence could be used as aid to understanding of hydrologic conditions in bogs but it is unsuitable for direct moisture retrieval. Coherence can be used to monitor peat extraction, considering intrinsic limitations posed by the SAR and the peat extraction process. The ambiguity problem makes displacement measurements at the conventional 5.6 cm wavelength unreliable in bogs. A solution could be the planned long wavelength (24 cm) SAR missions.https://www.ester.ee/record=b550580

Urban Deformation Monitoring using Persistent Scatterer Interferometry and SAR tomography

This book focuses on remote sensing for urban deformation monitoring. In particular, it highlights how deformation monitoring in urban areas can be carried out using Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and Synthetic Aperture Radar (SAR) Tomography (TomoSAR). Several contributions show the capabilities of Interferometric SAR (InSAR) and PSI techniques for urban deformation monitoring. Some of them show the advantages of TomoSAR in un-mixing multiple scatterers for urban mapping and monitoring. This book is dedicated to the technical and scientific community interested in urban applications. It is useful for choosing the appropriate technique and gaining an assessment of the expected performance. The book will also be useful to researchers, as it provides information on the state-of-the-art and new trends in this fiel

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

Polarimetric Synthetic Aperture Radar

This open access book focuses on the practical application of electromagnetic polarimetry principles in Earth remote sensing with an educational purpose. In the last decade, the operations from fully polarimetric synthetic aperture radar such as the Japanese ALOS/PalSAR, the Canadian Radarsat-2 and the German TerraSAR-X and their easy data access for scientific use have developed further the research and data applications at L,C and X band. As a consequence, the wider distribution of polarimetric data sets across the remote sensing community boosted activity and development in polarimetric SAR applications, also in view of future missions. Numerous experiments with real data from spaceborne platforms are shown, with the aim of giving an up-to-date and complete treatment of the unique benefits of fully polarimetric synthetic aperture radar data in five different domains: forest, agriculture, cryosphere, urban and oceans

Method for landslides detection with semi-automatic procedures: The case in the zone center-east of Cauca department, Colombia

Landslides are a common natural hazard that causes human casualties, but also infrastructure damage and land-use degradation. Therefore, a quantitative assessment of their presence is required by means of detecting and recognizing the potentially unstable areas. This research aims to develop a method supported on semiautomatic methods to detect potential mass movements at a regional scale. Five techniques were studied: Morphometry, SAR interferometry (InSAR), Persistent Scatterer InSAR (PS-InSAR), SAR polarimetry (PolSAR) and NDVI composites of Landsat 5, Landsat 7, and Landsat 8. The case study was chosen within the mid-eastern area of the Cauca state, which is characterised by its mountainous terrain and the presence of slope instabilities, officially registered in the CGS-SIMMA landslide inventory. This inventory revealed that the type `slide' occurred with 77.4% from the entire registries, `fall' with 16.5%, followed by `creeps' with 3%, flows with 2.6%, and `lateral spread' with 0.43%. As a result, we obtained the morphometric variables: slope, CONVI, TWI, landform, which were highly associated with landslides. The effect of a DEM in the processing flow of the InSAR method was similar for the InSAR coherence variable using the DEMs ASTER, PALSAR RTC, Topo-map, and SRTM. Then, a multiInSAR analysis gave displacement velocities in the LOS direction between -10 and 10 mm/year. With the dual-PolSAR analysis (Sentinel-1), VH and VV C-band polarised radar energy emitted median values of backscatters, for landslides, about of -14.5 dB for VH polarisation and -8.5 dB for VV polarisation. Also, L-band fully polarimetric NASA-UAVSAR data allowed to nd the mechanism of dispersion of CGS landslide inventory: 39% for surface scattering, 46.4% for volume dispersion, and 14.6% for double-bounce scattering. The optical remote sensing provided NDVI composites derived from Landsat series between 2012 and 2016, showing that NDVI values between 0.40 and 0.70 had a high correlation to landslides. In summary, we found the highest categories related to landslides by Weight of Evidence method (WofE) for each spaceborne technique applied. Finally, these results were merged to generate the landslide detection model by using the supervised machine learning method of Random Forest. By taking training and test samples, the precision of the detection model was of about 70% for the rotational and translational types.Los deslizamientos son una amenaza natural que causa pérdidas humanas, daños a la infraestructura y degradación del suelo. Una evaluación cuantitativa de su presencia se requiere mediante la detección y el reconocimiento de potenciales áreas inestables. Esta investigación tuvo como alcance desarrollar un método soportado en métodos semi-automáticos para detectar potenciales movimientos en masa a escala regional. Cinco técnicas fueron estudiadas: Morfometría, Interferometría radar, Interferometría con Persistent Scatterers, Polarimetría radar y composiciones del NDVI con los satélites Landsat 5, Landsat 7 y Landsat 8. El caso de estudio se seleccionó dentro de la región intermedia al este del departamento del Cauca, la cual se caracteriza por terreno montañoso y la presencia de inestabilidades de la pendiente oficialmente registrados en el servicio SIMMA del Servicio Geológico Colombiano. Este inventario reveló que el tipo de movimiento deslizamiento ocurrió con una frecuencia relativa de 77.4%, caidos con el 16.5% de los casos y reptaciones con 3%, flujos con 2.6% y propagación lateral con 0.43%. Como resultado, se obtuvo las variables morfométricas: pendiente, convergencia, índice topográfico de humedad y forma del terreno altamente asociados con los deslizamientos. El efecto de un DEM en el procesamiento del método InSAR fue similar para la variable coherencia usando los DEMs: ASTER, PAlSAR RTC, Topo-map y SRTM. Un análisis Multi-InSAR estimó velocidades de desplazamiento en dirección de vista del radar entre -10 y 10 mm/año. El análisis de polarimetría dual del Sentinel-1 arrojó valores de retrodispersión promedio de -14.5 dB en la banda VH y -8.5dB en la banda VV. Las cuatro polarimetrías del sensor aéreo UAVSAR permitió caracterizar el mecanismo de dispersión del Inventario de Deslizamiento así: 39% en el mecanismo de superficie, 46.4% en el mecanismo de volumen y 14.6% en el mecanismo de doble rebote. La información generada en el rango óptico permitió obtener composiciones de NDVI derivados de la plataforma Landsat entre los años 2012 y 2016, mostrando que el rango entre 0.4 y 0.7 tuvieron una alta asociación con los deslizamientos. En esta investigación se determinaron las categorías de las variables de Teledetección más altamente relacionadas con los movimientos en masa mediante el método de Pesos de Evidencias (WofE). Finalmente, estos resultados se fusionaron para generar el modelo de detección de deslizamientos usando el método supervisado de aprendizaje de máquina Random Forest. Tomando muestras aleatorias para entrenar y validar el modelo en una proporción 70:30, el modelo de detección, especialmente los movimientos de tipo rotacional y traslacional fueron clasificados con una tasa general de éxito del 70%.Ministerio de CienciasConvocatoria 647 de 2014Research line: Geotechnics and Geoenvironmental HazardDoctorad