Ground, Proximal, and Satellite Remote Sensing of Soil Moisture

Soil moisture (SM) is a key hydrologic state variable that is of significant importance for numerous Earth and environmental science applications that directly impact the global environment and human society. Potential applications include, but are not limited to, forecasting of weather and climate variability; prediction and monitoring of drought conditions; management and allocation of water resources; agricultural plant production and alleviation of famine; prevention of natural disasters such as wild fires, landslides, floods, and dust storms; or monitoring of ecosystem response to climate change. Because of the importance and wide‐ranging applicability of highly variable spatial and temporal SM information that links the water, energy, and carbon cycles, significant efforts and resources have been devoted in recent years to advance SM measurement and monitoring capabilities from the point to the global scales. This review encompasses recent advances and the state‐of‐the‐art of ground, proximal, and novel SM remote sensing techniques at various spatial and temporal scales and identifies critical future research needs and directions to further advance and optimize technology, analysis and retrieval methods, and the application of SM information to improve the understanding of critical zone moisture dynamics. Despite the impressive progress over the last decade, there are still many opportunities and needs to, for example, improve SM retrieval from remotely sensed optical, thermal, and microwave data and opportunities for novel applications of SM information for water resources management, sustainable environmental development, and food security

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

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

Full Wave 2D Modeling of Scattering and Inverse Scattering for Layered Rough Surfaces with Buried Objects.

Efficient and accurate modeling of electromagnetic scattering from layered rough surfaces with buried objects finds applications ranging from detection of landmines to remote sensing of subsurface soil moisture. In this dissertation, the formulation of a hybrid numerical/analytical solution to electromagnetic scattering from layered rough surfaces is first developed. The solution to scattering from each rough interface is sought independently based on the extended boundary condition method (EBCM), where the scattered fields of each rough interface are expressed as a summation of plane waves and then cast into reflection/transmission matrices. To account for interactions between multiple rough boundaries, the scattering matrix method (SMM) is applied to recursively cascade reflection and transmission matrices of each rough interface and obtain the composite reflection matrix from the overall scattering medium. The validation of this method against the Method of Moments (MoM) and Small Perturbation Method (SPM) will be addressed and the numerical results which investigate the potential of low frequency radar systems in estimating deep soil moisture will be presented. Computational efficiency of the proposed method is also addressed. In order to demonstrate the capability of this method in modeling coherent multiple scattering phenomena, the proposed method has been employed to analyze backscattering enhancement and satellite peaks due to surface plasmon waves from layered rough surfaces. Numerical results which show the appearance of enhanced backscattered peaks and satellite peaks are presented. Following the development of the EBCM/SMM technique, a technique which incorporates a buried object in layered rough surfaces is proposed by employing the T-matrix method and the cylindrical-to-spatial harmonics transformation. Validation and numerical results are provided. Finally, a multi-frequency polarimetric inversion algorithm for the retrieval of subsurface soil properties using VHF/UHF band radar measurements is developed. The top soil dielectric constant is first determined using an L-band inversion algorithm. For the retrieval of subsurface properties, a time-domain inversion technique is employed together with a parameter optimization for the pulse shape of time delay echoes from VHF/UHF band radar observations. Some numerical studies to investigate the accuracy of the proposed inversion technique in presence of errors are shown.Ph.D.Electrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/58459/1/kuoch_1.pd

Remote sensing based assessment of land cover and soil moisture in the Kilombero floodplain in Tanzania

Wetlands provide important ecological, biological, and social-economic services that are critical for human existence. The increasing demand for food, arable land shortage and changing climate conditions in East Africa have created a paradigm shift from upland cultivation to wetland use due to their year-round soil water availability. However, there is need to control and manage the activities within the wetlands to ensure sustainable use while negating any negative effects caused by these activities. This is implemented through the decisions made by the land managers within the wetlands. Providing the users of the wetlands with scientific knowledge acts as a support tool for policy-making geared towards the sustainable use of the wetlands. The overall research contains two main components: First, the need for timely land cover maps at a reasonable scale, and secondly, the assessment of soil moisture as a major contributor to agricultural production. The objectives of the study were to generate land cover maps from multi-sensor optical datasets and to assess the performance of single-polarized Sentinel-1 Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM) texture and Principal Component Analysis (PCA) features by applying multiple classification algorithms in a floodplain in the Kilombero catchment. Furthermore, soil moisture spatial-temporal patterns over three hydrological zones was assessed, estimation of soil moisture from radar data and generation of soil moisture products from global products was investigated. The correlation of the merged products to Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) measures was also investigated. RapidEye, Sentinel-2 and Landsat images were used in determining the areal extents of four major land cover classes namely vegetated, bare, water and built up. The acquisition period of the images ranges from August 2013 to June 2015 for the RapidEye images, December 2015 to August 2016 for the Sentinel-2 images and 2013 to 2016 Landsat-8 images were included in the land cover time series dynamic study. However, the major challenge arising was cloud coverage and hence Sentinel-1 images were tested in the application of Synthetic Aperture Radar (SAR) in wetland mapping. Variograms were used in spatial-temporal assessment of soil moisture data collected from three hydrological zones, riparian, middle and fringe. A roughness parameter was derived from a semi-empirical model. Soil moisture was retrieved from TerraSAR-X and RadarSAT-2 with the retrieved roughness parameter as an input in a linear regression equation. Triple collocation was applied in error assessment of the global soil moisture products prior to development of a merged product. Cross-correlation was applied in relating NDVI to soil moisture. Optical data (RapidEye, Landsat-8, and Sentinel-2) generated land cover maps used in assessing the land cover dynamics over time. The land cover ratios were related to depth to groundwater. As the depth to groundwater reduced in June the bare land coverage was 45-57% while that of vegetation was 34-47%. In December when the depth to groundwater was highest, bare land coverage was 62-69% while that of the vegetated area was 27-25%. This indicates that depth of groundwater and vegetation coverage responds to seasonality. During the dry season, 68-81% of the total vegetation class is within the riparian zone. In the classification of the SAR images, the overall accuracies for the single polarized VV images ranged from 54-76%, 60-81% and 61-80% for Random Forest (RF), Neural Network (NN) and Support Vector Machine (SVM) respectively. GLCM features had overall accuracies of 64-86%, 65-88% and 65-86% for RF, NN, and SVM respectively. PCA derived images had similar overall accuracies of 68-92% for NN, RF, and SVM respectively. The PCA images had the highest overall accuracy for the entire time series indicating that reduction in the number of texture features to layers containing the maximum variance improves the accuracy. The standard deviation of soil moisture was noted to increase with increasing soil moisture. Soil texture plays a key role in soil moisture retention. The riparian fields had a high water content explained by the high clay and organic matter content. A roughness parameter was derived and utilized in the retrieval of soil moisture from SAR resulting to R2 of 0.88- 0.92 between observed and simulated soil moisture values from co-polarized RadarSAT-2 HH and TerraSAR-X HH and VV. Merged soil moisture product from FEWSNET Land Data Assimilation System_NOAH (FLDAS_NOAH), ECMWF Re-Analysis Interim (ERA-Interim) and Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) and FLDAS_Variable Infiltration Capacity (VIC), ERA-Interim and SMOS had similar patterns attributed to FLDAS_NOAH and FLDAS_VIC forced by the same precipitation product (RFE). Cross-correlation of Moderate-resolution Imaging Spectrometer (MODIS) NDVI and the merged soil moisture products revealed a 2-month lag of NDVI. Hence, the relationship is useful in determining the Start of Season from soil moisture products. In conclusion, the successful land cover mapping of the study area demonstrated the use of satellite imagery for wetland characterization. The vast coverage and frequent acquisitions of optical and microwave remotely sensed data additionally make the approaches transferable to other locations and allow for mapping at larger scales. Soil moisture assessment from point data revealed varied soil moisture patterns whereas global remotely sensed and modeled products rather provide complementary information about growing conditions, and hence a situational assessment tool of potential of physical availability dimension of food security. This study forms a baseline upon which additional monitoring and assessment of the Kilombero wetland ecosystem can be performed with the current results marked as a reference. Moreover, the study serves as a demonstration case of remote sensing based approaches for land cover and soil moisture mapping, whose results are useful to stakeholders to aid in the implementation of adapted production techniques for yield optimization while minimizing the unsustainable use of the natural resources.Feuchtgebiete erbringen wichtige ökologische, biologische und sozial-ökonomische Dienstleistungen, welche entscheidend für das menschliche Dasein sind. Der steigende Bedarf an Nahrung, der Mangel an landwirtschaftlichen Nutzflächen und die Veränderung der klimatischen Bedingungen in Ostafrika haben zu einem Paradigmenwechsel vom Anbau im Hochland hin zur Nutzung von Feuchtgebieten geführt. Allerdings sind Kontrolle und Management der Aktivitäten in Feuchtgebieten notwendig, um die nachhaltige Nutzung zu sichern und negative Effekte dieser Aktivitäten zu vermeiden. Die Implementierung erfolgt durch die Landverwalter in den Feuchtgebieten. Den Nutzern von Feuchtgebieten wissenschaftliche Erkenntnisse bereitzustellen dient als Hilfsmittel zur politischen Entscheidungsfindung für die nachhaltige Feuchtgebietsnutzung. Die Forschung im Rahmen der Dissertation beinhaltet zwei Hauptkomponenten: erstens den Bedarf an aktuellen Landbedeckungskarten auf einer angemessenen Skalenebene und zweitens die Erfassung der Bodenfeuchte als wichtiger Einflussfaktor auf die landwirtschaftliche Produktion. Das Ziel der Untersuchung war, Landbedeckungskarten auf Grundlage von multisensorischen optischen Daten zu erstellen und die Eignung der Textur der einfach polarisierten Sentinel-1 Grauwertmatrix (GLCM) sowie der einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) bei Anwendung unterschiedlicher Klassifikationsalgorithmen zu beurteilen. Des Weiteren wurden raum-zeitliche Bodenfeuchtemuster über drei hydrologische Zonen hinweg modelliert, die Bodenfeuchte aus Radardaten abgeleitet sowie die Erstellung von Bodenfeuchteprodukten auf Basis von globalen Produkten untersucht. Die Korrelation der Bodenfeuchteprodukte mit dem Normalisierten Differenzierten Vegetationsindex (NDVI) wurde ebenfalls analysiert. RapidEye, Sentinel-2 und Landsat Bilder wurden genutzt um die räumliche Ausdehnung der vier Hauptklassen (Vegetation, freiliegender Boden, Wasser und Bebauung) der Landbedeckung zu ermitteln. Für die Zeitreihenanalyse der der Landbedeckungsdynamik wurden RapidEye-Daten von August 2013 bis Juni 2015, Sentinel-2-Bilder von Dezember 2015 bis August 2016 und Landsat-8-Bilder von 2013 bis 2016 verwendet. Die größte Herausforderung war jedoch die Wolkenbedeckung, weshalb die Anwendung von Synthetic Aperture Radar (SAR) für die Feuchtgebietskartierung getestet wurde. Die gemessene Bodenfeuchte wurde mittels Variogrammen für die drei hydrologischen Zonen (Uferzone, Mitte und Randgebiete) raum-zeitlich interpoliert. Ein Rauhigkeitsparameter wurde aus einem semi-empirischen Modell hergeleitet. Die Bodenfeuchte wurde aus TerraSAR-X und RadarSAT-2- Bildern unter Verwendung des Rauhigkeitsparameters als Eingangsgröße in einer linearen Regression abgeleitet. Vor der Zusammenführung der Produkte wurde das globale Bodenfeuchteprodukt mithilfe von dreifacher Kollokation auf Fehler überprüft. Die Kreuzkorrelation zwischen NDVI und Bodenfeuchte wurde berechnet. Optische Daten (RapidEye, Landsat-8 und Sentinel-2) wurden genutzt, um die zeitliche Dynamik der Landbedeckung zu bestimmen. Die Landbedeckungsverhältnisse wurde mit der Höhe des Grundwasserspiegels korreliert. Ein hoher Grundwasserstand im Juni resultierte in 45-57% unbedecktem Boden, während der Anteil der Vegetation 34-47% betrug. Im Dezember, als der Grundwasserspiegel seinen Tiefststand hatte, erhöhte sich der Anteil des freiliegenden Bodens auf 62-69% und der Anteil der Vegetation verringerte sich auf 27-25%. Das zeigt, dass Grundwasserspiegel und Vegetation saisonalen Schwankungen unterworfen sind. Während der Trockenzeit liegen 68-81% der gesamten als Vegetation klassifizierten Fläche innerhalb der Uferzone. In der Klassifikation der SAR-Bilder liegt die Gesamtgenauigkeit der einfach polarisierten VV-Bilder im Rahmen von 54-76%, 60-81% und 61-80%, entsprechend für Random Forest (RF), Neuronale Netze (NN) und Support Vector Machine (SVM). Die GLCM ergab eine Gesamtgenauigkeit von 64-86%, 65-88% und 65-86% für RF, NN und SVM. Die über eine PCA abgeleiteten Bilder erreichten eine ähnliche Genauigkeit von 68-92% für NN, RF und SVM. Die PCA-Bilder weisen die höchste Gesamtgenauigkeit der gesamten Zeitreihe auf, was darauf hinweist, dass eine Reduktion von Textureigenschaften auf Layer der maximalen Varianz enthalten, die Genauigkeit erhöht. Die Standardabweichung der Bodenfeuchte stieg mit zunehmender Bodenfeuchte. Die Bodentextur spielt dabei eine Schlüsselrolle für das Wasserhaltevermögen des Bodens. Die Uferzone wies einen hohen Wassergehalt auf, was durch den hohen Anteil von Ton und Humus zu erklären ist. Die beobachteten und simulierten Bodenfeuchtewerte von co-polarisierten RadarSAT-2 HH, TerraSAR-X HH und VV Daten korrelieren mit einem R2 von 0.88 - 0.92. Die zusammengesetzten globalen Bodenfeuchteprodukte von FLDAS_NOAH, ERA-Interim sowie SMOS und FLDAS_VIC, ERA-Interim und SMOS zeigen ähnliche Muster wie FLDAS_NOAH und FLDAS_VIC, was über die Verwendung desselben Niederschlagsproduktes (RFE) zu erklären ist. Die Kreuzkorrelation von MODIS NDVI und den zusammengeführten Bodenfeuchteprodukten ergab eine zeitliche Verzögerung des NDVI von zwei Monaten. Dieser Zusammenhang kann daher bei der Bestimmung des Saisonbeginns aus Bodenfeuchtigkeitsprodukten nützlich sein. Zusammengefasst hat die Studie gezeigt, wie Satellitenbilder zur Charakterisierung von Wetlands genutzt werden können. Die große Abdeckung und häufige Aufnahme der optischen und Mikrowellen-Fernerkundungsdaten ermöglichen darüber hinaus die Übertragung der Ansätze auf weitere Gebiete und Kartierung auf größeren Skalen. Die Punktmessungen zeigen kleinräumige Muster der Bodenfeuchte, während globale Fernerkundungsprodukte und Modelle Informationen über die Wachstumsbedingungen liefern und somit ein Bewertungsinstrument der Ernährungssicherheit darstellen können. Weiterhin bildet die Studie eine Basis, auf der ein weitergehendes Monitoring und eine Bewertung des Feuchtgebietsökosystems durchgeführt werden kann. Sie ist ein Beispiel für fernerkundungsbasierte Ansätze zur Landbedeckungs- und Bodenfeuchtekartierung; ihre Ergebnisse sind nützlich, um Akteuren bei der Implementierung von Produktionstechniken zu unterstützen, welche die Erträge maximieren und gleichzeitig die nicht nachhaltige Nutzung der natürlichen Ressourcen minimieren

Earth resources: A continuing bibliography with indexes (issue 62)

This bibliography lists 544 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between April 1 and June 30, 1989. Emphasis is placed on the use of remote sensing and geophysical instrumentation in spacecraft and aircraft to survey and inventory natural resources and urban areas. Subject matter is grouped according to agriculture and forestry, environmental changes and cultural resources, geodesy and cartography, geology and mineral resources, hydrology and water management, data processing and distribution systems, instrumentation and sensors, and economic analysis

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

Ocean Remote Sensing with Synthetic Aperture Radar

The ocean covers approximately 71% of the Earth’s surface, 90% of the biosphere and contains 97% of Earth’s water. The Synthetic Aperture Radar (SAR) can image the ocean surface in all weather conditions and day or night. SAR remote sensing on ocean and coastal monitoring has become a research hotspot in geoscience and remote sensing. This book—Progress in SAR Oceanography—provides an update of the current state of the science on ocean remote sensing with SAR. Overall, the book presents a variety of marine applications, such as, oceanic surface and internal waves, wind, bathymetry, oil spill, coastline and intertidal zone classification, ship and other man-made objects’ detection, as well as remotely sensed data assimilation. The book is aimed at a wide audience, ranging from graduate students, university teachers and working scientists to policy makers and managers. Efforts have been made to highlight general principles as well as the state-of-the-art technologies in the field of SAR Oceanography

Earth resources: A continuing bibliography with indexes (issue 61)

This bibliography lists 606 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1 and March 31, 1989. Emphasis is placed on the use of remote sensing and geophysical instrumentation in spacecraft and aircraft to survey and inventory natural resources and urban areas. Subject matter is grouped according to agriculture and forestry, environmental changes and cultural resources, geodesy and cartography, geology and mineral resources, oceanography and marine resources, hydrology and water management, data processing and distribution systems, and instrumentation and sensors, and economic analysis