Cryosphere Applications

Synthetic aperture radar (SAR) provides large coverage and high resolution, and it has been proven to be sensitive to both surface and near-surface features related to accumulation, ablation, and metamorphism of snow and firn. Exploiting this sensitivity, SAR polarimetry and polarimetric interferometry found application to land ice for instance for the estimation of wave extinction (which relates to sub surface ice volume structure) and for the estimation of snow water equivalent (which relates to snow density and depth). After presenting these applications, the Chapter proceeds by reviewing applications of SAR polarimetry to sea ice for the classification of different ice types, the estimation of thickness, and the characterisation of its surface. Finally, an application to the characterisation of permafrost regions is considered. For each application, the used (model-based) decomposition and polarimetric parameters are critically described, and real data results from relevant airborne campaigns and space borne acquisitions are reported

Remote Sensing of Snow Cover Using Spaceborne SAR: A Review

The importance of snow cover extent (SCE) has been proven to strongly link with various natural phenomenon and human activities; consequently, monitoring snow cover is one the most critical topics in studying and understanding the cryosphere. As snow cover can vary significantly within short time spans and often extends over vast areas, spaceborne remote sensing constitutes an efficient observation technique to track it continuously. However, as optical imagery is limited by cloud cover and polar darkness, synthetic aperture radar (SAR) attracted more attention for its ability to sense day-and-night under any cloud and weather condition. In addition to widely applied backscattering-based method, thanks to the advancements of spaceborne SAR sensors and image processing techniques, many new approaches based on interferometric SAR (InSAR) and polarimetric SAR (PolSAR) have been developed since the launch of ERS-1 in 1991 to monitor snow cover under both dry and wet snow conditions. Critical auxiliary data including DEM, land cover information, and local meteorological data have also been explored to aid the snow cover analysis. This review presents an overview of existing studies and discusses the advantages, constraints, and trajectories of the current developments

Monitoring Snow Cover and Snowmelt Dynamics and Assessing their Influences on Inland Water Resources

Snow is one of the most vital cryospheric components owing to its wide coverage as well as its unique physical characteristics. It not only affects the balance of numerous natural systems but also influences various socio-economic activities of human beings. Notably, the importance of snowmelt water to global water resources is outstanding, as millions of populations rely on snowmelt water for daily consumption and agricultural use. Nevertheless, due to the unprecedented temperature rise resulting from the deterioration of climate change, global snow cover extent (SCE) has been shrinking significantly, which endangers the sustainability and availability of inland water resources. Therefore, in order to understand cryo-hydrosphere interactions under a warming climate, (1) monitoring SCE dynamics and snowmelt conditions, (2) tracking the dynamics of snowmelt-influenced waterbodies, and (3) assessing the causal effect of snowmelt conditions on inland water resources are indispensable. However, for each point, there exist many research questions that need to be answered. Consequently, in this thesis, five objectives are proposed accordingly. Objective 1: Reviewing the characteristics of SAR and its interactions with snow, and exploring the trends, difficulties, and opportunities of existing SAR-based SCE mapping studies; Objective 2: Proposing a novel total and wet SCE mapping strategy based on freely accessible SAR imagery with all land cover classes applicability and global transferability; Objective 3: Enhancing total SCE mapping accuracy by fusing SAR- and multi-spectral sensor-based information, and providing total SCE mapping reliability map information; Objective 4: Proposing a cloud-free and illumination-independent inland waterbody dynamics tracking strategy using freely accessible datasets and services; Objective 5: Assessing the influence of snowmelt conditions on inland water resources

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

Quad-Polarimetric Multi-Scale Analysis of Icebergs in ALOS-2 SAR Data: A Comparison between Icebergs in West and East Greenland

Icebergs are ocean hazards which require extensive monitoring. Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites can help with this, however, SAR backscattering is strongly influenced by the properties of icebergs, together with meteorological and environmental conditions. In this work, we used five images of quad-pol ALOS-2/PALSAR-2 SAR data to analyse 1332 icebergs in five locations in west and east Greenland. We investigate the backscatter and polarimetric behaviour, by using several observables and decompositions such as the Cloude–Pottier eigenvalue/eigenvector and Yamaguchi model-based decompositions. Our results show that those icebergs can contain a variety of scattering mechanisms at L-band. However, the most common scattering mechanism for icebergs is surface scattering, with the second most dominant volume scattering (or more generally, clouds of dipoles). In some cases, we observed a double bounce dominance, but this is not as common. Interestingly, we identified that different locations (e.g., glaciers) produce icebergs with different polarimetric characteristics. We also performed a multi-scale analysis using boxcar 5 × 5 and 11 × 11 window sizes and this revealed that depending on locations (and therefore, characteristics) icebergs can be a collection of strong scatterers that are packed in a denser or less dense way. This gives hope for using quad-pol polarimetry to provide some iceberg classifications in the future

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

Quad polarimetric synthetic aperture radar analysis of icebergs in Greenland and Svalbard

Polarimetric synthetic aperture radar (PolSAR) has been widely used in ocean and cryospheric applications. This is because, PolSAR can be used in all-day operations and in areas of cloud cover, and therefore can provide valuable large-scale monitoring in polar regions, which is very helpful to shipping and offshore maritime operations. In the last decades, attention has turned to the potential of PolSAR to detect icebergs in the Arctic since they are a major hazard to vessels. However, there is a substantial lack of literature exploring the potentialities of PolSAR and the understanding of iceberg scattering mechanisms. Additionally, it is not known if high resolution PolSAR can be used to detect icebergs smaller than 120 metres. This thesis aims to improve the knowledge of the use of PolSAR scattering mechanisms of icebergs, and detection of small icebergs. First, an introduction to PolSAR is outlined in chapter two, and monitoring of icebergs is presented in chapter three. The first data chapter (Chapter 4) is focused on developing a multi-scale analysis of icebergs using parameters from the Cloude-Pottier and the Yamaguchi decompositions, the polarimetric span and the Pauli scattering vector. This method is carried out using ALOS-2 PALSAR quad polarimetric L-band SAR on icebergs in Greenland. This approach outlines the good potential for using PolSAR for future iceberg classification. One of the main important outcomes is that icebergs are composed by a combination of single targets, which therefore may require a more complex way of processing SAR data to properly extract physical information. In chapter five, the problem of detecting icebergs is addressed by introducing six state-of-the-art detectors previously applied to vessel monitoring. These detectors are the Dual Intensity Polarisation Ratio Anomaly Detector (iDPolRAD), Polarimetric Notch Filter (PNF), Polarimetric Matched Filter (PMF), reflection symmetry (sym), Optimal Polarimetric Detector (OPD) and the Polarimetric Whitening Filter (PWF). Cloude-Pottier entropy, and first and third eigenvalues (eig1 and eig3) of the coherency matrix are also utilised as parameters for comparison. This approach uses the same ALOS-2 dataset, but also evaluates detection performance in two scenarios: icebergs in open ocean, and in sea ice. Polarimetric modes (quad-pol, dual-pol, and single intensities) are also considered for comparison. Currently it is very difficult to detect icebergs less than 120 metres in length using this approach, due to the scattering mechanisms of icebergs and sea ice being very similar. However, it was possible to obtain detection performances of the OPD and PWF, which both showed a Probability of Detection (PF) of 0.99 when the Probability of False Alarms (PF) was set to 10-5 in open ocean. Similarly, in dual pol images, the PWF gave the best performance with a PD of 0.90. Results in sea ice found eig3 to be the best detector with a PD of 0.90 while in dual-pol mode, iDPolRAD gave a PD of 0.978. Single intensity detector performance found the HV channel gave the best detection with a PD of 0.99 in open ocean and 0.87 in sea ice. In the previous two approaches, only satellite data is used. However, in chapter six, data from a ground-based Ku-band Gamma Portable Radio Interferometer (GPRI) instrument is introduced, providing images that are synchronised with the satellite acquisitions. In this approach, the same six detectors are applied to three multitemporal RADARSAT-2 quad pol C-band SAR images on icebergs in Kongsfjorden, Svalbard to evaluate the detection performance within a changing fjord environment. As before, we also make use of Cloude-Pottier entropy, eig1 and eig3. Finally, we evaluate the target-to-clutter ratio (TCR) of the icebergs and check for correlation between the backscattering coefficients and the iceberg dimension. The results obtained from this thesis present original additions to the literature that contributes to the understanding of PolSAR in cryospheric applications. Although these methods are applied to PolSAR and ground-based radar on vessels, they have been applied for the first time on icebergs in this thesis. To summarise, the main findings are that icebergs cannot be represented as single or partial targets, but they do exhibit a collection of single targets clustered together. This result leads to the fact that entropy is not sufficient as a parameter to detect icebergs. Detection results show that the OPD and PWF detectors perform best in an open ocean setting and using quad-pol mode. These results are degraded in dual-pol mode, while single intensity detection is best in the HV cross polarisation channel. When these detectors are applied to the RADARSAT-2 in Svalbard, the OPD and PWF detectors also perform best with PD values ranging between 0.5-0.75 for a PF of 0.01-0.05. However, the sea ice present in the fjord degrades performance across all detectors. Correlation plots with iceberg size show that a regression is not straightforward and Computer Vision methodologies may work best for this

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

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