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

Assessment of high resolution SAR imagery for mapping floodplain water bodies: a comparison between Radarsat-2 and TerraSAR-X

Flooding is a world-wide problem that is considered as one of the most devastating natural hazards. New commercially available high spatial resolution Synthetic Aperture RADAR satellite imagery provides new potential for flood mapping. This research provides a quantitative assessment of high spatial resolution RADASAT-2 and TerraSAR-X products for mapping water bodies in order to help validate products that can be used to assist flood disaster management. An area near Dhaka in Bangladesh is used as a test site because of the large number of water bodies of different sizes and its history of frequent flooding associated with annual monsoon rainfall. Sample water bodies were delineated in the field using kinematic differential GPS to train and test automatic methods for water body mapping. SAR sensors products were acquired concurrently with the field visits; imagery were acquired with similar polarization, look direction and incidence angle in an experimental design to evaluate which has best accuracy for mapping flood water extent. A methodology for mapping water areas from non-water areas was developed based on radar backscatter texture analysis. Texture filters, based on Haralick occurrence and co-occurrence measures, were compared and images classified using supervised, unsupervised and contextual classifiers. The evaluation of image products is based on an accuracy assessment of error matrix method using randomly selected ground truth data. An accuracy comparison was performed between classified images of both TerraSAR-X and Radarsat-2 sensors in order to identify any differences in mapping floods. Results were validated using information from field inspections conducted in good conditions in February 2009, and applying a model-assisted difference estimator for estimating flood area to derive Confidence Interval (CI) statistics at the 95% Confidence Level (CL) for the area mapped as water. For Radarsat-2 Ultrafine, TerraSAR-X Stripmap and Spotlight imagery, overall classification accuracy was greater than 93%. Results demonstrate that small water bodies down to areas as small as 150m² can be identified routinely from 3 metre resolution SAR imagery. The results further showed that TerraSAR-X stripmap and spotlight images have better overall accuracy than RADARSAT-2 ultrafine beam modes images. The expected benefits of the research will be to improve the provision of data to assess flood risk and vulnerability, thus assisting in disaster management and post-flood recovery

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

Unsupervised multi-scale change detection from SAR imagery for monitoring natural and anthropogenic disasters

Thesis (Ph.D.) University of Alaska Fairbanks, 2017Radar remote sensing can play a critical role in operational monitoring of natural and anthropogenic disasters. Despite its all-weather capabilities, and its high performance in mapping, and monitoring of change, the application of radar remote sensing in operational monitoring activities has been limited. This has largely been due to: (1) the historically high costs associated with obtaining radar data; (2) slow data processing, and delivery procedures; and (3) the limited temporal sampling that was provided by spaceborne radar-based satellites. Recent advances in the capabilities of spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors have developed an environment that now allows for SAR to make significant contributions to disaster monitoring. New SAR processing strategies that can take full advantage of these new sensor capabilities are currently being developed. Hence, with this PhD dissertation, I aim to: (i) investigate unsupervised change detection techniques that can reliably extract signatures from time series of SAR images, and provide the necessary flexibility for application to a variety of natural, and anthropogenic hazard situations; (ii) investigate effective methods to reduce the effects of speckle and other noise on change detection performance; (iii) automate change detection algorithms using probabilistic Bayesian inferencing; and (iv) ensure that the developed technology is applicable to current, and future SAR sensors to maximize temporal sampling of a hazardous event. This is achieved by developing new algorithms that rely on image amplitude information only, the sole image parameter that is available for every single SAR acquisition. The motivation and implementation of the change detection concept are described in detail in Chapter 3. In the same chapter, I demonstrated the technique's performance using synthetic data as well as a real-data application to map wildfire progression. I applied Radiometric Terrain Correction (RTC) to the data to increase the sampling frequency, while the developed multiscaledriven approach reliably identified changes embedded in largely stationary background scenes. With this technique, I was able to identify the extent of burn scars with high accuracy. I further applied the application of the change detection technology to oil spill mapping. The analysis highlights that the approach described in Chapter 3 can be applied to this drastically different change detection problem with only little modification. While the core of the change detection technique remained unchanged, I made modifications to the pre-processing step to enable change detection from scenes of continuously varying background. I introduced the Lipschitz regularity (LR) transformation as a technique to normalize the typically dynamic ocean surface, facilitating high performance oil spill detection independent of environmental conditions during image acquisition. For instance, I showed that LR processing reduces the sensitivity of change detection performance to variations in surface winds, which is a known limitation in oil spill detection from SAR. Finally, I applied the change detection technique to aufeis flood mapping along the Sagavanirktok River. Due to the complex nature of aufeis flooded areas, I substituted the resolution-preserving speckle filter used in Chapter 3 with curvelet filters. In addition to validating the performance of the change detection results, I also provide evidence of the wealth of information that can be extracted about aufeis flooding events once a time series of change detection information was extracted from SAR imagery. A summary of the developed change detection techniques is conducted and suggested future work is presented in Chapter 6

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

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

Spaceborne L-Band Synthetic Aperture Radar Data for Geoscientific Analyses in Coastal Land Applications: A Review

The coastal zone offers among the world’s most productive and valuable ecosystems and is experiencing increasing pressure from anthropogenic impacts: human settlements, agriculture, aquaculture, trade, industrial activities, oil and gas exploitation and tourism. Earth observation has great capability to deliver valuable data at the local, regional and global scales and can support the assessment and monitoring of land‐ and water‐related applications in coastal zones. Compared to optical satellites, cloud‐cover does not limit the timeliness of data acquisition with spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors, which have all‐weather, day and night capabilities. Hence, active radar systems demonstrate great potential for continuous mapping and monitoring of coastal regions, particularly in cloud‐prone tropical and sub‐tropical climates. The canopy penetration capability with long radar wavelength enables L‐band SAR data to be used for coastal terrestrial environments and has been widely applied and investigated for the following geoscientific topics: mapping and monitoring of flooded vegetation and inundated areas; the retrieval of aboveground biomass; and the estimation of soil moisture. Human activities, global population growth, urban sprawl and climate change‐induced impacts are leading to increased pressure on coastal ecosystems causing land degradation, deforestation and land use change. This review presents a comprehensive overview of existing research articles that apply spaceborne L‐band SAR data for geoscientific analyses that are relevant for coastal land applications