University of Alaska Fairbanks forskare har utvecklat ett sätt att använda radar för att upptäcka öppna vattenzoner och andra förändringar i Alaskas frusna floder i början av vintern. Tillvägagångssättet kan automatiseras för att tillhandahålla aktuella farokartor och är tillämpbart över Arktis och subarktis.
Många Alaskabor, särskilt på landsbygden i staten, använder floder som vintervägar för att resa mellan samhällen eller för rekreation, jakt och fiske. Öppna vattenzoner i flodis kan vara farliga.
Den nya metoden beskrivs i en artikel som publicerades den 13 mars i tidskriften Remote Sensing of Environment.
Fjärranalysforskaren Melanie Engram från Water and Environmental Research Center vid UAF Institute of Northern Engineering ledde forskningen.
Medförfattare inkluderar Franz Meyer från UAF Geophysical Institute; Dana Brown, Sarah Clement och Katie Spellman från UAF International Arctic Research Center; och Allen Bondurant, Laura Oxtoby och Christopher Arp från Water and Environmental Research Center.
"Den arktiska uppvärmningen har förändrat hur floder fryser och har påverkat flodresor på landsbygden på vintern på grund av senare frysningar, öppna vattenzoner i mitten av vintern och tidigare uppbrott", skriver författarna.
Tidigare forskning av andra fokuserade på bara en eller två flodsträckor i Kanada och tempererade klimat i Litauen.
Engram och hennes UAF-kollegor använde syntetiska bländarradardata från 12 sträckor på åtta floder i Alaska för att skapa ett klassificeringssystem för flodis som kan användas på nordliga höga breddgrader från oktober till januari. Tidsperioden avslutas med januari eftersom flodanvändare vanligtvis har delat öppet vatten vid det laget. Älvisen blir också mer komplex senare på vintern. Andra SAR-baserade flodisklassificeringar fokuserar på våris under uppbrott.
"Detta kan anpassas och automatiseras för alla floder på nordlig latitud för att tillhandahålla aktuella kartor över öppna vattenzoner," sa Engram. "Den är inte designad bara för Alaska."
Syntetisk bländarradar kan penetrera moln och andra atmosfäriska förhållanden som dis, dimma och regn. Detta beror på att SAR verkar i mikrovågsdelen av det elektromagnetiska spektrumet, som har längre våglängder än synligt ljus.
SAR-teknik används i stor utsträckning för miljöövervakning, jordbruk, katastrofhantering och försvar.
Engram och teamet förfinade och validerade sin databehandling för att minska klassificeringarna till fyra:is, öppet vatten, mindre säker is och mindre säker öppet vatten. För att göra detta arbetade de med två typer av radardata:vertikal-vertikal och vertikal-horisontell.
För vertikal-vertikal har den elektromagnetiska vågen i både den sända och returnerade radarstrålen toppar och dalar, liknande havsvågornas uppgång och fall.
För vertikal-horisontell är den utsända elektromagnetiska vågen som havsvågorna, men vågen som återvänder från målobjektet är orienterad sida till sida, liknande hur en orm rör sig.
Det är viktigt eftersom de olika kombinationerna kan avslöja olika datafunktioner.
Data påverkas också av vinkeln med vilken själva radarstrålen riktas mot ett mål. Olika vinklar kan ge olika perspektiv och därför olika information.
Engram använde data från European Space Agencys Sentinel-1-satellit. Dessa data är arkiverade på UAF:s Alaska Satellite Facility.
Forskarna jämförde sedan SAR-data med flygfoton, synfältet för dussintals landbaserade kameror, flygfoton, observationer på isen och rapporter från samhällsmedlemmar som laddade upp observationer till observatörsportalen.
"Vi hade landbaserade kameror över hela staten, och de tog en bild av floden varje dag," sa Engram. "Och vi rådfrågade samhällen och frågade "Vad är viktigt för dig?"
Engram valde delar av åtta floder:Colville, Noatak, Tanana, Yukon, Kantishna, Innoko, Copper och Kuskokwim, listade här i fallande latitudordning.
Teamet valde platser med olika flodvolymer, bredder, kanaltyper och glacial silthalt. De valde också platser i både tundra och boreala skogar, såväl som med variationer i närliggande permafrostförhållanden.
"Med denna isklassificering försöker vi skilja mellan is och öppna hål i isen," sa Engram. "Många studier har gjorts, särskilt i Kanada, där man tittar på olika typer av is. Vi gjorde inte det. Vi gick bara på is mot öppet vatten."
Engram berömde Alaska Satellite Facility, som är värd för data.
"Vi har verkligen turen att forskare har tillgång till dessa data, inte bara vid University of Alaska Fairbanks, utan över hela världen," sa hon. "Alaska Satellite Facility har gjort SAR-data mycket mer användbar för alla typer av forskare. Du behöver inte vara en SAR-specialist."
Mer information: Melanie Engram et al., Detektering av öppna vattenzoner tidigt på vintern på floder i Alaska med dubbelpolariserad C-band Sentinel-1 syntetisk aperture radar (SAR), Remote Sensing of Environment (2024). DOI:10.1016/j.rse.2024.114096
Tillhandahålls av University of Alaska Fairbanks
