A method for estimating ice phenology of Finnish waterbodies using Sentinel-1 IW mode data and in-situ wind observations
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018-12-10
Department
Major/Subject
Mcode
ENG22
Degree programme
Master's Programme in Geoinformatics (GIS)
Language
en
Pages
91+5
Series
Abstract
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.Description
Supervisor
Rautiainen, MiinaThesis advisor
Metsämäki, SariKeywords
remote sensing, Sentinel-1, IW mode, lake ice phenology, SAR