Synthetic aperture radar interferometry as a tool for monitoring the dynamics of peatland surface

Abstract

Sood on unikaalsed ökosüsteemid, kus turba ladestumise käigus seotakse pikaajaliselt süsinikku. Üleilmselt on soodes seotud süsiniku kogus, mis võrdub peaaegu poolega hetkel atmosfääris olevast. Tasakaalu süsiniku sidumise ja lendumise vahel mõjutab soodes kõige enam veetase, mistõttu veerežiimi muutudes võivad sood muutuda süsiniku talletajast kasvuhoonegaaside õhku paiskajaks. Tehisavaradar (SAR) on aktiivne mikrolainealas töötav kaugseiresüsteem, mille kasutamine võimaldaks turbaalade ülemaailmset seiret. SAR näeb läbi pilvede, katab korraga suure ala, on hea ruumilise lahutuse ja tiheda ajalise katvusega. Interferomeetriline SAR (InSAR) on uudne meetod, mis võimaldab mõõta maapinna kõrgusmuutusi, tuginedes radarisignaali pool läbitava teekonna pikkusete erinevusele kahest samast kohast, aga eri aegadel tehtud pildi vahel. Tulemuseks on kõrgusmuutuse pilt (interferogramm), kõrvalsaaduseks on koherentsuse pilt, mis kirjeldab võrreldavate piltide ruumimustrite sarnasust. Meetodi kitsaskohaks on suurte kõrgusmuutuste õigesti hindamine.

Töö eesmärk oli katsetada InSAR meetodi kasutusvõimaluse piire ja rakendada uusi teadmisi rabade seirel. Uurisin: 1) raba veetaseme mõju koherentsusele; 2) freesturba tootmisega kaasnevat pinna muutuse mõju koherentsusele; 3) InSAR meetodi usaldusväärsust raba pinna kõrguse muutuse hindamisel.

Tulemused näitavad, et koherentsustest on kasu soode veerežiimi uurimisel, kuid see ei sobi pinnase niiskuse otseseks mõõtmiseks. Koherentsust saab kasutada turba tootmise seireks, võttes arvesse SAR-ist ja turba tootmise protsessist tulenevaid piiranguid. Töös on visandatud seiremetoodika, mis võimaldab eristada aktiivseid turbatootmisalasid kasutuses välja jäänud aladest ja jälgida turba tootmise intensiivsust, edendamaks tõhusamat ressursikasutust. InSAR meetodil maapinna kõrguse mõõtmised tavapärase 5,6 sentimeetrise lainepikkuse juures ei ole rabas usaldusväärsed. Katsetatud InSAR meetodid ei suutnud kiiresti toimuvaid suuri kõrgusmuutusi õigesti hinnata. Sarnaselt varasematele uuringutele oleks selline viga jäänud avastamata, kui meil poleks võrdluseks olnud maapealseid kõrgusandmeid. Tõenäoliselt võiks soos maapinna kõrguse muutuse hindamiseks paremini sobida lähitulevikku planeeritud pikalainelised (24 cm) radarsatelliidi missioonid. Peatlands are significant in regard to climate change because peatlands may switch from being a net carbon sink to an emitter of greenhouse gases. The delicate carbon balance in peatlands is controlled by the peatland water table. Peatland soils contain globally nearly as much carbon as a half of what is currently in the atmosphere. Synthetic Aperture Radar (SAR) is an active microwave remote sensing system which has potential for global peatland monitoring. SAR can penetrate through clouds, covers simultaneously a vast area at high spatial resolution and has a short revisit cycle. Interferometric SAR (InSAR) is an emerging technique to measure surface height changes utilising the difference in the path length that the signal travels between SAR acquisitions of the same target from the same orbital position at different times. The resultant deformation image does not show the absolute change in the path length but the result is ambiguously wrapped in cycles corresponding to half of the signal wavelength, complicating estimation of larger changes. A co-product of InSAR processing is the coherence image, describing the similarity of the spatial patterns in the images.

The objective of my dissertation is testing the limits of InSAR and, built on it, improving peatland monitoring. It was studied: 1) coherence response to the water table in raised bogs; 2) coherence response to peat surface alteration caused by the milled peat production; 3) reliability of InSAR deformation estimates in open bogs.

Based on the results, coherence could be used as aid to understanding of hydrologic conditions in bogs but it is unsuitable for direct moisture retrieval. Coherence can be used to monitor peat extraction, considering intrinsic limitations posed by the SAR and the peat extraction process. The ambiguity problem makes displacement measurements at the conventional 5.6 cm wavelength unreliable in bogs. A solution could be the planned long wavelength (24 cm) SAR missions.