Using Synthetic Aperture Radar to Define Spring Breakup on the Kuparuk River, Northern Alaska

• Published in: ARCTIC
• Main Authors: Floyd, Angelica L., Prakash, Anupma, Meyer, Franz J., Gens, Rüdiger, Liljedahl, Anna
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Arctic Institute of North America 2014
• Subjects: breakup; SAR; radar; river ice; Kuparuk River; Alaska; remote sensing; Arctic; north slope
• Online Access: https://journalhosting.ucalgary.ca/index.php/arctic/article/view/67470

Spring runoff measurements of Arctic watersheds are challenging given the remote location and the often dangerous field conditions. This study combines remote sensing techniques and field measurements to evaluate the applicability of synthetic aperture radar (SAR) to defining spring breakup of the braided lower Kuparuk River, North Slope, Alaska. A statistical analysis was carried out on a time series (2001–10) of SAR images acquired from the European Remote-Sensing Satellite (ERS-2) and the Canadian RADARSAT satellite, as well as on measured runoff. On the basis of field information, the SAR images were separated into pre-breakup, breakup, and post-breakup periods. Three variables were analyzed for their suitability to bracket the river breakup period: image brightness, variance in brightness over the river length, and a sum of rank order change analysis. Variance in brightness was found to be the most reliable indicator. A combined use of that variance and sum of rank order change appeared promising when enough images were available. The temporal resolution of imagery served as the major limitation in constraining the timing of the hydrologic event. Challenges associated with spring runoff monitoring and the sensitive nature of SAR likely resulted in an earlier detection of surficial changes by the remote sensing technique compared to the field runoff observations. Given a sufficient temporal resolution, SAR imagery has the potential to improve the spatiotemporal monitoring of Arctic watersheds for river breakup investigations. La mesure de l’écoulement printanier des bassins hydrographiques de l’Arctique n’est pas facile à réaliser en raison de l’éloignement ainsi qu’en raison des conditions souvent dangereuses qui ont cours sur le terrain. Cette étude fait appel à des techniques de télédétection de même qu’aux mesures prises sur le terrain pour évaluer l’applicabilité du radar à synthèse d’ouverture SAR pour définir la débâcle printanière de la basse rivière Kuparuk anastomosée sur la North Slope de l’Alaska. L’analyse statistique d’une série temporelle (2001-2010) d’images SAR acquises à partir du satellite européen de télédétection (ERS-2) et du satellite canadien RADARSAT ainsi que des écoulements mesurés a été effectuée dans le cadre de cette étude. D’après les renseignements recueillis sur le terrain, les images SAR ont été divisées en fonction de la période précédant la débâcle, de la période de la débâcle même et de la période suivant la débâcle. Trois variables ont été analysées afin de déterminer si elles permettaient d’isoler la période de la débâcle de la rivière, soit la luminance de l’image, la variance de la luminance en fonction de la longueur de la rivière et la somme de l’analyse des changements de classement suivant le rang. La variance de la luminance s’est avérée l’indicateur le plus fiable. L’utilisation conjointe de cette variance et de la somme des changements de classement suivant le rang s’avéraient prometteuse lorsque le nombre d’images était suffisant. La résolution temporelle de l’imagerie a constitué la plus grande limitation pour contraindre la temporisation de l’événement hydrologique. Les défis liés à la surveillance de l’écoulement printanier et la nature sensible du SAR ont vraisemblablement donné lieu à la détection précoce des changements superficiels au moyen de la technique de télédétection comparativement aux observations mêmes de l’écoulement printanier. Moyennant une résolution temporelle suffisante, l’imagerie SAR pourrait permettre d’améliorer la surveillance spatiotemporelle des bassins hydrographiques de l’Arctique en vue de l’étude des débâcles printaniers.