Determination of Thawed/Frozen State of the Soils of Yakutia by Sentinel 1 RADAR Data Natalia V. Rodionova Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics, Fryazino Branch, Russian Academy of Sciences, Russia Abstract. The paper deals with the identification of thawed/frozen soils in the topsoil layer for stations in Yakutia: Tiksi, Verkhoyansk, Tomtor (Oymyakon) and Yakutsk by using Sentinel 1B C-band radar data for the period of 2017-2018. Determination of the frozen/thawed soil state is carried out in three ways: 1) by multi-temporal radar data on the basis of a significant in 3-5 dB difference in the backscatter coefficient in the transition of freezing/thawing soil state, 2) by finding the threshold value of the backscatter coefficient at which the temperature in the topsoil layer falls below 00C, 3) by texture features. Keywords: C-band radar data; backscattering coefficient; air temperature; soil freez- ing/thawing state; Spearman’s correlation coefficient Copyright © 2019 for this paper by its authors. Use permitted under Creative Commons License Attribution 4.0 Interna- tional (CC BY 4.0). ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТАЛОГО/МЕРЗЛОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ ЯКУТИИ ПО РАДАР- НЫМ ДАННЫМ SENTINEL 1 Родионова Н.В. Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязино Рассматривается вопрос об идентификации талых/мерзлых почв в приповерхностном слое в районе метеостанций Тикси, Верхоянска, Томтора (Оймякона) и Якутска с широ- той места от 620 до 710 с.ш. по радарным данным Sentinel 1В С-диапазона с поляризаци- ями VV и VH за период 2017-2018 годов. Определение состояния мерзлой/талой почвы осуществляется тремя способами: 1) по многовременным радарным данным на основе значительного на 3-5 дБ перепада значений коэффициента обратного рассеяния (КОР) при переходе к состоянию замерзания/оттаивания почвы, 2) по нахождению порогового значения  порог 0 , при котором температура в верхнем слое почвы опускается ниже 00С, 3) по текстурным признакам. Ключевые слова: радарные данные С-диапазона, коэффициент обратного рассеяния, температура воздуха, талое/мерзлое состояние почвы, коэффициент корреляции Спир- мена. Введение. Дистанционный радарный мониторинг приповерхностного слоя мерзлых почв Арктических регионов России стал доступен на постоянной основе с запуском аппара- тов Sentinel 1, осуществляющих радиолокационную съемку в С-диапазоне длин волн с пери- одом в 12 дней с разрешением 10 м. Исследование мерзлых почв, как правило, связано с наземными измерениями глубины протаивания. Дистанционный мониторинг важен прежде всего из-за обширности масштаба распространения вечной мерзлоты на территории России и ограниченной доступности территорий. Однако, возможности радарной съемки ограничены из-за проникновения волны в мерзлую почву лишь на несколько см. Радар различает мерз- лую почву по изменению содержания в ней жидкой воды, и, соответственно, по изменению диэлектрической проницаемости (ДП) почвы [1-3]. Несколько работ посвящены использова- нию Sentinel 1 для идентификации мерзлых почв [4-6]. Целью данной работы является определение на основе многовременных радарных дан- ных Sentinel 1 талых/мерзлых почв на территории Якутии, которая является самым холод- ным обитаемым регионом в Северном полушарии Земли. Исходные радарные данные Sentinel 1B. В работе использованы находящиеся в от- крытом доступе Sentinel 1B (S1) радарные данные С-диапазона IW (interferometric wide swath) моды с поляризацией VV и VH и пространственным разрешением 10 м. Работа с изображениями S1 осуществлялась с помощью программы S1Toolbox и позднее SNAP [7]. Съемку исследуемых территорий России выполняли аппараты Sentinel 1A и Sentinel 1B, пер- вый из них с апреля 2015 года по сентябрь 2016 года, второй - с конца сентября 2016 года. Предварительная обработка данных включала в себя выделение фрагмента с исследуе- мой областью и радиометрическую калибровку. В таблице приведены данные для каждого исследуемого места по числу обработанных сеансов съемки, углу обзора, временному периоду съемки и количеству точек при усредне- нии КОР по профилю. Таблица. Информация об использованных радарных данных Sentinel 1B Число обработан- Количество Название станции и Угол ных сеансов съем- Период съемки точек в про- координаты обзора ки филе Тикси 39 40,50 19.2.2017–14.6.2018 ~20 71.70 с.ш., 128.90 в.д. Верхоянск 29 430 21.10.2017-4.10.2018 ~15 67.5470с.ш., 133.4270в.д. Томтор (Оймякон) 25 370 10.10.2017-25.7.2018 ~15 63.2640с.ш., 143.210в.д. Якутск 39 35,30 21.2.2017-16.6.2018 ~15 62.013 с.ш., 129.6570в.д. 0 Районы исследования. Среди 4 районов исследования в Якутии 3 города относятся к самым холодным городам России: Верхоянск, Оймякон, Якутск. Тикси. Тикси- поселок городского типа, центр Булунского района республики Саха- Якутия находится за полярным кругом, к востоку от устья Лены на берегу одноименной бух- ты в Море Лаптевых. Координаты метеостанции аэропорта Тикси (WMO 21824) 71041.85’ с.ш., 1280 54.18’ в.д. Бухта Тикси окружена невысокими щебнистыми безлесными холмами, даже ку- старника здесь почти нет. Климат суровый, арктический. Морозы немного смягчает море, средняя температура января −37.30С, июля и августа— всего +7.60С и +7.70С, соответствен- но. Абсолютный минимум температуры в Тикси −50.50С. Самая большая возможная высота снежного покрова составляет 99 см. Апрель в Тикси имеет самую низкую среднемесячную температуру в России, составлявшую в 2006 году −27.60С. На рисунке 1 показаны спутнико- вое изображение Тикси, температура воздуха в Тикси за период 19.2.2017 – 14.6.2018 по данным rp5.ru, радарное изображение района аэропорта Тикси и линия профиля, вдоль кото- рого вычислялось среднее значение коэффициента обратного рассеяния (КОР) (координаты средней точки профиля 71.70150 с.ш. и 128.92050 в.д.) и графики изменения КОР двух поля- ризаций. Значения температуры воздуха взяты на момент съемки территории радаром S1. КОР, дБ Тикси -12 19.2.17 19.3.17 19.4.17 19.5.17 19.6.17 19.7.17 19.8.17 19.9.17 19.10.17 19.11.17 19.12.17 19.1.18 19.2.18 19.3.18 19.4.18 19.5.18 -14 -16 -18 -20 -22 -24 -26 VV VH Рис. 1. Бухта с поселком Тикси и аэропортом с точкой расчета прогноза погоды, температура воздуха в Тикси, радарное изображение с профилем (красная линия), среднее значение КОР по профилю. Верхоянск. Верхоя́нск— город в Верхоянском улусе Якутии, на правом берегу реки Яна, в 92 км к юго-западу от административного центра улуса — Батагая. Это самый север- ный город Якутии и один из самых маленьких населённых пунктов в России, имеющих ста- тус города. Суровый климат, отсутствие осадков привели к тому, что в городе живет 1122 человека (2018 год). Это граница субарктического и умеренного поясов. Климат характери- зуется коротким, сухим и теплым летом, и зимой со средней температурой -400. Верхо- янск — одно из самых холодных мест на Земле, самый холодный город в мире. Самая низкая температура −67,7 C была зарегистрирована здесь в феврале 1892 года. Верхоянск часто называют Полюсом холода северного полушария. На рисунке 2 показаны спутниковое изоб- ражение Верхоянска, температура воздуха за период 21.10.2017 – 4.10.2018 по данным rp5.ru, положение профиля на радарном изображении для определения среднего значения КОР. Ко- ординаты средней точки на профиле 67.54680 с.ш. и 133.4270 в.д. Рис. 2. Верхоянск на google map, температура воздуха, радарное изображение с профилем (красная линия), среднее значение коэффициента обратного рассеяния по профилю. Томтор (Оймякон). Хотя официально статус Полюса холода отдан Верхоянску, но право о статусе самого холодного места северного полушария оспаривается Оймяконом (- 65,4 °C ). Численность населения села Оймякон 500 человек. Оймякон находится во впадине и со всех сторон защищен горами, задерживающими выход тяжелого холодного воздуха. Здесь резко континентальный климат. Среднемесячная температура января -610С. Село Том- тор с метеостанцией (координаты 63.263820 с.ш., 143.2104620 в.д.) находится в 30 км на юго- восток от Оймякона. В двух км от Томтора находится аэропорт. Населения здесь в 2 раза больше, чем в Оймяконе. На рисунке 3 показаны спутниковое изображение Томтора, темпе- ратура воздуха за период 10.10.2017 – 25.7.2018 по данным rp5.ru, положение профиля на ра- дарном изображении вблизи аэропорта с координатами средней точки 63.24540 с.ш., 143.17540 в.д. и графики среднего значения КОР по профилю за исследуемый период. Рис. 3. Спутниковый снимок Томтора, температура воздуха по данным rp5.ru, РЛИ за 25.7.2018 VV поляризации и графики КОР за период 10.10.2017-25.7.2018. Якутск. Якутск-столица республики Саха. Самый крупный из городов, расположенных в зоне вечной мерзлоты. Город расположен в равнинной местности, в долине Туймаада на левом берегу реки Лены. Находится несколько севернее параллели 62 градуса северной ши- роты. Климат города —резко континентальный. Среднегодовая температура — −8,8 C. Зима в Якутске исключительно сурова, средняя температура января составляет около −40 C. Самая низкая зафиксированная температура -640С. Для лета характерно небольшое количество осадков и часто сильная жара до +400. Годовая амплитуда Т0 Якутска— одна из наибольших на планете, примерно равна годовой амплитуде «полюсов холода»— Оймякона и Верхоян- ска, и превышает 100 C (102,8 C). Здесь располагается CALM площадка R42 с координатами 62.0133060с.ш., 129.6569910 в.д. [8]. Ландшафт – луг, почва сухая – супесь, песок. Глубина протаивания составляет 185 – 215 см. На рисунке 4 показаны спутниковое изображение Якутска, температура воздуха за период 21.2.2017 – 16.6.2018, положение профиля на радар- ном изображении для определения среднего значения КОР и изменение значений КОР за ис- следуемый период времени. Рис. 4. Якутск, температура воздуха, РЛИ с линией профиля и графики изменения КОР. Коэффициент корреляции Спирмена между температурой воздуха и КОР для Тикси ра- вен  S =0.21 (р=0.1) для VV поляризации (слабая корреляции) и  S =0.69 (р<0.01) для VH поляризации. Для Верхоянска  S =0.68 (р<0.01)- VV и  S =0.67 (р<0.01) - VН поляризация. Для Томтора  S =0.77 (р<0.01) - VV и  S =0.76 (р<0.01) - VH поляризация. Для Якутска  S =0.198 (р=0.113) - VV и  S =0.34 (р=0.017) - VH поляризация. На кросс поляризации корре- ляция выше или близка к корреляции на согласованной поляризации. Определение состояния талой/мерзлой почвы по многовременным радарным дан- ным. Сигнал радара от поверхности преимущественно зависит от диэлектрической проница- емости почвы, которая напрямую связана с содержанием в ней воды и льда, кроме того, на КОР влияют шероховатость поверхности и растительный покров . Глубина проникновения  ' э/м волны в почву определяется по формуле p  , где  - длина э/м волны,    'i '' - 2   ' ' диэлектрическая проницаемость почвы. Для Sentinel 1 длина волны равна 5.4 см. В случае мерзлой почвы (МП) с  '  5.5 и 0.1   ''  0.5 получаем глубину проникновения э/м волны в почву 4  p  20 см. С помощью радара дистанционно можно определить состояние только приповерхностного слоя почвы, которое меняется при падении температуры почвы ниже 00С с переходом воды в почве от жидкого к мерзлому состоянию. Данный процесс приводит к скачку значения ДП почвы и, соответственно, скачку в значениях КОР. Использование многовременных радарных данных. Используя многовременную по- следовательность радарных данных, построим графики разности значений КОР по абсолют- ной величине между соседними датами радарной съемки. Это позволит выявить скачки зна- чений КОР, и, следовательно, даты начала процессов замерзания/оттаивания почвы. Кроме того, по значениям скачков КОР можно оценить изменения значений ДП почвы, используя формулу Dubois et al. [9], которая связывает КОР согласованной поляризации с параметрами почвы (реальной частью ДП почвы и шероховатостью поверхности). На рис. 5 показаны гра- фики разности значений  0 по абсолютной величине в дБ для соседних дат съемки тестовых участков Тикси (а), Верхоянска (б) и Якутска (в), где по максимумам  0 определяем даты начала замерзания и оттаивания почвы. Следует обратить внимание, что перепады  0 для кросс –поляризации превышают значения перепадов для согласованной поляризации, что свидетельствует о большей чувствительности VH поляризации к мерзлым почвам. дБ VV VH 4 оттаивание 3 2 1 0 21.2.17 21.3.17 21.4.17 21.5.17 21.6.17 21.7.17 21.8.17 21.9.17 21.1.18 21.2.18 21.3.18 21.4.18 21.5.18 21.10.17 21.11.17 21.12.17 (а) (б) (в) Рис. 5. Разность значений  0 в дБ для соседних дат радарной съемки в районах исследования Тикси (а), Верхоянска (б) и Якутска (в). Использование фактора состояния поверхности. В работе [10] предложено опреде- лять состояние поверхности почвы через фактор состояния поверхности (СПФ), определяе- 1  0 (t )   лето 0 мый по радарным данным: СПФ=  , где  лет 0 о и  зим а - средние значения КОР 0 2  лето   зима 0 0 летом и зимой в дБ,  (t ) - текущее значение КОР, t –время. Авторы [10] утверждают, что 0 сезонные вариации СПФ сильно коррелируют с сезонными вариациями температуры почвы, принимая отрицательные значения при температуре почвы ниже 0 0С. Тогда 5-см верхний слой почвы можно классифицировать как замерзший, если значение СПФ, измеренное рада- ром, становится отрицательным. На рисунке 6 показаны графики СПФ для Тикси и Верхоян- ска. Рис. 6. Изменение СПФ для Тикси и Верхоянска. Назовем значение  (t ) , при котором СПФ=0, пороговым значением  порог 0 0 . Тогда условие  0 <  порог 0 определяет мерзлую почву, а условие  0 ≥  порог 0 -талую почву. Для Тикси получаем  порог 0 =-15,6 дБ для VV поляризации и  порог 0 =-22,8 дБ для VH поляризации. Для Верхоянска  порог 0 =-15,1 дБ для VV и  порог 0 =-22,1 дБ для VH поляризации. В работе [5] при- ведена регрессия для зависимости  порог 0 от широты места. Для Тикси и Верхоянска также прослеживается такая зависимость. Используя пороговые значения  порог 0 , построим локальные карты изменения мест та- лой и мерзлой почвы в районе аэропорта Тикси для дат 7.6.2017 и 19.6.2017 – оттаивание, и 11.9.2017 и 23.9.2017 – замерзание. Полученные изображения показаны на рисунке 7. Синий цвет - значения  0 <  порог 0 (мерзлая почва), желтый цвет – значения  0 ≥  порог 0 (талая почва). Отмечаем значительное уменьшение площади мерзлой почвы на изображении за 19.06.2017 при оттаивании и, соответственно, увеличение площади мерзлой почвы на изображении за 23.9.2017 при замерзании. 7/6/2017 оттаивание 19/6/2017 11/9/2017 замерзание 23/9/2017 Рис. 7. Тикси, даты съемки 7.06.2017 и 19.06.2017 (период оттаивания почвы), и даты съемки 11.09.2017 и 23.09.2017 (период замерзания почвы). Синий цвет - значения  0 <  порог 0 (мерзлая поч- ва), желтый цвет – значения  0 >  порог 0 (талая почва). Пороговое значение  порог 0 , как отмечено в [10] и получено в работе [5] для Аляски, за- висит от широты места, уменьшаясь при увеличении широты. Аналогичная зависимость есть и для значений КОР. На рис. 8 приведены графики изменения среднего значения КОР VV и VH поляризаций за период с октября 2017 по июнь 2018 года для Якутска, Томтора, Верхо- янска и Тикси в порядке возрастания широты места с коэффициентом детерминации регрес- сии 0.9 для кросс-поляризации и 0.8 для согласованной поляризации. Рис. 8. Изменение КОР VV и VH поляризаций с широтой места. Использование текстурных признаков. Текстурные признаки Харалика [11] позволя- ют осуществить интерпретацию изображений, выделяя области с перепадом высот, гладкие поверхности. В работе [4] подробно описывается применение текстурных признаков для определения состояния мерзлой/талой почвы и приведены локальные карты мест та- лой/мерзлой почвы, где индикатором служит текстурный признак ‘обратный момент’, значе- ние которого растет в местах с замершей почвой. Заключение. В работе показаны некоторые возможности получения информации о со- стоянии мерзлой почвы в ряде мест Якутии по радарной съемке с помощью РСА Sentinel 1. По перепадам КОР возможно определить время начала замерзания/оттаивания почвы. По ве- личинам перепадов КОР оценить величины перепадов значений ДП почвы в процессе замер- зания/оттаивания почвы. По фактору состояния поверхности почвы можно получить порого- вое значение КОР, позволяющее построить локальные карты мест талой/мерзлой почвы. ЛИТЕРАТУРА [1]. Khaldoune J., Van Bochove E., Bernier M., Nolin M.C. Mapping agricultural frozen soil on the water- shed scale using remote sensing data// Appl. Environment Soil Sci. 2011. Article ID 193237. P. 1-16. DOI: 10.1155/2011/193237. [2]. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive: Vol. 1. Funda- mentals and Radiometry. Artech House, Dedham, Mass, USA, 1982. [3]. Hallikainen M.T., Ulaby F.T., Dobson M.C., El-Rayes M.A., Wu L.K. Microwave dielectric behavior of wet soil- part 1: empirical models and experimental observations// IEEE Trans. GRS. 1985. 23(1). P. 25-34. [4]. Родионова Н.В. Анализ радарных данных Sentinel 1 для идентификации талых и мерзлых почв в районе Анадыря (Чукотка) и Белой Горы (Якутия)// ИЗК. 2019. №1. C. 29-37. DOI: https://doi.org/10.31857/S0205-96142019129-37. [5]. Родионова Н.В. Обратное рассеяние от приповерхностного слоя талых/мерзлых почв Аляски по радарным данным Sentinel 1// РЭНСИТ. 2019. T. 11. №1. C. 21-30. [6]. Baghdadi N., Bazzi H., El Hajj M., Zribi M. Detection of frozen soil using Sentinel-1 SAR da- ta//Remote Sens. 2018. 10. 1182; doi: 10.3390/rs10081182. [7]. https://sentinel.esa.int/web/sentinel/toolboxes/sentinel-1. [8]. https://www2.gwu.edu/~calm/data.north.html. [9]. Dubois P.C., van Zyl J.J., Engman T. Measuring soil moisture with imaging radars // IEEE Trans. GRS. 1995. 33(4). P. 916-926. [10]. Mironov V.L., Muzalevsky K.V. Spaceborne radar monitoring of soil freezing/thawing processes in the arctic tundra// Russian Physics Journal. 2013. 55(8). (Russian Original №. 8. August, 2012). [11]. Haralick R.M. Statistical and structural approaches to texture// Proc. IEEE. 1979. 67(5). P. 786-804.