Mapping of Bottomfast Lake Ice in the Northwest Territories Via Data Mining of Synthetic Aperture Radar Image Time Series

Abstract

Changes in climate, warming temperatures and increased precipitation are impacting surface water resources in the Northwest Territories, Canada. Satellite remote sensing is an important tool to monitor variability in lake surface area, but monitoring depth is challenging. The distribution of bottomfast ice within a lake provides an indicator of depth and previous research shows that as lake ice develops and becomes bottomfast it exhibits a distinct signature when observed using multi-temporal Synthetic Aperture Radar (SAR) data. This research proposes an efficient computational technique for identifying bottom-fast ice across lakes in the Northwest Territories using multi-temporal SAR backscatter images and applies a function called dynamic time warping (DTW), which provides a shape-based similarity metric for time series data. We used backscatter profiles from surveyed lakes with known bottomfast ice to generate a DTW similarity metric on a pixel by pixel basis for a set of lakes. The similarity metric was used to categorize ice status as bottomfast or floating ice with 89.1% accuracy. DTW is an effective technique to map bottomfast ice using SAR time series and has potential to address limitations of other approaches where certain ice structures over deep lakes can produce backscatter responses similar to bottomfast ice.

RÉSUMÉ

Les changements climatiques, la hausse des températures et l’augmentation des précipitations ont un impact sur les eaux de surface dans les Territoires du Nord-Ouest au Canada. La télédétection par satellite offre un outil important pour surveiller la variabilité de la superficie des lacs, mais mesurer leur profondeur s’avère plus difficile. La répartition de la glace de fond dans les lacs fournit un indicateur de profondeur, et des recherches précédentes ont démontré que la transformation de la glace de surface en glace de fond présente une signature unique lors de l’analyse de données multi-temporelles obtenues par radar à synthèse d’ouverture (RSO). Cet article propose une technique efficace pour détecter la glace de fond dans les lacs à l’aide d’images multi-temporelles issues de la rétrodiffusion du signal RSO. La technique emploie une fonction nommée « dynamic time warping » (DTW) qui permet de mesurer la similarité de données de séries chronologiques en fonction de leur forme. Les profils de rétrodiffusion de lacs avec une présence connue de glace de fond ont été utilisés pour générer une mesure de similarité par DTW. Cette mesure de similarité a ensuite été utilisée pour départager la glace de fond de la glace de surface avec un degré de précision de 89.1%. DTW est une technique efficace pour cartographier la glace de fond à l’aide de séries chronologiques d’images RSO et pourrait possiblement offrir une solution aux problèmes rencontrés par d’autres approches lorsque des structures de glace à la surface de lacs profonds produisent de la rétrodiffusion semblable à celle produite par la glace de fond.

Acknowledgements

We are grateful to the three reviewers of the first draft of the manuscript whose thorough and thoughtful review supported the preparation of a significantly improved manuscript. We thank Dr. Joost van der Sanden (CCMEO, Natural Resources Canada) and Lyse Champagne (Canadian Space Agency) for their support in providing their insight and comments on this research. RADARSAT-2 Data and Products © MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. 2014. All Rights Reserved. RADARSAT is an official mark of the Canadian Space Agency.

Additional information

Funding

Funding for this research was provided by the Canadian Space Agency under the Earth Observation Application Development Program (EOADP) – contract number 9F043-120631/005/MTB.