Wetenschap
Nieuwe radaranalysemethode kan de rivierveiligheid in de winter verbeteren
Onderzoekers van de Universiteit van Alaska Fairbanks hebben een manier ontwikkeld om radar te gebruiken om open waterzones en andere veranderingen in de bevroren rivieren van Alaska in de vroege winter te detecteren. De aanpak kan worden geautomatiseerd om actuele gevarenkaarten te leveren en is toepasbaar in het Noordpoolgebied en subarctisch gebied.
Veel inwoners van Alaska, vooral in landelijke delen van de staat, gebruiken rivieren als ijssnelwegen in de winter om tussen gemeenschappen te reizen of voor recreatie, jacht en visserij. Open waterzones in rivierijs kunnen gevaarlijk zijn.
De nieuwe methode wordt gedetailleerd beschreven in een artikel dat op 13 maart is gepubliceerd in het tijdschrift Remote Sensing of Environment.
Teledetectiewetenschapper Melanie Engram van het Water and Environmental Research Center van het UAF Institute of Northern Engineering leidde het onderzoek.
Co-auteurs zijn onder meer Franz Meyer van het UAF Geophysical Institute; Dana Brown, Sarah Clement en Katie Spellman van het UAF International Arctic Research Center; en Allen Bondurant, Laura Oxtoby en Christopher Arp van het Water and Environmental Research Center.
"De opwarming van de Noordpool heeft de manier veranderd waarop rivieren bevriezen en heeft invloed gehad op het rivierverkeer op het platteland in de winter als gevolg van latere bevriezingen, open waterzones midden in de winter en eerdere breuken", schrijven de auteurs.
Eerder onderzoek door anderen richtte zich op slechts een of twee rivieren in Canada en de gematigde klimaten in Litouwen.
Engram en haar UAF-collega's gebruikten synthetische apertuurradargegevens van twaalf bereiken op acht rivieren in Alaska om een classificatiesysteem voor rivierijs te creëren dat van oktober tot januari op noordelijke hoge breedtegraden kan worden gebruikt. De periode eindigt met januari, omdat riviergebruikers tegen die tijd meestal open waterlocaties hebben gedeeld. Later in de winter wordt rivierijs ook complexer. Andere op SAR gebaseerde rivierijsclassificaties richten zich op lente-ijs tijdens het uiteenvallen.
"Dit kan worden aangepast en geautomatiseerd voor alle rivieren op de noordelijke breedtegraad om actuele kaarten voor open waterzones te verkrijgen", aldus Engram. "Het is niet alleen voor Alaska ontworpen."
Radar met synthetische apertuur kan door wolken en andere atmosferische omstandigheden heen dringen, zoals nevel, mist en regen. Dit komt omdat SAR actief is in het microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum, dat langere golflengten heeft dan zichtbaar licht.
SAR-technologie wordt veel gebruikt voor milieumonitoring, landbouw, rampenbeheer en defensie.
Engram en het team verfijnden en valideerden hun gegevensverwerking om de classificaties terug te brengen tot vier:ijs, open water, minder zeker ijs en minder zeker open water. Om dit te doen, werkten ze met twee soorten radargegevens:verticaal-verticaal en verticaal-horizontaal.
Voor verticaal-verticaal heeft de elektromagnetische golf van zowel de uitgezonden als de teruggekeerde radarbundel pieken en dalen, vergelijkbaar met de opkomst en ondergang van oceaangolven.
Voor verticaal-horizontaal is de uitgezonden elektromagnetische golf vergelijkbaar met de oceaangolven, maar de golf die terugkeert van het beoogde object is zijwaarts georiënteerd, vergelijkbaar met hoe een slang beweegt.
Dat is belangrijk omdat de verschillende combinaties verschillende gegevenskenmerken kunnen onthullen.
Gegevens worden ook beïnvloed door de hoek waaronder de radarstraal zelf op een doel is gericht. Verschillende invalshoeken kunnen verschillende perspectieven bieden en dus ook verschillende informatie.
Engram gebruikte gegevens van de Sentinel-1-satelliet van de European Space Agency. Deze gegevens worden gearchiveerd bij de Alaska Satellite Facility van het UAF.
De onderzoekers vergeleken vervolgens de SAR-gegevens met luchtfoto's, het gezichtsveld van tientallen camera's aan de wal, luchtfoto's, observaties op het ijs en rapporten van leden van de gemeenschap die observaties naar het waarnemersportaal hadden geüpload.
"We hadden overal in de staat camera's aan de wal en ze maakten elke dag een foto van de rivier", zei Engram. "En we hebben gemeenschappen geraadpleegd en gevraagd:'Wat is belangrijk voor jou?'"
Engram koos delen van acht rivieren:de Colville, Noatak, Tanana, Yukon, Kantishna, Innoko, Copper en Kuskokwim, hier vermeld in afnemende volgorde van breedtegraad.
Het team selecteerde locaties met verschillende riviervolumes, breedtes, kanaaltypes en gletsjerslibgehalte. Ze kozen ook locaties in zowel de toendra als het boreale bos, maar ook met variaties in de nabijgelegen permafrostomstandigheden.
"Met deze ijsclassificatie proberen we onderscheid te maken tussen ijs en open gaten in het ijs", zei Engram. "Er zijn veel onderzoeken gedaan, vooral in Canada, naar verschillende soorten ijs. Dat hebben we niet gedaan. We gingen gewoon van ijs versus open water."
Engram prees de Alaska Satellite Facility, die de gegevens host.
"We hebben het geluk dat wetenschappers toegang hebben tot die gegevens, niet alleen aan de Universiteit van Alaska Fairbanks, maar wereldwijd", zei ze. "De Alaska Satellite Facility heeft SAR-gegevens veel bruikbaarder gemaakt voor elk type wetenschapper. Je hoeft geen SAR-specialist te zijn."