Quantifying vegetation change in drained thermokarst lake basins using remote sensing

Abstract

Arctic permafrost landscapes are in rapid transition and strongly affected by climate warming. Remote sensing methods can help for a better understanding and monitoring of those landcover changes. Common features of arctic permafrost landscapes are thermokarst lakes and drained lake basins. They play an important role for the geomorphological, hydrological and the ecological development of arctic landscapes. The change of habitat characteristics of arctic permafrost lowlands also effects the local biodiversity. Deepening our understanding of processes associated with drainage events and drained basins in the arctic environment is crucial for numerous applications (e.g., landscape models).The study area is located on the Yamal peninsula in Northern Russia, Siberia. The peninsula can be categorized into a discontinuous and continuous permafrost tundra region. Yamal is covered by different tundra vegetation communities, thaw lakes, wetlands and river floodplains. Drained lake basins differ between the regions in their frequency of occurrence and in their size. We selected several drained lake basins on the Yamal peninsula representing a North-South climatic gradient and different drained lake basin development stages. Some drained lake basins are close to infrastructure. Human activity on Yamal does comprise not only gas infrastructure projects but extensive reindeer herding serves as main traditional land use form.Drained lake basins and associated landscape dynamics such as changes in surface water area and vegetation cover can be monitored from space and described with different remote sensing indices. The different indices can be calculated from multiple satellite images on an annual and inter-annual level. In detail, the selected drained lake basins are evaluated at the peak of the growing season (between July 1. and August 31.) and inter-annual landcover dynamics from 2016 up to present. For this thesis multispectral imagery data was used, which was received from Sentinel-2 and Landsat-8 satellites. The derived data was used to calculate a range of different landcover metrics such as Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Tasseled Cap (TC) indices. The Tasseled Cap coefficients were adjusted to the corresponding satellite and the spectral indicators for brightness, greenness and wetness were calculated.The results were analysed by comparing the different sites, focusing on the connection of the studied parameters and site-specific factors (such as relative basin age, hydrological connectivity). In addition, comparisons are made to a landcover classifications devel-oped within the ESA DUE Globpermafrost and Permafrost cci projects which are based on fusion of Sentinel-1 and 2 data using machine learning. The results will advance the understanding of drained lakes greening and the corresponding change of flora and fauna and biodiversity.

Die arktischen Permafrostgebiete befinden sich in einem schnellen Wandel und sind stark von der Klimaveränderung betroffen. Methoden der Fernerkundung können dabei helfen, diese Landbedeckungsveränderungen besser zu verstehen und zu überwachen. Gemeinsame Merkmale arktischer Permafrostgebiete sind Thermokarstseen und verschwindene Seen. Sie spielen eine wichtige Rolle für die geomorphologische, hydrologische und ökologische Entwicklung arktischer Gebiete. Die Veränderung des Lebensraumes wirkt sich auch auf die lokale Artenvielfalt aus. Die Vertiefung unseres Verständnisses der Prozesse im Zusammenhang mit Entwässerungsereignissen und entwässerten Einzugsgebieten in der arktischen Umwelt ist für zahlreiche Anwendungen (z. B. Landschaftsmodelle) von entscheidender Bedeutung.Diese Arbeit fokusiert auf das Gebiet der Halbinsel Jamal im Norden Russlands, Sibirien. Jamal wird in eine diskontinuierliche und eine kontinuierliche Permafrost-Tundra-Region eingeteilt werden. Jamal ist von verschiedenen Tundra-Vegetationsgemeinschaften, Tauwasserseen, Feuchtgebieten und Flussauen bedeckt. Entwässerte Tauseebecken unterscheiden sich zwischen den Regionen in ihrer Häufigkeit und Größe. Für diese Arbeit wurden mehrere entwässerte Seebecken auf der Jamal-Halbinsel manuell ausgewählt. Dabei wurde ein Nord-Süd-Klimagradient und verschiedene Entwicklungsstadien der entwässerten Seebecken berücksichtigt. Einige trockengelegte Seebecken liegen in der Nähe von Infrastruktur. Menschliche Aktivitäten auf Jamal umfassen nicht nur Gasinfrastrukturprojekte, sondern auch die Rentierhaltung dient als wichtigste traditionelle Landnutzungsform.Entwässerte Seebecken und damit verbundene Landschaftsdynamiken wie Veränderungen der Oberflächenwasserfläche und der Vegetationsbedeckung können aus dem Weltraum überwacht und mit verschiedenen Fernerkundungsindizes beschrieben werden. Die Indizes können aus mehreren Satellitenbildern auf Jahres- und Zwischenjahresebene berechnet werden. Im Detail werden die ausgewählten entwässerten Seebecken auf dem Höhepunkt der Vegetationsperiode (zwischen dem 1. Juli und dem 31. August) und der zwischenjährlichen Landbedeckungsdynamik von 2016 bis heute bewertet. In dieser Arbeit werden multispektrale Bilddaten von Sentinel-2- und Landsat-8-Satelliten verwendet und eine Reihe verschiedener Landbedeckungsmetriken berechnet, wie z. B. den Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) und die Tasseled Cap (TC) - Indizes. Die TC Indizes wurden an den entsprechenden Satelliten angepasst und die spektralen Indikatoren für "Brightness", "Greenness" und "Wetness" berechnet.Die Ergebnisse wurden verglichen anhand der verschiedenen Standorte, wobei der Schwerpunkt auf standortspezifischen Faktoren (wie relatives Beckenalter, hydrologische Konnektivität) lag. Darüber hinaus wurden Vergleiche mit Landbedeckungsklassifizierungen durchgeführt, die im Rahmen der ESA-Projekte DUE Globbermafrost und Permafrost cci entwickelt wurden und auf der Fusion von Sentinel-1- und 2-Daten mithilfe maschinellen Lernens basieren. Diese Ergebnisse sollen helfen das Verständnis der Begrünung entwässerter Seen und der damit verbundenen Veränderung von Flora und Fauna und der einhergehenden Änderung von Biodiversität vorantreiben.