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The Study of Fresh-Water Lake Ice Using Multiplexed Imaging Radar*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

M. Leonard Bryan
Affiliation:
Radar and Optics Division, Environmental Research Institute of Michigan, P.O. Box 618, Ann Arbor, Michigan 48107, U.S.A.
R. W. Larson
Affiliation:
Radar and Optics Division, Environmental Research Institute of Michigan, P.O. Box 618, Ann Arbor, Michigan 48107, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The study of ice in the upper Great Lakes, both from the operational and the scientific points of view, is receiving continued attention. Quantitative and qualitative field work is being conducted to provide the needed background for accurate interpretation of remotely sensed data. The data under discussion in this paper were obtained by a side-looking multiplexed airborne radar (SLAR) supplemented with ground-truth data.

Because of its ability to penetrate adverse weather, radar is an especially important instrument for monitoring ice in the upper Great Lakes. It has previously been shown that imaging radars can provide maps of ice cover in these areas. However, questions concerning both the nature of the surfaces reflecting radar energy and the interpretation of the radar imagery continually arise.

Our analysis of ice in Whitefish Bay (Lake Superior) indicates that the combination of the ice/water interlace and the ice/air interface is the major contributor to the radar backscatter as seen on the imagery. At these frequencies the ice has a very low relative dielectric permittivity (< 3.0) and a low loss tangent. Thus, this ice is somewhat transparent to the energy used by the imaging SLAR system. The ice types studied include newly formed black ice, pancake ice, and frozen and consolidated pack and brash ice.

Although ice thickness cannot be measured directly from the received signals, it is suspected that by combining the information pertaining to radar backscatter with data on the meteorological and sea-state history of the area, together with some basic ground truth, better estimates of the ice thickness may be provided. In addition, certain ice features (e.g. ridges, ice-foot formation, areas of brash ice) may be identified with reasonable confidence. There is a continued need for additional ground work to verify the validity of imaging radars for these types of interpretations.

Résumé

Résumé

L'étude de la glace des Grands Lacs supérieurs suscite un intérêt soutenu, à la fois do point de vue pratique et scientifìque. On poursuit sur le terrain des expériences tant quantitatives que qualitatives, pour fournir la base indispensable à une interprétation précise des données recueillies par télédétection. Les mesures dont il est question dans cet article ont été obtenues par un radar aérien multiplex, à fenêtre latéralle (SLAR). Ces données furent complétérs par des mesures au sol.

Le radar, du fait de sa capacité à travers les nuages, est un instrument particulièrement intéressant pour controler les glaces dans les Grands Lacs supérieurs. On a déjà montré précédemment que les radars à images pourraient fournir des cartes de la couverture de glace de ces régions. Cependant, il surgit continuellement des questions concernant, et la nature des surfaces réfléchissant l'énergie du radar et l'interprétation des images radar.

L'analyse de la glace de Whitefish Bay (Lac Supérieur) montre que la combinaison des interfaces glace/eau avee glace/air est la cause principale de la dispertion de l'énergie réfléchie constatée sur l'image radar. La glace a une très faible constante diélectrique (< 3,0) et un très faible angle de perte. Il en résulte que cette glace est quelque peu transparante vis à vis de l’énergie du radar SLAR. Les types de glaces étudiés comprennent des glaces noires de formation récente, des glace “pancake”, et des banquises de diverses formations (gel, blocs soudés, glace refondue).

Bien que l'épaisseur de la glace ne puisse être déduite directement des signaux radar, on espère que la combinaison des informations donnée par la dispersion à la réflection, l'histoire hydroligique el météorologique du lieu, et quelques données théoriques de base permettra de mieux estimer les épaisseurs de glace. En outre, certaines caractéristiques de la glace (par exemple arête des blocs, morceaux de glace, zones de glace fondante) peuvent être identifiées avec assez de sûreté. On a toujours besoin de mesures au sol pour vérifier la véracité des images radar, pour ce genre d'interprétation.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das Studium des Eises in den oberen Grossen Seen zieht immer mehr sowohl vom operationellen wie vom wissenschaftlichen Standpunkt aus das Interesse auf sich. Aus quantitativen wie auch qualitativen Feldbeobachtungen ergibt sich der erforderliche Hintergrund für eine zuverlässige Interpretation von Fernerkundungsdaten. Die Aufnahmedaten, die in dieser Arbeit diskutiert werden, wurden mit einem multifrequenten Seitwärts-Radarsystem (SLAR) gewonnen; Feldvergleichsdaten dienten zu ihrer Ergänzung.

Infolge seiner Wetterunabhängigkeit ist Radar ein besonders wichtiges Verfahren zur Überwachung des Eises in den oberen Grossen Seen. Schon früher wurde gezeigt, dass mit Bild-Radarsystemen Karten der Eisbedeekung in diesen Gebieten zu gewinnen sind. Doch treten ständig weitere Fragen sowohl über die Natur der Oberflächen, die die Radar-Energie reflektieren, wie zur Interpretation der Radarbilder auf.

Unsere Analyse des Eises in der Whitefish Bay (Lake Superior) ergab, dass die Kombination der Grenzfläche zwischen Eis und Wasser mit der zwischen Eis und Luft den Hauptanteil des auf den Bildern erscheinenden Radar-Echodaten. Das Eis besitzt eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante (< 3, 0) und eine niedrige Auslöschung. Deshalb ist dieses Eis bis zu einem gewissen Grade durchlässig für die von dem Bild-Radarsystem benutzte Energie. Die untersuchten Eistypen sind frisches, schwarzes Eis, “Pfannkuchen-Eis” sowie gefrorenes und verfestigtes Pack- und Trümmer-Eis.

Obwohl die Eisdicke nicht direkt aus den empfangenen Signalen ermittelt worden kann, so kann man doch aus der Kombination der Radar-Eenodaten mit meteorologischen, eisgenetischen und einigen grundlegenden weiteren Feldbeobachtungen in dem Gebiet bessere Abschätzungen für die Eisdicke erwarten Ausserdem lassen sich bestimmte Eiserscheinungen wie Rücken Wurzeln, Gebiete mit Trümmer-Eis, einigermassen zuverlässig identifizieren. Weitere Feldbeobachtungen zur Überprüfung der Aussagekraft von Radarbildern werden für diese Art von Interpretation ständig benötigt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
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Fig. 1.Block diagram of the ERIM four-channel microwave radar system.

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Fig. 2.Response of rough surfaces to radiation of two wavelengths.

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Fig. 3.Study area for radar interpretation of fresh-water ice.

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Fig. 4.Simultaneously obtained dual-frequency radar imagery of fresh-water ice in Whitefish Bay, Michigan, 13 March 1974.

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Fig. 5.Physical properties of ice cores from Whitefish Bay, Michigan, 13 March 1974.

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Fig. 6.Summary of microwave interaction with ice. (After Grant and others, 1973, p. 47.)

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Fig. 7.SLAR imagery of Whitefish Bay, Michigan.