Quantifying and relating land-surface and subsurface variability in permafrost environments using LiDAR and surface geophysical datasets (Englisch)

in Hydrogeology Journal ; 21 , 1 ; 149-169
Hydrogeology Journal
Springer-Verlag , Berlin/Heidelberg; 2012

Abstract

The value of remote sensing and surface geophysical data for characterizing the spatial variability and relationships between land-surface and subsurface properties was explored in an Alaska (USA) coastal plain ecosystem. At this site, a nested suite of measurements was collected within a region where the land surface was dominated by polygons, including: LiDAR data; ground-penetrating radar, electromagnetic, and electrical-resistance tomography data; active-layer depth, soil temperature, soil-moisture content, soil texture, soil carbon and nitrogen content; and pore-fluid cations. LiDAR data were used to extract geomorphic metrics, which potentially indicate drainage potential. Geophysical data were used to characterize active-layer depth, soil-moisture content, and permafrost variability. Cluster analysis of the LiDAR and geophysical attributes revealed the presence of three spatial zones, which had unique distributions of geomorphic, hydrological, thermal, and geochemical properties. The correspondence between the LiDAR-based geomorphic zonation and the geophysics-based active-layer and permafrost zonation highlights the significant linkage between these ecosystem compartments. This study suggests the potential of combining LiDAR and surface geophysical measurements for providing high-resolution information about land-surface and subsurface properties as well as their spatial variations and linkages, all of which are important for quantifying terrestrial-ecosystem evolution and feedbacks to climate.

Resumé

La portée de la télédétection et des données géophysique de surface pour caractériser la variabilité spatiale et les relations entre la surface du terrain et les propriétés de la subsurface a été étudiée sous tous ses aspects dans l’écosystème de la plaine côtière d’Alaska (USA). Dans cette région, sur un site où la surface du sol est dominée par des polygones, une série de données se recoupant a été collectée, incluant : données LiDAR; géoradar, tomographie électromagnétique et résistivité; profondeur de la couche aquifère, température, teneur en humidité, texture, teneur en carbone et en azote du sol; et cations du fluide des pores. Les données Lidar ont été utilisées pour établir les cotes géomorphiques, qui peuvent indiquer un drainage potentiel. Des données géophysiques ont été utilisées pour déterminer la profondeur de la couche aquifère, la teneur en humidité du sol, et la variabilité du pergélisol. L’analyse par agglomérat des données LiDAR et des attributs géophysiques ont révélé la présence de trois zones spatiales ayant une distribution similaire des propriétés géomorphiques, hydrogéologiques, thermales et géochimiques. La correspondance entre la zonation géomorphique basée sur LiDAR, la couche aquifère selon la géophysique et la zonation permafrost, met en lumière la relation significative entre ces compartiments de l’écosystème. Cette étude montre le potentiel d’une combinaison des mesures LiDAR et des mesures géophysiques de surface pour fournir une information haute résolution sur les propriétés de surface et de subsurface du sol aussi bien que sur leur variations spatiales et liens, toutes étant importantes pour quantifier l’évolution de l’écosystème terrestre et les réponses au climat.

Resumen

Se exploró el valor de los sensores remotos y de los datos geofísicos de superficie para caracterizar la variabilidad espacial y las relaciones entre la superficie y las propiedades subsuperficiales en un ecosistema de planicie costera en Alaska (EEUU). En este sitio, un conjunto anidado de medidas fue colectado dentro de una región donde la superficie estaba dominada por polígonos, incluyendo: datos LiDAR; datos de radar, electromagnéticos, y tomografías de resistividad eléctrica; profundidad de la capa activa, temperatura del suelo, contenido de humedad del suelo, textura del suelo, contenido de carbono y nitrógeno en suelo; y cationes del fluido de poros. Los datos LiDAR fueron usados para extraer los indicadores geomórficos, que posiblemente indican un drenaje potencial. Los datos geofísicos fueron para caracterizar la profundidad de la capa activa, el contenido de humedad del suelo y la variabilidad del permafrost. En análisis de cluster de los LiDAR y los atributos geofísicos revelaron la presencia espacial de tres zonas, que tenían una única distribución de propiedades geomórficas, hidrológicas, térmicas y geoquímicas. La correspondencia entre la zonación geomórfica basada en LiDAR y la capa activa basada en geofísica y la zonación del permafrost destaca la vinculación significativa entre estos compartimentos del ecosistema. Este estudio sugiere el potencial de la combinación LiDAR y las mediciones geofísicas de superficie para proveer información de alta resolución acerca de las propiedades de la superficie y de la subsuperficie así como su variación espacial y su articulación, todos los cuales son importantes para cuantificar la evolución del ecosistema terrestre y las reacciones con el clima.

摘要

用来描述地表和地下性质的空间变异性和两者之间的关系的遥感和地面地球物理数据已在阿拉斯加(美国)的一个沿海平原生态系统进行了探讨。在本次研究场地的一个表面呈多边形的区域收集到了一套测量数据,包括激光雷达数据;探地雷达数据,电磁和电阻断层扫描数据;活性层深度,土壤温度,土壤水气含量,土壤质地,土壤碳和氮的含量;以及孔隙流体阳离子数据。激光雷达数据用来提取地貌指标,这可能指示出潜在的排泄。地球物理数据用来刻画活性层的深度,土壤水气含量和永久冻土的变化特征。通过对激光雷达和地球物理数据属性的聚类分析发现了三个在地形,水文,热和地球化学性质分布上存在异常的空间区域。基于激光雷达测量的地貌分区与基于地球物理数据的活性层和永久冻土分区之间的对应关系突出了这些生态系统分区间的紧密联系。本次研究表明可以通过结合激光雷达和地表地球物理测量来为地表和地下的性质以及它们在空间上的变化和关系提供高分辨率的信息,所有这些对于量化陆地生态系统的演化和对气候变化的反应都是非常重要的。

Resumo

Num ecossistema da planície costeira do Alaska (EUA) foi explorado o valor da deteção remota e de dados de geofísica de superfície para caracterizar a variabilidade espacial e as relações entre propriedades da superfície do terreno e da subsuperfície. Neste local, inserido numa região onde o terreno superficial é dominado por polígonos, foi recolhido um conjunto agregado de medições, incluindo: dados de LiDAR; dados de geoadar, eletromagnéticos e de tomografia de resistência elétrica; profundidade da camada ativa, temperatura do solo, teor de água no solo, textura do solo, teor de carbono e azoto no solo; e catiões no fluido poroso. Os dados LiDAR foram usados para extrair dimensões geomórficas que potencialmente indicam o potencial de drenagem. Os dados geofísicos foram usados para caracterizar a profundidade da camada ativa, o teor de humidade no solo e a variabilidade no permafrost. A análise grupal de atributos LiDAR e geofísicos revelou a presença de três zonas espaciais que tinham distribuições únicas de propriedades geomórficas, hidrológicas, térmicas e geoquímicas. A correspondência entre o zonamento geomórfico baseado no LiDAR e a zonação da camada activa baseada na geofísica e do permafrost, demonstra a significativa conexão entre estes compartimentos do ecossistema. Este estudo sugere o potencial da combinação de medições de LiDAR e de geofísica de superfície para fornecer informação de alta resolução acerca das propriedades da superfície do terreno e da subsuperfície, assim como sobre as variações espaciais e conexões, sendo todas elas importantes para a quantificação da evolução do ecossistema terrestre e as retroações com o clima.

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1
Preface: Hydrogeology of cold regions
Hinzman, Larry D. / Destouni, Georgia / Woo, Ming-ko | 2013
5
Permafrost and groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau and in northeast China
Cheng, Guodong / Jin, Huijun | 2012
25
Review: Groundwater in Alaska (USA)
Callegary, J. B. / Kikuchi, C. P. / Koch, J. C. / Lilly, M. R. / Leake, S. A. | 2013
41
Regional groundwater flow in an area mapped as continuous permafrost, NE Alaska (USA)
Kane, Douglas L. / Yoshikawa, Kenji / McNamara, James P. | 2012
53
Hydrogeological processes in seasonally frozen northern latitudes: understanding, gaps and challenges
Ireson, A. M. / van der Kamp, G. / Ferguson, G. / Nachshon, U. / Wheater, H. S. | 2012
67
Inferring groundwater contributions and pathways to streamflow during snowmelt over multiple years in a discontinuous permafrost subarctic environment (Yukon, Canada)
Carey, Sean K. / Boucher, Jessica L. / Duarte, Celina M. | 2012
79
Noble gas and isotope geochemistry in western Canadian Arctic watersheds: tracing groundwater recharge in permafrost terrain
Utting, Nicholas / Lauriol, Bernard / Mochnacz, Neil / Aeschbach-Hertig, Werner / Clark, Ian | 2012
93
Rapid runoff via shallow throughflow and deeper preferential flow in a boreal catchment underlain by frozen silt (Alaska, USA)
Koch, J. C. / Ewing, S. A. / Striegl, R. / McKnight, D. M. | 2012
107
Simulation of subsurface heat and water dynamics, and runoff generation in mountainous permafrost conditions, in the Upper Kolyma River basin, Russia
Semenova, Olga / Lebedeva, Liudmila / Vinogradov, Yury | 2013
121
Using streamflow characteristics to explore permafrost thawing in northern Swedish catchments
Sjöberg, Ylva / Frampton, Andrew / Lyon, Steve W. | 2012
133
Spatial and seasonal variability of polygonal tundra water balance: Lena River Delta, northern Siberia (Russia)
Helbig, Manuel / Boike, Julia / Langer, Moritz / Schreiber, Peter / Runkle, Benjamin R. K. / Kutzbach, Lars | 2013
149
Quantifying and relating land-surface and subsurface variability in permafrost environments using LiDAR and surface geophysical datasets
Hubbard, S. S. / Gangodagamage, C. / Dafflon, B. / Wainwright, H. / Peterson, J. / Gusmeroli, A. / Ulrich, C. / Wu, Y. / Wilson, C. / Rowland, J. et al. | 2012
171
Shallow groundwater systems in a polar desert, McMurdo Dry Valleys, Antarctica
Gooseff, Michael N. / Barrett, John E. / Levy, Joseph S. | 2013
185
Sensitivity analysis of lake mass balance in discontinuous permafrost: the example of disappearing Twelvemile Lake, Yukon Flats, Alaska (USA)
Jepsen, S. M. / Voss, C. I. / Walvoord, M. A. / Rose, J. R. / Minsley, B. J. / Smith, B. D. | 2012
201
The active-layer hydrology of a peat plateau with thawing permafrost (Scotty Creek, Canada)
Quinton, W. L. / Baltzer, J. L. | 2012
221
Modeling challenges for predicting hydrologic response to degrading permafrost
Painter, S. L. / Moulton, J. D. / Wilson, C. J. | 2012
225
Exchange and pathways of deep and shallow groundwater in different climate and permafrost conditions using the Forsmark site, Sweden, as an example catchment
Bosson, Emma / Selroos, Jan-Olof / Stigsson, Martin / Gustafsson, Lars-Göran / Destouni, Georgia | 2012
239
Modeling of groundwater flow at depth in crystalline rock beneath a moving ice-sheet margin, exemplified by the Fennoscandian Shield, Sweden
Vidstrand, Patrik / Follin, Sven / Selroos, Jan-Olof / Näslund, Jens-Ove / Rhén, Ingvar | 2012
257
Impact of permafrost development on groundwater flow patterns: a numerical study considering freezing cycles on a two-dimensional vertical cut through a generic river-plain system
Grenier, Christophe / Régnier, Damien / Mouche, Emmanuel / Benabderrahmane, Hakim / Costard, François / Davy, Philippe | 2012
271
Permafrost degradation and subsurface-flow changes caused by surface warming trends
Frampton, Andrew / Painter, Scott L. / Destouni, Georgia | 2012
281
Impacts of climate, lake size, and supra- and sub-permafrost groundwater flow on lake-talik evolution, Yukon Flats, Alaska (USA)
Wellman, Tristan P. / Voss, Clifford I. / Walvoord, Michelle A. | 2013
299
Permafrost thaw in a nested groundwater-flow system
McKenzie, Jeffrey M. / Voss, Clifford I. | 2013

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