Using Machine Learning to Classify Stratigraphic Layers of Snow According to the Snow Micro Pen Device

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The observation of snow cover by the staff of the Geographical Faculty of Moscow State University of the meteorological observatory has long been researched. This article describes the snow accumulation features and the snow cover's stratigraphy. The third cyclone arrived in Moscow on the night of December 14. There had been a large number of snowdrifts since the beginning of the snow accumulation, and the 49 cm mark was recorded at the MSU weather station. The difficulties of classifying layers in the snow column have been investigated by many glaciologists, something that is also considered in this paper. Machine learning methods were used to classify stratigraphic layers in the snow column according to measurements from the snow micro pen device. The ice crystal shapes within the snow column, resulting from metamorphism (rounded, faceted, thawed), exhibit variations in both density and parameters derived from the snow micro pen device data processing. Specifically, MPF(N) represents the average resistance force, SD(N) denotes its standard deviation, and cv signifies its covariance. This diversity allows for the categorization of processed device data and the incorporation of new measurement data without relying on direct manual drilling results. The obtained device data underwent thorough processing. Through comparison with data from direct snow stratigraphy surveys, the stratigraphic layers of the snow column were classified. Subsequently, utilizing the classified data of the device's stratigraphic layers, K-nearest neighbors clustering enabled the classification of new data obtained from the device without the need for additional manual surveys in the future.

References

  1. Frolov D.M., Seliverstov Y.G., Sokratov S.A., Koshurnikov A.V., Gagarin V.E., Nikolaeva E.S. Investigation of the Spatio-Temporal Heterogeneity of Snow Thickness at the Meteorological Site of the Lomonosov MSU in the Winter of 2022/2023 // Arctic and Antarctic. – 2023. – № 1. – P. 1-13. doi: 10.7256/2453-8922.2023.1.40448.2 EDN: PGRHXP URL: https://en.nbpublish.com/library_read_article.php?id=40448
  2. D.M. Frolov, G.A. Rzhanitsyn, S.A. Sokratov, et. al., Monitoring of seasonal variations in ground temperature at the observation site of Lomonosov MSU // E3S Web of Conferences 371, 03004 (2023). doi: 10.1051/e3sconf/202337103004
  3. Proksch M., Rutter N., Fierz Ch., Schneebeli M. Intercomparison of snow density measurements: bias, precision, and vertical resolution // The Cryosphere. 2016, 10(1), 371–384. https://doi.org/10.5194/tc-10-371-2016
  4. Sturm M., Holmgren J., Liston G.L. A seasonal snow cover classification system for local to global applications // Journ. of Climate. 1995, 8 (5 (Part 2)): 1261–1283. https://doi.org/10.1175/1520-0442(1995)0082.0.CO;2
  5. Fierz Ch., Armstrong R.L., Durand Y., Etchevers P., Greene E., McClung D.M., Nishimura K., Satyawali P.K., Sokratov S.A. The international classification for seasonal snow on the ground (UNESCO, IHP (International Hydrological Programme) // VII, Technical Documents in Hydrology, No 83; IACS (International Association of Cryospheric Sciences), 2009.
  6. Colbeck, S.: A review of the metamorphism and classification of seasonal snow cover crystals, IAHS Publication. 1987, 162, 3–24.
  7. Ménard, C. B., Essery, R., Barr, A., Bartlett, P., Derry, J., Dumont, M., Fierz, C., Kim, H., Kontu, A., Lejeune, Y., et al.: Meteorological and evaluation datasets for snow modelling at 10 reference sites: description of in situ and bias-corrected reanalysis data, Earth System Science Data. 2019. 11, 865–880.
  8. King, J., Howell, S., Brady, M., Toose, P., Derksen, C., Haas, C., and Beckers, J.: Local-scale variability of snow density on Arctic sea ice // The Cryosphere. 2020. 14, 4323–4339.
  9. Kaltenborn, J., Macfarlane, A. R., Clay, V., and Schneebeli. Pre-trained Models for SMP Classification and Segmentation. 2022. https://doi.org/10.5281/zenodo.7063521.
  10. Kaltenborn, J., Macfarlane, A. R., Clay, V., and Schneebeli. Automatic snow type classification of snow micropenetrometer profiles with machine learning algorithms // Geosci. Model Dev., 2023.16, 4521–4550, https://doi.org/10.5194/gmd-16-4521-2023.
  11. Nguyen, N. and Guo, Y.: Comparisons of sequence labeling algorithms and extensions. // Proceedings of the 24th international conference on Machine learning, 2007. P. 681–688.
  12. Lemaître, G., Nogueira, F., and Aridas, C. K. Imbalanced-learn: A python toolbox to tackle the curse of imbalanced datasets in machine learning // The Journal of Machine Learning Research. 2017. 18, 559–563. 2017.
  13. Schneebeli, M. and Johnson, J. B.: A constant-speed penetrometer for high-resolution snow stratigraphy // Annals of Glaciology. 1998. 26, 107–111.
  14. Löwe, H. and Van Herwijnen, A.: A Poisson shot noise model for micro-penetration of snow // Cold Regions Science and Technology. 2012. 70, 62–70.
  15. Johnson, J. B. and Schneebeli, M. Snow strength penetrometer. US Patent 5. 1998. 831, 161.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».