Interpreting polygonal terrain network arrangements on Earth and Mars using spatial point patterns

Polygonal terrain is one of the most common landforms found throughout the periglacial environments of Earth and Mars. These networks of interconnected trough-like features form through a complex interaction of climatological and rheological processes and often signify the presence of ground ice deposits.Previous comparisons of morphological similarities amongst sites on both planets have typically relied upon qualitative techniques. In some cases, limited quantitative metrics have been utilized, but there remains no objective, repeatable method by which to compare terrestrial and Martian polygonal terrain.The overarching goal of this work is to assess the utility of a particular statistical method – Spatial Point Pattern Analysis (SPPA) – for analyzing polygonal network geometries at sites on Earth and Mars. Based around four sets of experimental results, the objectives addressed by this thesis are to:(i) demonstrate that SPPA is an effective means by which qualitative, observable variations in polygonal morphology can be quantified;(ii) examine the effects of different input data collection methods on the output of the statistical model;(iii) establish that the analytical results of SPPA as applied to polygonal terrain are rooted in terrestrial geomorphic theory, and;(iv) perform a case study in which SPPA is used to reconstruct the landscape history of a particular region of Mars.Our results show that SPPA successfully differentiates between the geometric patterns observed at various sites, simultaneously providing data pertaining to the cumulative distribution of trough segment lengths and the overall network arrangement. In providing guidelines for future applications of this technique, we demonstrate that SPPA results are the most reliable when using data derived from ground-based terrain surveys or GIS-based analysis of high-resolution (< 0.5m/pixel) satellite or aerial images. Moreover, extensive fieldwork in the Canadian High Arctic illustrates that the observed point pattern of a given site is linked to its substrate composition and relative stage of development. Finally, using the field results as an analogical source to inform the interpretation of Martian geomorphic processes, a landscape evolution model is proposed to explain the development of a poorly-understood landform (scalloped depressions) in the ice-rich terrains of the Martian northern latitudes.Les formes de terrain polygonales sont parmi les plus communes dans les environnements périglaciaires sur la Terre comme sur Mars. Ces réseaux de dépressions interconnectées sont issus d'interactions complexes entre des processus climatologiques et rhéologiques et indiquent souvent la présence de dépôts de glace souterraine.Les comparaisons précédentes sur les similarités morphologiques entre des sites à la surface des deux planètes ont souvent été basées sur des techniques qualitatives. Dans certains cas, quelques mesures quantitatives ont été utilisées, mais il n'y avait aucune méthode objective qui permettait de comparer les formes de terrain polygonales terrestres et martiennes.L'objectif général de cette recherche est d'évaluer l'utilité d'une méthode statistique particulière – l'analyse de patrons spatiaux ponctuels (APSP) – pour analyser la géométrie des réseaux polygonaux sur Terre et sur Mars. À partir de quatre séries de données expérimentales, les objectifs spécifiques de cette thèse sont:(i) de démontrer que l'APSP est une méthode efficace par laquelle les variations observées de façon qualitative dans la morphologie des polygons peuvent être quantifiées;(ii) d'examiner les effets de différentes méthodes de cueillette de données à l'entrée sur les résultats du modèle statistique;(iii) d'établir que les résultats analytiques de l'APSP appliqués à un terrain polygonal ont comme fondement théorique les concepts géomorphologiques terrestres;(iv) de réaliser une étude de cas qui utilise l'APSP afin de reconstruire l'histoire du paysage dans une région spécifique de Mars.Nos résultats indiquent que l'APSP permet de différencier avec succès les patrons géométriques observés à différents sites, tout en procurant des données pertinentes sur la distribution cumulative des longueurs de segments de dépression et sur l'agencement général de ces réseaux. En fournissant des directives pour les applications futures de cette technique, nous démontrons que les résultats de l'APSP sont les plus fiables lorsque les données proviennent de relevés de terrain au sol ou d'une analyse par SIG de données satellitaires ou d'imagerie aérienne de fine résolution (≤ 0.5m/pixel). De plus, une vaste campagne de terrain réalisée dans le Haut-Arctique canadien montre que le patron ponctuel observé en un site donné est lié à la composition du substrat ainsi qu'à son stade relatif de développement. Finalement, en utilisant les résultats de terrain comme une source analogue qui nous informe sur l'interprétation des processus géomorphologiques sur Mars, un modèle d'évolution du paysage est développé pour expliquer le développement de formes de terrain peu documentées (depressions festonnées) dans les zones riches en glace des latitudes nord de Mars