OCS Study

MMS 2003-006

ENVIRONMENTAL SENSITIVITY INDEX SHORELINE CLASSIFICATION OF THE

ALASKAN BEAUFORT SEA AND CHUKCHI SEA

Prepared for:

Minerals Management Service

Alaska OCS Region

Anchorage, Alaska

Prepared by:

Research Planning, Inc.

1121 Park Street

Columbia, South Carolina

November 2002
i

DISCLAIMER

This report has been reviewed by the Minerals Management Service and approved for

publication. Approval does not signify that the contents necessarily reflect the views and

policies of the Service, nor does mention of trade names or commercial products constitute

endorsement or recommendation for use.
ii

ACKNOWLEDGEMENTS

This report was prepared under contract to the Minerals Management Service, Contract

No. 1435-01-00-RP-31072. Richard Newman was the MMS Contracting Officer’s Technical

Representative and facilitated all aspects of the work on this project. Lenny Coats, Computer

Specialist with the Information Technology Division, New Orleans, Louisiana, is acknowledged

for his assistance in reviewing the ESI data and loading the data into the Coastal and Offshore

Resource Information System (CORIS) database. CORIS is part of the MMS Corporate

Technical Information Management System (TIMS) database.

Jacqueline Michel of Research Planning, Inc. (RPI) was the overall Project Manager. At

RPI, Miles O. Hayes was responsible for editing of the shoreline classification and Mark White,

GIS Manager, was responsible for production of the digital shoreline classification data.

Jonathan Whitlock, Vermell Pyatt, and Jessica Diimmler digitized the shoreline data. Edward H.

Owens of Polaris Applied Sciences, Inc. was responsible for the initial shoreline classification

and production of the overflight video products.
iii

TABLE OF CONTENTS

1.0 INTRODUCTION..............................................................................................................1

2.0 SHORELINE CLASSIFICATION METHODS ................................................................1

3.0 PROJECT DELIVERABLES ............................................................................................6

3.1 ESI Digital Data.......................................................................................................6

3.2 Overflight Video ......................................................................................................7

4.0 REFERENCES CITED ....................................................................................................11

APPENDIX A: Aerial video flight lines for the Beaufort Sea videotapes

APPENDIX B: Aerial video flight lines for the Chukchi Sea videotapes
iv

LIST OF TABLES

Table 1 Environmental Sensitivity Index (ESI) shoreline classification used for the

Beaufort Sea and Chukchi Sea....................................................................................5

Table 2 Videotape log for the 11 tapes/DVDs for the Beaufort Sea mapping project ............8

Table 3 Videotape log for the 9 videotapes for the Chukchi Sea mapping project ...............10

LIST OF FIGURES

Figure 1 Areas of the Beaufort Sea and Chukchi Sea that were mapped using the

Environmental Sensitivity Index (ESI) shoreline classification .................................2
v

LIST OF ABBREVIATIONS

CD Compact Disk

CORIS Coastal and Offshore Resource Information System

DVD Digital Video Disk

ESI Environmental Sensitivity Index

GMT Greenwich Mean Time

GPS Global Positioning System

ITD Information Technology Division

MMS Minerals Management Service

MPEG Moving Picture Experts Group

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration

ROM Read Only Memory

RPI Research Planning, Inc.

TIMS Technical Information Management System

UTC Universal Time Coordinated

USGS U.S. Geological Survey
1

ENVIRONMENTAL SENSITIVITY INDEX SHORELINE CLASSIFICATION OF THE

ALASKAN BEAUFORT SEA AND CHUKCHI SEA

1.0 INTRODUCTION

The objectives of the project were:

1. Classify the shorelines of the Alaskan Beaufort Sea and Chukchi Sea using the

Environmental Sensitivity Index (ESI) classification scheme;

2. Create digital ESI data and incorporate the data into the Minerals Management

Service (MMS) Coastal and Offshore Resource Information System (CORIS)

database. CORIS is part of the MMS Corporate Technical Information

Management System (TIMS) database; and

3. Create video products from the aerial video imagery obtained during the

overflights.

The Beaufort Sea was mapped between the Colville River and Point Barrow in the west

and between the Canning River and the Canadian border to the east. The middle section of the

Beaufort Sea had recently (1994-1996) been mapped and the shoreline data were incorporated

into hardcopy ESI maps and digital data produced by the National Oceanic and Atmospheric

Administration (NOAA) in 1999. The Chukchi Sea was mapped from Point Barrow to Point

Hope. Figure 1 shows the shoreline mapped for each area. The shoreline classification methods

and final products are described in the following sections.

2.0 SHORELINE CLASSIFICATION METHODS

The shoreline classification was based on low-altitude aerial videotape surveys that were

conducted on 24-28 July 2001 for the Beaufort Sea and 28-29 July 2001 for the Chukchi Sea.

The field survey crew consisted of Ed Owens of Polaris Applied Sciences, Inc. and Doug Reimer

of Environmental Mapping Ltd. The survey method for the Beaufort Sea included:
Figure 1. Areas of the Alaskan Beaufort Sea and Chukchi Sea that were mapped using the ESI shoreline classif

that the segment between the Colville and Canning Rivers was previously digitized as part of the Nor

2
3

• Oblique videotape imagery of the North Slope was collected from a helicopter with

the window open or door removed to provide unrestricted views, at altitudes less than

100 m.

• Direct observations were recorded continuously on videotape (both picture and audio)

to document the physical shore-zone character.

• Geographical positions (latitude and longitude) were recorded on the video image and

simultaneously stored on the computer.

• “Ozi Explorer”, a commercial navigation and data collection software package,

provided real-time display of flight paths during the surveys and way-point

documentation (these data also were stored on the computer).

The imagery of the Chukchi Sea coast followed exactly the same procedures but was

obtained from a single-engine fixed high-wing aircraft. This type of aircraft cannot follow the

shoreline as closely as a helicopter; however, the majority of the Chukchi coast is a straight

shoreline so that the maneuverability provided by a helicopter was not necessary. This

maneuverability was a key element for the many sections of complex shoreline that typify much

of the North Slope. Barrier islands are common in both the North Slope and Chukchi Sea

regions, and so the flight lines covered both the outer coast and the mainland shoreline.

The data collection system used for the aerial video surveys is an integration of individual

components and software. The system was designed to provide a compact high-quality system

that could be easily transported and used in any aircraft of opportunity. The general hardware

components of the system are:

 Hi-8mm video camera for image collection and a safety backup video. The

camera, a Sony CCD-TRV43 330x Digital Zoom, has a large number of built-in

features that specifically include a 4.1 to 73.8 mm zoom lens, auto-exposure,

auto-focus, and image stabilization (“Steady Shot”).

 Digital video recorder for the main data collection of video imagery.

 Garmin GPS III+ for geographic location input to video system.

 Horita Converter that integrates the GPS and video data.
4

 Com A unit that integrates the aircraft intercom with the video recorder to record

the audio commentary (on two separate channels if required).

 Portable computer that provides moving map displays and records data.

The key element of the survey is the continuous audio commentary that records a

systematic description of shore-zone features, using the video image as a frame of reference.

The mapping of the shore-zone character is based almost exclusively on this commentary rather

than on the videotape image itself. This survey generated 9.3 hours of video footage for the

North Slope coast and 7.15 hours of footage for the Chukchi Sea coast.

The video was viewed to classify the shoreline types and mark the boundaries between

each shoreline segment onto 1:63,360 U.S. Geological Survey (USGS) topographic maps. For

the Beaufort Sea, the primary and secondary shoreline types were entered into a database that

was linked to the shoreline segment on each map. For the Chukchi Sea, the shoreline

classification was marked directly on the topographic maps. Table 1 shows the ESI shoreline

classification used for both mapped areas.

A digital shoreline for the two study areas was obtained from three sources: 1) 1:63,360

DLG data from the USGS published in 1999 (based on data from 1950-1997) was the primary

data source; 2) 1:63,360 scale data from the State of Alaska Department of Natural Resources

published in 1998; and 3) for a few areas for which no digital data were available, the shoreline

was digitized from hardcopy 1:63,360 scale USGS maps. The digital data include a source ID

that indicates which source was used for each shoreline segment.

The shoreline classification was digitized, following the NOAA ESI guidelines (Peterson

et al. 2002). Briefly, the hardcopy maps were scanned and the digital shoreline arcs were

updated with the ESI shoreline types. The shape and position of the digital shoreline was also

changed to reflect field observations noted on the field maps. After the information from the

field maps had been incorporated into the digital database, the now-ESI color-coded shoreline

was replotted at the same scale as the original base maps. The classified shoreline plots were
5

Table 1. Environmental Sensitivity Index (ESI) shoreline classification used for the Beaufort

Sea and Chukchi Sea.

ESI RANKING SHORELINE DESCRIPTION

1A Exposed rocky shores

1B Exposed, solid man-made structures

2A Exposed wave-cut platforms in bedrock,

mud, or clay

3A Fine- to medium-grained sand beaches

3C Tundra cliffs

4 Coarse-grained sand beaches

5 Mixed sand and gravel beaches

6A Gravel beaches

7 Exposed tidal flats

8A Sheltered scarps in bedrock, mud, or clay

8B Sheltered, solid man-made structures

8E Peat shorelines

9A Sheltered tidal flats

10A Salt- and brackish-water marshes

10E Inundated low-lying tundra

then compared by an experienced geologist to the original field-annotated base maps, and any

errors in shoreline attributes as recorded in the spatial database were corrected.
6

3.0 PROJECT DELIVERABLES

3.1 ESI Digital Data

Digital ESI shoreline data for the Beaufort Sea and the Chukchi Sea were developed from

1:63,360 USGS DLG data, 1:63,360 Alaska Department of Natural Resources digital shoreline

data, and heads-up digitization of 1:63,360 USGS topographic quadrangles. These digital data

sets were merged into a single data layer for the entire study area from the Canadian Border west

to Point Hope. The study area excludes a segment of shoreline along the Beaufort Sea from the

Canning River west to the Colville River. This shoreline segment, referred to as the North Slope

ESI on Figure 1, was mapped under a separate contract with NOAA and published with the

hardcopy and digital ESI atlas for the North Slope in 1999. The North Slope ESI data can be

imported into CORIS in their current format.

The Beaufort Sea and Chukchi Sea ESI shoreline data were developed for integration into

the TIMS CORIS database. To make these data compatible with CORIS, we followed the

NOAA ESI guidelines (Petersen et al. 2002), which have become an industry standard for the

development of ESI data sets. The vector arcs and complex polygons were updated with valid

attributes as specified in the guidelines. These data were subjected to a stringent, multi-stage

quality assurance process that included verification of attribute accuracy, checks for missing or

duplicate data, and topological consistencies. The horizontal positional accuracy of the ESI data

set reflects that of the pre-existing digital data sources used to develop the final data. The

1:63,360 USGS topographic quadrangles should conform to the National Map Accuracy

Standards at scales of 1:63,360. The minimum mapping unit of the actual shoreline segments is

estimated to 50 meters when mapping is conducted using 1:24,000 scale hardcopy field maps.

Field verification has shown that the absolute positional accuracy of breaks between shoreline

ESI types with a 95-percent error bound is approximately 58 meters (Petersen et al. 2002).

The Hydro data set, an additional deliverable not requested by MMS, was developed

from the same pre-existing digital data as the ESI and was subjected to the same multi-stage
7

quality assurance process. These data were developed following the NOAA ESI guidelines

(Petersen et al. 2002), making the data compatible with the CORIS database.

The ESI and Hydro data sets and metadata were forwarded to Lenny Coats, Computer

Specialist with MMS, Information Technology Division (ITD), for final review. The ITD was

able to successfully load the ESI and Hydro data sets into the TIMS Environmental CORIS

database.

The hardcopy field maps were also delivered to MMS for archiving and referral.

3.2 Overflight Video Products

The aerial video survey resulted in 11 production videotapes. The imagery for the

Beaufort Sea was produced as a set of 11 Movie DVD disks and 11 digital VHS tapes with a

flight log book in hardcopy and on CD. The field imagery was edited to add introductory titles

and transit breaks only; they were not edited for content. Table 2 shows the videotape logs for

the Beaufort Sea video products.

The videotape formats used for the survey were:

Original Camera Field Tapes - Digital Me (Clean image / safety field backup)

Original Recorder Field Tapes- Digital Me (Audio / GPS data)

Copy masters - Digital Me (Titles / computer edit files)

Production copies - VHS/SVHS

- Movie DVD disk

- MPEG 1 DVD-ROM digital files (2500 bits/sec)

- MPEG 2 DVD-ROM digital files (8000 bits/sec)
8

Table 2. Videotape log for the 11 tapes/DVDs for the Beaufort Sea mapping project.

Tape Date

Start *

(UTC

time)

End

(UTC

time)

Length General Location Original

Field Tape

1 July 28 16:48:34 17:09:23 22 min Barrow Spit and Plover

Islands (FW)

ARC01-14

2 July 24 22:02:29 22:59:54 58 min Barrow to Dease Inlet (H) ARC01-05

3 July 24 23:03:32 00:09:54 60 min Admiralty Bay (H) ARC01-06

4 July 24 00:12:01

fuel break

02:20:19

00:28:25

fuel break

02:03:47

62 min Dease Inlet to Smith River

(H)

ARC01-07

5 July 26 21:29:57 22:22:50 51 min Atigaru Point to Smith River

(FW)

ARC01-13

6 July 24 19:19:02 19:53:34 34 min Kogru River (H) ARC01-04

7 July 25 20:26:39 21:25:28 60 min Stains River to central

Camden Bay (H)

ARC01-08

8 July 25 21:29:02 22:07:22 35 min Central Camden Bay to

Barter Island (H)

ARC01-09

9 July 25 22:36:50 23:35:20 60 min Barter Island to Egfaksrak

River (H)

ARC01-10

10 July 25 23:36:58

00:18:32

00:12:56

00:43:06

60 min Egaksrak River to Canadian

Border

(transit)

Icy Reef Barrier

(Demarcation Bay to

Nuvagapak) (H)

ARC01-11

11 July 25 00:45:12

fuel Break

01:39:01

02:27:54

01:09:55

fuel Break

02:26:20

02:28:18

57 min Barrier Islands – Angus

Lagoon to Flaxman Island

(H) (multiple short breaks

between islands)

(Land)

Ground Check Flaxman

Island

ARC01-12

* The times are Universal Time Coordinated (UTC) times based on world GPS references to

Longitude zero. Local Alaska daylight times are contained in the data files and are UTC –8

hours.
9

The DVD disks provided for this project were recorded using the DVD+R/W format.

These disks are compatible with most recent DVD-ROM and DVD video Players. Some older

first-generation disk drives and players may not be able to read these disks as they misinterpret

the surface reflectivity layer. A complete and updated list of both DVD-ROM drives and DVD

Players that are compatible with the DVD+R/W format can be found at the following web site:

http://www.dvdplusrw.org/index.html.

Each videotape was digitized and transcoded into MPEG 2 for mastering to movie DVDs.

These disks can be played back on most standard desktop DVD players connected to a television

or video monitor. They can also be played on computers with DVD-ROM drives and

appropriate DVD decoding hardware and/or software programs. The digital video files are

interlaced North American Standard NTSC data streams. Playback on computer monitors will

result in slightly lower resolutions, as the individual video fields are de-interlaced for frame

playback

The video digital files were also provided in both MPEG 1 and MPEG 2 as raw digital

files for each tape. The MPEG 1 files are natively compatible with most current computer

multimedia players such as Microsoft Windows Media Player. The MPEG 2 format files that

were used for video DVD production will provide a higher resolution image but are not natively

compatible with Windows Media Player. A third party plug-in will be required to play these

files. A Windows Media Player plug-in codec for the MPEG 2 format used to encode these files

can be found at the following web site. LSX-MPEG Player (Windows Media Player add-on)

http://www.ligos.com.

Because of the high data rates required to play back digital video, a moderate to high end

computer system will be required for full resolution and smooth motion playback. Low end

Pentium or earlier systems may not be able to properly handle these files unless additional

hardware support is added.

Because of funding limitations, only VHS videotapes (not DVDs) were produced for the

Chukchi Sea area. Table 3 shows the flight logs for the 9 videotapes.
10

Table 3. Videotape log for the 9 tapes for the Chukchi Sea mapping project.

Tape Date

Start

(UTC

time)

End

(UTC

time)

Length General Location

Original

Field

Tape

1 July 28 00:17:33 00:45:27 26 min Cape Seppings to Point Hope ARC01-

18

2 July 29 16:27:51 17:25:32 58 min Point Hope to Kasegaluk Lagoon ARC01-

19

3 July 29 17:29:39 18:28:32 61 min Kasegaluk Lagoon (inner shoreline) ARC01-

20

4 July 29 20:35:01 21:36:12 62 min Kasegaluk Lagoon to Barrow ARC01-

22

5 July 28

July 24

16:48:32

22:02:29

16:53:02

22:12:44

5 min

12 min

Barrow to Plover Point

Barrow Airport to Tekegakruk Point

ARC01-

14

ARC01-

05

6 July 28 17:49:48

18:51:08

18:38:55

18:54:52

50 min

5 min

Peard Bay

(transit)

small river in west Kugrua Bay

ARC01-

15

7 July 28 19:05:25 19:59:38 54 min Kuk River Embayment ARC01-

16

8 July 29 19:26:44

20:07:43

19:44:22

20:26:08

17 min

19 min

Kungok River

(transit)

Avak Inlet

ARC01-

21

9 July 28 20:55:52 21:55:09 60 min Barrier Islands from Kilimantaui to

the south end of Kasegaluk Lagoon

ARC01-

17

Maps were also produced to show the aerial video flight lines for each individual tape

(Appendix A for the Beaufort Sea and Appendix B for the Chukchi Sea). They are for

presentation only. The map sets were created in ArcView using the GPS flight line logs. Each

line is actually made up of individual dots at 2-second intervals. The exact time and position of

each dot is included in the attached data files and can be referenced in ArcView or other

mapping programs as well as databases or spreadsheets. These times and positions are the same

as displayed at the bottom of the video image.
11

The times displayed on the map sheets are a subset of the logged times and are included

as a general reference for persons not able to access the digital log files. The times displayed are

Universal Time Coordinated (UTC) times based on world GPS references to Longitude zero.

This is the same as the old Greenwich Mean Time (GMT). Local Alaska daylight times are

contained in the data files (UTC-8 hours).

The maps used in this report were corrected to NAD83/WGS84 to match the GPS flightline data. It may appear in several areas that the flight lines do not match the shoreline,

especially along the barrier islands. The map base is generally compiled from 1955 aerial

photography with a few unverified corrections from late 1970’s and early 1980’s. The North

Slope is a very dynamic environment; eroding tundra and shifting sand barriers are common.

The flight lines represent the current shoreline position.

4.0 REFERENCES CITED

Petersen, J., J. Michel, S. Zengel, M. White, C. Lord, and C. Plank, 2002. Environmental

Sensitivity Index Guidelines, Version 3.0. Hazardous Materials Response Division, Office

of Response and Restoration, National Oceanic and Atmospheric Administration, Seattle,

Washington, NOAA Tech. Memo. NOS OR&R 11, 89 pp. + appendices.
A-1

APPENDIX A:

Aerial video flight lines for the Beaufort Sea videotapes
A-2

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Start Tape 2

Start Tape 1

16:48:36

16:49:06

16:49:26

16:49:54

16:50:32

16:51:06

16:51:32 16:51:52

16:52:14

16:52:52

16:53:26

16:53:44

16:54:18 16:55:00

16:55:24

16:54:36

22:02:57

22:03:45

22:04:33

22:05:43

22:07:13

22:07:47

22:08:45

22:09:37

22:10:17

22:11:21 22:12:48

22:13:30

22:14:00

22:15:16

22:16:54

22:18:52

22:20:06

22:20:56

22:22:16

22:25:44

22:33:49

22:31:53

22:35

22:17:18

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 1

5 0 5 10 Kilometers

5 0 5 Miles
A-3

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End Tape 2

Start Tape 3

End Tape 3

4

16:55:00

16:55:24 16:55:56

16:56:24

16:56:45

16:56:59

16:57:25

16:57:41

16:58:05

16:58:19

16:58:45

16:59:09

16:59:33

16:59:53 17:00:29

17:01:01

17:01:35

17:02:11

17:02:33 17:02:55

17:03:17

17:03:39

17:04:1

17:0

16:54:36

22:20:06

22:20:56

22:22:16

22:23:10

22:24:02

22:26:32

22:25:44 22:27:40

22:28:34

22:30:19

22:36:51

22:38:17

22:39:33

22:33:49

22:31:53

22:35:21

22:41:31

22:42:45

22:43:59

22:44:49

22:46:09

22:45:37

22:47:10

22:48:10

22:48:48

22:50:28

22:51:26

22:52:34

22:53:14

22:54:10

22:55:02

22:55:32

22:56:02

22:56:38

22:57:44

23:05:33

00:09:32

00:13:15

00:13:53

00:14

0

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 2

5 0 5 10 Kilometers

5 0 5 Miles
A-4

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North Slope Videotape Survey 2001

MAP 9
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Tape 11

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North Slope Videotape Survey 2001

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A-12

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Tape 11

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Tape 11

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51

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 11

5 0 5 Miles

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A-13

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01:48:34

01:49:40 Break Tape 11 01:50:40

Transit

Restart

Tape 11

Break

Tape 11

Start Tape 8

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 12

5 0 5 Miles

5 0 5 10 Kilometers
A-14

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Fuel Break

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Restart 

Tape 11

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01:43:07

01:44:17

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 13

5 0 5 Miles

5 0 5 10 Kilometers
A-15

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Transit

Restart

Tape 11

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01:01:53

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01:04:13

01:05:05

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 14

5 0 5 Miles

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A-16

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00:40:22

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End Tape 10

Start Tape 11

00:47:14

00:49:10

Transit

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 15

5 0 5 Miles

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A-17

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00:11:02

Stop @ 00:12:56

Transit to 

Demarcation Point

Restart Tape 10

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00:30:07

00:30:59

00:32:23

33

North Slope Videotape Survey 2001

MAP 16

5 0 5 Miles

5 0 5 10 Kilometers
B-1

APPENDIX B:

Aerial video flight lines for the Chukchi Sea videotapes
B-2

Chukchi Sea Videotape Survey 2001

MAP 1

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Start Tape 1

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00:34:24

00:36:22

10 0 10 20 Kilometers

5 0 5 10 15 Miles
B-3

Chukchi Sea Videotape Survey 2001

MAP 2

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End Tape 1

Start Tape 2

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16:49:00 16:50:2

10 0 10 20 Kilometers

5 0 5 10 15 Miles
B-4

Chukchi Sea Videotape Survey 2001

MAP 3

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00 16:50:24

16:52:04 16:52:38 16:54:21

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16:58:19

17:00:47 17:01:17

17:03:29

10 0 10 20 Kilometers

5 0 5 10 15 Miles
B-5

Chukchi Sea Videotape Survey 2001

MAP 4

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End Tape 9

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21:53:51

21:54:27

21:55:09

10 0 10 20 Kilometers

5 0 5 10 15 Miles
B-6

Chukchi Sea Videotape Survey 2001

MAP 5

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End Tape 6

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3:38

6

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19:32:35

19:39:10

19:42:15

19:43:34

Stop Tape 6

Transit to

west Kugra Bay

10 0 10 20 Kilometers

5 0 5 10 15 Miles
B-11

Chukchi Sea Videotape Survey 2001

MAP 10

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End Tape 4

Start Tape 5

Both Fixed Wing and

Helicopter Flights

Stop Tape 5

End Tape 5

21:16:47

21:18:57

21:19:49

21:20:54

21:21:30

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10 0 10 20 Kilometers

5 0 5 10 15 Miles