Monitoring temperate glaciers: combined use of multi-date TerraSAR-X images and continous GPS measurements

International audienceThis paper highlights the contribution of TerraSAR-X (TSX) High Resolution (HR) images for temperate glacier monitoring. A series of 14 images have been acquired since October 2007 on the Mont-Blanc test area. This area involves well-known temperate glaciers which have been monitored and instrumented ("stick" for annual displacement/ablation, GPS, cavitometer for basal displacement...) for more than 50 years. The combined use of in-situ measurements and multi-temporal images allows to improve the potential of HR SAR measurements. Interpretation of HR images, investigation of interferometric and correlation methods, and the first glacier displacement results are presented

Processing of optic and radar images.Application in satellite remote sensing of snow, ice and glaciers

Ce document présente une synthèse de mes activités de recherche depuis la soutenance de ma thèse en 1999. L'activité rapportée ici est celle d'un ingénieur de recherche, et donc s'est déroulée en parallèle d'une activité ``technique'' comprenant des taches d'instrumentation en laboratoire, d'instrumentation de plateformes en montagne, de raids scientifiques sur les calottes polaires, d'élaboration de projets scientifiques, d'organisation d'équipes ou d'ordre administratif. Je suis Ingénieur de recherche CNRS depuis 2004 affecté au laboratoire Gipsa-lab, une unité mixte de recherche du CNRS, de Grenoble-INP, de l'université Joseph Fourier et de l'université Stendhal. Ce laboratoire (d'environ 400 personnes), conventionné avec l'INRIA, l'Observatoire de Grenoble et l'université Pierre Mendès France, est pluridisciplinaire et développe des recherches fondamentales et finalisées sur les signaux et les systèmes complexes.}Lors de la préparation de ma thèse (mi-temps 1995-99) au LGGE, je me suis intéressé au traitement des images de microstructures de la neige, du névé et de la glace. C'est assez naturellement que j'ai rejoint le laboratoire LIS devenu Gipsa-lab pour y développer des activités de traitement des images Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) appliqué aux milieux naturels neige, glace et glaciers. Etant le premier à générer un interférogramme différentiel des glaciers des Alpes, j'ai continué à travailler sur la phase interférométrique pour extraire des informations de déplacement et valider ces méthodes sur le glacier d'Argentière (massif du Mont-Blanc) qui présente l'énorme avantage de se déplacer de quelques centimètres par jour. Ces activités m'ont amené à développer, en collaboration avec les laboratoires LISTIC, LTCI et IETR, des méthodes plus générales pour extraire des informations dans les images RSO.Ma formation initiale en électronique, puis de doctorat en physique m'ont amené à mettre à profit mes connaissances en traitement d'images et des signaux, en électromagnétisme, en calcul numérique, en informatique et en physique de la neige et de la glace pour étudier les problèmes de traitement des images RSO appliqués à la glace, aux glaciers et à la neige

L'érosion dans les environnements glaciaires (exemple du Glacier des Bossons (Massif du Mont-Blanc, Haute-Savoie, France))

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but de mieux définir et quantifier lesprocessus d érosion actuels en domaine glaciaire et proglaciaire. Le Glacier des Bossons,situé dans le massif du Mont-Blanc (Haute-Savoie, France), est un bon exemple de systèmenaturel non anthropisé permettant d étudier cette thématique. Il repose sur deux lithologiesprincipales (le granite du Mont-Blanc et le socle métamorphique) et cette singularitépermettra de déterminer l origine des sédiments glaciaires. Afin de comprendre lesmécanismes d érosion mécanique et de transport particulaires en domaine glaciaire, lessédiments ont été prélevés à la surface du glacier, sous le glacier et dans les torrents sousglaciaires.L étude des distributions granulométriques et des provenances des sédiments a étéeffectuée par une analyse lithologique à macro-échelle (à l oeil nu) et géochimique à microéchelle(datation U-Pb sur zircons). Elles ont permis de préciser les caractéristiques del érosion et du transport glaciaire. (1) la charge supra-glaciaire issue de l érosion des versantsrocheux est essentiellement composée de sédiments grossiers et ne se mélange pas ou peu à lacharge sous-glaciaire, excepté au niveau de la langue terminale ; (2) les vitesses d érosionsous-glaciaire ne sont pas homogènes, l érosion sous la glace tempérée (0,4-0,8mm.an-1) estau moins seize fois supérieure à celle sous la glace froide (0,025-0,05mm.an-1) ; (3) lessédiments sous-glaciaires contiennent une fraction silteuse et sableuse résultant des processusd abrasion et de crushing qui est évacuée par les torrents sous-glaciaires. L acquisition hauterésolutiontemporelle de données hydro-sédimentaires durant la saison de fonte entre le 5 Maiet le 17 Septembre 2010 a permis de définir le comportement saisonnier des fluxhydrologiques et sédimentaires. La majeure partie des flux détritiques est concentrée sur lasaison de fonte, et une quantification de la quantité de sédiments exportés par le torrent desBossons complétée par une mesure régulière de l évolution de la topographie du systèmefluvio-glaciaire permet d effectuer un bilan global de l érosion des domaines glaciaires etproglaciaires. Au cours de l année 2010, près de 3000 tonnes de sédiments ont été érodés dont430 tonnes se sont déposeés sur le plan des eaux. Grâce à une analyse de l évolution desconcentrations de matières en suspension en entrée et en sortie de la plaine alluviale fluvioglaciairedu torrent des Bossons, les composantes glaciaires et non-glaciaires de l érosion ontpu être découplées. L érosion des moraines dénudées encadrant le plan des eaux au cours desévénements orageux est responsable au minimum de 59% du flux de sédiments transporté parle torrent des Bossons, l érosion glaciaire (41% du flux) est donc relativement moins efficace.L évolution à long terme des systèmes glaciaires en période de réchauffement climatiquemontrerait donc une érosion soutenue des environnements proglaciaires (versants et moraines)récemment libéré des glaces et de ce fait une intensification des flux détritiques. Le glacierdes Bossons protège le sommet du Mont-Blanc, l érosion différentielle entre les zones sous laglace et non-glaciaires pourrait mener à un accroissement de la différence d altitude entre lesvallées et les sommets.The study presented in this PhD memory aim at better define and quantify the present timeerosion processes in glacial and proglacial domain. The Glacier des Bossons, situated in theMont-Blanc massif (Haute-Savoie, France), is a good example of a natural and nonanthropizedsystem which allows us to study this topic. This glacier lies on two mainlithologies (the Mont-Blanc granite and the metamorphic bedrock) and this peculiarity is usedto determine the origin of the glacial sediments. The sediments were sampled at the glaciersurface and at the glacier sole and also in the subglacial streams in order to understand themechanisms of mechanical erosion and particle transportation in glacial domain. The study ofthe granulometric distribution and the origin of the sediments were performed by a lithologicanalysis at macro-scale (naked-eye) and a geochemical analysis at micro-scale (U-Pb datingof zircons). These analyses allowed specifying the characteristics of glacial erosion andtransport. (1) the supraglacial sediments derived from the erosion of the rocky valley sides aremainly coarse and the glacial transport does not mix these clasts with those derived from thesub-glacial erosion, except in the lower tongue; (2) the sub-glacial erosion rates areinhomogeneous, erosion under the temperate glacier (0,4-0,8mm.an-1) is at least sixteen timesmore efficient than the erosion under the cold glacier (0,025-0,05mm.an-1); (3) the sub-glacialsediments contain a silty and sandy fraction, resulting from processes of abrasion andcrushing, which is evacuated by sub-glacial streams. The high-resolution temporal acquisitionof hydro-sedimentary data during the 2010 melt season, between the May 5th and theSeptember 17th, allowed defining the seasonal behavior of the hydrologic and sedimentaryfluxes. The sediment exportation occurs mainly during the melt season therefore, quantify thesediment fluxes in the Bossons stream and measure regularly the topographic evolution of thefluvio-glacial system allows to perform a sedimentary balance of the erosion of glacial andnon-glacial domains. During the year 2010, about 3000 tons of sediments were eroded with430 tons settled on the fluvio-glacial system. By analyzing the evolution of suspendedparticulate matter concentrations in the Bossons stream upstream and downstream the fluvioglacialsystem, the part of glacial erosion and non-glacial denudation in the sedimentarybalance could be proportioned. The erosion during the stormy events of the uncoveredmoraines, confining the fluvio-glacial system of the Bossons stream, furnishes at least 59% ofthe sediments exported by the Bossons stream and glacial erosion (41 % of the flux) istherefore less efficient comparatively. The long-term evolution of the glacial systems inperiod of global warming would show a sustained erosion of proglacial environments(mountain sides and moraines) recently exposed and therefore an increasing of the detritalfluxes. The Glacier des Bossons protects the summit of the Mont-Blanc, the differentialerosion between zones under the ice and non-glacial could lead to an increase of thedifference of altitude between valleys and summits.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Study of the speckle noise effects over the eigen decomposition of polarimetric SAR data: a review

This paper is focused on considering the effects of speckle noise on the eigen decomposition of the co- herency matrix. Based on a perturbation analysis of the matrix, it is possible to obtain an analytical expression for the mean value of the eigenvalues and the eigenvectors, as well as for the Entropy, the Anisotroopy and the dif- ferent a angles. The analytical expressions are compared against simulated polarimetric SAR data, demonstrating the correctness of the different expressions.Peer ReviewedPostprint (published version

Rock glaciers

Rock glaciers, a key element of alpine mountain geomorphic systems, consist of coarse surface debris that insulates an ice-core or ice-debris mixture. Rates of movement of active rock glaciers vary from 1 to more than 100 cm yr–1. Rock glaciers exist in all major mountain ranges where permafrost occurs but are more common in dryer climates with high talus accumulation rates. New geospatial techniques, high-resolution data sources, and improved technology will contribute to a better understanding of these landforms. This chapter provides an in-depth summary of important research findings pertaining to rock glaciers and offers insight to future research.Preprin

Spatial variability of aircraft-measured surface energy fluxes in permafrost landscapes

Arctic ecosystems are undergoing a very rapid change due to global warming and their response to climate change has important implications for the global energy budget. Therefore, it is crucial to understand how energy fluxes in the Arctic will respond to any changes in climate related parameters. However, attribution of these responses is challenging because measured fluxes are the sum of multiple processes that respond differently to environmental factors. Here, we present the potential of environmental response functions for quantitatively linking energy flux observations over high latitude permafrost wetlands to environmental drivers in the flux footprints. We used the research aircraft POLAR 5 equipped with a turbulence probe and fast temperature and humidity sensors to measure turbulent energy fluxes along flight tracks across the Alaskan North Slope with the aim to extrapolate the airborne eddy covariance flux measurements from their specific footprint to the entire North Slope. After thorough data pre-processing, wavelet transforms are used to improve spatial discretization of flux observations in order to relate them to biophysically relevant surface properties in the flux footprint. Boosted regression trees are then employed to extract and quantify the functional relationships between the energy fluxes and environmental drivers. Finally, the resulting environmental response functions are used to extrapolate the sensible heat and water vapor exchange over spatio-temporally explicit grids of the Alaskan North Slope. Additionally, simulations from the Weather Research and Forecasting (WRF) model were used to explore the dynamics of the atmospheric boundary layer and to examine results of our extrapolation

Images et modèles 3D en milieux naturels

Ce numéro 12 de la Collection EDYTEM est à l'image des précédents : un espace ouvert d'expression dédié au croisement de regards scientifiques. L'accent est ici mis sur les méthodes dédiées aux représentations 3D des milieux naturels afin d'en extraire les données nécessaires aux recherches aussi bien en géosciences, en sciences de l'environnement, qu'en sciences humaines et sociales. Ce numéro recueille plus de vingt articles consacrés à l'imagerie et à la modélisation 3D. Ce volume s'ouvre par quatre articles qui posent les concepts, les méthodes et les outils de la lasergrammétrie et de la photogrammétrie. Les articles suivants constituent autant d'exemples d'application. Un tiers de ceux-ci sont issus des recherches menées par des collègues qui participent à l'école thématique. Les deux autres tiers concernent les travaux que mène le laboratoire EDYTEM en montagne (glaciers, parois, torrents...) et en milieu souterrain naturel

A novel approach to estimate glacier mass balance in the Tien Shan and Pamir based on transient snowline observations

Glaciers are recognised as an excellent proxy for climate change and their centennial massloss has accelerated during the past decades. The Central Asian mountain ranges Tien Shan and Pamir host over 25,000 glaciers that have been observed to respond heterogeneous to climate change. Glacier changes in the region have very important consequences on the water availability for the densely populated lowlands. Despite the significance and severity that climate change exerts on the Central Asian water towers, the glacier response is still poorly understood, hampering sound interpretations and predictions of future threats and opportunities. A significant data gap in the field measurement series from the mid-1990s to around 2010, limits the analysis of long-term trends. Despite the recent efforts to re-established the historical cryospheric monitoring network, continuous long-term glacier mass balance time series remain sparse for Central Asia. Thus, improved temporal and spatial coverage of glacier monitoring is essential. Remote sensing techniques are a powerful tool to study a large number of remotely located and unmeasured glaciers and provide a possibility to partly bridge the aforementioned deficit in data availability. However, the coarse temporal resolution of geodetic mass balance assessments is not suitable to improve the understanding of ongoing processes. This accentuates the indispensable need for improved and extended annual to seasonal observations of mass change of inaccessible and remote glaciers on a cost and labour effective basis as well as for a more elaborated and enhanced, process-orientated methodology. This work provides a combination of detailed in situ measurements and remote sensing based glacier mass change observation from local to regional scale. A multi-level strategy is applied to complement data from long-term glaciological surveys and remote sensing (snowline observations and geodetic mass balance measurements) with numerical modelling to obtain information at high temporal and spatial resolution for individual glaciers. Through modelling constrained with transient snowlines, annual mass balance time series for a large amount of glaciers located in the Tien Shan and Pamir were made available. Such mass balance estimates provide valuable baseline data for climate change assessments, runoff projection, hazard evaluation and enhance process understanding. A better understanding of the regional annual variability of glacier response to climate change in the Pamir and Tien Shan became possible based on the outcome of this thesis. In the presented thesis the results are discussed in detail, the weaknesses and strengths of the developed methodology are unfolded and the relevant perspective and future research outlined.Gletscher sind ausgezeichnete Indikatoren für den Klimawandel. Ihr langjähriger Massen- verlust hat sich in den letzten Jahrzehnten weltweit akzentuiert. Die zentralasiatischen Bergketten Tien Shan und Pamir beherbergen u¨ber 25’000 Gletscher. Studien zeigen, dass diese Gletscher heterogen auf den Klimawandel reagieren. Gletscherver¨anderungen in der Region haben wichtige Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit für das dicht besiedelte Flachland. Trotz den bedeutenden Konsequenzen welche durch den Klimawandel auf diese regionalen Wasserspeicher ausgeübt wird, ist die Veränderung der Gletscher im Tien Shan und Pamir immer noch relativ unbekannt, was fundierte Interpretationen und Vorhersagen zukünftiger Gefahren und Chancen erschwert. Eine prägnante Datenlücke in den existierenden Messreihen von Mitte der 1990er Jahren bis ca. 2010 schränkt eine detaillierte Analyse langfristiger Entwicklungen weiter ein. Trotz der jüngsten Bemühungen, das historische Kryosphäremessnetz wieder herzustellen, bleiben kontinuierliche Langzeitmessungen für die Gletscher in Zentralasien limitiert. Eine verbesserte zeitliche und räumliche Abdeckung der Gletscherbeobachtungen ist daher unerlässlich. Fernerkundungstechniken sind gängige Methoden, um eine große Anzahl abgelegener und unerforschter Gletscher zu untersuchen. Mit solchen Methoden kann das Defizit an Datenverfügbarkeit der Region teilweise kompensiert werden. Die grobe zeitliche Auflösung der geodätischen Massenbilanzberechnungen und das somit limitierte Prozessverständnis unterstreichen jedoch den unabdingbaren Bedarf nach verbesserten und erweiterten jährlichen bis saisonalen Massenbilanzbeobachtungen. Ab- schätzungen auf ausgedehnter räumlicher Skala, sowie eine stärkere Prozess orientierte Forschung sind nötig. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Kombination aus detaillierten Feldmessungen und Fernerkundungsbeobachtungen der Gletschermassenänderung im Tien Shan und Pamir. Die angewandte Strategie basiert auf mehreren Ebenen aus lokalen bis regionalen Studien. Mit dieser Strategie werden Daten aus langzeit-glaziologischen Feldmessungen und aus der Fernerkundung (Schneelinienbeobachtungen, geodätische Massenbilanzmessungen) mit numerischen Modellierungen komplementieren. Dabei werden Informationen für ausgewählte Gletscher mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung extrahiert. Durch das Modellieren mit wiederholten Schneelinienbeobachtungen, welche zur Kalibrierung verwendet werden, konnten jährliche Massenbilanzzeitreihen für eine große Anzahl von Gletschern im Studiengebiet berechnet werden. Solche grossräumigen und zeitlich hochaufgelösten Abschätzungen liefern wertvolle Grundlagen für detaillierte Studien über die Auswirkungen des Klimawandels, ermöglichen fundierte Abflussprojektionen und erlauben verbesserte Gefahrenanalysen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit, wird ein besseres Verständnis der regionalen jährlichen Variabilität der Gletscherreaktionen auf den Klimawandel im Pamir und Tien Shan ermöglicht. In der hier vorgelegten Arbeit werden die Resultate im Detail diskutiert, die Schwächen und Stärken der entwickelten Methodik offengelegt und die relevanten Perspektiven abgefasst

PRELIMINARY TERRASAR-X OBSERVATIONS FOR TEMPERATE GLACIERS ON THE CHAMONIX MONT BLANC TEST SITE

The new TerraSar-X sensor provides an excellent resolution which has never been reached yet by a satellite. Glaciers are a quite important part of climate evolution studies and they are good indicators for climate changes. Many studies have shown that SAR imaging could be a powerfull tool to observe their temporal evolution [1] but some of these tools are limited by the resolution of previous sensors and by the high temporal evolution of the temperate glaciers surfaces. In such latitudes, the glaciers surfaces change very quickly and that makes some coherency loss when comparing two SAR signals at two different dates. Moreover, the methods based on correlation are not very accurate to measure glaciers velocity because of the quite homogeneity of glaciers surfaces comparing to the high speckle noise. The increase of the resolution provided by the TerraSAR-X sensor makes the texture of glaciers more detailed. Indeed crevasses and erratic rocks are now quite visible with fine quality. This paper presents some preliminary observations of temperate glaciers using those new data. Some interferograms have been generated on the Chamonix Mont Blanc test site and a classical correlation method has been computed with these new high resolution SAR images. On the one hand, the coherence seems to still be bad on glaciers surfaces since a better resolution doesn't decrease the speckle noise. On the other hand, many details appear in the new TerraSAR-X images which make correlation methods more accurate. The correlation coefficient used for this study is derived from the classical on