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

Analyse de "Time Lapse" optiques stéréo et d'images radar satellitaires : application à la mesure du déplacement de glaciers

Earth observation by image acquisition systems allows the survey of temporal evolution of natural phenomena such as earthquakes, volcanoes or gravitational movements. Various techniques exist including satellite imagery, terrestrial photogrammetry and in-situ measurements. Image time series from automatic cameras (Time Lapse) are a growing source of information since they offer an interesting compromise in terms of spatial coverage and observation frequency in order to measure surface motion in specific areas. This PhD thesis is devoted to the analysis of image time series from terrestrial photography and satellite radar imagery to measure the displacement of Alpine glaciers. We are particularly interested in Time Lapse stereo processing problems for monitoring geophysical objects in unfavorable conditions for photogrammetry. We propose a single-camera processing chain that includes the steps of automatic photograph selection, coregistration and calculation of two-dimensional (2D) displacement field. The information provided by the stereo pairs is then processed using the MICMAC software to reconstruct the relief and get the three-dimensional (3D) displacement. Several pairs of synthetic aperture radar (SAR) images were also processed with the EFIDIR tools to obtain 2D displacement fields in the radar geometry in ascending or descending orbits. The combination of measurements obtained almost simultaneously on these two types of orbits allows the reconstruction of the 3D displacement. These methods have been implemented on time series of stereo pairs acquired by two automatic cameras installed on the right bank of the Argentière glacier and on TerraSAR-X satellite images covering the Mont-Blanc massif. The results are presented on data acquired during a multi-instrument experiment conducted in collaboration with the French Geographic National Institute (IGN) during the fall of 2013,with a network of Géocubes which provided GPS measurements. They are used to evaluate the accuracy of the results obtained by proximal and remote sensing on this type of glacier.L’observation de la Terre par des systèmes d’acquisition d’images permet de suivre l’évolution temporelle de phénomènes naturels tels que les séismes, les volcans ou les mouvements gravitaires. Différentes techniques existent dont l’imagerie satellitaire, la photogrammétrie terrestre et les mesures in-situ. Les séries temporelles d’images issues d’appareils photo automatiques (Time Lapse) sont une source d’informations en plein essor car elles offrent un compromis intéressant en termes de couverture spatiale et de fréquence d’observation pour mesurer les déplacements de surface de zones spécifiques. Cette thèse est consacrée à l’analyse de séries d’images issues de la photographie terrestre et de l’imagerie radar satellitaire pour la mesure du déplacement des glaciers Alpins. Nous nous intéressons en particulier aux problèmes du traitement de Time Lapse stéréo pour le suivi d’objets géophysiques dans des conditions terrain peu favorables à la photogrammétrie. Nous proposons une chaîne de traitement mono-caméra qui comprend les étapes de sélection automatique des images, de recalage et de calcul de champs de déplacement bidimensionnel (2D). L’information apportée par les couples stéréo est ensuite exploitée à l’aide du logiciel MICMAC pour reconstruire le relief et obtenir le déplacement tridimensionnel(3D). Plusieurs couples d’images radar à synthèse d’ouverture (SAR) ont également été traités à l’aide des outils EFIDIR pour obtenir des champs de déplacement 2D dans la géométrie radar sur des orbites ascendantes ou descendantes. La combinaison de mesures obtenues quasi-simultanément sur ces deux types d’orbites permet de reconstruire le déplacement 3D. Ces méthodes ont été mises en oeuvre sur des séries de couples stéréo acquis par deux appareils photo automatiques installés sur la rive droite du glacier d’Argentière et sur des images du satellite TerraSAR-X couvrant le massif du Mont-Blanc. Les résultats sont présentés sur des données acquises lors d’une expérimentation multi-instruments menée en collaboration avec l’IGN à l’automne 2013, incluant le déploiement d’un réseau de Géocubes qui ont fournit des mesures GPS. Elles sont utilisées pour évaluer la précision des résultats obtenus par télédétection proximale et spatiale sur ce type de glacier