Validation of grounding line of the East Antarctic Ice Sheet derived by ERS-1/2 interferometric SAR data

We applied Synthetic Aperture Radar (SAR) Interferometry (InSAR) in the East Antarctic marginal ice zone between 25°W and 40°E . ERS-1/2 tandem data received at Syowa Station in 1996 were mainly used. ERS interferograms with range-azimuth coordinates were transformed into World Geodetic System 1984 (WGS84) coordinates. For this transform, we used the RAMP (RADARSAT Antarctic Mapping Project) image which is already defined by the WGS84 reference system. Significant features in the ERS intensity image show similar textures to those in the RAMP image. By taking the above features in the ERS intensity image as ground control points of known WGS84 geodetic coordinates from the RAMP image, we assigned WGS84 coordinate values to any element in the ERS scene by a least-squares fitting with a second-order polynomial function. It is noted that the ERS InSAR scene has the same WGS84 coordinate system as the ERS intensity scene. We extracted and digitized grounding lines from the ERS InSAR scene as a curve of steeply changing fringe pattern at the ocean-continent boundary. Features of the grounding line in the Antarctic Digital Database (ADD) were monotonous as interpreted from blurring of the Landsat image on the ice shelf and the ice sheet. In contrast, InSAR-derived grounding lines delineated complex features as a result of ocean tidal motion at the ocean-continent boundary. For example, the ADD shows a peninsula around 15°E , but it actually is a group of snow-covered islands or ice rises. The positional discrepancy of the ADD grounding line from the InSAR-derived grounding line reaches 5000m around Riiser-Larsenhalvya, and about 1200m around Padda and Skallen

Observation of Antarctic ice sheet change by Synthetic Aperture Radar

第3回極域科学シンポジウム/第32回極域地学シンポジウム 11月29日（木） 統計数理研究所 ３階セミナー

In SARを用いた南極域における接地線と氷床表面形態の決定に関する基礎研究

　極域氷床変動を知る上で、grounding line(接地線）、氷床表面地形(高さ）、氷床流動速度を知ることが重要である。これらのパラメータについて、人工衛星搭載の合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar : SAR と略す）から得られるデータを用いた干渉ＳＡＲ解析(Interferometric SAR : InSARと略す）が有効であることが知られつつある。InSARでは、棚氷の海洋潮汐による上下動を利用したgrounding line の抽出や、氷床DEMの作成、氷床流動の解析などが可能である。本研究では、これまで試行的には行われてきたInSARによるgrounding lineの同定を南極大陸の広い範囲について行い、広域にわたり不確定であったgrounding lineの抽出を実施した。またあわせてInSARによる高精度高分解能氷床表面地形の把握とその評価を実施した。　Groundinglineの抽出は、東南極域25°W-40°Eの範囲及び西南極域85°W-165°Wの範囲で実施した。これらの地域はいずれも大陸縁辺部に沿って2000km以上にわたり棚氷が分布している領域である。同一地域において観測時間が24時間異なる2つのSARデータ(タンデムデータ)を用いた干渉処理によりInSAR画像を作成した。InSAR画像には、RAMP(Radarsat Antarctic Mapping Project)画像と呼ばれる地理情報を持っ画像データセットを介して地理情報を与えた。その結果、InSAR画像から抽出されたgrounding lineにも地理情報が付加されている。使用している座標系はWGS-84系で、WGS-84基準楕円体上の緯度・経度をPolar Stereographic投影(Standard Parallel 71°S)で地理情報を与えた。　既存のgrounding　lineデータとして存在するものにはADD(Antarctic　Digital　Database)がある。しかし、ADDに描かれているgrounding　lineの情報には多くの誤りや不足があることが知られている。東南極域 / 西南極域の両方でみられたInSARとADDのgrounding line の違いには、地理的な空間位置のずれ及び形状の不一致がある。位置ずれの空間分布には系統性がなく、ランダムであった。その理由としては、ADDに反映されている地図情報が部分的に30年以上昔の観測結果を利用しておりその位置の精度に問題があるものと、新しい(精度の高い)観測結果を用いているものが混在してしまい、その結果地理的な網が歪んでしまったことが一因として考えられる。InSARによる結果には、1997年観測のRAMP画像を基準として地理情報を与えており、RAMP画像のノミナルな幾何的誤差は±200mとされていることから、こうした誤差は起こりえない。ADD-lnSAR間のgrounding lineの具体的なずれの量は、東南極・昭和基地周辺域ではRiiser-Larsen半島付近で約5000m、Padda島、Sallen付近で1200mを示した。その一方で、Neumayer基地周辺(10°W)では200m未満の良い一致を示していた。西南極域においてもこうしたランダムな位置ずれは起きており、ずれ量はSiple島(125°W)近辺では約6000m西向きへ、Pine　island coast沿いのKing半島(102°W30\u27)付近で東向きへ7100mと非常に大きなずれ値を示した。　また、InSARによるgrounding　lineはADDによるそれと比べて、各地域の微細な海陸境界の形状を反映していることがわかった。これは、InSARによるgrounding lineの抽出が棚氷と氷床の境目を棚氷の潮汐変動に伴う衛星方向視線ベクトルの変化で検出するというgrounding lineの定義に対して本質的な観測原理であるのに対して、ADDによるgroundinglineの抽出方法が主にLandsat衛星画像の判読により行われていることに起因する。例示すると,ADDでは東南極のLazarevisen地域(70°00\u27S,14°30\u27E)の中央部において、grounding　line が半島状に描かれており、またこの地域のLandsat画像やSAR強度画像をみても、半島が存在しているようにみえる。しかしInSAR解析により、実際にはこの形状は南極大陸から分離した3つの小さな島の集合であることがわかった。つまり、grounding lineの判読にはSAR強度画像、あるいは光学センサ画像のみを利用するのでは不十分であり、InSARによる情報の重要性が改めて確認されたといえる。また、Bear半島(74°S35\u27,111°WOO\u27)はADDにおいては「半島」の扱いであったが、InSAR画像の判読結果よりここも「島」であることがわかった。　その一方で、grounding lineの抽出がうまくいかない領域が存在した。Robertskollen(71°30\u27S,3°15\u27W)付近では、grounding　lineを判読することが難しかった。その理由としては、氷流や急峻地形などの複雑な地理的条件によるフリンジの重なりや、潮汐振幅の小ささが関係していると予想される。このような領域では、潮汐振幅の大きいSARデータペアを用いるか、あるいはDifferential InSARにより地形縞や流動縞の影響を取り除いた上でgrounding lineの抽出を行う必要がある。　InSARを用いた氷床表面地形の解析は、Prinsesse Ragnhild Kyst地域(70°30\u27S,24°00\u27E)とBreivika(70°S15\u27,24°E10\u27)南部について実施した。InSAR単独でDEMを作成した場合、データの空間密度は高いが、高さの値の精度に難がある。一方、近年レーザー高度計と呼ばれる衛星を用いた高度の測定が行われている。レーザー高度計は、空間的な観測密度は低いものの、高さ方向の精度は公称約14cmと非常に高い。そこで、ICESat / GLASと呼ばれるレーザー高度計のデータを真値とし、InSARによるDEMの誤差をそれを用いて補正する処理を行い、高精度InSAR DEMを作成し、地上データを用いてその結果の検証、評価を行った。InSAR DEM単独ではGLASの楕円体高に対してそれぞれRMSでPrinsesseRagnhild Kyst地域で±168.7m、Breivika南部地域で±284.Omの誤差があったが、それが補正後にはそれぞれ士31.Om、±32.6mまで改善することが可能であった。これらの結果より、いずれの場合においても、RMSで誤差量を一桁改善することが可能であった。なおBreivika 南部では、JARE(Japanese Antarctic Research Expedition:日本南極地域観測隊)28次隊により取得されたGPS観測点高度との比較を行った。その結果、補正後InSAR DEMとGPS高度間の差はRMSで±39.5mとなり、本研究で提案した補正手法が良好に機能していることが確認できた。以上の結果より、本研究で提案した手法は現地観測によるGCPが不要であり、かつ実用的なDEMが場所を選ばずに作成できるいう優れた利点を持っているといえる。　以上に示したように、InSARを用いたgrounding lineや氷床表面地形の把握は事例研究から実利用の領域に達している。今後、ALOS等の洗練された高性能SAR衛星データを用いることにより、さらに地球環境計測に貢献できるより精度良い南極域の地理情報の作成が可能になるであろう

Satellite Derived Bathymetry Using Machine Learning and Multi-Temporal Satellite Images

Shallow water bathymetry is important for nautical navigation to avoid stranding, as well as for the scientific simulation of high tide and high waves in coastal areas. Although many studies have been conducted on satellite derived bathymetry (SDB), previously used methods basically require supervised data for analysis, and cannot be used to analyze areas that are unreachable by boat or airplane. In this study, a mapping method for shallow water bathymetry was developed, using random forest machine learning and multi-temporal satellite images to create a generalized depth estimation model. A total of 135 Landsat-8 images, and a large amount of training bathymetry data for five areas were analyzed with the Google Earth Engine. The accuracy of SDB was evaluated by comparison with reference bathymetry data. The root mean square error in the final estimated water depth in the five test areas was 1.41 m for depths of 0 to 20 m. The SDB creation system developed in this study is expected to be applicable in various shallow water regions under highly transparent conditions

Regional geomorphological conditions related to recent changes of glacial lakes in the issyk-kul basin, Northern Tien Shan

To assess the current state of glacial lakes, we examine the seasonal lake-area changes of 339 glacial lakes in the Teskey and Kungoy Ranges of the Issyk-Kul Basin, Kyrgyzstan, during 2013–2016 based on optical satellite images (Landsat7/ETM+ and 8/OLI). The glacial lakes are classified into six types based on their seasonal variations in area: stable, increasing, decreasing, appearing, vanishing, and short-lived. We then track the number of each type in a given year and examine how each number changes from one year to the next. We find that many appearing, vanishing, and short-lived types occurred in both mountain ranges, having a large variability in number that is not directly related to the local short-term summer temperature anomaly, nor to precipitation or glacier recession. However, those in the Teskey Range vary significantly more than those in the Kungoy Range. To determine if the changing number and distribution of the various lake types may be due to changes in ground ice, we apply differential interferometric synthetic aperture radar (DInSAR) analysis using ALOS-2/PALSAR-2 for the debris landforms behind which glacial lakes appear. In the Teskey Range, ground ice occurs in 413 out of a total of 930 debris landforms, whereas in the Kungoy Range, ground ice occurs in 71 out of 180. In zones with predominant glacier-retreat during 1971–2010 (from Corona KH-4B and ALOS/PRISM), the Teskey Range had 180 new lake depressions as potential lake-basins, whereas the Kungoy Range had just 22. Existing depressions also expanded when melting ice produced subsidence. Such subsidence, together with debris landforms containing ground ice and ice tunnels, appear to cause the observed large number variability. In particular, the deposition of ice and debris by tunnel collapse or the freezing of storage water in a debris landform may close-off an ice tunnel, causing a lake to appear. Subsequent re-opening via melting of such blockage would produce either a vanishing or a short-lived type. In this way, the large variability in the number of each lake type and the distribution of types over this four-year period arises from regional geomorphological conditions and not directly from the local short-term summer temperature anomaly and precipitation or glacier recession