• No results found

Modelling glacier elevation change from DEM time series

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Modelling glacier elevation change from DEM time series"

Copied!
149
0
0

Laster.... (Se fulltekst nå)

Fulltekst

(1)

Master Thesis, Department of Geosciences

Modelling glacier elevation

change from DEM time series

Di Wang

(2)
(3)

Modelling glacier elevation change from DEM time series

Di Wang

Master Thesis in Geosciences

Discipline: Physical Geography, Hydrology and Geomatics Department of Geosciences

Faculty of Mathematics and Natural Sciences

University of Oslo

01.12.2014

(4)

© "Di Wang", 2014

This work is published digitally through DUO – Digitale Utgivelser ved UiO http://www.duo.uio.no

It is also catalogued in BIBSYS (http://www.bibsys.no/english)

All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted, in any form or by any means, without permission.

(5)

Abstract 

Assessment of glacier surface elevation evolution is crucial to understand how glaciers are  changing in response to climate change. To date, only few works assess detailed surface  elevation change, due to lack of accurate data. In this regard, the near global coverage of  multi‐temporal ASTER DEMs (Digital Elevation Model) has a high potential, which is not yet  fully exploited. However, ASTER DEMs suffer from low accuracy and significant outliers. 

Therefore, novel quantitative methodologies need to be exploited in order to compensate  such problems.   

In this study, a robust modelling scheme, R‐WLR‐S (RANSAC – iteratively reWeighted Linear  Regression ‐ Spline) is developed. Surface elevation change rates and volume change rate  are assessed using ASTER DEMs and the SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) DEM for  two case studies, one glacier in Bhutan and a region at Mt. Cook in New Zealand. Four  individual glaciers (Fox Glacier, Franz Josef Glacier, Tasman Glacier, and Murchison Glacier)  around Mt. Cook are examined. 4‐dimensional (X, Y, Z, and Time) DEMs are generated by R‐

WLR‐S. Overall, results showed that the glaciers in the Mt. Cook region considered in this  study were shrinking, whereas the glacier in Bhutan was stable in general. Moreover, the  four individual glaciers monitored in the Mt. Cook region showed that the glaciers on the  west side were thickening at the terminuses between 2000 and 2008, whereas started  shrinking at a high rate since then. 

This  study  compared  R‐WLR‐S  with  previous  methods.  R‐WLR‐S  could  measure  the  evolution of glacier volume changes in detail, showing a considerable improvement in  filtering outliers in original datasets, and fitting elevation change trends robustly. 

   

Front page image: glaciers around Mt. Cook New Zealand, in an ASTER image scene. 

(6)

Acknowledgement 

I would like to express my great appreciation to all people who helped me along the way. 

The master study finally comes to the end, and I am so grateful for everything I have  experienced during past two years. 

Particularly, I wish to express my gratitude to my supervisor Prof. Andreas Kääb, for his  motivated guidance, invaluable suggestions, and especially proposing the topic for me. Ever  since I started to work on this topic, it has been a wonderland. I always feel how lucky I am  to study at UiO, and being supervised by Prof Andy. Thank you!       

Special thanks go to Nagy Robert, hey dude, I made it! We almost kept each other company  during the study in first year. Thank you so much my friend, for your help not only in study,  but also in life. I enjoyed so much about our trip to China, I hope someday you would visit  there again, remember you promised!   

I would like to thank my friends and classmates I met in Como as well. Arinze Hawkins,  Muhammad Sulaiman, Nigus Kidane, Tran Viet Hoang, I still remember my last night in Italy,  we had dinner together in chicken hut! Thank you for helping a rookie who first time living  in a foreign country settling down quickly. Good luck with your Phd in USA, Hoang! 

I also want to thank Dr. Shangguan Donghui, for accepting me in Chinese Academy of  Science. The short three months intern for sure facilitated the development of this thesis,  also broadened my knowledge in glaciology. I truly believe I will benefit a lot from this  experience!   

Heart of gratitude, I am grateful to my parents for never‐ending care and support. For the  last six years, so pity that I rarely have chances to go back home and company you. Your  love is great and selfless. I cannot express even in words. 

(7)

 

Content

 

1.  INTRODUCTION ... ‐ 1 ‐ 

1.1  Overview ... ‐ 1 ‐ 

1.2  Literature Summary ... ‐ 3 ‐ 

1.2.1 Glacier Elevation Changes from DEM Differencing ... ‐ 3 ‐ 

1.2.2 Glacier Elevation Changes from Altimetry ... ‐ 5 ‐ 

1.3  Aim ... ‐ 6 ‐ 

1.4  Structure of Thesis ... ‐ 6 ‐ 

2.  THEORY ... ‐ 7 ‐ 

2.1  DEM Generation ... ‐ 7 ‐ 

2.1.1  Stereoscopic DEMs ... ‐ 7 ‐ 

2.1.2  Radargrammetric and InSAR DEM ... ‐ 11 ‐ 

2.1.3  Other Sources ... ‐ 14 ‐ 

2.2  Glacier Surface Dynamic ... ‐ 15 ‐ 

3.  STUDY AREA AND DATA ... ‐ 17 ‐ 

3.1  Study Area ... ‐ 17 ‐ 

3.1.1  Bhutan Himalaya ... ‐ 17 ‐ 

3.1.2  New Zealand ... ‐ 18 ‐ 

3.2  Data ... ‐ 20 ‐ 

3.2.1  ASTER Silcast DEM ... ‐ 20 ‐ 

3.2.2  SRTM ... ‐ 22 ‐ 

3.2.3  Glacier Outlines ... ‐ 23 ‐ 

3.3  Processing Platforms ... ‐ 24 ‐ 

4.  METHODOLOGY ... ‐ 25 ‐ 

4.1  DEM Co‐registration ... ‐ 25 ‐ 

4.1.1  Method ... ‐ 25 ‐ 

4.2  Estimation of Glacier Elevation Change ... ‐ 27 ‐ 

4.2.1  Robust Modelling Scheme ... ‐ 30 ‐ 

4.2.2  Data Filtering ... ‐ 32 ‐ 

4.2.3  RANSAC ... ‐ 34 ‐ 

(8)

4.2.4  Spline Function ... ‐ 36 ‐ 

4.3  Estimation of Glacier Volume Change ... ‐ 36 ‐ 

4.4  Error Budget and Uncertainty Assessment ... ‐ 37 ‐ 

4.4.1  Regression Method ... ‐ 38 ‐ 

4.4.2  4D DEM Method ... ‐ 38 ‐ 

5.  RESULTS ... ‐ 40 ‐ 

5.1  Bhutan Himalaya Case Study ... ‐ 40 ‐ 

5.1.1  DEM Co‐registration ... ‐ 40 ‐ 

5.1.2  4D DEM ... ‐ 45 ‐ 

5.1.3  Glacier Change Analysis ... ‐ 48 ‐ 

5.2  New Zealand Case Study ... ‐ 52 ‐ 

5.2.1  DEM Co‐registration ... ‐ 52 ‐ 

5.2.2  4D DEM ... ‐ 57 ‐ 

5.2.3  Glacier Change Analysis ... ‐ 60 ‐ 

5.2.4  Individual Glaciers ... ‐ 63 ‐ 

6.  DISCUSSION ... ‐ 71 ‐ 

6.1  DEM co‐registration ... ‐ 71 ‐ 

6.2  Methods Comparison ... ‐ 71 ‐ 

6.3  Error Estimation ... ‐ 79 ‐ 

7.  CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES ... ‐ 81 ‐ 

8.  REFERENCES ... ‐ 83 ‐ 

APPENDIX A ... ‐ 88 ‐ 

APPENDIX B ... ‐ 121 ‐   

(9)

List of Figures 

Figure 1 Multi‐temporal DEM stack and concept of 4‐dimensional DEM. ... ‐ 2 ‐  Figure Example of glacier elevation change extrapolation based on hypsometry. Source: Arendt  (2010). ... ‐ 5 ‐ 

Figure Collinearity conditions for photogrammetry. S1 and S2 are two image acquisition points. 

(X1, Y1, Z1) and (X2, Y2, Z2) are space coordinates of two image acquisition points. A represents the  same terrain feature. (x1, y1) and (x2, y2) are image coordinated of two image points a1 and a2. ‐ 8 ‐  Figure 4 Stereo imagery generation from nadir looking and backward looking. ... ‐ 9 ‐  Figure 5 Procedure of extracting DEM from ASTER stereo pair using PCI Geomatica... ‐ 10 ‐  Figure 6 The different observation positions and geometry for radargrammetry (Maître, 2010). S1,  S2 are the satellites. Bx and Bz are the horizontal and vertical baseline respectively. P represents the  ground point. P1 and P2 are seen by two radar images from location S1 and S2. ... ‐ 11 ‐  Figure 7 Interferometric processing of a SAR DEM. ... ‐ 12 ‐  Figure Cross‐track SAR interferometer (flight paths perpendicular into plane). Two SARs fly on  parallel tracks and view the terrain from slightly different directions. B stands for baseline, while B   stands for effective baseline. From: (Rosen et al., 2000). ... ‐ 13 ‐  Figure 9 SRTM space segments. Shown are the main components of both the X‐ and the C‐band SAR  system (Rabus et al., 2003). ... ‐ 14 ‐  Figure 10 Components of the mass balance of a glacier. From: (Cogley et al., 2011). ... ‐ 15 ‐  Figure 11 Ice flux configuration. From: Dr. Andreas Kääb’s lecture note. ... ‐ 16 ‐  Figure 12 Orthoprojected ASTER image of 20 January 2001 showing section of the Bhutan  Himalayas main ridge. The rectangle with letter A indicates the study area corresponding to Figure  13. Coordinates in WGS84 UTM Zone 46N. ... ‐ 17 ‐  Figure 13 Study area corresponding to rectangle A in Figure 12. The 300 m contour lines are derived  from SRTM. Glacier extent (red) is generated after manual modification of GLIMS glacier extent  database (Armstrong et al., 2005)... ‐ 17 ‐  Figure 14 Histogram of Glacier Bhutan in the year 2000 (based on SRTM). Profile shows a 2697 m  drop height between the terminus and headwater. ... ‐ 18 ‐  Figure 15 Orthoprojected ASTER image of 14 February 2002 showing glaciers in Mt. Cook area. The  rectangles with letter A indicates the location of Tasman glacier, B indicates Fox Glacier, C indicates  Franz Josef Glacier and D stands for Murchision Glacier. The 1000 m contour lines are derived from  SRTM. Glacier extent (red) is generated based on manual modification of GLIMS glacier extent  database (Armstrong et al., 2005). Coordinates in WGS84 UTM Zone 59S. ... ‐ 19 ‐  Figure 16 Histogram of ‘Glacier Mt. Cook’ study region based on SRTM. Profile shows a 3389 m drop  height between the terminus and headwater. ... ‐ 19 ‐ 

(10)

Figure  17  Glacier  Bhutan  case  study  area.  Red:  GLIMS  outlines.  Blue:  manually  corrected,  uncompleted glacier coverage due to limitation of ASTER DEM coverage. Background image: ASTER 

2006/01/18. ... ‐ 23 ‐ 

Figure 18 Upper part illustrates the scheme of DEM shift. Lower part shows trigonometric  function between terrain aspect (ψ) and elevation difference (dh) normalized by the slope tangent  (tan(α)). The formula in the lower part gives the mathematical relation. The unknown coefficients a,  b and c can be solved by a least square fit. From:Nuth and Kääb (2011) ... ‐ 26 ‐ 

Figure 19 An example of an elevation dependent bias correction using 3rd order polynomial.  From:Nuth and Kääb (2011). ... ‐ 26 ‐ 

Figure 20 Bias in the SPOT5 DEM due to an anomaly in the satellite attitude and its correction.  From:Berthier et al. (2007) ... ‐ 27 ‐ 

Figure 21 Example of filtering random pixel in Glacier Bhutan using the 3‐sigma method and  extreme elevation change constraints method. ... ‐ 28 ‐ 

Figure 22   Workflow of the R‐WLR‐S (RANSAC ‐ iteratively reWeighted Linear Regression ‐ Spline)  model. ... ‐ 31 ‐ 

Figure 23 DEM co‐registration step‐by‐step result. Example shows DEM 2001/01/20 co‐registered  to SRTM. Description is given in text. ... ‐ 43 ‐ 

Figure 24 Horizontal shift correction. Left panel indicates an offset, while it has been removed in  right panel. ... ‐ 44 ‐ 

Figure 25 Elevation‐dependent correction (A) and along track correction (B) by fitting polynomial  functions. ... ‐ 44 ‐ 

Figure 26 Histogram comparison before and after each co‐registration step. ... ‐ 45 ‐ 

Figure 27 Example of a generated 4D DEM in year 2011 for Glacier Bhutan. ... ‐ 45 ‐ 

Figure 28 Comparison between a DEM generated from the 4D model and an ASTER DEM, both of  2001/01/20. ... ‐ 46 ‐ 

Figure  29  Hillshade  comparison.A:  ASTER  Image  2001/01/20.  B:  Hillshade  of  ASTER  DEM  2001/01/20. C: Hillshade of 4D DEM 2001/01/20. Note, only elevations within the glacier outlines  shown. ... ‐ 47 ‐ 

Figure 30 Comparison between the SRTM DEM and a 4D model for the same time. ... ‐ 47 ‐ 

Figure 31 The original SRTM DEM of Glacier Bhutan with voids. ... ‐ 47 ‐ 

Figure 32   Hypsometry and rate of glacier elevation change versus elevation in Glacier Bhutan. Red  line  represents  the  dh/dt  estimated  in  each  elevation  bin  (100  m).  It  is  plotted  with  its  corresponding error bar (1 standard deviation). ... ‐ 48 ‐ 

Figure 33 dh/dt map for Glacier Bhutan. ... ‐ 49 ‐ 

Figure 34 Glacier Thorthormi and Lugge. From: Naito et al. (2012). ... ‐ 50 ‐ 

Figure 35 Elevation change study for Bhutan site. From: Gardelle et al. (2013). ... ‐ 50 ‐ 

(11)

Figure 36 Left: ASTER orthoimage anomaly of left branch of studying glacier (2006/01/18).Right: 

Landsat 7 SLC‐off image (2006/01/18). ... ‐ 51 ‐ 

Figure 37 Volume change of Glacier Bhutan between 2000 and 2011 derived from 4D DEM. ... ‐ 52 ‐ 

Figure 38 DEM co‐registration steps. The example shows DEM 2006/02/09 co‐registered to SRTM.  Description is given in the text. ... ‐ 55 ‐ 

Figure 39 Horizontal shift correction. Left panel indicates an offset, while it has been removed in  right panel. ... ‐ 56 ‐ 

Figure 40 Elevation‐dependent correction (A) and along track correction (B) by fitting polynomial  functions. ... ‐ 56 ‐ 

Figure 41 Histogram comparison for the co‐registration steps. ... ‐ 56 ‐ 

Figure 42 Example of a generated 4D DEM for the year 2010 for Glacier Mt. Cook. ... ‐ 58 ‐ 

Figure  43  Hillshade  comparison.A:  ASTER  Image  2012/03/20.  B:  Hillshade  of  ASTER  DEM  2012/03/20. C: Hillshade of 4D DEM 2012/03/20. ... ‐ 58 ‐ 

Figure 44 Comparison between a 4D DEM model with an ASTER DEM of 2012/03/20. ... ‐ 58 ‐ 

Figure 45 Comparison between a 4D DEM with SRTM at the same time. ... ‐ 59 ‐ 

Figure 46 Original SRTM DEM of Glacier Mt. Cook with voids. ... ‐ 59 ‐ 

Figure 47 Hypsometry and rate of ice elevation change versus elevation in Mt. Cook. Red line  represents the dh/dt estimated in each elevation bin, plotted with its corresponding error bar (1  standard deviation). ... ‐ 60 ‐ 

Figure 48 dh/dt map of Glacier Mt. Cook. ... ‐ 61 ‐ 

Figure 49 Error map of regression. The error in each pixel is determined as standard deviation of  residuals in the regression. ... ‐ 61 ‐ 

Figure 50 Volume change of Glacier Mt. Cook between 2000 and 2012 from the 4D DEM. ... ‐ 63 ‐ 

Figure 51 Individual glaciers. ... ‐ 65 ‐ 

Figure 52 Overview of elevation change rate for individual glaciers. ... ‐ 65 ‐ 

Figure 53 (A) Elevation change map of Fox Glacier. (B) Longitudinal profile of elevation and surface‐ elevation thinning rates (green line in A). DEMs are generated from the 4D model and gradually  colored.   The red‐black gradient line indicates the corresponding dh/dt (right axis). (C)Volume  change of Fox Glacier since 2000 from the 4D DEM. ... ‐ 66 ‐ 

Figure 54 (A) Elevation change map of Franz Josef Glacier. (B) Longitudinal profile of elevation and  surface elevation thinning rates (black line in A). DEMs are generated from the 4D model and  gradually colored.   The red‐black gradient line indicates the corresponding dh/dt (right axis).  (C)Volume change of Franz Josef Glacier since 2000 from the 4D DEM. ... ‐ 67 ‐ 

Figure 55 Slope map of Franz Josef Glacier. ... ‐ 68 ‐ 

(12)

Figure 56 (A) Elevation change map of Tasman Glacier. (B) Longitudinal profile of elevation and  surface‐elevation thinning rates (black line in A). DEMs are generated from the 4D model and  gradually colored.   The red‐black gradient line indicates the corresponding dh/dt (right axis). 

(C)Volume change of Tasman Glacier since 2000 from the 4D DEM. ... ‐ 69 ‐  Figure 57 (A) Elevation change map of Murchison Glacier. (B) Longitudinal profile of elevation and  surface‐elevation thinning rates (black line in A). DEMs are generated from the 4D model and  gradually colored.   The red‐black gradient line indicates the corresponding dh/dt (right axis). (C)  Volume change of Murchison Glacier since 2000 from the 4D DEM. ... ‐ 70 ‐  Figure 58 Elevation and dh/dt for selected pixels over Glacier Mt.Cook. The numbered circles in  dh/dt map indicate the location of corresponding graphs. The left most point in each graph  represents the SRTM. Big blue boxes represent original elevation data in each DEM. Green filled  small boxes are points selected by WLR. Red circles are data points selected by R‐WLR‐S. Green line  indicates the regression line of WLR, whereas red line represents the regression line of R‐WL‐S. 

Yellow line is fitted using a two‐interval quadratic spline function (for deriving the 4D DEM). ... ‐ 75 ‐  Figure 59 Comparison of R‐WLR‐S (R‐IWLR in the Figure), WLR and DEM subtraction method. ... ‐ 76 ‐  Figure 60 DEM subtraction comparison. A: SRTM ‐ ASTER DEM 2012/03/20; B: SRTM ‐ a generated  DEM 2012/03/20 from the 4D model; C: a generated DEM (at same time with SRTM) ‐ a generated  DEM 2012/03/20 from the 4D model. Red boxes indicate those pixels have invalid dh/dt (> +10 m/a  or < ‐30 m/a). ... ‐ 77 ‐  Figure 61 Model comparison. ... ‐ 78 ‐ 

(13)

- 1 -

1. Introduction 

1.1   Overview 

Glaciers are considered as one of the best indicators of climate change (Lemke et al., 2007),  and are a major contributor to global sea level rise (Meier et al., 2007, Pfeffer et al., 2008,  Nuth et al., 2010). Moreover, glaciers are key water sources in many regions (Pieczonka et  al., 2013, Bolch et al., 2012). In mountain areas, glacier‐related environmental hazards are a  major  threat  to  local  population  and  ecosystem  (Kääb  et  al.,  2005).  Therefore,  understanding glacier evolution becomes imperative key to understanding climate change  in cold regions. 

Glaciers on Earth are mostly difficult to access. In‐situ glacier monitoring requires major  investments in human and material resources. Air‐borne and space‐borne remote sensing  techniques enable wide‐range glacier measurement without the requirement of physical  access, which provides a huge scientific potential for glacier‐related research. Almost 10  percent of the world's land masses are currently covered with glaciers, mostly in high  latitude locations such as Greenland and Antarctica (USGS, 2014). In order to measure such  a large number of glaciers, monitoring from space is essential. Nowadays, large amounts of  remote sensing data in archives with adequate resolutions and quality provide a substantial  contribution to glacier monitoring. In fact, remote sensing monitoring of glaciers achieved  comprehensive and encouraging results. For example, the ESA Glacier_cci (climate change  initiative) project has developed, evaluated and summarized algorithms for successfully  determining glacial parameters such as area, elevation changes and surface velocity fields. 

Variations in these glacial parameters are related to each other according to glacier specific  characteristics. Among various parameters, glacier elevation is considered to be pivotal, as    glacier elevation change rate (dh/dt) is the key factor for inferring glacier mass balance by  means of geodetic methods (Bamber and Rivera, 2007). Precise assessment of thinning or  thickening rates is a fundamental issue in glacier mass balance studies. DEM differencing is  the common method for calculating elevation change over entire glaciers. Several global  DEM datasets such as ASTER DEMs and the SRTM DEM make possible to study a large 

(14)

number (DEM su et al., 2 these g acquisit disturba distorte Recentl 2012, W multi‐te compar regressi DEM sta to mod to be ex multi‐te elevatio generat

Figure 1

r of glaciers ubtraction) 2010, Pieczo global data  tion princip ance or lac ed  by side‐

y, robust re Willis et al., emporal DE red with the

ion method acks (Figure el the evolu xplored to  emporal AS on and volu ting a 4‐dim

1 Multi-temp

s. Previous   to derive e onka et al.,

often are le. For exam k of visual 

‐looking ge

egression fr , 2012b, W EMs takes a e DEM subt ds cannot as e 1) not onl ution of gla fit the actu STER DEMs ume change mensional (‘4

poral DEM s

DEM diffe elevation ch

 2013, Gar insufficien mple, DEMs contrast on eometry. U

rom multi‐t Willis et al.,  advantage f traction me ssess the va ly enable ro acier elevat ual elevation

, this thes e from DEM

4D’) DEM fr

stack and c

- 2 - rencing me hange, volu rdelle et al.

nt for indiv s from optic n the groun sing these  temporal D

2012a, Me from stacks ethod. How ariation of g obust regre tion change n change tr is aims to:

Ms; (ii) explo rom multi‐t

concept of 4

ethod used ume change

, 2013, Ber vidual DEM cal stereo (e nd, while ra

data effec EMs has be elkonian et s of DEMs,  wever, both  glacier eleva ession analy e. Appropria

rend. Using : (i) improv ore the vari

emporal DE

4-dimension

the differe e and mass  rthier et al., M analysis d e.g. ASTER)  adar data (e ctively rem een explore t al., 2013).

with bette DEM subtr ation chang ysis, but also

ate modellin  a combina ve the esti ation of ele EM modellin

nal DEM.

ence of two  balance (B , 2007). Ho due to the  suffer from e.g. SRTM)  mains  a cha

ed (Nuimura . Regressio er reliability raction and  ge. Multi‐te

o make it p ng function ation of SRT imation of  evation cha ng. 

 

o DEMs  Berthier  owever,  eir own  m cloud  can be  allenge. 

a et al.,  n from  y when  robust  mporal  possible  ns need  TM and  glacier  ange by 

(15)

- 3 - 1.2 Literature Summary 

A large amount of research has been focusing on quantifying glacier elevation change by  remote sensing data. The Glaciers section project within the Climate Change Initiative  (Glaciers_cci, www.esa‐glaciers‐cci.org) of the European Space Agency (ESA) is an example,  which focuses on quantifying glacier area change, elevation change and velocity field. This  project systematically evaluated existing methodologies and algorithms for glacier studies  based on remote sensing data (Paul et al., 2013), and it can be regarded as methodology  guidance for future glacier research.   

Based on the source of data, glacier elevation change studies can be divided into DEM  differencing and altimetry.   

1.2.1 Glacier Elevation Changes from DEM Differencing 

DEM differencing is the main method used for measuring glacier elevation changes, due to  the large amount of available DEM data. DEM products are discussed in details in chapter 2  of this thesis. DEM differencing mainly contains two approaches; the traditional DEM  differencing method uses subtraction of two DEMs (Berthier et al., 2010, Pieczonka et al.,  2013, Gardelle et al., 2013, Berthier et al., 2007), and linear regression from multi‐temporal  DEMs provides another approach (Nuimura et al., 2012, Willis et al., 2012b, Willis et al.,  2012a, Melkonian et al., 2013). Both methods need pre‐processing of DEM data.   

It is obvious that DEM data coming from different acquisition approaches and generation  procedures  will  have  different  characteristics.  Methodologies  to  integrate  data  from  different sources are vital before implementing DEM differencing. In fact, DEM data have  been reported to contain multiple systematic errors (Butler et al., 1998, Erskine et al., 2007,  Hoja et al., 2006, Karkee et al., 2008, Kääb, 2005, Moore et al., 1991, Podobnikar, 2007,  Yang et al., 2011). Such errors could originate from different reasons, such as sensor jitter,  topography effect, and inaccurate sensor orientation. Most of the DEM data available to  researchers have been processed beforehand, making it difficult to overhaul them in the  analysis. Therefore, statistically DEM processing is essential. As for image matching, DEM 

(16)

- 4 -

co‐registration is the most crucial step, enabling DEMs to be aligned. Even a small offset in  one DEM could easily lead to a wrong estimation in glacier elevation change. 

Typical three‐dimensional matching algorithms (3D hereafter) deal with linear translation,  rotation and scale (Gruen and Akca, 2005). These algorithms usually use the least square  method to minimize the vertical difference of two 3D objects. Nuth and Kääb (2011)  developed a slope‐aspect‐based method to co‐register multi‐temporal DEMs. It has been  assessed as one of the best algorithms in terms of DEM co‐registration (Paul et al., 2013),  with various studies validating the use of this method (Gardelle et al., 2012b, Melkonian et  al., 2013, Paul et al., 2012, Gardelle et al., 2013, Pieczonka et al., 2013, Karimi et al., 2012,  Nuth et al., 2013).   

After  DEM  co‐registration,  elevation  differencing  can  be  used  to  calculate  elevation  changes. DEM subtraction directly calculates elevation change by differencing two DEMs. 

The DEM subtraction method usually cannot provide full coverage due to the limitation of  DEM data. Extrapolation is needed to cover whole glaciers and in order to convert elevation  change into volume change. This requires knowledge of the glacier area‐per‐elevation bin,  also known as hypsometry (Figure 2). To determine changes in glacier volume, the mean or  median  elevation  change  (or  changing  rate)  is  derived  for  each  elevation  bin,  and  successively multiplied by hypsometry. Using this method, Pieczonka et al. (2013) revealed  that most of the glaciers in Aksu‐Tarim Catchment (Central Tien Shan) show a significant  surface lowering in the abla on areas of  −18.7 ± 5.6 m for the 1976–2009 periods from  1976 KH‐9 Hexagon, SRTM and 2009 SPOT‐5 (French: Satellite Pour l'Observation de la  Terre) datasets. Gardelle et al. (2013) comprehensively studied glacier elevation change in  Pamir‐Karakoram‐Himalaya using SRTM and SPOT‐5 derived DEMs, contributing to the  understanding of a region‐wide glacier evolution. Berthier et al. (2007) obtained an overall  specific mass balance of −0.7 to −0.85 m w.e.a‐1 in the Himachal Pradesh using SRTM and a  2004 SPOT DEM.   

(17)

Figure Source DEM d metho linear  in Cord shows  (2012) the Ne Study  Southe betwe 2012a) 1.2.2 G Satellit radiati

e 2 Example e: Arendt (2 differencing odology is d regression  dillera Darw

that the av  used 15 D epal Himala

of Willis e ern Patago en 2000 a ) using ASTE Glacier Elev

te altimetry on or laser

e of glacier 2010). 

g from robu described in

(WLR). Me win Icefield,

veraging ele DEMs to rob

aya. The re et al. (2012 nian Ice (S nd 2012. T ER DEMs an vation Chan

y measures r pulses tra

r elevation c

st linear re n chapter 4 lkonian et a , Chile, from evation cha bustly mode esult was in 2b) utilized  SPI) Field. 

They also s nd SRTM an ges from A  surface ele ansmitted f

- 5 - change ext

gression is  4.2 of this t al. (2013) c m multi‐tem

anging rate  el glacier el n line with  156 ASTE Results ind studied Nor nd similar m Altimetry 

evations by from and r

rapolation b

based on m thesis) and 

alculated e mporal ASTE

is around ‐ levation cha

previous st R DEMs an dicate that 

rthern Pata methodology

y recording  eceived by 

based on h

multi‐tempo commonly  levation ch ER DEMs an

‐1.6 ± 0.7 m

ange in the tudies abou nd SRTM to SPI is rap agonian Ice y. 

the travel  a precisely

 

hypsometry.

oral DEMs ( employs w anging rate nd SRTM. Th m/a. Nuimu e Khumbu r ut Nepal H o study ice pidly losing  efield (Willi

time of mi y located a

(detailed  weighted  e (dh/dt)  he result  ura et al. 

region in  imalaya. 

e loss in  volume  s et al., 

crowave  altimeter 

(18)

- 6 -

(Chelton et al., 2001). Altimetry data, especially ICESat (Ice, Cloud and land Elevation  Satellite, (Schutz et al., 2005)) data, has been used for glacial studies (Bindschadler et al.,  1989, Moholdt et al., 2010, Bolch et al., 2013, Neckel et al., 2014, Slobbe et al., 2008, Kääb  et al., 2012, Kennett and Eiken, 1997). Two approaches have been explored: (i) repeat‐track  method, which calculates elevation differences between ground satellite tracks; (ii) cross‐

over method, which interpolates elevation differences at crossing points of ground tracks  (Paul  et  al.,  2013).  Altimetry  data  are  sparsely  distributed  on  ground,  therefore  extrapolation is necessary to obtain glacier volume changes, as for the DEM subtraction  method. 

1.3   Aim 

This project aims to precisely map glacier surface elevation change rates (dh/dt), and  modelling the variation of elevation change by generating a 4‐dimensional DEM from multi‐

temporal DEMs. The methodology should be able to cope with different errors associated  with DEMs. This project will help to better describe how glacier elevation is evolving in  time. Moreover, it is expected to be better able to estimate glacier mass balance to a more  reliable level compared to other methods. 

1.4  Structure of Thesis 

This thesis has eight chapters with two appendixes. It begins with the introduction in  chapter 1. Chapter 2 presents the theoretical background behind this thesis, including DEM  and a brief introduction of glacier surface dynamics. Chapter 3 gives the study data and  areas covered in the project. Chapter 4 demonstrates the implemented methodology. The  approach of DEM co‐registration and a robust modelling scheme is introduced. Chapter 5  presents an overview of the outcome of this project, and then literally chapter 6 discusses  the result. Conclusions are given in chapter 7 and references are organized in chapter 8. 

The thesis also contains two appendixes. Appendix A presents all the datasets used in this  research. Appendix B contains the code developed for this project. 

   

(19)

- 7 -

2.   Theory   

2.1   DEM Generation 

DEM is a digital model, and a 3D representation of terrain surface, created from elevation  data.  It has  been  widely  used  in  geoscientific  applications,  such  as  GIS  (Geographic  Information System), urban planning, and hazard prevention.   

DEM can be generated from various sources, including stereo photogrammetry from aerial  surveys or optical satellite imagery, interferometry from radar data, LiDAR (Light Detection  And Ranging), and topographic maps. Aerial survey uses sensors that are carried on the  aircraft, usually airplane or UAV (unmanned aerial vehicle), providing quick and extensive  image  data  acquisition  capability.  Space‐born  stereoscopy  and  interferometry  utilizes  sensors that are carried on satellites, to obtain periodical data of earth surface. The  repeating orbit enables obtaining multi‐temporal data. LiDAR has the characteristics of fast,  accurate and access directly, providing a remarkable ability to obtain terrain information. 

2.1.1 Stereoscopic DEMs 

Stereoscopic  DEMs are  generated using photogrammetric  principles. Sensors onboard  satellites are used to obtain global scale datasets. Existing satellite sensors mainly use two  ways to provide DEM generation ability, along‐track stereo such as ASTER, SPOT5, IKONOS,  QUICKBIRD, and cross‐track stereo such as SPOT4. Along‐track means stereo pairs are  acquired from the same orbit, whereas cross‐track stereo means stereo pairs are acquired  from two different orbits.   

Stereoscopic  DEM  uses  rigorous  photogrammetric  solution,  including  collinearity  and  coplanarity condition for the conic perspective of a single image line. However, satellite  stereoscopy could be more complicated compare with traditional photogrammetry, due to  satellite sensor acquisition strategies (Toutin, 2008). As shown in Figure 3, a stereo pair  consists of two images of the same terrain area, with a certain overlapping ratio. The image  contains displacement information, forming  parallax.  Elevation  can  be  obtained  from  parallax after image matching. 

(20)

Figure acquisit acquisit image c The Col point),  photogr

Where  space co length. 

Various backwa (e.g. AL this the Advance

3 Collinear tion points.

tion points.

coordinated linearity eq the  groun rammetry is

2 3

a f a y

a f a x

Xs, Ys, Zs a oordinate o Coefficients   sensors  p rd looking  LOS). They u esis, ASTER 

ed Spacebo

rity conditio (X1, Y1, Z1)

A represen d of two imag quation rep

d  object a s: 

) (

) (

) (

) (

3 2 3 1

s s s s

X X

X X

X X

X X a

re object s of terrain po

s in the form provide  dif

sensors (e.

use the sim is taken as orne Therm

ons for pho ) and (X2, Y nts the sam ge points a resents the and the  im

( ( ( (

3 2 3 1

Y Y b

Y Y b

Y Y b

Y Y b

pace coord oint; x and y mula are ele fferent  acq .g. ASTER) 

ilar principl s an examp mal Emission

- 8 - otogramme Y2, Z2) are s me terrain f

1 and a2 e geometry  mage  points

( )

( )

( )

( )

3 2 3 1

s s s s

Z c Y

Z c Y

Z c Y

Z c Y

dinate of im y are image ements in im quisition  st

and forwar le despite t ple to illust n and Refle

etry. S1 and space coor feature. (x1

between th s  (Figure  3

) ) ) )

s s s s

Z Z Z Z

mage acquis e coordinate

mage rotati rategies.  E rd, nadir an their differe rate stereo ction Radio

d S2 are tw rdinates of t

, y1) and (x

he sensors ( 3).  Collinea

ition point;

e of image p ion matrix. 

Examples  in nd backwar ent acquisiti oscopic DEM ometer (AST

 

wo image two image x2, y2) are

(image acq arity  equati

(1)

 X, Y, Z are point; f is th

nclude  nad rd looking s ion geomet M generatio

TER) is an i

uisition  ion  for 

e object  he focal 

dir  and  sensors  tries. In  on. The  maging 

(21)

instrum near in the  th genera indepe looking ratio is backw genera

Figure ASTER  as the latitud evalua which  Individ et al., 2 ASTER  packag and ba

ment onboa nfrared (VN hermal infr

ating  a  ste endent tele

g, together s 0.6 (Abram

ard telesco ate a stereo

e 4 Stereo im GDEM (cur e outcome  de and 83 d ated to be a

is automat dual ASTER 

2014).   

DEM can b ges (e.g. PC ackward im

ard Terra sa NIR, 15 m re

ared (TIR,  ereo,  with  escope asse r sequentia ms, 2000). N ope has on o pair.   

magery gen rrently vers of ASTER  degrees so round 12 m tically gene DEM is asse

be generate CI Geomatic

ages (3N a

atellite, con esolution), t

90 m reso a  spatial  emblies. On

lly constitu Nadir telesc nly one ban

neration from sion 2, avail

mission. It uth latitud m (Team, 20 erated by S essed to ha

ed from a s ca, ENVI, an nd 3B) are 

- 9 - nsists of th the shortwa olution).  Th resolution  ne is for na

uting a ster cope consis nd 3B. 3N 

m nadir look able in NAS t covers lan

e (Tachikaw 009). GDEM

LICAST soft ve vertical 

stereo pair  nd ERDAS). 

used. Figur

ree separat ave infrared he VNIR su of  15  m dir looking  reo (Figure sts of three 

and 3B ba

king and ba SA website) nd surfaces wa et al., 2 is a compil tware (www

accuracy ra

using comm For DEM e re 5 demon

te subsyste d (SWIR, 60  ubsystem m

eters.  VNIR and anoth 4). The ba bands, 1, 2 and togethe

ckward look ) is a near‐g

s between  2011). Its v

ation of ind w.silc.co.jp/

anges from 

mon remot xtraction, o nstrates a ty

ms, the vis 0 m resoluti makes poss

R  consists  her is for b ase‐to‐heig 2 and 3N, w

er can be 

  king.

global DEM  83 degree vertical acc dividual AST /en/produc

10 to 60 m 

te sensing s only the VN ypical proce

sible and  on), and  sible  for  of  two  ackward  ht (B/H)  while the  used to 

product  es north  curacy is  TER DEM  ts.html). 

(Schenk 

software  NIR nadir  edure of 

(22)

extracti of the D

Figure Geomat The pro are load image a coordin System) Point) is how im the pos stereo p betwee of the c can be  parallax of two e

ng DEM usi DEM extract

5 Procedu tica.

ocedure star ded then. G and the gro ates can be ), ground s s a referenc

ages are re sition and o pairs. The le n the imag correlation p

extracted  x. Moreove eipipolar im

ing the PCI  tion using th

ure of extr

rts with def GCP (Ground

ound by ass e obtained  surveys, geo

ce point th elated to ea orientation 

eft and righ es is along  process and

from stere r, a score c mages. 

Geomatica.

he PCI Geom

racting DE

fining physic d Control Po sociating im

by a variet ocoded ima at can be c

ch other. M of the sens ht images th

an identica d reduces th

eo pairs  by channel can

- 10 - . Al‐Rousan matica softw

EM from A

cal model a oint) determ mage coordi

ty of mean ages, vecto clearly ident Math mode

sor (equatio hen have a  al x axis. Us he possibili y matching n be obtaine

 et al. (1997 ware.   

ASTER ste

and projecti mines the r nates with  s, including ors, GIS and

tified in two l utilizes bu on 1). Epip common or ing epipola ty of incorr g two epip ed, reflectin

7) gave a de

reo pair u

on. Image c relationship ground coo g the GPS (G

d topograp o or more i undle adjust olar images rientation. M

r images in ect matche polar image ng the pixe

etailed desc

using PCI

channel 3N  p between t ordinates. G Global Posi

hic maps. 

images, spe tment to ca s are re‐pro Matching fe creases the es. Followin es and me l matching 

cription 

 

and 3B  the raw  Ground  itioning  TP (Tie  ecifying  alculate  ojected  eatures  e speed  g, DEM  asuring  quality 

(23)

- 11 - 2.1.2 Radargrammetric and InSAR DEM 

DEM  generated  by  radar  technique  can  come  from  clinometry,  stereoscopy  (radargrammetry),  interferometry  and  polarimetry  methods (Toutin  and  Gray,  2000).  

Among them, InSAR (Interferometric SAR) and radargrammetry based on SAR (Synthetic  Aperture Radar) images are mostly investigated.   

Radargrammetry technique utilizes the amplitude information in a radar images stereo  pair. The principle is similar with optical photogrammetric method. The processing steps for  radargrammetric method involve co‐registration of two subset images, matching between  co‐registered  images,  height  calculation  and  then  geocoding.  The  geometry  of  radargrammetry  is  demonstrated  in  Figure  6.  Radargrammetry  uses  the  magnitude  (intensity) value, and is less affected than phase by atmospheric heterogeneous (Yu et al.,  2010). 

 

Figure 6 The different observation positions and geometry for radargrammetry (Maître, 2010). S1, S2 are the satellites. Bx and Bz are the horizontal and vertical baseline respectively. P represents the ground point. P1 and P2 are seen by two radar images from location S1 and S2.

InSAR uses the phase differences between two radar images, acquired with a small base‐to‐

height ratio (Rosen et al., 2000). Figure 8 demonstrates the geometry of cross‐track InSAR. 

Typical processing steps for DEM generation from InSAR are illustrated in Figure 7. 

(24)

Figure 7 Single lo in brigh height,  earth, t unwrap system 

7 Interferom ook comple htness (amp

surface def the phase i pped phase

(Geocoding

metric proce ex (SLC) SAR

plitude) on  formation, a

information . Finally th g). 

essing of a S R data are a radar imag and water v n is unwrap he height in

- 12 - SAR DEM.

arrays of co ges. A SAR vapor distri pped. Then nformation

mplex num  interferog bution. Aft n height inf

 is transfe

mbers, repre ram contai er removing formation i

rred to req

esenting var ins informa g the effect is calculate quired coo

 

riations  ation of  t of flat  d from  rdinate 

(25)

- 13 -

.  

 

Figure 8 Cross-track SAR interferometer (flight paths perpendicular into plane). Two SARs fly on parallel tracks and view the terrain from slightly different directions. B stands for baseline, while B stands for effective baseline. From: (Rosen et al., 2000).

SRTM DEM is a typical InSAR DEM product. The Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)  is a joint project of the National Aeronautics and Space Administration (NASA), the National  Geospatial‐Intelligence Agency (NGA) and the German and Italian Space Agencies (Yang et  al., 2011). It was carried on Space Shuttle Endeavour, and flied from 11 to 22 February in  2000 between latitudes 60°N and 57°S, approximately covered 80% of the Earth’s land  surface (Rabus et al., 2003). Two antenna pairs operating in C‐band and X‐band were  simultaneously illuminating and recording radar signals onboard the shuttle Endeavour  (Figure  9).  The  SRTM  DEM  has  three  different  levels,  SRTM1,  SRTM3  and  SRTM30,  respectively have the 1, 3, 30 arcsec sample spacing. 1 arcsec equals 30 m in horizontal  extent. Thus the SRTM1 and SRTM3 are usually referred to SRTM ’30 m’ and ’90 m’ (Yang et  al., 2011) . 

(26)

- 14 -

  Figure 9 SRTM space segments. Shown are the main components of both the X- and the C-band SAR system (Rabus et al., 2003).

2.1.3 Other Sources 

There are various other DEM data sources beside optical stereoscopic DEM and radar  products. However, most of them are regional, and are not free for public. Among those,  for example, LiDAR (Light Detection and Ranging) technology, or Laser Scanning, nowadays  is widely implemented in DEM acquisition. LiDAR DEM enjoys high accuracy and free of  shadow (Liu, 2008), making it increasingly popular in recent years. It is still developing  rapidly in terms of sensor and data processing. LiDAR usually acquires a large amount of  points, known as point clouds. Usually, it is necessary to convert point clouds to grid DEM  (Agarwal et al., 2006). 

         

(27)

2.2 G

Figure Glacier 10) wh the su mass  Accum domin This th this pr differe cannot equati

Glacier Sur

e 10 Compo r mass bala hich involve

m of accum to  glacier, mulation is t ated by sur hesis does n

oject. Howe encing) of g t directly r

on: 

rface Dyn

onents of the nce represe es both gla mulation an

,  while  ab typically res rface meltin not explain  ever, it is im glacier elev

epresent th amic 

e mass bala ents the ma cier dynam nd ablation blation  is  d

sulting from ng for land‐t glacier dyn mportant to

vation chan he actual g

- 15 - ance of a gl ass change o mics and clim

. Accumula defined  as m precipitat

terminating namics in d o keep in mi nge only p glacier mas

lacier. From of a glacier.

mate condi ation is defi s  processes

ion (e.g. wi g glaciers. 

etail, as thi nd that geo rovides a q s balance.

       

m: (Cogley e . It is a com

tions. Glaci ned as all  s  that  red

nter snow)

s will be be odetic meas

quantitative This is due

       

et al., 2011) plex system ier mass ba processes t duce  glacie . Ablation i

eyond the s surement (e e interpret e to the co

       

  ).

m (Figure  alance is  that add  er  mass. 

s mainly 

scope of  e.g. DEM  ation. It  ontinuity 

       (2) 

(28)

where  cross se can res redistrib

Figure 1 A typica glacier  mass. C represe represe  

         

 is the e ection of th

ult not onl butes mass 

11 Ice flux c al example i elevation c Consequentl ent glacier d ent volume c

levation ch he glacier. T

y from acc throughou

configuratio is the redist changes at 

ly, unlike ph dynamics. H changes, w

ange rate, b This equatio cumulation 

t the glacie

n. From: Dr tribution of a certain re hysical glaci However, if  hich in turn

- 16 - b is the ma on shows t and ablatio r system (A

r. Andreas K f glacier ma

egion witho ier models,  f integrated n are a reliab

ss balance, hat change on, but also Arendt, 2010

Kääb’s lectu ss, resulting out changin geodetic m d of an enti

ble proxy of

 and q is th s in glacier  o from the 0). 

  ure note. 

g from ice f ng the amo measuremen re glacier,  f glacier ma

he ice flux p r surface ele e flow of ic

flux that can ount of volu nts cannot d elevation c ass changes

per unit  evation  e, as it 

n cause  ume or  directly  changes 

(29)

3. St

3.1 3.1.1

Figure the Bh area c

Figure lines a modific

tudy Are

Study Ar Bhutan Hi

e 12 Orthop hutan Hima orrespondin

e 13 Study a are derived cation of GL

ea and D

rea  imalaya 

projected AS layas main ng to Figure

area corresp d from SR LIMS glacie

Data 

STER imag n ridge. The e 13. Coord

ponding to r RTM. Glacie er extent da

- 17 - ge of 20 Jan

e rectangle dinates in W

rectangle A er extent (

tabase (Arm

nuary 2001 with letter WGS84 UTM

A in Figure 1 (red) is ge mstrong et a

1 showing a A indicates M Zone 46N

12. The 300 nerated aft al., 2005).

  a section of

s the study N. 

  0 m contour fter manual f y

r l

(30)

- 18 -

The Bhutan study area covers 125 kmarea, and is located in the northernmost section of  the Bhutan Himalayan main ridge (known as ‘Lunana’, (Gansser, 1970)) with altitudes  ranging from 4300 m to 4500 m asl between the main Himalayan divide (Iwata et al., 2004). 

Its highest peak reaches to 7300 m (Figure 14). The northern part towards to Tibet Plateau  has an approximate elevation range of 5000 m asl with relatively flat terrain. The glacier  delineated (‘Glacier Bhutan’ hereafter) has an elevation range from 4329 m to 7036 m  according to SRTM DEM. Figure 14 illustrates the elevation profile of the Bhutan study site  based on SRTM. 

 

Figure 14 Histogram of Glacier Bhutan in the year 2000 (based on SRTM). Profile shows a 2697 m drop height between the terminus and headwater. 

3.1.2 New Zealand 

The Tasman Glacier, together with Fox Glacier, Franz Josef Glacier, and Murchison Glacier,  are major glaciers around Mountain Cook region in New Zealand (To be called ‘Glacier Mt. 

Cook’ hereafter for convenience). Among them, Fox glacier and Franz Josef glacier are  located in the west side of Mt. Cook (Figure 15). Tasman glacier is the largest compound  valley glacier in New Zealand, which has 28 km length of its trunk and 1 to 2 km in width. It  covers an area of  approximately  55 km2 (220  km2  if  tributary glaciers  are included)  (Hochstein et al., 1995). Glaciers in New Zealand are well known as maritime type glaciers  (Chinn et al., 2014), affected by high precipitation. Glaciers in this region have rapid  response times to climatic perturbations compared with other glaciers in the world.   

Referanser

RELATERTE DOKUMENTER

Drawing on a wall-to-wall map of forest carbon change for the entire Uganda, that was developed using two Digital Elevation Model (DEM) datasets for the period 2000–2012,

The upper image has been processed using baseline components estimated from GEOSAT orbits and the lower has been processed with PRL orbits.. We clearly see the rest fringes in the

Glacier GIS products from mainland Norway in the CryoClim service consist of Glacier Area Outline (GAO), Glacier Lake Outlines (GLO) and Glacier Periodic Photo series (GPP)

Glacier products from mainland Norway in the CryoClim service consist of Glacier Area Outline (GAO), Glacier Lake Outlines (GLO) and Glacier Periodic Photo series (GPP) products7. The

A surface elevation change and geodetic mass balance were calculated for a sample of 131 glaciers covering 817 km 2 in the ‘ 1960s ’ and 734 km 2 in the ‘ 2010s ’ , giving an

Hun prøver alltid å endre emne når noen andre enn henne selv snakker om noe ubehagelig, og vil at alle rundt henne skal være lykkelig og glad.. I begynnelsen av stykket snakker

rates of falling/rising limb change, maximum water depth below the ground and time to reach 198.. the minimum stage/water elevation after the

A numerical coupled CFD (Computational Fluid Dynamics) – DEM (Discrete Element Method) model was developed and implemented in CFDEMcoupling (Goniva et al., 2012), intended for