SPIRIT :

Spot5 stereoscopic survey of Polar Ice

Reference Images & Topographies

Le projet SPIRIT est une des contributions françaises à l’année polaire internationale. L’objectif de ce projet est d’améliorer notre connaissance des glaces polaires, en particulier leur topographie. Grâce à SPIRIT, les scientifiques vont disposer d’une topographie et d’images de référence pour étudier les évolutions passées et futures des glaces polaires. Pour atteindre ces objectifs, un partenariat s’est établie avec Spot Image afin d’assurer l’acquisition de couples stéréoscopiques d’images SPOT5 pendant les deux années de l’année polaire internationale (de mars 2007 à mars 2009). Le LEGOS est le responsable scientifique de ce projet. Nous avons donc :

· déterminé les zones d’intérêts avec leur ordre de priorité

· réalisé les premières validation des produits SPIRIT

· démontré les intérêts glaciologiques de ces données

Ces trois points sont décrits plus en détail ci-dessous.

Le financement du projet SPIRIT est assuré par le CNES.

CONSTITUTION DE L’ARCHIVE SPIRIT

La définition des zones cibles pour ce projet a été menée en coordination avec la communauté scientifique puisque les données seront distribuées gratuitement à l’ensemble des glaciologues impliqués dans des projets pour l’année polaire internationale, API). Ces zones et leurs ordres de priorité sont montrés sur la figure 1. Cette sélection de zone prioritaire a été réalisée grâce à une analyse approfondie de la littérature scientifique, aux mosaïques MODIS (Scambos et al., 2007) et aux mosaïques de vitesse de surface des glaciers InSAR (Rignot, 2006; Rignot and Kanagaratnam, 2006).

Figure 1 : Définition des zones cibles pour les acquisitions Spot 5 HRS dans la région arctique (à gauche) et péri-antarctique (à droite)

La figure 2 montre la dernière mise à jour des acquisitions dans l’hémisphère Nord (entre juillet et octobre 2007) et dans l’hémisphère Sud au cours de l’été austral (Décembre à Avril 2008). La couverture est satisfaisante sur l’hémisphère nord (malgré un début assez tardif des acquisitions) et, à mi-parcours de l’année polaire, presque déjà complète sur l’Antarctique. Les cartes à jour peuvent être consultées sur http://www.spotimage.fr/web/1585-annee-polaire-internationale.php.

Figure 2 : Etat de l’archivage sur les régions polaires au 27 mars 2008. On notera notamment l’absence d’acquisition sur les îles ou champs de glaces péri-Antarctique (Patagonie, Kerguelen) à cause des conflits ou de la trop forte couverture nuageuse.

1.1.1. Validation des topographies HRS

Parmi les sites de validation définis par les acteurs de ce projet TOP GLACES API nous devons malheureusement déplorer l’absence d’acquisition sur les calottes glaciaires d’Islande et sur la calotte Cook des Kerguelen. Ces deux sites, pour lesquels nous disposons de nombreuses données de référence sont très nuageux et/ou dans des zones conflictuelles pour le satellite Spot 5. Pour l’Islande, nous nous tournons donc vers des données d’archives HRS acquises dans les années 2003 et 2004. Sur ces sites islandais, nous demandons à Spot Image des images brutes HRS pour tester des algorithmes de restitution de la topographie, différents de ceux proposés par l’IGN.

En revanche, sur les 3 autres des sites mis en avant par TOP GLACES API, d’excellentes acquisitions ont pu être réalisées : région Ouest du Svalbard (Kongsvegen), glacier de l’Astrolabe et glacier Mertz (tous deux en Antarctique de l’Est). Ces trois sites ont fait ou vont faire l’objet de mesures de terrain (programmes ANR : Hydro-Sensor-FLOWS pour le Svalbard et DACOTA pour l’Astrolabe et le Mertz) et seront donc des sites privilégiés de validation des données HRS au cours de l’année 2009.

Pour les sites où nous ne disposons pas de mesures in situ, le satellite laser altimétrique ICESAT est une précieuse ressource pour valider les topographies grand champs déduites des images HRS. Nous avons donc sélectionné 4 zones de l’hémisphère nord pour lesquels l’IGN a produit des topographies/ortho-images à partir des données HRS. En parallèle, les données ICESAT ont été collectées auprès du National Snow and Ice data Center et pré-traitées au LEGOS. Une comparaison systématique des altitudes est alors réalisée en extrayant par interpolation bilinéaire, l’altitude HRS à la localisation précise de l’écho ICESAT. Ceci permet de caractériser les biais systématiques et les écart-types dans les topographies HRS. La figure 3 montre les histogrammes des différences d’altitudes (Spot5-HRS – ICESat) pour le glacier du Jakobshavn Isbrae sur le côte Ouest du Groenland. Le biais est faible (quelques décimètres) et les écart-type de 3 à 4 m seulement sur ces zones de faibles pente à la périphérie des calottes. Ce sont des résultats très encourageants que nous synthétisons actuellement dans un article à soumettre prochainement (Korona et al., 2008) et ont déjà été présentées lors d’un workshop (EARSeL) à Berne. Les mêmes analyses ont pu être effectuées sur les trois autres régions glaciaires (Canada, Alaska et Spitzberg) et confirment l’excellente qualité des topographies HRS sur les glaces (Table 1). La principale difficulté est la proportion importante de pixels interpolés sur les zones hautes (dites d’accumulation) des calottes polaires. La radiométrie très homogène de ces zones expliquent les difficultés des corrélations.

Figure 3 : Evaluation de la topographie HRS sur le glacier Jakobshavn Isbrae sur le côte Ouest du Groenland. La figure de gauche montre l’ortho-image HRS du 4 août 2007 et la localisation des profils altimétriques ICESAT (en bleu). La figure de droite est l’histogramme des différences d’altitude entre les données HRS et les données ICESAT.

En 2008 et en 2009, ces validations doivent se poursuivre notamment pour confirmer/infirmer ces bons résultats dans l’hémisphère Sud.

Table 1 : Evaluation des MNT HRS sur 5 sites de la zone arctique à partir de données ICESAT acquises quelques mois auparavant. La moyenne, l’erreur rms et le nombre de données utilisées pour établir ces statistiques sont fournis. La dernière colonne renseigne sur le pourcentage des pixels du MNT pour lesquels la corrélation a échoué et dont l’altitude a donc été estimée par interpolation. Ces pixels sont exclus des statistiques lors de la comparaison avec les données ICESat.

1.1.2. Valorisation des topographies HRS

En parallèle aux validations décrites ci-dessus, les premières analyses glaciologiques ont été menées à partir des données HRS. Ces analyses démontrent le fort potentiel de ces données pour le suivi des glaces polaires et des premiers résultats importants ont été obtenus pour le glacier du Jakobshavn Isbrae. Ces résultats seront prochainement publiés (Korona et al., 2008) et feront l’objet de plusieurs présentation dans des conférences internationales (ISPRS en Chine, SCAR meeting en Russie, AGU à San Francisco).

Nous détaillons donc ici deux extraits de l’article (Korona et al., 2008) qui sera prochainement soumis au journal ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing.

Le champs de vitesse du glacier (figure 4) a été obtenue grâce à la corrélation de deux images HRS acquises à 11 jours d’intervalle en utilisant des outils publiés par ailleurs (Berthier et al., 2005). Cette carte nous montre que le Jakobshavn Isbrae poursuit son accélération, débutée dans les années 90s, et atteint aujourd’hui des vitesses de plus de 15 km/an ce qui en fait le glacier le plus rapide du monde. Ce type d’information sur les vitesses des écoulement glaciaires n’est pas l’objectif premier du projet TOP GLACE API mais s’avère très intéressante.

Figure 4 : Vitesse d’écoulement du Jakobshavn Isbrae obtenue par corrélation d’images Spot5-HRS.

En accord avec les objectifs initiaux de ce projet, nous avons également pu cartographier en détail les variations d’épaisseur du glacier au cours des quatre dernières années en comparant les MNT HRS de 2007 avec un MNT ASTER de 2003 et des profils altimétriques ICESat réalisées en octobre 2003 (Figure 5).

Il est intéressant de constater que les variations d’épaisseur correspondent à la zone d’écoulement rapide du glacier émissaire. L’amincissement de ce glacier n’est donc pas directement contrôlé par des processus climatiques en surface (fonte, accumulation) mais est essentiellement lié à des perturbations de la dynamique glaciaire.

Figure 5 : Variation de l’altitude de la surface du Jakobshavn Isbrae obtenue par comparaison du MNT HRS d’août 2007 avec des profils altimétriques ICESAT d’octobre 2003.

Pour en savoir plus sur SPIRIT et suivre l’évolution des acquisitions satellitaires, rendez vous sur le site de Spot Image.

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