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.
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.
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.
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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