SPiRiT : Spot5 stereoscopic survey of Polar Ice Reference Images & Topographies

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1 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 utiliser l outil satellitaire afin de mieux comprendre le fonctionnement et la dynamique de la cryosphère polaire. Grâce à SPiRiT, les scientifiques vont disposer de MNT et d images de référence pour étudier les évolutions passées et futures des glaces polaires en réponse aux fluctuations climatiques. Pour atteindre ces objectifs, un partenariat s est établi 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). Ces couples d images seront ensuite traitées à IGN espace pour en déduire des topographies grâce à des protocoles bien établis (Bouillon et al., 2006). 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 internationale 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 illustrés 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 InSAR de vitesse de surface des glaciers

2 (Rignot, 2006; Rignot and Kanagaratnam, 2006). Notre objectif est de cartographier l ensemble des régions côtières des deux grandes calottes glaciaires (Antarctique et Groenland) ainsi que toutes les autres masses glaciaires (petites calottes et glaciers de montagne) des régions polaires. Figure 1 : Définition des zones cibles pour les acquisitions SPiRiT dans la région arctique (à gauche) et péri-antarctique (à droite) La figure 2 montre la dernière mise à jour des acquisitions sans nuage obtenues 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 régulièrement mises à jour peuvent être consultées sur

3 Figure 2 : Etat de l archivage par Spot5-HRS sur les régions polaires au 27 mars VALIDATION DES PREMIERES DONNEES SPIRIT Pour ces régions polaires où l on dispose de très peu de données 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 tests de l hémisphère nord pour lesquels l IGN a produit des topographies/ortho-images à partir des données SPiRiT. En parallèle, les données ICESAT ont été collectées auprès du National Snow and Ice data Center. 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 (SPiRiT ICESat) pour le glacier du Jakobshavn Isbrae sur le côte Ouest du Groenland. Sur ces zones de faible pente à la périphérie de la calotte groenlandaise, le biais est faible (quelques décimètres) et les écart-types de 3 à 4 m seulement. Ce sont des résultats très encourageants que nous synthétisons dans un article à soumettre prochainement (Korona et al., 2008). Les mêmes analyses ont pu être reproduites 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 (Berthier and Toutin, 2008). Figure 3 : Evaluation de la topographie SPiRiT 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

4 de droite est l histogramme des différences d altitude entre les données HRS et les données ICESAT. Ces validations vont se poursuivre notamment pour confirmer/infirmer ces bons résultats dans l hémisphère Sud. Table 1 : Evaluation des MNT SPiRiT sur 5 sites de l 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. POTENTIEL GLACIOLOGIQUE DE CES DONNEES En parallèle aux validations décrites ci-dessus, les premières analyses glaciologiques ont été menées à partir des données SPiRiT. 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. Nous détaillons donc ici deux résultats 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 groenlandais (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 (Joughin et al., 2004), et atteint aujourd hui des vitesses de plus de 15 km/an ce qui en fait le glacier le plus rapide du monde. La mesure des vitesses des écoulements glaciaires n est pas l objectif prioritaire du projet SPiRiT mais s avère très intéressante.

5 Figure 4 : Vitesse d écoulement du Jakobshavn Isbrae obtenue par corrélation d images Spot5-HRS. Nous avons aussi pu cartographier en détail les variations d épaisseur du même 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 réalisés 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.

6 Pour en savoir plus sur SPiRiT, obtenir ces données et suivre l évolution des acquisitions satellitaires, rendez vous sur le site Année Polaire de Spot Image. REMERCIEMENTS Nous tenons à remercier le CNES qui assure le financement de ce projet pour toute la durée de l année polaire. Merci également à Ted Scambos (NSIDC) et Eric Rignot (JPL) qui ont mis leurs mosaïques (MODIS et INSAR) à notre disposition pour la définition des zones cibles. Merci à l ensemble des scientifiques qui ont contribué à la définition des zones cibles de SPiRiT. Le programme GIIPSY permet lui une coordination des efforts des différentes agences spatiales. References Berthier, E., & Toutin, T. (2008). SPOT5-HRS digital elevation models and their application to the monitoring of glacier elevation changes. A case study in North- West Canada and Alaska. Remote Sensing of Environment, 112(5), Berthier, E., Vadon, H., Baratoux, D., Arnaud, Y., Vincent, C., Feigl, K.L., Remy, F., & Legresy, B. (2005). Surface motion of mountain glaciers derived from satellite optical imagery. Remote Sensing of Environment, 95(1), Bouillon, A., Bernard, M., Gigord, P., Orsoni, A., Rudowski, V., & Baudoin, A. (2006). SPOT 5 HRS geometric performances: Using block adjustment as a key issue to improve quality of DEM generation. Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 60(3), Joughin, I., Abdalati, W., & Fahnestock, M. (2004). Large fluctuations in speed on Greenland's Jakobshavn Isbrae glacier. Nature, 432(7017), Korona, J., Berthier, E., Bernard, M., Remy, F., & Thouvenot, E. (2008). SPiRiT: Spot 5 stereoscopic survey of Polar Ice: Reference Images and Topographies during International Polar Year. Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, In prep. Rignot, E. (2006). Changes in ice dynamics and mass balance of the Antarctic ice sheet. Philosophical Transactions of the Royal Society a-mathematical Physical and Engineering Sciences, 364(1844), Rignot, E., & Kanagaratnam, P. (2006). Changes in the velocity structure of the Greenland ice sheet. Science, 311(5763), Scambos, T.A., Haran, T.M., Fahnestock, M., Painter, T.H., & Bohlander, J. (2007). MODIS-based Mosaic of Antarctica (MOA) Data Sets: Continent-wide Surface Morphology and Snow Grain Size. Remote Sensing of Environment, 111,