Mapping moraines and glaciers using multispectral imagery and ancillary elevation data : An approach for Svalbard, Norwegian Arctic

• Main Author: Teuchert, Jonathan
• Other Authors: Andreas Kaab, Jon-Ove Hagen, Jack Kohler, Doug Benn
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: 2007
• Subjects: geomatikk geofysikk fjernmåling terrengklassifikasjon Svalbard breer morener isbreer; VDP::450; Arctic; Brøggerhalvøya; Finnes; Greenland; Norway; Svalbard; Antarc*; Antarctica; Antarktis*; Arctic Archipelago; Arktis*; Climate change; glacier; Grønland; Norsk Polarinstitutt; Norwegian Polar Institute; Spitsbergen
• Online Access: http://hdl.handle.net/10852/12432; http://urn.nb.no/URN:NBN:no-16021

Abstract This study uses multispectral Landsat satellite imagery and a high resolution Digital Elevation Model based on 1990/95 aerial stereoimagery (Norwegian Polar Institute) to map moraines and glacier terminus positions on the high Arctic archipelago of Svalbard, Norway. To accomplish the task, this methodological Master thesis investigates different approaches of classification and incorporation of ancillary elevation data. Glaciers and other ice masses are important parts of the climatic system and also eminent terrestrial indicators for climate change in the scale of tenths to thousands of years. In the context of climatic response and global sea-level rise, mass balance studies on glaciers are important means to quantify trends however they are laborious and only for a few glaciers worldwide available. The application of remote sensing may help to determine changes in volume and extent of glaciers with a greater spatial coverage. Furthermore, area-wide mapping of unvegetated moraines on Svalbard may aid to quantify past glacial dynamics, especially since the Little Ice Age (LIA). During this study a thematic map of vegetation- and glacier-cover dating to the period from 1999 to 2002 has been produced by contrast-enhancing-methods and supervised determination of class thresholds, covering almost the complete archipelago. ISODATA classifications of combined terrain statistics and primary topographic attributes are merged with multispectral data to map the extend of moraines. Combinations of VIS, NIR and SWIR spectral bands with elevation range and standard deviation, curvature and slope deliver the most promising results when joined to neighbourhood analysis. Datasets from principal component analysis deliver good results as well. However, since the morphological diversity is high, no method is superior on all moraines. Multitemporal change detection was tested for a small number of glaciers on Brøggerhalvøya, western Spitsbergen, where recent data was acquired in the field during 2006. High variation coefficients for annual retreat rates of 26 and 45% were discovered among datasets with different spatial resolutions. The overall trend was negative at all events, varying from 10 to 19 m/a horizontal retreat during the entire investigated period from 1983 to 2006. The fast losses of Svalbard glaciers are likely connected to climatic warming trends which are also obvious from direct measurements. The necessity of glacial studies becomes obvious as the retreat of the smaller glaciers and ice caps outside Greenland and Antarctica contributes to global sea level rise second only to the thermal expansion, with Svalbard being a major player. Abstrakt Diese Studie verwendet multispektrale Landsat Satellitenbilder und ein hochauflösendes digitales Geländemodel, welches auf Stereoluftbildern von 1990/95 vom Norwegischen Polarinstitut basiert, um Moränen sowie die Position von Gletscherfronten auf der hocharktischen Inselgruppe Svalbards (Norwegen) zu kartieren. Hierzu untersucht diese methodologische Masterarbeit verschiedene Ansätze zur Klassifikation und Integration ergänzender Geländedaten. Gletscher und andere Eismassen sind wichtige Bestandteile des Klimasystems und außerdem die besten Klimaindikatoren der festen Landoberfläche, bezogen auf Zeiträume einiger Jahrzehnte bis Jahrtausende. In dem Zusammenhang von Klimadynamik und weltweitem Meeresspiegelanstieg sind Massenbilanzstudien auf Gletschern wichtig um Trends zu quantifizieren, allerdings sind solche Untersuchungen aufwändig und wurden weltweit nur auf einer kleinen Zahl von Gletschern durchgeführt. Die Anwendung der Fernerkundung hilft Daten über Volumen- und Flächenänderungen von Gletschern flächendeckend zu erheben. Darüber hinaus kann die flächendeckende Kartierung vegetationsfreier Moränen auf Svalbard dabei helfen vergangene Gletscherfluktuationen, insbesondere seit der kleinen Eiszeit, zu quantifizieren. Im Rahmen dieser Studie wurde, mit Hilfe von kontrastverbessernden Bildbearbeitungsmethoden und manueller Grenzwertbestimmung, eine thematische Karte der Gletscher- und Vegetationsbedeckung aus dem Zeitraum von 1999 bis 2002 erstellt, welche einen Großteil Svalbards abdeckt. ISODATA-Klassifizierungen von kombinierten Geländestatistiken und primären Geländeattributen wurden zur Kartierung der Moränen mit multispektralen Daten kombiniert. Die gemeinsame Verwendung der spektralen Kanäle im sichtbaren, im nah-infraroten und im kurzwellig-infraroten Bereich sowie der Höhenvariabilität und -Standardabweichung, der Geländerundung und dem Gefälle lieferten die vielversprechendsten Ergebnisse, sofern Nachbarschaftsbeziehungsanalysen integriert wurden. Datensätze aus der Hauptkomponentenanalyse liefern ebenfalls gute Ergebnisse, prinzipiell gilt jedoch angesichts der morphologischen Vielfalt der Moränen dass keine Methode in allen Bereichen überlegen ist. Multitemporale Änderungskartierungen wurden für eine kleine Anzahl von Gletschern auf der Brøggerhalbinsel in Westspitzbergen getestet, auf der 2006 auch Feldkartierungen durchgeführt wurden. Hohe Variationskoeffizienten von 26 bis 45% wurden für die Messungen des jährlichen Rückgangs der Gletscher aus verschiedenen Datensätzen mit unterschiedlichen räumlichen Auflösungen festgestellt. Der allgemeine Trend war in allen Fällen negativ und variierte während des gesamten untersuchten Zeitraumes von 1983 bis 2006 zwischen 10 und 19 Metern Rückgang pro Jahr. Die raschen Verluste der Gletscher Svalbards sind vermutlich auf klimatische Veränderungen zurückzuführen welche auch in direkten Messungen deutlich werden. Die Notwendigkeit glaziologischer Untersuchungen wird durch die Tatsache, dass der Rückgang kleinerer Gletscher außerhalb Grönlands und der Antarktis bereits jetzt den zweitgrößten Beitrag zum globalen Meeresspiegelanstieg nach der Wärmeausdehnung leistet, unterstrichen. Svalbards Gletscher liefern hierzu einen der Hauptbeiträge. Abstrakt Denne studien bruker multispektrale bilder fra Landsat-satelliten og en digital terrengmodell med høy oppløsning, hvilket er basert på stereo-flybilder fra 1990/95 av Norsk Polarinstitutt. Studiens mål er å kartlegge morener og brefronter på den høy-arktiske øygruppen Svalbard (Norge). For å oppnå dette målet, undersøker denne metodologiske Masteroppgaven forskjellige adkomster til klassifikasjon med integrasjon av supplerende høydeverdier. Breer og andre ismasser er viktige deler av det klimatiske system og de viser til klimatiske forandringer på tidsrom fra tiår til tusenår. I sammenheng med klimatisk reaksjon og økning av havnivået verden rundt, er glasiologiske undersøkelser svært viktig, siden det hjelper med å kvantifisere en slik utvikling. Men glasiologiske undersøkelser er ressurskrevende, og det er derfor bare blitt gjort på et lite antall breer i verden. Bruk av fjernmåling hjelper til å undersøke breer med en utvidet dekning. I tillegg kan en arealdekkende kartlegging av morener på Svalbard hjelpe til å forstå, og måle forandring av breer i fortiden, spesielt siden den lille istiden. En tematisk kart av vegetasjon og is-dekning som omfatter nesten hele øygruppen i tidsrommet fra 1999 til 2002, blitt produsert under dette studiet. Kartleggingen er utført med hjelp av kontrastøkende metoder og manuell determinasjon av grenseverdiene. ISODATA klassifikasjoner av statistiske terrengmodeller og primære terrengattributter er blitt sammenført med multispektral data til å kartlegge utvidelse av morener. Kombinasjonen av VIS, NIR og SWIR spektrale kanaler med høydevariabilitet og standardavvikelse av høyden, runding og helning leverer de beste resultatene når de blir etterbehandlet med naboskapsanalyser. Hovedkomponentanalysen viser også gode resultater, men prinsipielt er den morfologiske variabilitet innenfor morenene stor og det finnes ingen metode som er overlegen i alle områder. Den multitemporal endringsanalyse er blitt testet på et lite antall breer på Brøggerhalvøya, Vestspitsbergen. På samme området er brefrontene og morenene blitt kartlagt i felt i 2006. Høye variasjonskoeffisienter på 45 og 26 % ble observert i målinger av årlig tilbaketrekking i areal og lengde med ulik romlig oppløsning. Den generelle trenden var negativ i alle undersøkte tilfeller, med variasjoner i tilbaketrekking fra 10 til 19 meter per år i hele studieperioden fra 1983 til 2006. Det store massetapet fra Svalbards breer er utvilsomt relatert til klimatisk oppvarming, en trend som også vises i direkte målinger. Nødvendigheten av å undersøke breer blir enda mer åpenbar av at tilbaketrekkingen av små breer og iskapper utenom Grønland og Antarktis allerede nå utgjør det nest største bidraget, etter termisk ekspansjon, til den globale økningen i havnivå – og her er Svalbard en viktig aktør.