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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-37837
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3783/


Jaña Obregón, Ricardo

Digital elevation models and delineation of antarctic glaciers using stereo capabilities of ASTER satellite images : steps on the way for a glacier monitoring on the Antarctic Peninsula

Digitale Geländemodelle und Abgrenzung antarktischer Gletscher unter Nutzung der Stereofähigkeiten von ASTER-Satellitenbildern

Dokument1.pdf (111.977 KB) (Dissertation) (md5sum: 5d2acf531f371ed3388221de6e6d27ec)
Dokument1.zip (7,989 KB) (Virtual flight and high resolution figures) (md5sum: f74abeaaef4dc2ce92937d625e6c3f1c)

Kurzfassung in Englisch

Ongoing climate warming on the AP indicates that changes in the glacial system are occurring as a sensible reaction to the climatic variations. To study how develops this phenomenon the Antarctic Peninsula represents a source for cases study.
To monitor changes in the variety of elements that compound the glacial system of the Antarctic Peninsula, a systematic analysis of an adequate inventory of glaciological features present in the region is required. The establishment of such an inventory is currently being coordinated and performed by the Department of Physical Geography of Freiburg University. Because of the vastness of the region and the logistic difficulties associated to the demanding sampling of field based glaciology activities, working approaches consisting in the extraction of glaciological parameters based on the use of remote sensing data are being used.
However, a glacier inventory relies strongly on the geometry and geo-location of its features. The measuring of morphometric glacier parameters such as length, width, area, glacier front position, basin boundaries, and others morphometric measures where 3D coordinates are needed, requires a consistent spatial frame of reference. Only in this it case will be possible to compare variations in time in order to detect changes.
Consequently, one of the big concern is the lack of geodetic and topographic data sets in the Antarctic Peninsula. Furthermore, both horizontal and vertical resolution of existent digital elevation models that cover the Antarctic Peninsula limit detailed terrain modelling at larger scales. Consequently, for glacier mapping at catchment scale there is a need to produce cartography and terrain elevation models that provide sufficient spatial resolution. This necessity is also required for geo-coding and geometrical correction of satellite data being used for the extraction of other glaciological parameters.
Considering all this requirements and pursuing the idea that the use of satellite stereo imagery methods for topographic data generation along the Antarctic Peninsula offers interesting possibilities, we focused our research around this topic.
Consequently, we investigated into the use of near infra-red stereo pairs acquired by the ASTER instrument, to derive digital elevation models on the snow and ice covered terrain that is found in the Antarctic Peninsula.
Based on a software tool that uses image matching method to derive the stereo parallaxes and corresponding terrain altitudes we were able to produce 24 different DEMs using several combinations of processing parameters (i.e. 15 m grid size, several search window sizes, yes or no extended correlation and yes or no water detection). This DEMs were post-processed by median filter in a double sequence to minimize the high frequency noise and artefacts on individual DEMs; and later, on a median stack for the set of 24 DEMs, resulting in our MED-MED model. A second approach consisted in the generation of a multi-temporal DEM considering several ASTER stereo pairs from different dates. In the multi-temporal approach it was used only one combination of processing parameters evaluated as the most cost-effective solution. In order to exclude extreme artefacts it was also applied a median filtering resulting in a improved MT-MED model.
Models were evaluated against the reference TUD model in the Marguerite Bay test site evidencing a better agreement than it is show by the standard RAMP model. Accuracy assessments of the models by profile line comparisons and by visual comparisons against real terrestrial pictures gave stimulating results that later were confirmed numerically. Inside the test site 622,345 altitude values representing cells of 30x30 were compared against the reference altitude. The results for RAMP, MED-MED and MT-MED models it were: [RMS: 181.1; 79.6; 47.5], [Mean: -25.4; -32.1; -8.5] and [St.Dev.: 179.3; 72.8; 46.8]. Additionally can be state that MT-MED model have 83.9% of its values under 50 m, 48.1% lower than 20 m and 26% inferior to 10 m. Consequently, it is demonstrated a better quality compared with that of RAMP. On the other hand some artefacts were detected in the TUD reference model reason why the comparison can be more favourable for the MT-MED model.
Finally, MT-MED model was used to derive ice drainage catchments in the area of Marguerite Bay test site using a GIS-based automatic hydrological extraction. Method probed work accordingly and post-processing allow to remove spurious min-basins formed in the glacier cross-section used in the coastal ice cliff front. The location of ice divides was also easily analyzed with the additional support of three-dimensional representation of the terrain draped with the orthorectified ASTER scene, contour lines from the DEM and basins polygons. All this approach probed to be suitable to support the task of gathering of geometric parameters of glaciological features.


Kurzfassung in Deutsch

Die anhaltende Klimaerwärmung in Bereich der Antarktischen Halbinsel weist darauf hin, dass Veränderungen in den glazialen Systemen als sensible Reaktion auf die Klimaänderungen auftreten. Für ein Monitoring der Veränderungen in den einzelnen Komponenten der glazialen Systeme der Antarktischen Halbinsel ist eine systematische Analyse eines geeigneten Inventars glaziologischer Objekte notwendig. Aufgrund des ausgedehnten Gebietes und der logistischen Schwierigkeiten bei der Durchführung von glaziologischen Feldarbeiten im Bereich der Halbinsel werden fernerkundungsbasierte Methoden zur Ableitung glaziologischer Parameter benutzt.
Die Grundvoraussetzung für ein sinnvoll nutzbares Gletscherinventar stellt jedoch die Verfügbarkeit der exakten Geometrie und Georeferenz ihrer Objekte dar. Das Erfassen morphometrischer Gletscherparameter für die 3d-Koordinaten benötigt werden, erfordert ein konsistenten räumlichen Bezugsrahmen als Referenz. Nur damit ist es möglich, zeitliche Veränderungen zu erkennen.
Folglich ist das Fehlen geodätischer und topographischer Daten für das Gebiet der Antarktischen Halbinsel eine der größten Schwierigkeiten sowohl beim Aufbau eines Gletscherinventars als auch bei einschlägigen Studien, die auf diesem Inventar basieren. Dazu ist sowohl die horizontale und vertikale Auflösung der vorhandenen, die gesamte Halbinsel abdeckenden, digitalen Geländemodelle ungenügend.
Unter Berücksichtigung dieser Bedürfnisse und der Idee folgend, dass die Nutzung stereoskopischer Satellitenbilder zur Erzeugung topographischer Daten für die Antarktische Halbinsel interessante Möglichkeiten eröffnet, konzentrieren wir unsere Arbeiten im folgenden auf diese Thematik.
Wir untersuchen die Anwendung von Stereo-Bildpaaren aufgenommen mit dem ASTER Sensor zur Ableitung digitaler Geländemodelle im schnee- und eisbedeckten Terrain der Antarktsichen Halbinsel.
Mit Hilfe einer Software, die Image-Matching-Methoden verwendet um Parallaxen und entsprechende Geländehöhen zu berechnen, konnten wir unter Benutzung verschiedener Kombinationen von Prozessierungsparametern aus einem Ausgangsdatensatz 24 unterschiedliche Geländemodelle ableiten. Diese Geländemodelle wurden einem Post-Processing mit einem doppelten Median-Filter (MED-MED-Modell) unterworfen. Zunächst wurde das hochfrequente Rauschen und Artefakte in den einzelnen Geländemodellen unterdrückt. Danach wurde der gesamte Stapel der 24 Geländemodelle mit einem Median-Filter gefiltert. Ein zweiter Ansatz bestand im Erzeugen eines multitemporalen Geländemodells, das mehrere ASTER Stereopaare von unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten als Ausgangsdatensätze mit einbezog. Bei diesem multitemporalen Ansatz wurde nur eine Kombination von Prozessierungsparametern berücksichtigt. Dies hatte sich als effektivstes Prozessierungsverfahren herausgestellt. Um noch verbliebene extreme Artefakte zu eliminieren wurde ein Median-Filter angewandt. Das Ergebnis ist das nochmals verbesserte MT-MED Model.
Die Modelle wurden mit dem TUD-Referenz-Modell im Marguerite Bay Testgebiet verglichen. Diese Vergleiche lieferten weit bessere Ergebnisse als für das weit verbreitete RAMP-Geländemodell. Beurteilungen der Genauigkeit der Modelle basierend auf Analysen von Profilen entlang von Schnitten und durch visuelle Vergleiche mit Photographien des Geländes ergaben vielversprechende Resultate. Diese konnten dann mit numerischen Verfahren bestätigt werden. Im Testgebiet wurden 622,345 Höhenwerte, die sich jeweils auf Zellen von 30mx30m beziehen, mit Referenzhöhen verglichen. Die Ergebnisse für RAMP, MED-MED und MT-MED Modelle sind: [RMS: 181.1;79,6;47.5], [Mittelwert: -25.4; -32.1; -8.5] und [Standardabweichung: 179.3; 72.8; 46.8]. Das MT-MED Modell liefert 83.9% Werte mit Höhendifferenzen weniger als 50 m, 48.1% weniger als 20 m und 26% weniger als 10 m. Das zeigt die verbesserte Qualität des aus ASTER-Daten abgeleiteten MT-MED Geländemodells verglichen mit dem RAMP-Modell. Zusätzlich konnten noch Artefakte im TUD-Referenzmodell nachgewiesen werden. Dies weist darauf hin, dass ein Vergleich mit diesem Referenzmodell die Qualität des MT-MED eher noch unterschätzt.
Abschließend wurde das MT-MED Modell im Gebiet der Marguerite Bay erfolgreich als Eingangsdatensatz zur Ableitung von Gletschereinzugsgebietsgrenzen mit einem aus der Hydrologie kommenden automatisierten GIS-Verfahren verwendet. Durch anschließendes Post-processing konnten die Mini-Einzugsgebiete eliminiert werden, die sich fälschlich an den Querschnitten entlang den Eiskliffs an der Küste gebildet hatten. Die Lage der Eisscheiden konnte mit Hilfe von dreidimensionalen Darstellungen des Geländes aus Geländemodell und darübergelegtem Orthobild der ASTER-Szene, von Höhenlinien abgeleitet aus dem Geländemodell und von Polygonen der Einzugsgebietsgrenzen einfach bestimmt werden. Es zeigte sich, dass dieser integrierte Ansatz geeignet ist, geometrische Parameter für glaziologische Objekte abzuleiten.


SWD-Schlagwörter: Digitales Geländemodell , Fernerkundung , Antarktische Halbinsel , Gletscher
Freie Schlagwörter (deutsch): ASTER
Freie Schlagwörter (englisch): digital elevation model, remote sensing, Antarctic Peninsula, ASTER
Institut: Institut für Physische Geographie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Goßmann, Hermann (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.12.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 21.01.2008
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