Remote sensing in geomorphological and glaciological research

Kalde områder er svært omskiftelige og spiller en viktig rolle i den globale klimadebatten. De reagerer sensitivt selv på små klimatiske variasjoner, ettersom temperaturene fluktuerer rundt frysepunktet. Det er derfor behov for grundig og konstant overvåkning. Utilgjengeligheten i alpine og polare områder kan delvis kompenseres med fjernmålingsdata med tilnærmet global dekning. På grunn av høy reliefenergi, skyer, snø- og isdekke er det utfordrende å overvåke disse områdene fra rommet. I denne tverrfaglige geografiske mulighetsstudien diskuteres fjernanalyse fra et teoretisk ståsted og eksemplifiseres ved tre anvendelser fra høyfjellsområder. Potensialet fjernanalyse har for måling av klimatisk kalde omr˚ader i lavere (europeiske Alper, venezuelanske Andesfjellene) og høyere (Svalbard) breddegrader, blir undersøkt med data fra både passive optiske og aktive radar satellittsensorer. Først og fremst undersøkes det vitenskapelige grunnlaget for fjernanalyse, og det diskuteres hvorvidt det er en metode eller en vitenskap. Det argumenteres for at vitenskap i dag knapt kan skilles fra metoder og teknologi som benyttes i vitenskapens framgang. Myten om at vitenskapen er overordnet teknologien kan vise seg å være en utdatert rest fra tidligere, mindre teknologiske tider. De vanskelig definerbare termene ‘vitenskap’ og ‘fjernanalyse’ gjenspeiler et generelt problem med kategorisering i den moderne vitenskapen. I det første studieområdet identifiseres de karakteristiske geomorforlogiske landformene. Deretter klassifiseres et optisk ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) satellittbilde og en digital terrengmodell (DTM) hierarkisk med fuzzy medlemskapsfunksjoner i en segmentbasert tilnærming i fire skalaer. Det resulterende tematiske kartet av Reintal har en samlet nøyaktighet på 92 % og en kappa-koeffisient på 0,915. Det påviser både sedimentlagre og deres aktivitetsnivå innen det alpine sediment systemet. I det andre studieområdet undersøkes, ved hjelp av en radar DTM og et ASTER-bilde, massebevegelse i de venezuelanske Andesfjellene. Den mulige forekomsten av løsmasse- og sørpeskred blir modellert som en funksjon av topografi og sedimentdynamikk. Resultatet representerer en realistisk initiell risikovurdering av kvalitativ sannsynlighet for løsmasse- og sørpeskred i området, og understreker viktigheten av videre måling, modellering og over våkning av bevegelse. I det tredje studieområdet fokuseres det på bevegelse i ismasser. Synthetic aperture radar (SAR) bilder fra satellittene ERS-1 og ERS-2 (European Remote Sensing) benyttes sammen med en DTM til differensiel interferometri. Et gjennomsnitt på noen få centimeter per dag og maksimal horisontal forflytning på 18 til 20 cm d−1 indikerer forholdene før surge på Comfortlessbreen i 1996. Sammen med andre data og tidligere surgestudier inngår disse resultatene deretter i en samlet konseptuell surgemodell. Denne omfatter surge i både tempererte og polytermale breer, så vel som prosessene før den synlige surgen. Dette arbeidet viser anvendeligheten av multi-sensor fjernanalyse for romlig kartlegging, overvåkning og modellering i kalde miljøer. En universal tilnærming for alle mulige forskningsspørsmål finnes ikke; adekvate data og metoder bør velges ut fra deres respektive styrke i forhold til det bestemte emnet. Funnene er ikke bare av interesse for den anvendte vitenskapen, men eksemplifiserer også behovet for ytterligere teoretisk utvikling.

Cold environments are highly variable and play an important role in the global change debate. At freezing point temperatures, they react sensitively even to minor climatic variations and therefore they need to be monitored closely and constantly. The relative inaccessibility of alpine and polar regions can be partly compensated for by the almost global availability of remote sensing data. Due to high relief energy, cloud, snow and ice cover, it is challenging to monitor these regions from a distance. This interdisciplinary feasibility study analyses remote sensing from a theoretical point of view and in three exemplary high mountain case studies. The potential of remote sensing for monitoring cold climate environments in lower (European Alps, Venezuelan Andes) and higher latitudes (Spitsbergen) is investigated with data from passive optical and active radar satellite sensors. First of all, the scientific basis of remote sensing is examined, and the question is raised as to whether it is science or method. It is argued that sciences nowadays can hardly be separated from the methodologies and technologies they make use of for their advancement. The myth of the supremacy of science over technology may prove to be an outdated remnant of former, less technologised times. The elusiveness of the terms ‘science’ and ‘remote sensing’ is symptomatic of a general problem of categorisation found in modern sciences. For the first case study, the characteristic features of geomorphological landforms are initially identified. In a segment-based approach on four scales, an optical Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) satellite scene and a digital elevation model (DEM) are then classified hierarchically with fuzzy membership functions. The resulting thematic map of the Reintal catchment reaches an overall accuracy of 92 % and a kappa coefficient of 0.915. It is possible to identify both sediment stores and activity status within the alpine sediment cascade system. The second case study examines mass movements in the Venezuelan Andes with a DEM and an ASTER scene. The potential occurrence of debris flows is modelled as a function of topography and sediment dynamics. The results represent a realistic first hazard assessment of qualitative debris flow probabilities in the region and underline the importance of further displacement measurement, modelling and monitoring. Glacier mass movement is the focus of the third case study. Synthetic aperture radar (SAR) scenes by the European Remote Sensing satellites ERS-1 and ERS-2 are used for differential interferometry along with a DEM. An average of a few centimetres per day and maximum horizontal displacements of 18 to 20 cm d−1 indicate pre-surge conditions on Comfortlessbreen in 1996. These and other data as well as previous surge studies are then turned into a synthesized conceptual model, which accommodates both temperate and polythermal glacier surges and also accounts for processes prior to surge visibility. This work shows the usefulness of multi-sensor remote sensing for spatial mapping, monitoring and modelling in cold climate environments. One universal approach for all possible research questions does not exist; adequate data and methods have to be chosen in accordance with their respective strengths for the particular topic. The findings are not only of interest for applied research questions, but also exemplify the need for further theory formation.