Caractérisation de la neige, du névé et de la glace par traitement d'images. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1999

Caractérisation de la neige, du névé et de la glace par traitement d'images.

Résumé

It is now recognized that human activities , by the extent they have achieved since the industrial era, are likely to alter the Earth's climate (IPCC, 1996). Paleo climate and the climate change models show that the polar caps are particularly sensitive to global climate change. They are more likely to play an important role but unknown on the sea level. The positive term of mass balance of polar ice sheets is the accumulation of snow, whereas the negative term is formed by the flow of ice into the oceans . The size of the polar ice caps and their hostile environment limit the amount of available field data . Only satellite remote sensing is able to provide information on geographical scales as large as Antarctica or the Arctic and allows regular monitoring over time. But to be easily interpreted, in order to deduce the snowpack characteristics observed from space (size, shape of grains, surface roughness ... ), satellite data should be validated and inverted using simplified parameters . Prior to the establishment of these relations, it is necessary to develop a snow reflectance model ( thesis C. Leroux 1996) taking into account the physical and optical characteristics of the snow, and a microwave emissivity model (thesis Surdyck S. 1993) that provide volume information on the morphology of the snowpack. The snowpack is characterized by several physical parameters that depend on the depth: temperature, density , size and shape of grains mainly . It is therefore essential to establish a robust and simple parameterization of the size and shape of snow grains from their observation. Image processing allows to establish these relationships and allows automatic processing of a large number of data independent of the observer. Another glaciological problem of firn is the interpretation of data obtained from the analysis of trapped air bubbles in the gas . This study implies, in particular , the dating of the ice in the firn at the close off, is necessary to determine the age of gas with respect to the ice age. Dating gases contained in the bubbles ice cores is done from the ice age , therefore , it requires knowledge of the age difference between the gas and ice during the close off. During the close off, the calculation of the ice age requires a densification model and the age of the gas requires a transport model(thesis Amand L. 1997). Both models will be fully exploited only if the density at the close off is known with precision, we develop a third physical model of the close off in polar firn . The cores made in the central regions of Antarctica and Greenland allows to obtain experimental data essential to characterize the polar firn . Only the automatic image processing from these data is able to provide the structure parameters introduced in the models of densification, of close off, and of gas diffusion . Another aspect studied at the Laboratory of Glaciology is the increase in the average size of ice crystals ( or grains) with depth or ice age. The crystal growth was described in the glaciological literature ( Gow 1969, 1971 and 1975, Narita et al 1978 . Duval and Lorius 1980 A11ey et al 1982 . Duval 1985 Alley and Bentley 1988). Manual analysis of thin sections of ice to determine these coarsening laws will now be performed automatically by 2D image processing. The increase in the average size is only one parameter changes of the ice microstructure related to the normal grain growth . The use of image processing applied to the study of such microstructures will allow the observation and analysis of these microstructures in terms of evolution and size distributions and in terms of changes in the topology of the grains.
Il est maintenant admis que les activités humaines, de par l'ampleur qu'elles ont atteinte depuis l'ère industrielle, sont susceptibles de modifier le climat terrestre (IPCC, 1996). Les paléodonnées climatiques et les modèles d'évolution climatique démontrent que les calottes polaires sont particulièrement sensibles aux changements climatiques globaux. De plus elles sont susceptibles de jouer un rôle important mais inconnu à ce jour, sur le niveau des mers. Le terme positif du bilan de masse des calottes polaires est l'accumulation de neige, le terme négatif est constitué par l'écoulement de la glace vers les océans. La taille des calottes polaires et de leur environnement hostile limitent la quantité de données de terrain disponibles. Seule la télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations sur des échelles géographiques aussi grandes que celles de l'Antarctique ou de l'Arctique et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Mais pour être facilement interprétées, afin d'en déduire les caractéristiques du manteau neigeux observé depuis l'espace (taille, forme de grains, rugosité de surface...), les données satellitaires doivent être validées et inversées à l'aide de paramétrisations simples. C'est donc en préalable à l'établissement de ces relations, qu'il est nécessaire de développer des modèles de réflectance de la neige (thèse C. Leroux 1996) prenant en compte les caractéristiques physiques et optiques de la neige, et des modèles d'émissivité micro-ondes (thèse S. Surdyck 1993) qui fournissent des informations de volume sur la morphologie du manteau neigeux. Le manteau neigeux est caractérisé par plusieurs paramètres physiques qui dépendent de la profondeur : la température, la densité, la taille et la forme des grains principalement. Il est alors indispensable d'établir une paramétrisation robuste et simple de la taille et de la forme des grains de neige à partir de leur observation. Un moyen d'observation et de mesure est le traitement d'images qui va permettre d' établir ces relations et qui va permettre un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, du névé est l'interprétation des données issues de l'analyse des gaz piégés dans les bulles d'air. Cette étude implique, en particulier, la datation de la glace dans le névé lors de la fermeture des pores, indispensable pour déterminer dans la glace profonde l'age du gaz par rapport à la glace qui l'emprisonne. En effet la datation des gaz contenus dans les bulles des carottes de glace s'effectue à partir de l'age de la glace, par conséquent, elle nécessite la connaissance de la différence d'age entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. A la fermeture des pores, le calcul de l'age de la glace nécessite un modèle de densification et celui de l'age des gaz un modèle de transport dans le névé (thèse L. Amaud 1997). Ces deux modélisations seront pleinement exploitées uniquement si la densité à la fermeture des pores est connue avec précision, d'où le développement d'un troisième modèle physique de la fermeture des pores dans le névé polaire. Les carottages réalisés depuis quelques années dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Seul le traitement automatique des images issues de ces données est capable de fournir les paramètres de structure introduits dans les modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace (ou grains) avec la profondeur ou l'age de la glace. Ce grossissement des cristaux a été décrit dans la littérature glaciologique (Gow 1969, 1971 et 1975 ; Narita et al. 1978 ; Duval et Lorius 1980 ;A11ey et al. 1982 ; Duval 1985 ; Alley et Bentley 1988). Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains, jusqu'à présent manuelles vont maintenant être réalisées automatiquement par traitement d'images 2D. L'augmentation de la taille moyenne ne représente qu'un seul paramètre des modifications de la microstructirre de la glace liées au grossissement normal des grains. L'utilisation du traitement d'image appliqué à l'étude de ces microstructures va permettre l'observation et l'analyse de ces microstructures en terme d'évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.
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Dates et versions

tel-00930144 , version 1 (14-01-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00930144 , version 1

Citer

Michel Gay. Caractérisation de la neige, du névé et de la glace par traitement d'images.. Géophysique [physics.geo-ph]. Université de Grenoble, 1999. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00930144⟩
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