3D surface reconstruction and change detection of glaciers from multi-date archival aerial images

As glaciers are affected severely by climate changes, it is crucial to monitor their morphological evolution by detection of mass variation and ice volume changes. Historical aerial images provide valuable information for monitoring and change detection in different areas such as glaciers, because the area of interest can be covered at a well-defined epoch, and help to obtain a better visual and metric analysis. Using aerial images, 3D models can be created and the geometry of the glaciers can be digitized manually to analyse surface extent of the glaciers, whereas data quality and properties make it more difficult to obtain information concerning the height. The features of each dataset photos are inspected, and they are pre-processed to be used in the 3D reconstruction phase. This pre-processing is conducted to not only minimize the dataset's problems, including shadows covering the glaciers and insufficient image overlapping over crucial places, but also to generate the best achievable dense 3D point clouds from each group of photographs. Point clouds of reconstructed 3D models may be used to detect variations in the Val Veny region and determine the rate of retreating and height differences for each glacier in the area over time. This could be done by computation of distances between points in cloud pairs in consecutive years. In this phase, no manual shifting and translating of point clouds are required as they were georeferenced in 3D reconstruction phase and they are automatically co-registered with Iterative Closest Point (ICP) algorithm in CloudCompare. Four main glaciers in the Val Veny area were chosen to be assessed considering the quality of generated point cloud during the 3D reconstruction phase. The results of the comparisons indicate how glacier heights have varied throughout time and by merging them with local meteorological data, it's feasible to examine how they're connected to climate change in the region. Meteorological data from the area, collected at the same time as the photographs, could also help to better understand glacier activity and dynamics, as well as their link to climate change. Interpretation of these links could illustrate the climate change and significant variations in glaciers which can result in a wide range of hazards that endanger lives and properties nearby. Despite the fact that retreat rate of volume in all four evaluated glaciers was almost negligible until the mid-1990s, investigations demonstrate a significant rise in volume retreat in all four glaciers in the beginning of 21st century, which is verified by overall rise in mean temperature in warmer months. As a consequence, interpreting glacier behaviour and reviewing the background of glacier-related incidents in the area can lead to the discovery of potential hazards for each glacier in the area, the establishment of monitoring systems in areas where potential hazards exist, and the management of risk mitigation strategies. Furthermore, the approaches described here are applicable to a wide range of glaciers and regions and are not limited to a specific example. Consequently, using modern photogrammetric techniques, it is conceivable to conclude that photographic archives can provide valuable information for morphological evolution studies.

I ghiacciai sono fortemente colpiti dai cambiamenti climatici. E’ dunque fondamentale monitorarne l’evoluzione morfologica rilevandone le variazione di volume e massa nel tempo. Le immagini aeree storiche forniscono preziose informazioni per il monitoraggio dei cambiamenti dei ghiacciai, dal momento che ne descrivono visivamente la superficie in epoche ben definite. Utilizzando le tecniche aerofotogrammetriche è possibile creare modelli digitali 3D che descrivono la geometria dei ghiacciai e consentono di analizzarne l'estensione areale. La qualità delle immagini rende più difficile ottenere informazioni sulle variazioni altimetriche. Le caratteristiche di ciascun blocco di immagini aerofotogrammetriche devono essere ispezionate e pre-elaborate per essere utilizzate nella successiva fase di ricostruzione 3D. Questa pre-elaborazione è condotta non solo per ridurre al minimo i problemi imputabili alla qualità dei dati, come la presenza di ombre e l'insufficiente sovrapposizione delle immagini in alcune aree da ricostruire, ma anche per ottimizzare la creazione di nuvole di punti 3D ottenibili da ciascun blocco aerofotogrammetrico. Le nuvole di punti dei modelli 3D ricostruiti possono essere utilizzate per rilevare le variazioni nella regione della Val Veny e determinare l’entità volumetrica del ritiro dei ghiacci e le differenze altimetriche nel tempo di ciascun ghiacciaio della zona. Questo potrebbe essere fatto calcolando le distanze tra punti in coppie di nuvole in anni consecutivi. In questa fase non è richiesto alcuno spostamento e traslazione manuale delle nuvole di punti in quanto sono state georeferenziate nella fase di ricostruzione 3D e sono automaticamente co-registrate con l'algoritmo Iterative Closest Point (ICP) in CloudCompare. Quattro ghiacciai principali dell'area della Val Veny sono stati scelti per essere valutati considerando la qualità della nuvola di punti generata durante la fase di ricostruzione 3D. I risultati dei confronti indicano come le altezze dei ghiacciai siano variate nel tempo e, fondendole con i dati meteorologici locali, è possibile esaminare come sono collegate ai cambiamenti climatici nella regione. I dati meteorologici dell'area, raccolti contemporaneamente alle fotografie, potrebbero anche aiutare a comprendere meglio l'attività e la dinamica dei ghiacciai, nonché il loro legame con il cambiamento climatico. L'interpretazione di questi collegamenti potrebbe illustrare il cambiamento climatico e le variazioni significative nei ghiacciai che possono comportare un'ampia gamma di rischi che mettono in pericolo vite e proprietà nelle vicinanze. Nonostante il tasso di ritiro volumetrico dei quattro ghiacciai esaminati fosse quasi trascurabile fino alla metà degli anni '90, le indagini dimostrano un aumento significativo del ritiro del volume all'inizio del 21° secolo, che è contemporaneo all'aumento complessivo della temperatura media nei mesi più caldi. Di conseguenza, l'interpretazione del comportamento dei ghiacciai e l'analisi del contesto possono portare all’individuazione di potenziali rischi per ciascun ghiacciaio nell'area, che richiedono l’applicazione di sistemi di monitoraggio e di strategie di mitigazione del rischio. Inoltre, gli approcci qui descritti sono estendibili ad altri ghiacciai e regioni e non si limitano a un esempio specifico. Di conseguenza, utilizzando le moderne tecniche fotogrammetriche, è possibile concludere che gli archivi fotografici possono fornire preziose informazioni per gli studi sull'evoluzione morfologica dei ghiacciai.