Whilst the effects of present-day climate change are apparent in many environmental systems, much less is known about its impact upon the geomorphic systems characteristic of Alpine environments. This is an important knowledge gap because of the potential vulnerability of Alpine landscapes. The gap exists for two primary reasons: (1) observing climate forcing is challenging because it is manifest over timescales of decades to centuries, over which timescale geomorphic data are commonly scarce; and (2) the geomorphic response of landscapes to climate change can be complex, reflecting both spatially differential sensitivities to climate forcing and the effects of landscape heritage associated with historical glacial activity. Nonetheless, there is a consensus in the scientific community about the potentially high sensitivity of Alpine regions to climate change, because of the vulnerability of permafrost, glacial and nival processes to changes in atmospheric temperature and precipitation and the large amount of sediment stored on the associated hillsides.
One approach to addressing this knowledge gap is to harness the power of remote sensing. A number of active and passive remote sensing methods could be employed for the reconstruction and monitoring of both whole landscapes and individual landforms. This Thesis aims to use such approaches to quantify the geomorphic dynamics of high mountain areas at the timescale of decades and so in the context of recent and rapid climate warming. It does so recognizing that both endogenous (landscape legacy) and exogenous (climatic forcing) processes may matter. To support this primary aim, a secondary aim arises: the evaluation of the potential of a number of remote sensing techniques for landscape and landform monitoring at multiple temporal and spatial scales. Thus this Thesis also tests in an Alpine setting the geomorphological potential of photogrammetric methods, using both aerial and hand-held sensors and both traditional and the innovative Structure-from-Motion processing approaches, and Terrestrial Laser Scanner techniques.
The Thesis shows that remote sensing approaches prove to be an advantageous approach for a number of scales of application. In particular, over large spatial extents and in the case of decadal scale climate forcing of Alpine landscapes, photogrammetry was found to be capable of quantifying process rates within the limits of detection determined by the resolution of historical imagery. The information unlocked from aerial archives reveals distinct geomorphic responses to cold and warm periods and to changes in rates of precipitation and snow cover. Nonetheless, whilst enhanced sediment production is observed locally, evidence suggest a weak propagation of climate change signals through the landscape due to impeded connection to the river system and/or sediment transport capacity limitation.
--
Bien que les effets des changements climatiques actuels soient visibles dans de nombreux systèmes environnementaux, un manque de connaissances des impacts sur les paysages alpins persiste. Cette lacune existe pour deux raisons principales : (1) l'observation du forçage climatique représente un défi, car ses conséquences se manifestent sur des périodes de plusieurs décennies, voire des siècles, pour lesquels les données géomorphologiques sont généralement rares ; et (2) la réaction du paysage aux changements climatiques peut être complexe, reflétant à la fois des sensibilités différentes au niveau spatial et les effets du patrimoine paysager, comme par exemple son histoire glaciaire. Néanmoins, il existe un consensus dans la communauté scientifique à propos de la haute sensibilité potentielle des régions alpines au changement climatique, en raison de la vulnérabilité du pergélisol et des processus glaciaires et neigeux aux changements de température atmosphérique et des précipitations et en raison de la grande quantité de sédiments stockés sur les versants alpins.
Une stratégie pour aborder ces problématiques s'appuie sur le potentiel de la télédétection. Une série de méthodes de télédétection active et passive peuvent être utilisées pour reconstruire et surveiller le paysage entier et les éléments individuels qui le composent. Cette thèse vise l'application de ces approches pour quantifier les dynamiques géomorphologiques des paysages de haute montagne à l'échelle des décennies, et donc dans le contexte du réchauffement climatique récent et actuel. Cela est mis en pratique par la reconnaissance de l'importance des processus endogènes (héritage du paysage) et exogènes (forçage climatique). Le soutien à cet objectif en soulève un deuxième : l'évaluation du potentiel d'un certain nombre de techniques de télédétection pour le monitorage du relief et de ses formes géomorphologiques à plusieurs échelles temporelles et spatiales. Ainsi, cette thèse teste le potentiel des méthodes de photogrammétrie, en utilisant à la fois des senseurs aéroportés et portatifs et des approches de traitements traditionnels et innovants, et du balayage laser terrestre pour la recherche géomorphologique alpine.
Les résultats obtenus montrent que les approches de télédétection se révèlent avantageuses pour des nombreuses échelles d'application. En particulier, sur de grandes étendues spatiales et dans le contexte du forçage climatique du paysage alpin, la photogrammétrie aérienne d'archive se montre appropriée pour la quantification des taux des processus dans les limites de détection déterminées par la résolution des photographies historiques. Les résultats démontrent l'existence d'une réponse géomorphologique distincte pour des périodes froides ou chaudes, ainsi que selon les variations des taux de précipitations et de couverture de neige. Néanmoins, alors qu'une production accrue de sédiments est observée localement, des évidences suggèrent une faible propagation des signaux du changement climatique à travers le paysage. Les raisons semblent être une faible contribution des versants au réseau fluvial et/ou une capacité de transport des sédiments limitée.
--
Obwohl die Auswirkungen des aktuellen Klimawandels in zahlreichen Umweltsystemen beobachtet wurden, sind die Kenntnisse dieser Auswirkungen auf alpine Landschaften immer noch ungenügend. Diese Lücke existiert aus folgenden Gründen: (1) Das Beobachten klimatischer Auswirkungen auf alpine geomorphologische Prozesse stellt eine grosse Herausforderung dar, da diese sich über eine Zeitspanne von mehreren Jahrzehnten bis Jahrhunderten bemerkbar machen können, für die meist nur wenige geomorphologische Daten zur Verfügung stehen. (2) Durch die unterschiedlichen Empfind- lichkeiten verschiedener geomorphologischer Landschaftselemente sowie durch den grossen Einfluss des landschaftlichen Erbes, wie zum Beispiel der historischen Gletschertätigkeit, reagieren alpine Landschaftsentwicklungsprozesse sehr komplex auf Veränderungen des Klimas. Nichtsdestotrotz, auf- grund der hohen Empfindlichkeit des Permafrosts und der Gletscher- und Schneeprozesse gegenüber Veränderungen der atmosphärischen Temperatur und der Niederschlagsmenge sowie der grossen Menge an Sedimenten die an den Alpenhängen abgelagert werden und wurden, herrscht in der wis- senschaftlichen Gemeinschaft ein breiter Konsens über die potentielle hohe Sensibilität der alpinen geomorphologischen Systeme in Bezug auf den zu erwartenden Klimawandel.
Fernerkundung bietet ein hohes Potential, um die geomorphologische Sensibilität zu erkunden. Aktive und passive Fernerkundungsmethoden können genutzt werden, um gesamte Landschaften sowie ihre einzelnen geomorphologischen Elemente historisch zu rekonstruieren und kontinuierlich zu überwachen. Die vorliegende Dissertation zielt auf die Anwendung dieser Ansätze, um die geomorpho- logische Dynamik der hochalpinen Landschaft über Jahrzehnte, und somit im Kontext der jüngsten Klimaerwärmung, zu quantifizieren. Der hier dargestellte Ansatz fokussiert vor allem auf die Bedeutung der endogenen (landschaftliches Erbe) und exogenen (klimatische Einflüsse) Prozesse. Die Umsetzung dieses primären Ziels zieht ein sekundäres Ziel mit sich: Die Bewertung des Potenzials einer Reihe von Fernerkundungsmethoden für das Monitoring von Landschaften und ihrer geomorphologischen For- men auf mehreren rüumlichen und zeitlichen Skalen. Damit wird das Potenzial photogrammetrischer Methoden, insbesondere luftgestützter und tragbarer Sensoren in Kombination mit traditionellen und innovativen "Structure-from-Motion" Ansätzen, sowohl auch terrestrischen Laserscanning Techniken für die alpine geomorphologische Forschung getestet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die hier dargestellten Fernerkundungsansätze für eine breite Reihe von Anwendungsskalen vorteilhaft sind. Die Archiv-Luftphotogrammmetrie ist besonders für die Quan- tifizierung der Auswirkungen des Klimawandels auf geomorphologische Prozesse in grossen Land- schaftsausschnitten geeignet. Die Auflösung der historischen Luftbilder bestimmt die Detektionsgrenze dieser Prozesse. Die aus den Luftarchiven ermittelten Informationen zeigen, dass kalte und warme Klimaphasen, sowie Variationen der Niederschlagsmenge und der Schneedeckenmächtigkeit unter- schiedliche Auswirkungen auf geomorphologische Prozesse haben. Obwohl ein lokaler Anstieg der Sedimentproduktion beobachtet werden konnte, konnten nur geringe Anzeichen einer Ausbreitung dieser Klimawandelsignale in der Landschaft beobachtet werden. Die Gründe hierfür scheinen der geringe Beitrag der untersuchten Berghänge zum Gesamtwasserabfluss und/oder die beschränkte Sedimenttransportfähigkeit zu sein.
--
Nonostante gli effetti del cambiamento climatico attuale siano evidenti in molti sistemi ambientali, una conoscenza deficitaria perdura riguardo il suo impatto sui paesaggi alpini. Tale lacuna esiste per due principali ragioni: (1) gli effetti del cambiamento climatico sono difficili da osservare, in quanto manifesti su scale temporali di decenni, o persino secoli, per le quali prevale una scarsità di dati geomorfologici esaustivi; e (2) la reazione del paesaggio a tali cambiamenti può essere complessa e riflettere al contempo delle sensibilità spaziali differenti e gli effetti del patrimonio paesaggistico, come ad esempio la cronistoria glaciale. Tuttavia, vi è un consenso nella comunità scientifica riguardo l'ele- vata sensibilità delle regioni alpine ai cambiamenti climatici, a causa della vulnerabilità di permafrost e processi glaciali e nevosi ai cambiamenti di temperatura atmosferica e di precipitazioni, oltre che all'ampio stoccaggio di sedimenti concentrato sui pendii alpini.
Una strategia per colmare questa lacuna di conoscenza può essere l'avvalersi del potenziale delle tecniche di telerilevamento. Vari metodi di telerilevamento attivo e passivo possono essere impiegati per ricostruire e monitorare il paesaggio ed i singoli elementi che lo compongono. Questa tesi si propone di utilizzare tali metodi per quantificare le dinamiche geomorfologiche nelle regioni di alta montagna a scala temporale decennale, e quindi nel contesto del riscaldamento climatico recente e attuale. In tale approccio viene riconosciuta l'importanza dei processi di tipo endogeno (di eredità paesaggistica) ed exogeno (climatici). A sostegno di questo obiettivo primario, una seconda finalità si pone: lo sviluppo e la valutazione di diverse tecniche di telerilevamento per il monitoraggio dei rilievi alpini e delle loro forme geomorfologiche, a più scale temporali e spaziali. Pertanto, questa tesi mette alla prova metodi di fotogrammetria, utilizzando al contempo sensori aeroportati e portatili ed approcci tradizionali ed innovativi (come l'emergente Structure-from-Motion), e tecniche di scansione laser per la ricerca geomorfologica in scenari alpini.
I risultati ottenuti dimostrano come gli approcci di telerilevamento rappresentino una risorsa efficace e vantaggiosa per una vasta gamma di applicazioni. In particolare, ad ampia scala spaziale e nel contesto di cambiamento climatico nelle regioni alpine, la fotogrammetria aerea d'archivio si è dimostrata appropriata per la quantificazione dei processi geomorfologici entro limiti di rilevamento determinati dalla risoluzione delle immagini storiche stesse. I risultati rivelano una reazione geomorfica distinta a periodi di caldo e freddo, oltre che a variazioni di precipitazioni e copertura nevosa. Ciononostante, malgrado un accrescimento della produzione sedimentaria sia presente a scala locale, la propagazione dei segnali di cambiamento climatico attraverso il paesaggio appare debole. La ragione risiede nello scarso contributo dei versanti al sistema fluviale e/o a limitate capacità di trasporto di sedimenti.