Studies of glacier-hydrology have focused on clean Alpine glaciers, and recently ice sheet outlet glaciers, but there are few studies on debris-covered glaciers. It is known debris affects ablation rates, and that debris-covered glaciers evolve differently to their debris-free counterparts, but how the debris influences the hydrology is poorly understood. This thesis aims to understand the influence of the debris on the hydrological system and water balance of Miage Glacier, Western Italian Alps. The supraglacial hydrology was studied by modelling ablation using a distributed energy balance melt model, and measuring supraglacial stream discharges; the structure and evolution of the englacial and subglacial network was investigated using dye tracing and water chemistry monitoring; and the proglacial runoff was examined through detailed hydrograph analysis. Glacier velocity measurements were used to investigate the debris’ influence on the glacier dynamics. High ablation rates occurred on clean ice and beneath thin debris on the upper glacier, resulting in large supraglacial streams which led into an efficient drainage system. Glacier velocities had a greater magnitude and variability close to the upper glacier moulins. Thick debris on the lower glacier reduced ablation, and consequently the discharge of supraglacial streams and efficiency of the hydrological network. Despite locally inefficient subglacial drainage, glacier velocities on the lower glacier remained subdued, partly because the debris attenuated water inputs. This attenuation reduced the occurrence of high amplitude diurnal cycles in the proglacial runoff and confined them to particularly warm weather. Lag times from peak air temperature to peak runoff were long relative to comparable debris-free glaciers. Evaporation of rainfall from debris-surfaces was high, and dependant on the debris permeability, suggesting this is an important water balance component. Under climate warming, it is predicted the ablation of Miage Glacier will increase, but this may be negated given an increase in debris cover.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Bewegungsvektorfeldern von Gletschern aus monokularen Bildsequenzen. Diese stellen eine wertvolle Grundlage für glaziologische Analysen des Bewegungsverhaltens von Gletschern dar. Im Rahmen der Arbeit wurden Bildsequenzmessungen an fünf schnellfließenden Gletschern im Bereich der Diskobucht in Westgrönland durchgeführt. Insbesondere erfolgte die Aufnahme von Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscannerdaten am Jakobshavn Isbræ, einem der schnellsten und produktivsten Gletscher Grönlands. Diese Messungen bilden die Datengrundlage der Arbeit. Es werden Messkonzepte zur Aufnahme der entsprechenden Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans bereitgestellt sowie Methoden entwickelt, um die Auswertung dieser Daten nach dem Prinzip der monoskopischen Bildsequenzanalyse zu ermöglichen. Die Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans werden von einem festen Standpunkt aus aufgenommen. Die Ableitung von Bewegungsvektorfeldern erfolgt dann durch eine automatische Zuordnung von Grauwertmustern in den Bildsequenzen bzw. durch die Zuordnung von 3D-Punktmustern in den multi-temporalen Laserscannerdaten. Bestehende Punktzuordnungsmethoden werden einerseits an die besonderen Eigenschaften der Gletscherdaten angepasst, andererseits werden geeignete Methoden zur Lösung von Detailproblemen neu entwickelt. Die Methodik der Bildsequenzanalyse wird dabei vor allem hinsichtlich ihrer Robustheit – beispielsweise gegenüber durch Schattenwurf verursachten Störungen im Bild – optimiert und es werden Bewegungseffekte in den Bildsequenzen korrigiert, die durch die Eigenbewegung der Kamera verursacht werden. Bei der Entwicklung der Methodik zur Analyse multitemporaler Laserscannerdaten werden vor allem Effekte berücksichtigt, die durch das sequenzielle Aufnahmeprinzip eines Scanners auftreten. Auf Basis der entwickelten und implementierten Methodik erfolgt die Auswertung der aufgenommenen Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans. Das Ergebnis der monoskopischen Bildsequenzauswertung ist ein dichtes Raster an Bewegungskurven für jede Bildsequenz. Die einzelnen Translationen der Bewegungskurven können mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern bis zu einem Dezimeter bestimmt werden. Die Auswertung der Laserscannerdaten liefert räumlich hochaufgelöste digitale Geländemodelle der Gletscheroberfläche sowie ein dichtes Raster von 3D-Bewegungsvektoren, deren Genauigkeit im Dezimeterbereich liegt. Anhand von Beispielen wird gezeigt, dass sich die aus monokularen Bildsequenzen abgeleiteten Bewegungsvektorfelder zur Bestimmung frontnaher Geschwindigkeitsfelder mit hoher räumlicher Auflösung, zur Ableitung der Lage und der Migration der Aufsetzlinie aus gezeiteninduzierten Vertikalbewegungen sowie zur Untersuchung des Geschwindigkeitsverhalten von Gletschern bei Kalbungsereignissen eignen. Aus den Laserscannerdaten können hochaufgelöste digitale Geländemodelle zur Dokumentation von Fronthöhen und Gletscherstrukturen abgeleitet werden, zudem eignen sie sich zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern, die eine sehr hohe räumliche Auflösung besitzen. / This research aims to determine the motion vector fields of glaciers with high spatial and temporal resolution. These vector fields can be derived from monocular image sequences and are a valuable data source for glaciological analysis of the motion behaviour of glaciers. Image sequence measurements have been conducted at five fast-flowing glaciers in the Disko Bay region in western Greenland. Especially at the Jakobshavn Isbræ – one of the fastest and most productive glaciers in Greenland – numerous image sequences have been recorded, as well as multi-temporal laser scanner data sets. These measurements provide the basic data sets for this thesis. The measurement concepts for the acquisition of image sequences and multi-temporal laser scans are presented, and procedures for the processing of the recorded data are developed, based on the principle of monoscopic image sequence analysis. Both the image sequences and multi-temporal laser scans are acquired statically. Motion vector fields can be derived by applying automatic co-registration methods on grey value patterns in the image sequences and on 3D point patterns in the laser scanner datasets respectively. Thus, standard matching techniques have been adapted to the special characteristics of the glacier data, and suitable methods that solve detail problems have been developed in addition. The method of the image sequence analysis has been optimised with respect to its robustness against errors caused by moving shadows. Furthermore, motion effects caused by small instabilities in the camera setup have been corrected. Regarding the analysis of multi-temporal laser scanner data, effects that occur because of the sequential acquisition principle of a laser scanner must also be considered. Based on the developed method, the image sequences and multi temporal laser scans have been processed. The result of the monoscopic image sequence analysis is a dense raster of trajectories for each image sequence. Each translation component from these trajectories can be determined with an accuracy of some centimeters up to one decimetre. The processing of the laser scanner data provides digital surface models of the glacier with high spatial resolution, and a dense raster of 3D motion vectors with accuracy in the range of decimetres. Specific examples show that motion vector fields derived from monocular image sequences can be used for the determination of high resolution velocity fields of glaciers, for the determination of the position and migration of the grounding line and for the investigation of a glacier’s motion behaviour during calving events. From the multi-temporal laser scanner data, velocity fields with high spatial resolution can be derived as well as digital surface models from single scans that document glacier front heights and glacier structures.