Au cours des deux dernières années, le Kīlauea a offert 56 épisodes de fontaines de lave, pour le plus grand plaisir des visiteurs. De son côté, l »Observatoire Volcanologique d’Hawaï (le HVO) a mesuré ces fontaines dont certaines ont atteint plus de 400 mètres de hauteur.

Fontaines de lave de l’Épisode 25 (image webcam)

Un récent article de la série Volcano Watch nous apprend qu’il existe deux types de mesures pour connaître la hauteur des fontaines de lave.
Le premier type de mesure est effectué en temps réel à l’aide des webcams.

Caméras utilisées pour analyser l’activité et  mesurer la hauteur des fontaines de lave du Kīlauea : La caméra de gauche est une caméra en accéléré (timelapse) servant à mesurer la hauteur des fontaines. Celle de droite est une webcam compacte qui transmet des images en temps réel, permettant de suivre l’évolution de l’activité.

Lors d’un épisode de fontaines de lave, les scientifiques du HVO surveillent les flux vidéo, notamment celui de la caméra « K2cam » située sur l’Uēkahuna Bluff. Ils effectuent une superposition graphique sur l’image, en incluant une échelle approximative établie en fonction du champ de vision de la caméra et de sa distance par rapport à la bouche éruptive.
Le second type de mesure demande davantage de temps. Une fois l’épisode terminé, les volcanologues de l’Observatoire se rendent sur le bord de la caldeira pour récupérer les cartes mémoire d’un réseau de caméras en mode « timelapse. » Ces caméras fonctionnent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, et elles enregistrent une image par minute sur leurs cartes mémoire internes.
L’utilisation de caméras en mode timelapse n’est pas une nouveauté pour le HVO. Elles étaient déjà largement employées dans les années 1980 pour suivre la hauteur des fontaines de lave du Pu’uO’o ; à l’époque, les images étaient enregistrées sur des pellicules qui devaient ensuite être développées. Depuis, les géologues et les ingénieurs de terrain ont perfectionné ces systèmes en développant des solutions conçues en interne et en testant divers modèles disponibles dans le commerce.
Aujourd’hui, les scientifiques utilisent des appareils photo numériques compacts capables de stocker des dizaines de milliers d’images sur une petite carte mémoire. Ces caméras sont dotées d’un objectif fixe (sans zoom), ce qui garantit un champ de vision stable ; cela rend les mesures quantitatives effectuées à partir des images bien plus fiables et moins sujettes aux erreurs.
Pour déterminer avec précision le champ de vision capturé par une caméra, les scientifiques du HVO effectuent d’abord des mesures en laboratoire. Ils prennent des clichés d’une mire d’étalonnage (un quadrillage) sous différents angles, puis intègrent ces images dans un logiciel qui calcule le champ de vision exact ainsi que le degré de distorsion optique de l’objectif. Les images en accéléré (timelapse) provenant du terrain sont d’abord triées pour ne conserver que l’épisode de fontaines de lave ; elles sont ensuite importées dans un logiciel permettant de suivre manuellement des éléments au sein d’une séquence d’images et d’enregistrer leurs coordonnées en pixels.
Les scientifiques examinent les images une par une et cliquent manuellement jusqu’au sommet de la fontaine. Une longue liste de coordonnées en pixels est ainsi constituée ; ce processus peut prendre environ une heure pour 500 à 800 images.
En retirant les coordonnées en pixels de la bouche éruptive, on obtient la hauteur de la fontaine de lave proprement dite, exprimée elle aussi en pixels.
Pour convertir cette hauteur en mètres ou en yards, il est nécessaire de connaître la taille réelle représentée par chaque pixel. Cette valeur peut être calculée à partir de deux données : d’une part, le champ de vision de la caméra, déterminé par les mesures en laboratoire mentionnées précédemment ; d’autre part, la distance entre la caméra et la bouche éruptive, qui peut être facilement établie grâce aux coordonnées GPS et à la cartographie aérienne du complexe éruptif effectuée par l’USGS.
Les mesures sont effectuées jusqu’au sommet précis de la colonne de lave. Au-dessus de cette colonne se trouve une zone composée de particules incandescentes, mais elles ne sont pas prises en compte dans le calcul de la hauteur.
La mesure obtenue est donc plus fiable et précise que celle qu’un observateur pourrait estimer spontanément, car l’œil humain a tendance à inclure, dans la hauteur de la fontaine de lave, certaines de ces particules incandescentes.

Source : USGS / HVO

Des outils automatisés, fondés sur l’intelligence artificielle (IA) ou l’apprentissage automatique, pourraient permettre d’accélérer ces mesures. Toutefois, la définition du sommet de la fontaine de lave est souvent subjective, voire rendue difficile par des éléments externes ; il s’agit donc d’un problème plus complexe qu’il n’y paraît au premier abord. À l’heure actuelle, les mesures manuelles restent les plus fiables, mais l’application de l’intelligence artificielle à ce type d’imagerie fait l’objet de travaux en cours.
Source : HVO.

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Over the past two years, Kilauea has offered 56 shows of lava fountains, to the delight of the visitors. The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has measured the lava fountaining episodes, some reaching more than 400 meters into the air. There are actually two sets of measurements.

The first set of measurements are done in real-time from the webcams. During the course of a fountaining episode, HVO scientists monitor webcams such as the K2cam at Uēkahuna Bluff. They use an overlay on the image with an approximate scale based on the camera’s field of view and distance to the vent.

The second set of measurements is a bit more time consuming. Once the fountaining episode ends, observatory geologists hike out to the caldera rim to swap data cards on a network of timelapse cameras. These cameras run 24/7 and capture one image per minute onto their internal data cards.

Timelapse cameras aren’t a new tool at Hawaiian Volcano Observatory. They were used extensively in the 1980s to track the height of fountains at Puʻuʻōʻō, and in those days the images were stored on film that had to be developed. Since then, observatory geologists and field engineers have been improving the timelapse systems, developing home-grown solutions and testing many different off-the-shelf models.

Today, scientists use compact digital cameras that store tens of thousands of images onto a small data card. These timelapse cameras have a fixed lens (no zoom) so their field of view is stable, which makes quantitative measurements from the images much simpler and less prone to error.

To measure the exact field of view that the camera captures, HVO scientists do measurements in the lab first. This entails capturing images of a checkerboard calibration grid from various angles and feeding these images into software that calculates precise field of view and amount of lens distortion.

The timelapse images from the field are first culled to just the fountaining episode before being brought into another piece of software that allows us to manually track features in a sequence of images and record pixel coordinates.

HVO geologists go through the images one-by-one and manually click at the top of the fountain. A long list of pixel coordinates of the fountain top is then recorded, which might take an hour or so for 500 to 800 images.

Subtracting the pixel coordinates of the vent produces a height of the fountain in units of image pixels.

To get the fountain height in yards or meters, you then need to know the size of the pixel footprint. This can be calculated using two pieces of information.

First, there is the camera field of view from the lab measurements described above. Second is the distance between the camera and the vent, which is easy to determine from GPS coordinates and our aerial mapping of the vent complex.

The measurements are made to the top of the continuous fountain body — basically the portion that completely blocks the view to the other side. Above the fountain body there is a span of discontinuous incandescent particles, but these aren’t included in the height.

So the measurement is a bit more conservative than what many people might estimate, as the human eye might naturally include some of those incandescent particles in the fountain height.

Automated tools like artificial intelligence or machine learning could be used to speed up the measurements. But the top of the fountain is often subjective or sometimes obscured, so it is a harder problem than it might seem at first. Right now, manual measurements are the most trusted, but applying artificial intelligence to imagery such as this is an ongoing project.

Source : HVO.