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Télédétection de la qualité écologique des lacs (Telquel)

Contexte général

L’amélioration de la qualité et l'accès grandissant aux séries temporelles de données issues de l'imagerie satellitaire constituent aujourd’hui un progrès scientifique et technique considérable dans la caractérisation environnementale des milieux naturels (environ une image tous les 2 à 3 jours à 10 m de résolution spatiale). Le pôle a engagé depuis 2016 des activités de R&D afin de traduire ce nouveau type de données en information utilisable (i.e.,  validée, structurée, accessible et facilitée) auprès des gestionnaires et des scientifiques travaillant sur les écosystèmes lacustres. L’action proposée vise à poursuivre ces activités en s’intéressant particulièrement au compartiment thermique (température de peau, premier µm), physico-chimique (transparence, concentration en matières organiques dissoutes colorées-CDOM et en matières en suspension-MES),  biologique (concentration  en chlorophylle-a-Chla, phycocyanine-PC) et hydrologique (suivi du marnage, bathymétrie, caractérisation des débits entrants). Elle bénéficie d’un soutien financier complémentaire du CNES (projet TOSCA OBS2CO 2018-2020) et  est en lien étroit avec d’autres actions internes et externes au pôle. 

Enjeux opérationnels 

L’enjeu opérationnel de cette action est  de mettre à disposition, i.e. rendre utilisable, les séries temporelles des paramètres environnementaux des écosystèmes lacustres, estimés par télédétection, auprès des gestionnaires et des scientifiques. L’information diffusée devra être validée (quantification et identification des sources d’erreurs), structurée (par lac, par images, par paramètres…), accessible (plate-forme web dédiée), facilitée (générateur de graphiques et de cartographies) et interprétée (e.g. indicateurs DCE pour la transparence ou la Chlorophylle-a).

D’autant plus que sur le compartiment thermie, le pôle est engagé vis-à-vis du ministère dans le plan satellitaire MEDDE 2016-2020 piloté par le CGDD (Commissariat général au développement durable). Le besoin de disposer des séries temporelles de température de surface a été exprimé par un grand nombre de gestionnaire notamment pour les masses d’eau dans les espaces protégés. Il fait donc l'objet d'une action précise dans ce plan. Il concerne tous les espaces terrestres et marins classés en cœur de parc, en métropole et en outre-mer, et pourrait aussi intégrer les espaces classés en réserves naturelles. L’action, portée par le pôle, vise à mettre en place une plate-forme (ou un démonstrateur) de diffusion des données température estimée par télédétection de manière structurée et facilitée (fiche id : T8.B10).

De la même façon, le pôle est engagé vis-à-vis du CNES et de THEIA (pôle de données et de services surfaces continentales) sur la thématique couleur des eaux continentales  (compartiment physico-chimie et biologique). L’objectif in fine  est de fournir au CNES les chaînes de traitement (algorithmes) permettant de dériver les paramètres de qualité des eaux (concentration en matières en suspension, en chlorophylle-a, transparence) au sein de lacs et rivières par satellite. Ces algorithmes devront être testées et validées sur plusieurs sites d’observation représentatifs des gammes de variabilité des différents paramètres. Les algorithmes seront mis en production par le CNES et les produits satellitaires dérivés seront diffusés par le programme hydrologie SWOT-aval .
En plus de ces engagements extérieurs, l’enjeu pour l’AFB est qu’à terme les produits issus de la télédétection soient promus et utilisés pour l’appui des différentes politiques publiques inhérentes aux milieux aquatiques. 

Questions scientifiques 

Compte tenu des avancées dans l’action précédente (2016-2018) les efforts en R&D pour atteindre ces objectifs diffèrent en fonction des paramètres recherchés.

La température de surface (température de peau)

Le pôle dispose déjà d’un algorithme opérationnel (validé et  déployé sur un cluster de calcul) pour exploiter aussi bien l’information IRT (Infra-Rouge Thermique) des images Landsat  mono-bande et bi-bande (Landsat 8). Mais compte tenu des avancées combinées récentes (i) sur la correction des bandes IRT des images Landsat 8 (correction des effets de la lumière parasite sur les bandes IRT 10 et 11 de Landsat8) ; (ii) sur les algorithmes de correction (e.g., Jimenez et al., 2018 ; Rivalland et al., 2018…) ; et (iii) sur la précision des données de vapeur d’eau nouvellement accessible (e.g. ALADIN-Climat, Météo France, 10 kms ; ARMO, Météo France, 2,5 kms ; COSMO 2, Météo Suisse, 2 kms), il est très probable de gagner en précision (réduction de l’erreur) sur ce paramètre. L’action s’attachera donc à :

  1. tester  les algorithmes récents issus de la littérature, exploitant notamment les nouveaux produits IRT Landsat 8 corrigés des effets de la lumière parasite (produits disponibles depuis mars 2018) ;
  2. analyser la sensibilité des différents algorithmes à la source de donnée de vapeur d’eau. L’utilisation  d’une donnée de vapeur d’eau mieux résolue spatialement peut améliorer les estimations de température de surface dans les cas des plans d'eau de montagne et de littoral où les bordures de continent et les reliefs induisent  des variations locales plus importantes de la vapeur atmosphérique.
    TempératureSurface
    Série temporelle de la température de surface dérivée à partir de l’imagerie Landsat sur une gravière située au Sud-Ouest de Toulouse

    En parallèle de ces travaux de recherche, l’action vise à diffuser l’ensemble des séries temporelles d’image  Landsat jusqu’à l’année 2018 en France métropolitaine et DOM. Un travail conséquent pour le téléchargement et le traitement de ces séries est à prévoir. L’organisation et l’automatisation de ce travail pourra s’appuyer sur la BDD image de l’UR RECOVER développé à ces effets en 2018.  La diffusion s’articulera avec  les développements prévus par la fiche action « valorisation des données scientifiques du pôle » et cherchera à s’appuyer sur le programme SWOT aval.

    Les paramètres de la couleur de l’eau

    Trois défis scientifiques sont à relever pour  développer des algorithmes opérationnels (i.e., robustes et génériques) d’inversion du signal satellitaire en paramètres bio-physico-chimiques (transparence, concentration en MES, CDOM, Chla, PC) :

    1. se doter d’une correction atmosphérique en milieu continental précise considérant les problèmes spécifiques à l’eau comme les réflexions de surface (ciel et soleil) et la prise en compte de l’altitude des masses d’eau (passage d’un produit satellitaire du niveau1 au niveau2 ) ;
    2. améliorer la connaissance des propriétés optiques des eaux continentales qui limite le développement d’algorithmes robustes ou l’adaptation de modèles bio-optiques issus du Cas 2 (eaux côtières) (passage d’un produit satellitaire du niveau2 au niveau34) ;
    3. assurer une validation robuste de produits de niveau 3 dans des environnements variés en France et dans le monde.
    SecchiAnnecy
    llustration de l’estimation du disque de Secchi à partir de l’imagerie Sentinel-2 GRS

    Les travaux menés dans l’action précédente (2016-2018) ont permis de progresser sur ces trois défis et l’action propose de poursuivre cette progression avec pour objectifs spécifiques de:

    • renforcer la validation de chaîne de traitement développée au pôle dédiée à la correction des aérosols et des effets de réflexion de surface spécifique à l’eau ;
    • y ajouter une méthode robuste d’identification des pixels « eau pure » quel que soit le produit satellitaire utilisé (imagerie Sentinel-2 et Landsat) ;
    • enrichir la documentation des propriétés optiques des eaux en poursuivant  les campagnes de mesure in-situ sur les sites déjà échantillonnés (afin d’évaluer la variabilité temporelle de ces propriétés) et d’autres sites permettant de compléter la gamme de variabilité des différents paramètres recherchés afin de tester la généricité des algorithmes ;
    • utiliser la modélisation optique afin d’étudier la variabilité des propriétés optiques inhérentes en relation aux caractéristiques bio-physico-chimiques des eaux mesurées in-situ ;
    • produire, tester et valider une chaîne de traitement du niveau2 au niveau3 à partir des produits de réflectance Sentinel-2 et Landsat pour le suivi de ces différents paramètres ;
    • valider des produits « niveaux 3 » issus des chaînes mentionnés ci-dessus (concentrations en matières en suspension, transparence, concentration en chlorophylle…) sur des séries temporelles d’images haute résolution Landsat, Sentinel-2, en se basant sur les jeux de données terrain interne au pôle et de nos partenaires externes.

    Ce travail se fera en étroite collaboration avec l’UMR GET notre partenaire dans le projet TOSCA-CNES OBS2CO (OBservations multi-Sites de la Couleur des Eaux continentales) 2018-2020. L’UMR GET se concentrera particulièrement sur la fraction minérale (concentration en MES, taille des particules…) et le pôle sur fraction organique (CDOM, Chla et PC).

    • Tristan Harmel, MalikChami, ThierryTormos, NathalieReynaud et Pierre-AlainDanis, 2018, Sunglint correction of the Multi-Spectral Instrument (MSI)-SENTINEL-2 imagery over inland and sea waters from SWIR bands. Remote Sensing of Environment, Volume 204, Pp 308-321. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.10.022

    Les paramètres hydrologiques

    Aujourd’hui, on ne dispose pas d’altimètre radar adapté aux tailles des plans d’eau rencontrées en France (excepté les grands lacs alpins) afin d’en dériver les hauteurs d’eau et les débits entrants. Le satellite SWOT, fruit d’une coopération franco-américaine (CNES/NASA), s’annonce comme une révolution dans la gestion de l’eau et de l’hydrologie puisqu’il fournira directement les hauteurs d’eau des plans d’eau (précision verticale de 10 cm)  contenant au moins un pixel de 250x250 m ou  une largeur supérieure à 100 m (50 m en objectif) avec une fréquence de revisite tous les 21 jours. Ce satellite est prévu en 2021. Le pôle doit dès 2019 se rapprocher du CNES afin qu’il intègre dans leur développement les problématiques des lacs français et que le Pôle contribue en échange à la calibration et à la validation des produits SWOT en proposant  nos mesures terrain (lacs équipés de capteur de pression).

    Pour commencer à collecter de la connaissance sur le marnage et compléter la série temporelle qui pourra être obtenue avec le satellite SWOT le pôle avait pris l’initiative de  développer une méthode permettant de suivre le marnage des plans d’eau à partir de la télédétection radar et optique. Cette méthode prometteuse (RMSE = 0,40 cm)  permet de suivre les variations temporelles horizontales du trait de côte sur une zone relativement plate et dégagée du lac. Ces variations sont très bien reliées aux variations de niveaux. Afin d’opérationnaliser cette méthode notamment par l’exploitation des séries temporelles d’image Sentinel-1 et 2 (10 m de résolution spatiale), et identifier les lacs sur lesquels elle peut s’appliquer, il est nécessaire d’évaluer sa sensibilité aux effets combinés de la pente de berge observée et de la résolution spatiale des images. L’action s’attachera à mener ce  travail dès 2019.

    En complément, les potentialités des couples d’images stéréoscopiques sur les plans d’eau à vide seront testées pour compléter et préciser les données bathymétriques acquises in situ par échosondage ne couvrant pas les zones de faible profondeur à proximité des berges. Pour ce travail, une demande d’acquisition d’un couple d’image tri-stéréoscopique sur le lac de Bimont a été prévue en 2018.

    Modèle Numérique de Surface
    Illustration du Modèle Numérique de Surface (MNS) obtenu à patir des images à très haute résolution spatiale Pléiades (50 cm) en appuyant sur le logiciel de photogrammétrie MicMac, développé et distribué par l'IGN.
    • Simon, R.N., T. Tormos et P.-A. Danis. 2015. Very high spatial resolution optical and radar imagery in tracking water level fluctuations of a small inland reservoir. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 38: 36-39. https://doi.org/10.1016/j.jag.2014.12.007

    Dates de passage des satellites

    Collaborations externes

    UMR GET (Géosciences Environnement Toulouse),   CNRS/IRD/UPS/CNAP/CNES, – Projet CNES-TOSCA OBS2CO (2018-2020) – Jean-Michel Martinez
    UMR EDB (Evolution et Diversité Biologique),  CNRS/UPS/ENFA – Projet STABLLAKE – Julien Cucherousset
    CNES – Hydrologie Spatiale – Programme SWOT-aval – Alice ANDRAL

    Rapports

    A venir...

    (Dernière mise à jour : Février 2020)