Hydrologie Spatiale

Traitement de données spatiales pour l’hydrologie continentale
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Un service complet de traitement de données spatiales pour l’hydrologie continentale

La constellation opérationnelle de satellites altimétriques permet aujourd’hui le suivi en quasi temps réel d’une grande majorité des cours d’eau et des lacs de la planète. La bonne interprétation des observations des satellites est un point critique afin de permettre la mise à disposition au plus grand nombre et de façon routinière les informations cruciales sur les variations du cycle de l’eau que fournissent les satellites. À Hydro Matters, nous développons, avec des laboratoires experts en la matière, des méthodes novatrices pour la conversion des observations brutes et des signaux géophysiques en séries temporelles de hauteurs d’eau et de débits.

Ne connaissant pas les frontières, les satellites sont un fabuleux outil pour le suivi des bassins transfrontaliers peu monitorés. Leurs données gratuites représentent un potentiel certain dans un monde ou la gestion des ressources en eaux doit être envisagé non plus au niveau étatique mais régional, tant les décisions prisent en amont impactent les communautés en aval.

Collaboration interdisciplinaire

Hydro Matters se positionne à l’interface du Centre National d’Etude Spatial, des laboratoires de recherche et des industriels spécialistes de l’observation spatiale. Ces collaborations nous assurent de maitriser tous les aspects de l’hydrologie spatiale et d’exploiter au mieux les dernières avancées scientifiques et techniques.

Technologies de pointe

Nous utilisons aussi bien les résultats historiques des premières missions spatiales que les données les plus récentes issues de techniques tel que le radar interféromètre à fauchée de SWOT. Couplée aux dernières techniques de modélisation, cette approche nous permet de suivre en temps réel les dynamiques des cours d’eau et d’anticiper les variations importantes des niveaux d’eau, essentielles pour la prévention des risques liés aux inondations et à la sécheresse. 

Implication dans la gestion des ressources en eau

Les informations que nous produisons jouent un rôle crucial dans la gestion durable des ressources en eau. Elles aident les décideurs, les gestionnaires de bassins hydrographiques et les communautés locales à mieux comprendre les cycles hydrologiques, à optimiser l’utilisation de l’eau et à mettre en place des stratégies d’adaptation au changement climatique.

Engagement pour l'innovation et le développement durable

Hydro Matters est engagée à développer des solutions durables pour répondre aux défis de l’eau à l’échelle mondiale. En alliant recherche scientifique, innovations technologiques et libre accès aux données, nous œuvrons pour améliorer la résilience des sociétés face aux changements environnementaux et promouvoir une gestion équitable et efficace de l’eau pour tous.

Avancées et précision dans le traitement des données spatiales

L’expertise d’Hydro Matters couvre l’ensemble des activités liées à l’altimétrie spatiale pour l’hydrologie. Nous sommes en collaboration directe avec les équipes de recherche des laboratoires français spécialistes de l’altimétrie et nous développons avec elles des méthodes novatrices pour obtenir des séries temporelles de hauteurs d’eau et de débits de meilleure qualité à partir des mesures satellitaires de hauteur de l’eau. Les membres d’Hydro Matters participent ainsi depuis de nombreuses années à la mise en place de l’Open Loop Tracking Command, un procédé permettant de fiabiliser l’observations des corps en eau par les satellites.

Nous retraitons les données brutes fournies par les agences spatiales grâce aux algorithmes de retracking développés avec l’équipe du CTOH (Center for Topography of the Oceans and Hydrosphere) au sein de l’Observatoire Midi-Pyrénées. Ces traitements nécessitent l’utilisation de données annexes, tel qu’un réseau de rivière ou la forme présupposée des lacs, afin de pouvoir résoudre les cas les plus complexes. Ces données de hauteur sont finalement converties en débit ce qui permet en outre d’alimenter et corriger les modèles hydrologiques que nous produisons.

Débits : Estimations des flux d’eau dans les cours d’eau et les canaux.

Hauteurs de l’eau : Mesures de niveau d’eau des rivières, lacs et réservoirs.

Précipitations : Données sur les précipitations recueillies via des radars et des satellites.

Évapotranspiration : Estimations de l’eau évaporée et transpirée par les plantes et le sol.

Humidité du sol : Mesures de l’humidité présente dans les couches supérieures du sol.

Température de l’eau et de l’air : Données thermiques importantes pour l’analyse climatique et hydrologique.

Occupation des terres : Données sur l’utilisation des terres qui influencent le cycle de l’eau, comme l’urbanisation, l’agriculture, et la foresterie.

Images multispectrales : Images capturées à différentes longueurs d’onde pour analyser la végétation, l’eau, et les sols.

Altimétrie : Mesures de l’altitude de la surface de l’eau et du terrain, utiles pour la cartographie des bassins versants.

Gravimétrie : Données sur les variations de la gravité terrestre qui aident à estimer les changements dans la distribution de l’eau souterraine et de surface.

Couverture neigeuse : Informations sur l’étendue et l’épaisseur de la neige, cruciales pour les prévisions de fonte des neiges.

Glaciers et calottes glaciaires : Suivi des changements dans les volumes de glace et leur impact sur les ressources en eau.

Technologies utilisées

Technologies de collecte de données spatiales

L’hydrologie Spatiale est un domaine d’étude récent en pleine expansion. De nombreuses nouvelles technologies sont mise en place afin d’améliorer nos capacités à recenser et analyser les ressources en eau à l’échelle mondiale.

  • Satellites d’observation de la Terre : Les satellites qui nous fournissent les données brutes sont conçus pour des missions définies par les grandes agences spatiales. Pour l’altimétrie appliquée à l’hydrologie, nous utilisons principalement les mesures obtenues par les satellites Sentinel-3A, Sentinel-3B et Sentinel-6, gérés par l’ESA, ainsi que Jason-3 et SWOT, issus de la collaboration du CNES et de la NASA. Ces missions embarquent de nombreux capteurs, dont des altimètres.
  • Altimètres: Un altimètre est un instrument permettant de mesurer l’altitude de la surface terrestre. Un altimètre pointe à la verticale en direction de la Terre (Nadir) et émet une onde radar qui sera réfléchie par la surface terrestre. L’altimètre mesure le temps écoulé jusqu’au retour de l’onde et cette durée peut être convertie en distance qui permet ensuite de déterminer l’altitude de la surface en connaissant la position du satellite. Pour l’altimétrie conventionnels, aussi appelés LRM, la surface observée nommée tache antenne est un disque de 15km de diamètre.
    • Altimètre SAR : Les altimètres SAR (Synthetic Apparture Radar) comme ceux qui équipent les missions Sentinel-3 et Sentinel-6 sont plus récents et ont un fonctionnement différent des altimètres conventionnels. Le traitement SAR nécessite l’émission d’un train d’ondes ainsi que la capacité à mesurer leur décalage en fréquence dû à l’effet Doppler. Cette technique permet de découper la surface observée en bandes Doppler larges d’approximativement de 200m, et ainsi d’améliorer grandement la résolution spatiale le long de la trace du satellite. Cette propriété est très intéressante pour nos traitements car elle diminue la probabilité de pollution du signal par un corps en eau environnement.
    • Interférométrie de fauchée : L’interférométrie de fauchée et une technique récente employée par la mission SWOT grâce à l’instrument KaRIN. L’onde n’est plus émise directement à la verticale du Satellite mais de part et d’autre alors que la réception du signal est assurée par deux antennes placées aux extrémités d’un mât long de 15m. L’altimètre utilise la différence de phase interférométrique entre les deux signaux reçus pour déterminer la distance de la surface, ainsi que sa position par rapport au Nadir. L’information est donc représentée en deux dimensions, par deux bandes larges de 50km, que l’on appelle fauchée.
    • OLTC : l’Open Loop Tracking Command est un mode de fonctionnement utilisé récemment par les altimètres pour l’hydrologie spatiale. Ces instruments ont communément une profondeur de champs d’observation réduite, ils ne peuvent mesurer un signal que sur une hauteur d’environ 50m. Le précédent mode de fonctionnement, le mode Closed Loop, fixait de manière autonome l’altitude à laquelle devait démarrer la mesure en se basant sur la qualité des formes d’ondes des mesures antérieures mais ce mode autonome ne permet pas d’assurer l’observation des corps en eau lorsque le terrain est accidenté. Pour y parvenir, on utilise le mode OLTC pour fournir à l’altimètre une consigne d’altitude fixe et préétablie. Hydro Matters est responsable avec succès de la génération de ces consignes pour les principales missions altimétriques modernes : Sentinel-3, Sentinel-6, Jason-3 et SWOT.

En combinant les données issues de ces technologies, Hydro Matters et les gestionnaires de l’eau peuvent obtenir une image complète et dynamique des systèmes hydrologiques, facilitant ainsi une gestion plus efficace et durable des ressources en eau.

Méthodologie de traitement des données

Processus de traitement des données spatiales

Le traitement des données spatiales pour l’hydrologie, ou retracking, est un processus complexe et qui doit résoudre des problématiques qui ne sont par exemple pas rencontrées en océanographie. L’objectif est de convertir une forme d’onde brute issue des mesures d’un altimètre en hauteur de surface d’un corps en eau. La qualité de ces mesures pouvant être impactées par de multiples facteurs, tel que des dysfonctionnements momentanés des instruments, la présence de constructions humaines ou d’autres corps en eau dans les environs, le processus de traitement doit être capable de les identifier et de les corriger ou supprimer avant de pouvoir créer une série temporelle de hauteur d’eau qui pourra être convertie en débit. Pour y parvenir, Hydro Matters a mis en place une chaine de traitement qui utilise un modèle physique qui prévoit la forme de l’onde observée par l’altimètre.

  • Prétraitement des produits altimétriques: Les données brutes collectées par les capteurs des satellites sont traitées par les grandes agences spatiales qui les mettent ensuite à dispositions des chercheurs. Nous utilisons ces produits validés et stockés dans la base de données du CTOH, au Laboratoire d’Etude Géophysique et d’Observation Spatial.
  • Vérifications : Un satellite embarque de nombreux instruments différents qui auront un impact indirect sur la qualité de la mesure faite par l’altimètre. Il peut s’agir de capteurs utilisés pour connaitre le positionnement du satellite, son état de fonctionnement ou encore d’analyse de l’état de la troposphère. En cas de mesure manquante, la chaine de traitement doit être capable de l’identifier pour ne pas produire de données aberrantes.
  • Correction et Calibrations : Chaque mesure effectuée par l’altimètre est impactée par différents paramètres qui doivent être pris en compte lors de la conversion en hauteur d’eau. La composition de la troposphère, variable d’une observation à l’autre, fait par exemple varier le temps de trajet mesuré par l’instrument. De même, pour une rivière à forte pente, une mesure en amont ou en aval de la trace théorique du satellite peut varier de plusieurs centimètres. Cette étape
  • Analyse de forme d’onde et Retracking: Notre retracker part du postulat que la surface réagissant avec l’onde de l’altimètre est très étroite et spéculaire. La rivière se comporte comme un miroir parfait et la conséquence attendue est que le signal mesuré en sortie d’instrument prend la forme d’un pic très énergétique : un sinus cardinal carré. Ce sinus cardinal carré peut être modélisé pour répondre aux caractéristiques de l’altimètre utilisé, il est par exemple possible que l’altimètre sature et écrête le signal reçu. Ce modèle est ensuite recherché parmi les formes d’ondes les plus proche du centre de la rivière, identifié puis converti en hauteur d’eau.
  • Filtrage : Il est possible que plusieurs pics soient présents dans les formes d’ondes étudiées. Ils peuvent provenir de surfaces environnantes réagissant aussi avec l’onde émise par l’altimètre : lacs, plaines inondées, infrastructures humaines ou encore bancs de sable humides. Cela créé une ambigüité sur la véritable hauteur d’eau de la rivière qu’il faut parvenir à éliminer pour créer la série temporelle finale.
  • Validation et Visualisation : Les séries temporelles peuvent être comparées aux données In Situ des grandes agences de l’eau, tel que le SCHAPI en France ou l’USGS aux Etats-Unis. L’altimétrie appliquée à l’hydrologie étant encore un domaine de recherche, nous produisons de nombreuses figures intermédiaires permettant de mieux comprendre les processus et les interactions complexes sur les zones études particulières.

Ce processus méthodique garantit que les données spatiales utilisées en hydrologie continentale sont à la fois précises et applicables, permettant une compréhension approfondie des ressources en eau et une gestion informée des défis hydrologiques.

Applications et utilisations

Applications des données hydrologiques spatiales

Le nombre de station de mesure in situ diminue grandement à l’échelle mondiale depuis le milieu des années 60, et seule une très faible partie du réseau actuel sera encore fonctionnel durant la prochaine décennie. Les données issues de l’altimétrie sont donc amenées à jouer un rôle essentiel dans la façon dont nous gérons nos ressources en eau, à travers une science partagée, libre et gratuite.

  • Gestion des ressources en eau : Les données hydrologiques spatiales permettent une surveillance précise des réservoirs, des lacs et des bassins fluviaux, facilitant une allocation efficace de l’eau pour l’agriculture, l’industrie et la consommation humaine. Dans le contexte actuel de changement climatique, les ressources hydriques prennent une importance stratégique au niveau des bassins transfrontaliers et les mesures spatiales permettent un libre accès à ces informations.
  • Prévision des inondations et des sécheresses : En analysant les tendances et les modèles climatiques, les données spatiales aident à prédire les événements extrêmes tels que les inondations et les sécheresses. Ces prévisions permettent aux communautés et aux gouvernements de mettre en place des mesures de prévention et de réduction des risques, minimisant ainsi l’impact de ces catastrophes naturelles.
  • Planification de l’aménagement du territoire : Les informations dérivées des données spatiales sont cruciales pour la planification urbaine et rurale, en identifiant les zones à risque d’érosion, d’inondation ou de dessiccation. Cela permet de guider le développement durable des territoires en harmonie avec les cycles hydrologiques naturels.
  • Adaptation au changement climatique : En fournissant des données précises sur l’évolution des ressources en eau face au changement climatique, les données spatiales soutiennent l’élaboration de stratégies d’adaptation. Ces stratégies visent à renforcer la résilience des communautés et des écosystèmes, en ajustant la gestion de l’eau et en protégeant les zones vulnérables.

Chacune de ces applications démontre l’importance capitale des données hydrologiques spatiales dans la compréhension et la gestion des systèmes aquatiques de notre planète. En transformant les données brutes en informations fiables, nous ouvrons la voie à une gestion plus éclairée et durable de l’eau, une ressource essentielle à la vie quotidienne mais aujourd’hui sous tension pour une grande partie de la population mondiale.