Hydrologie Spatiale

L’Hydrologie spatiale
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L'Hydrologie spatiale

Explorer le cycle de l’eau depuis l’espace

L’hydrologie spatiale est une composante de l’hydrologie qui utilise les satellites pour observer les eaux continentales (fleuves et rivières, lacs, surfaces inondées). Elle permet de produire, avec une couverture spatiale globale, des séries temporelles de données hydrologiques, en observant depuis l’espace des variables telles que les hauteurs d’eau, les surfaces inondées, l’humidité de surface, la pluie, etc. La transformation de ces observations en variables directement utiles telles que les débits fluviaux ou les variations des stocks d’eau, est essentielle pour comprendre et prévoir les dynamiques de l’eau sur notre planète.

Importance de l’hydrologie spatiale

Dans un contexte de changements climatiques, l’hydrologie spatiale est un outil indispensable. Elle offre une vue d’ensemble précieuse sur des phénomènes complexes, facilitant ainsi la gestion des ressources en eau, la prévention des inondations, la surveillance des changements environnementaux à l’échelle globale, etc. Grâce à sa capacité à couvrir de vastes zones géographiques, parfois inaccessibles, l’hydrologie spatiale permet une évaluation précise et en temps quasi-réel des impacts hydrologiques de phénomènes météorologiques extrêmes et du changement climatique, soutenant ainsi les efforts d’adaptation et de mitigation à travers le monde.

L'Hydrologie spatiale

Technologies satellitaires

L’hydrologie spatiale tire parti des avancées technologiques de l’observation spatiale pour améliorer significativement notre compréhension du cycle de l’eau sur Terre. En offrant une capacité à surveiller et à analyser les eaux continentales — fleuves, rivières, lacs et zones inondables — ces technologies satellitaires jouent un rôle essentiel dans la cartographie précise des ressources hydriques, la gestion des risques comme les inondations et les sécheresses, et l’adaptation aux changements climatiques.

Les satellites d’observation de la Terre permettent de mesurer avec une grande précision divers paramètres hydrologiques tels que les hauteurs d’eau, l’humidité du sol, les précipitations et même les variations des réserves d’eau souterraines. Cette vue d’ensemble, à la fois globale et détaillée, est indispensable pour comprendre et modéliser avec exactitude les processus hydrologiques et élaborer des stratégies efficaces de gestion de l’eau à l’échelle planétaire.

Constellation altimétrique

De premiers satellites altimétriques tels que Geosat et ERS-1 ont été lancé à la fin des années 1980. Mais c’est surtout le satellite Topex/Poseidon développé conjointement par la NASA et le CNES et lancé en 1992 par une fusée Ariane 4 qui a démontré sa capacité à observer la « topographie de l’océan », c’est-à-dire le relief de la surface de l’océan, avec une précision remarquable. L’objectif était de mesurer cette topographie avec une précision de quelques centimètres. La mission a été une réussite totale car elle a permis durant près de 13 ans de collecter des données avec une précision encore meilleure que prévu et d’observer ainsi les détails de la dynamique de l’océan. De manière concomitante s’est développée l’océan opérationnelle, c’est-à-dire la description en temps réel et la prévision des courants marins à l’échelle de la planète (voir Mercator Ocean) qui a été largement rendue possible par les potentialités de l’observatoon spatiale.

S’en est suivi le lancement d’une série de satellites altimétriques avec des missions telles que ERS-2, Jason-1, Envisat, Jason-2, Cryosat-2, Saral/AltiKa, Jason-3, Sentinel-3, CFOSAT, Jason-CS, SWOT...

Constellation altimétrique

Les premières missions ont été lancées avec des objectifs surtout océanographiques mais il est vite apparu que la précision de la mesure était telle qu’elle donnait accès aussi avec pertinence aux eaux continentales.  Des applications hydrologiques se sont donc développées en parallèle avec les applications océanographiques (et glaciologiques).

Le satellite SWOT, lancé fin 2022, a mis en première priorité, l’hydrologie en raison des potentialités autorisées par les précisions de mesure accrues mais aussi par son système d’interférométrie permettant une imagerie 2D de la surface. Mais plusieurs satellites de technologie classique (Jason, Saral/Altika, Sentinel) ont permis des avancées remarquables pour l’observation hydrologique.

1. Technologies d'imagerie et de cartographie

Les technologies d’imagerie et de cartographie spatiales, incluant le Radar à Synthèse d’Ouverture (SAR) et les capteurs optiques, constituent des outils essentiels en hydrologie spatiale. Elles permettent la collecte de données détaillées, offrant une résolution et une couverture spatiales nécessaires pour le suivi et l’analyse des caractéristiques hydrologiques. Ces technologies facilitent l’observation des variations dans l’étendue des eaux de surface, et la cartographie des zones inondées, jouant ainsi un rôle dans la compréhension du cycle de l’eau et la gestion des ressources hydriques. Grâce à leur capacité à opérer dans diverses conditions climatiques et à différentes échelles temporelles, ces outils de télédétection permettent une surveillance continue des changements environnementaux, contribuant directement à la prévention des risques naturels et à la planification de l’utilisation des terres.

Radar à synthèse d'ouverture (SAR)

Le Radar à synthèse d’ouverture (SAR) est une technologie de télédétection qui utilise le principe du radar pour créer des images de haute résolution de la surface de la Terre. Contrairement aux caméras optiques, le SAR peut opérer de jour comme de nuit et est capable de pénétrer à travers les nuages, fournissant ainsi des données fiables et continues, indépendamment des conditions météorologiques. En hydrologie spatiale, le SAR est particulièrement utile pour :

  • Mesurer l’humidité du sol : En analysant la réflectivité du signal radar, on peut estimer le taux d’humidité dans les premiers centimètres du sol, un paramètre clé pour la modélisation des processus hydrologiques.
  • Détecter les inondations: Le SAR peut identifier les zones inondées en détectant la différence de réflectivité entre les surfaces d’eau et les terres.
  • Surveiller les changements dans les eaux de surface: Les variations dans l’extension et la hauteur des lacs, réservoirs, et cours d’eau peuvent être suivies, permettant d’évaluer les variations des stocks d’eau.

Fleuve Marmande, janv. 2021 (image SAR)

Capteurs optiques

Les capteurs optiques enregistrent des données dans le spectre visible ainsi que dans l’infrarouge proche et moyen, ce qui les rend utiles pour une multitude d’applications en hydrologie spatiale. Leur capacité à capturer des images à différentes longueurs d’onde permet de :

  • Suivre les variations de l’étendue des eaux de surface: En utilisant les différences de réflectance entre l’eau et la terre, il est possible de cartographier les zones inondées ou l’évolution des lacs et réservoirs.
  • Évaluer la santé et la couverture de la végétation: Grâce aux indices de végétation comme l’NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), on peut estimer l’évapotranspiration et comprendre les interactions entre la végétation et le cycle de l’eau.
  • Mesurer l’évapotranspiration: En combinant les données de température de surface avec d’autres variables, il est possible d’estimer l’évapotranspiration, un composant clé du bilan hydrique.

Fleuve Niger (image issue des travaux du SERTIT)

2. Technologies de mesure de distance

Les technologies de mesure de distance, telles que l’altimétrie radar et le LiDAR, intégrées sur des satellites, sont déterminantes en hydrologie spatiale. Elles permettent des mesures directes et à grande échelle des caractéristiques hydrologiques, fournissant une infrastructure essentielle pour l’acquisition de données sur les hauteurs d’eau et les variations topographiques à l’échelle planétaire. Ces outils sont cruciaux pour recueillir des informations sur les dynamiques des eaux continentales et marines, facilitant l’observation globale des ressources en eau et le suivi des changements environnementaux affectant le cycle hydrologique. Le déploiement de ces technologies dans l’espace représente une avancée importante pour la surveillance continue et la compréhension approfondie des systèmes aquatiques de la Terre, soutenant ainsi les efforts de gestion et de conservation des ressources hydriques.

Altimétrie radar

L’altimétrie radar, une technologie avancée montée sur des satellites, utilise des ondes électromagnétiques dans la bande du radar pour mesurer la distance entre le satellite et la surface terrestre ou aquatique. En émettant un signal radar vers la Terre et en mesurant le temps qu’il prend pour revenir après avoir rebondi sur la surface, l’altimétrie radar fournit des données précises sur la hauteur de l’eau. Cette technique s’avère particulièrement efficace pour surveiller les vastes étendues aquatiques ainsi que pour des applications spécifiques en hydrologie spatiale :

  • Suivi des niveaux de l’eau des lacs, réservoirs et fleuves : L’altimétrie radar mesure les variations de hauteur de l’eau dans ces corps, permettant d’évaluer les changements dans les volumes d’eau stockés. Ces informations sont cruciales pour la gestion des ressources hydriques, en particulier dans les régions sujettes à des variations saisonnières significatives ou à des conditions de sécheresse.
  • Détection et suivi des inondations : En identifiant les zones où le niveau de l’eau s’écarte de la normale, l’altimétrie radar aide à détecter rapidement les inondations. Cela permet une intervention et une planification d’urgence plus efficaces pour minimiser les impacts sur les communautés et les infrastructures.

  • Analyse des variations du niveau de la mer : Les données recueillies par l’altimétrie radar sont essentielles pour comprendre les tendances à long terme du niveau de la mer, y compris les impacts potentiels du changement climatique sur les écosystèmes côtiers et la montée des eaux.

Altimétrie radar

LiDAR

Le Lidar (Light Detection and Ranging) permet d’obtenir des mesures de haute précision de la topographie terrestre sous la végétation, grâce à sa capacité à pénétrer la couverture forestière. Cette technologie est donc utilisée pour:

  • Cartographier les bassins versants : Le Lidar aide à délimiter avec précision les bassins versants et à modéliser le ruissellement de surface, pour la gestion des eaux pluviales et la réduction des risques d’érosion.
  • Détecter les changements topographiques : Il permet de surveiller les modifications dans la topographie qui pourraient affecter les écoulements d’eau, sert pour la planification des infrastructures hydrauliques et la prévention des risques naturels.
  • Mesurer la profondeur de l’eau : Dans certaines configurations, le Lidar peut être utilisé pour mesurer la profondeur des eaux peu profondes, offrant des informations pour la cartographie des habitats aquatiques et la gestion des ressources halieutiques.

Lidar sur un drone

Applications satellitaires de mesure de distance

La précision et l’utilité des technologies d’altimétrie radar et de LiDAR prennent toute leur ampleur lorsqu’elles sont appliquées à travers des missions satellitaires spécifiques. Cette section explore comment divers satellites de la constellation altimétrique spatiale, chacun avec ses missions et caractéristiques uniques, utilisent ces technologies pour avancer notre compréhension et gestion des ressources hydriques à l’échelle mondiale. De SARAL-AltiKa, qui se concentre sur les dynamiques océaniques, à SWOT, avec sa capacité à cartographier les eaux de surface avec une précision sans précédent, chaque satellite contribue à un ensemble de connaissances essentielles pour l’hydrologie spatiale.

    Satellite SARAL-AltiKa (Satellite with ARGOS and ALTIKA)

    Développé conjointement par l’ISRO (Indian Space Research Organisation) et le CNES (Centre National d’Études Spatiales), le satellite SARAL-AltiKa marque une avancée majeure dans l’observation et la surveillance des océans et des eaux continentales. Équipé de l’altimètre radar AltiKa, SARAL-AltiKa joue un rôle crucial dans la compréhension des dynamiques océaniques globales.

    • Innovations en altimétrie satellitaire : SARAL-AltiKa est équipé d’AltiKa, le premier altimètre opérant à une fréquence de 35.75 GHz dans la bande Ka. Cette technologie innovante permet une mesure précise de la hauteur de la surface des eaux terrestres, offrant ainsi des données essentielles pour l’étude de la circulation océanique et des variations du niveau de la mer mais aussi pour l’hydrologie.
    • Surveillance des océans et études climatiques : En mesurant les variations de hauteur des océans, SARAL-AltiKa contribue à une meilleure compréhension de la circulation océanique et des processus climatiques affectant les niveaux de la mer. Ces données sont cruciales pour les études sur le changement climatique, offrant des informations précieuses sur l’élévation du niveau de la mer et l’impact sur les écosystèmes marins..
    • Bande Ka : Le satellite SARAL/AltiKa, toujours en activité, apparait aujourd’hui comme une satellite particulièrement innovant et précurseur, puisque la bande Ka est aujourd’hui reconnue pertinente pour de nombreux projets. C’est évidemment le cas de SWOT pour l’océanographie et l’hydrologie, mais aussi du projet CRISTAL pour les glaces qui tous les deux utilisent la bande Ka à la place de la « classique » bande Ku.

     

    Satellite SARAL-AltiKa

    Satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography)

    Développé en collaboration entre la NASA et le CNES (Centre National d’Études Spatiales français), le satellite SWOT permet la surveillance et l’analyse des surfaces d’eau douce et salée à l’échelle globale. Grâce à sa technologie avancée de radar interférométrique, SWOT sert à la compréhension des dynamiques hydriques planétaires.

    • Cartographie précise des surfaces d’eau : SWOT est capable de mesurer avec précision la hauteur et l’étendue des lacs, rivières, et zones humides. Cette fonctionnalité pour cartographier les ressources en eau douce de la planète, offre des données critiques pour la gestion des ressources hydriques.
    • Surveillance des océans : En plus de ses applications en eau douce, SWOT mesure les variations de hauteur des océans, ce qui améliore la compréhension de la circulation océanique et des processus climatiques. Cette surveillance joue un rôle dans l’étude des impacts du changement climatique sur les niveaux de la mer et les écosystèmes marins.
    • Gestion des ressources en eau et prévention des catastrophes : Les données fournies par SWOT aident à une gestion plus efficace des ressources en eau, en facilitant la planification et l’adaptation aux conditions extrêmes telles que les inondations et les sécheresses. Elles permettent également d’évaluer l’impact des activités humaines sur les ressources hydriques.
    • Contribution à la recherche scientifique : Les mesures de SWOT alimentent la recherche scientifique dans divers domaines, y compris l’hydrologie, l’océanographie et les sciences climatiques, offrant une base de données riche pour les études sur le cycle de l’eau et son interaction avec le climat global.

    Satellite SWOT

    3. Technologies de mesure de la gravité

    La mesure des variations de la gravité terrestre représente une avancée en hydrologie spatiale, permettant d’analyser en détail les changements dans la distribution de la masse d’eau à l’échelle globale. Ces technologies révèlent les dynamiques hydriques en détectant les variations subtiles de la gravité résultant des mouvements et de l’accumulation d’eau sur la planète.

    Surveillance globale des ressources hydriques

    Les technologies de mesure de la gravité terrestre améliorent notre capacité à surveiller les ressources en eau mondiales. En capturant les moindres variations de la gravité dues à la redistribution de l’eau, elles offrent un panorama complet des dynamiques hydriques planétaires. Capables de détecter les surplus ou les déficits en eau, depuis les aquifères souterrains jusqu’aux grands systèmes fluviaux et aux calottes glaciaires, ces données sont utilisées pour la recherche scientifique en hydrologie que pour des applications pratiques telles que la gestion de l’eau, l’agriculture et la prévention des catastrophes naturelles. L’analyse de ces données gravitationnelles améliore notre compréhension des cycles de l’eau et de l’impact du changement climatique et des activités humaines sur les ressources hydriques, contribuant à optimiser les modèles hydrologiques et à renforcer la résilience climatique.

      Applications satellitaires de mesure de la gravité

      Satellites GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) et GRACE-FO

      Le programme GRACE, une collaboration entre la NASA et le Centre aérospatial allemand (DLR), a marqué un progrès significatif dans notre capacité à mesurer les variations de la gravité terrestre.

      A la suite de GRACE (2002-2017), la mission GRACE Follow-On (GRACE-FO)  lancée en 2018, continue et étend ces observations avec des technologies améliorées, assurant une surveillance continue et précise des variations de la masse d’eau terrestre, cruciale pour la science climatique, la gestion des ressources hydriques et l’étude des impacts environnementaux à long terme.

        Satellite GRACE

        Satellite GRACE-FO

        En combinant la totalité des données hydrologiques observables grâce aux satellites mais en incluant aussi les mesures in situ, une analyse complète et multidimensionnelle des ressources en eau est possible, soutenant ainsi une gestion plus efficace et durable de l’eau à l’échelle planétaire. Ces technologies jouent un rôle crucial dans la prévention des risques liés à l’eau, et l’aide à la décision pour les politiques de gestion de l’eau et d’adaptation au changement climatique.

        L'Hydrologie spatiale

        Méthodes d’analyse en hydrologie spatiale

        Les données satellitaires collectées sont analysées à travers des méthodes avancées pour produire des informations hydrologiques fiables et précises. 

        Modélisation hydrologique du fleuve « Kourou » (Projet OpHySE)

        Modélisation hydrologique et hydraulique

        La modélisation hydrologique et hydraulique joue un rôle dans l’interprétation des données satellitaires et la simulation des processus aquatiques. Voici quelques aspects techniques de ces modèles :

        • Modèles hydrologiques : Ces modèles simulent le cycle hydrologique à différentes échelles, depuis le bassin versant jusqu’à la planète entière. Ils utilisent des données satellitaires pour estimer des variables clés telles que la précipitation, l’évaporation, et l’infiltration, permettant de prévoir le ruissellement, le stockage d’eau dans le sol, et le rechargement des aquifères. Les modèles hydrologiques ont une fiabilité qui est directement liée au niveau de compréhension des phénomènes concernés sachant que certains processus hydrologiques sont mal connus et compris et procèdent d’une représentation simplifiée.
        • Modèles hydrauliques : Ces modèles se concentrent sur la dynamique des écoulements d’eau dans les systèmes fluviaux et autres canaux. Ils prennent en compte la géométrie des cours d’eau, les gradients de pression, et les forces de friction pour simuler le mouvement de l’eau et prédire des phénomènes comme les inondations, les variations de débit, et la sédimentation. Les modèles hydrauliques, tels que les modèles en une dimension (1D) pour les cours d’eau étroits ou en deux dimensions (2D) pour les plaines inondables, utilisent des données altimétriques et des mesures de débit pour calibrer leurs simulations.
        • Mesurer l’humidité du sol: En analysant la réflectivité du signal radar, on peut estimer le taux d’humidité dans les premiers centimètres du sol, un paramètre clé pour la modélisation des processus hydrologiques.
        • Détecter les inondations: Le SAR peut identifier les zones inondées en détectant la différence de réflectivité entre les surfaces d’eau et les terres.
        • Surveiller les changements dans les eaux de surface: Les variations dans l’extension et la hauteur des lacs, réservoirs, et cours d’eau peuvent être suivies, permettant d’évaluer les variations des stocks d’eau.

        Orbiting Solar Observatory – Aude, France, 2023

        Traitement d'image et télédétection

        Le traitement d’image et la télédétection sont utiles pour transformer les observations satellitaires en informations quantitatives utilisables. Voici comment ces techniques sont appliquées :

        • Analyse spectrale : Cette méthode utilise les différentes longueurs d’onde capturées par les capteurs optiques pour identifier et classer les types de surface terrestre, mesurer la santé de la végétation à travers des indices comme l’NDVI, et estimer l’humidité du sol ou la présence d’eau. La signature spectrale unique de chaque élément permet une identification précise.
        • Classification d’image : Les algorithmes de classification segmentent les images satellitaires en différentes catégories (eau, végétation, sol nu, etc.), facilitant l’analyse des changements dans l’utilisation des terres ou l’extension des zones inondées. Les techniques de classification peuvent être supervisées, requérant des données d’entraînement pour reconnaître les catégories, ou non supervisées, découvrant automatiquement des motifs dans les données.

        Intelligence artificielle et apprentissage machine

        Intelligence artificielle et apprentissage machine

        L’intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage machine (AM) offrent des approches innovantes pour analyser les vastes volumes de données hydrologiques spatiales. Voici leur contribution :

        • Prévisions hydrologiques : Les modèles d’IA, tels que les réseaux de neurones, sont entraînés sur des séries temporelles de données hydrologiques pour apprendre les relations complexes entre différentes variables et faire des prédictions améliorées des niveaux d’eau, des débits, ou de la probabilité d’inondations.
        • Classification et reconnaissance de motifs : L’AM est utilisé pour classifier automatiquement les caractéristiques hydrologiques dans les images satellitaires et détecter des scénarios, tels que les changements dans les cours d’eau ou l’évolution des zones inondables, améliorant ainsi la compréhension et la gestion des ressources en eau.

        Ces méthodes d’analyse permettent de transformer les données brutes en informations significatives, soutenant ainsi la prise de décision basée sur des données probantes pour la gestion des ressources en eau et la réduction des risques liés aux catastrophes naturelles.

        Hydro Matters

        Contributions d’Hydro Matters à l’hydrologie spatiale

        Hydro Matters prend part à l’avancement de l’hydrologie spatiale à travers :

        • Recherche et développement : Participation à des projets de recherche nationaux et internationaux pour développer de nouvelles méthodes d’analyse des données satellitaires et améliorer la compréhension des processus hydrologiques.
        • Collaborations intersectorielles: Travailler avec des partenaires gouvernementaux, académiques et industriels pour appliquer les connaissances en hydrologie spatiale à des défis concrets, comme la gestion des ressources en eau et la réduction des risques de catastrophes naturelles.
        • Outils et applications: Développement d’outils logiciels qui transforment les données brutes issues de l’observation spatiale en données intelligibles et des modèles utilisant des données hydrologiques spatiales pour fournir des solutions pratiques aux problèmes de gestion de l’eau.

          Enjeux et perspectives

          L’hydrologie spatiale fait face à des défis tels que la nécessité d’améliorer la résolution temporelle et spatiale des observations et de surmonter les limitations liées aux zones couvertes par la végétation dense ou aux régions peu instrumentées. Hydro Matters explore de nouvelles technologies et promeut une approche collaborative globale pour une meilleure gestion des ressources en eau de la planète.

          L'engagement d'Hydro Matters

          Vers un avenir durable

          Chez Hydro Matters, nous ne voyons pas seulement l’eau comme une ressource ; nous la voyons comme la clé de la vie sur notre planète. En tirant parti des avancées de l’hydrologie spatiale, nous sommes dédiés à protéger et à préserver cet élément vital pour l’avenir de tous.