EO4Wetlands

L'observation de la Terre pour le suivi multi-échelle de la restauration des zones humides

Présentation

Les zones humides font partie des écosystèmes critiques jouant un rôle majeur dans le contexte du changement climatique, la biodiversité et l'hydrologie. Les Journées mondiales des zones humides de 2017 ont particulièrement mis en évidence la façon dont les zones humides aident à faire face aux catastrophes telles que les inondations et les marées. Dans le cadre du projet Interreg de Polder2C’s, les expérimentations sur le polder du Living Lab Hedwige-Prosperpolder (LLHPP), à la frontière néerlando-belge, vont mener à la destruction partielle du site et à la restauration d'une zone humide. Il s'agit d'une occasion unique d’en suivre l'évolution dans un contexte maritime confronté à l'élévation du niveau des océans et c’est là l’objectif principal du projet SCO EO4Wetlands.

Méthodologie et rôle des données satellitaires

Le développement des données d'observation de la Terre offre de nouveaux outils pour atteindre cet objectif. Dans ce projet, les données des satellites Sentinel-1 (images radar), Sentinel-2 (images multispectrales), Sentinel-3 (images infrarouge thermique) et Landsat, ainsi que leurs complémentarités, seront utilisées pour mieux comprendre l'évolution et les rôles des zones humides.

Cette variété de données satellitaires permettra de mieux estimer

1. leur biomasse,
2. leurs fonctions biogéochimiques et
3. la teneur en eau dans la végétation et la zone critique.

NB : La Zone Critique désigne la zone superficielle et très fine de notre planète, qui se situe à l’interface entre l’atmosphère et la croûte terrestre continentale. Elle comprend un grand nombre de composants souvent étudiés par des disciplines différentes mais tous interconnectés : roches altérées, eaux profondes, eaux de surface, sols, écosystèmes aériens et microbiote souterrain, basse atmosphère (OZCAR).

Ces informations reposent sur

1. la classification des données visibles et proche infrarouge via le NDVI (indice de végétation, Normalized Difference Vegetation Index) et/ou le NWDI (indice d’humidité, Normalized Difference Water Index) ;
2. le suivi de la dynamique des zones humides due aux variations de la teneur en eau de la surface avec, par exemple, des données radar ;
3. l'implémentation des données infrarouge thermique dans la classification existante comme les changements de la température de surface menant à l’estimation de la dynamique quotidienne des zones humides.

Dans le détail, les images Sentinel-2 permettront le développement d'une méthode de classification basée sur l'occupation du sol pour suivre l'évolution de la végétation à travers le temps et l'espace suite à la destruction de la digue. La nouvelle compréhension de l'évolution temporelle et spatiale de la végétation et de ses fonctions biogéochimiques fournira des informations qui pourront être appliquées à d'autres zones humides dans le monde. Le temps de revisite élevé au-dessus du polder par le capteur SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) à bord de Sentinel-3A et 3B (jour et nuit) permettra l'étude de l'évolution diurne de la température de surface. Ceci donnera des informations indirectes sur l'humidité du sol en surface. De plus, lors d'événements de crue et/ou de déferlement de la mer, l'évolution spatiale du front de mer pourra être délimitée grâce aux données de Sentinel-3 ou en utilisant une combinaison de Sentinel-1 et -3 en cas de conditions nuageuses.

L'évolution spatiale de la végétation et de la température de surface permettra d'étudier les avantages et les inconvénients des méthodologies combinant les données satellitaires avec des images à très haute résolution spatiale obtenues avec des drones dans les spectres visible et infrarouge thermique. Afin de combler le fossé entre les échelles des drones et des satellites, nous nous appuierons sur 1) l'enregistrement in situ de la teneur en humidité et de la température de surface à des endroits spécifiques du polder LLHPP, afin de calibrer les données satellitaires et 2) l'utilisation d'ECOSTRESS à bord de l'ISS (résolution spatiale de 70 m) qui pourrait jouer un rôle de pont entre Sentinel-3 et l'enquête par drone dans l’infrarouge thermique.

Enfin, le projet vise à offrir un outil de surveillance des zones humides, qui rassemblera toutes les données sur les zones humides obtenues à partir de capteurs in situ, de drones et de satellites, à la disposition des utilisateurs finaux. Le résultat opérationnel, basé sur la reconnaissance automatique, consistera en une vue synoptique des changements d'état de surface à différentes échelles spatiales et temporelles. L’outil viendra ainsi aider les utilisateurs finaux en charge des systèmes de défense contre les inondations à suivre les changements de végétation ainsi que la surveillance du front d'inondation potentiel en cas d'urgence. De plus, les anciennes bases de données satellitaires étant disponibles (depuis ~2016 pour Sentinels et les années 90 pour Landsat), des études historiques pourront être entreprises en tenant compte de l'impact passé et futur du changement climatique sur les zones humides.

Site(s) d’application

Living Lab Hedwige-Prosperpolder, Belgique/Pays-Bas

Données

Résultats – Produits finaux

Geomatys développera l'outil opérationnel en utilisant sa suite logicielle Examind. Examind-Community et Examind-Datacube seront tous deux fournis pour répondre aux besoins de ce projet. Basé sur un algorithme de classification préexistant développé par le Cerema, l'outil sera mis en œuvre grâce à Examind-Datacube et les résultats seront diffusés en utilisant Examind-Community. Cette pile logicielle est fournie sous une licence Apache2 Open Source, et sera utilisée pour créer un portail web qui proposera les outils dédiés pour servir les besoins des utilisateurs finaux.

Les résultats seront :

1. la production de cartes de l'évolution de la végétation au fil du temps dans le polder (méthode de classification sur des séries temporelles) ;
2. l’évaluation de la teneur en eau du sol dans la zone critique en enregistrant l'évolution diurne de la température de surface ;
3. la détermination du front d'eau, notamment lors d'événements d'urgence.

Toutes les cartes fourniront un modèle numérique d'élévation réalisé localement par drone et complet à l'échelle du polder grâce aux données Pléiades. De plus, certains capteurs in situ  enregistreront la teneur en eau du sol ainsi que la température à des endroits spécifiques du LLHPP. Ces mesures seront intégrées en direct dans l'outil grâce à la communication sans fil et au service sensorThings de l'Open Geospatial Consortium (OGC) hébergé par Examind. Ces données seront prises en compte pour l'étalonnage des données satellitaires.

Cette solution sera hébergée sur une infrastructure Data Information Access Service (DIAS).

Références

• Gayet, G. et al. Guide de la méthode nationale d’évaluation des fonctions des zones humides–version 1.0. Onema, collection Guides et protocoles(2016).
• Bhatnagar, S. et al. Mapping vegetation communities inside wetlands using Sentinel-2 imagery in Ireland. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 88, 102083 (2020).
• Adam, E., Mutanga, O. & Rugege, D. Multispectral and hyperspectral remote sensing for identification and mapping of wetland vegetation: a review. Wetlands Ecol Manage 18, 281–296 (2010).
• Guo, M., Li, J., Sheng, C., Xu, J. & Wu, L. A Review of Wetland Remote Sensing. Sensors 17, 777 (2017).
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• Rapinel, S., Clément, B. & Hubert-Moy, L. Cartographie des zones humides par télédétection : approche multi-scalaire pour une planification environnementale. Cybergeo : European Journal of Geography (2019) doi:10.4000/cybergeo.31606.
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• Hubert-Moy, L., Clément, B., Lennon, M., Houet, T. & Lefeuvre, E. Etude de zones humides de fond de vallées à partir d’images hyperspectrales CASI : Application à un bassin versant de la région de Pleine-Fougères (Bretagne, France). Photo-Interprétation. European Journal of Applied Remote Sensing 39, 33–43 (2003).
• Amani, M., Salehi, B., Mahdavi, S. & Brisco, B. Spectral analysis of wetlands using multi-source optical satellite imagery. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 144, 119–136 (2018).
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• Lopez, T. et al. Subsurface Hydrology of the Lake Chad Basin from Convection Modelling and Observations. Surv Geophys 37, 471–502 (2016).
• Lopez, T. et al. Thermal anomalies on pit craters and sinuous rilles of Arsia Mons: Possible signatures of atmospheric gas circulation in the volcano. Journal of Geophysical Research: Planets 117, (2012).

Projets liés

Projet Interreg Polder2Cs

Les actus du projet

• 12/12/2023 : EO4Wetlands, la dépoldérisation suivie par satellite : visite de terrain et installation d'une sonde connectée sur le terrain