CES Couleurs des eaux continentales

Présentation

Le Centre d’Expertise Scientifique (CES) Couleurs des eaux continentales a été créé dès 2015 afin de fédérer les communautés scientifique et technique françaises travaillant sur les thématiques liées à la télédétection satellitaire et au suivi de la qualité des eaux de rivières, lacs et estuaires.

En coordination avec le CNES, le CES est aujourd’hui piloté par les équipes de l’UMR Géosciences Toulouse (GET/Institut de Recherche pour le Développement) et du pôle ECLA (ÉCosystèmes LAcustres) qui regroupe l’Office français pour la biodiversité (OFB), l’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) et l’Université de Savoie Mont-Blanc (USMB). Le CES a pour objectif de contribuer au développement et à la validation de produits satellitaires, haute résolution (Landsat et Sentinel-2) et basse résolution (MODIS, VIIRS, Sentinel-3), pour estimer les paramètres de qualité liés à la couleur de l’eau (e.g., transparence, turbidité, concentrations en matières en suspension, en matières organiques dissoutes, en chlorophylle-a…). Il adopte pour cela une approche qui couple terrain, modélisation et satellite en s’appuyant sur des sites multiples en France et en milieu tropical.

Les équipes du CES sont reconnues nationalement et internationalement pour leur maîtrise des différents aspects liés la télédétection de la couleur des eaux continentales. Elles ont notamment développé l’algorithme GRS (Glint Removal for Sentinel-2) (Harmel et al., 2018) corrigeant les effets liés à l’atmosphère (molécules et aérosols) et aux reflets du soleil à la surface de l’eau (glint), l’algorithme WaterDetect permettant une détection automatisée et robuste des surfaces en eaux (Cordeiro et al., 2021), la modélisation du signal couleur de l’eau dans le contexte des eaux intérieures (Pinet et al., 2017).

Le CES s’intéresse également à l’intégration des produits satellite « couleur des eaux » dans les études écologiques et en hydrologie pour la mesure des flux sédimentaires (Espinoza-Villar et al., 2018; Yepez et al., 2018), l’étude de la sédimentation dans les lacs de barrage (Condé et al., 2019), le suivi de l’euthrophisation de lacs (Lins et al., 2017) ou le suivi de l’impact des activités d’orpaillage (Gallay et al., 2018).

Le CES s’attache aussi à constituer une base de données sur les propriétés optiques in-situ représentatif des différents types de couleur (BDD TELQUEL). Ces mesures sont indispensables pour l’évaluation des performances des algorithmes.

Un effort caractéristique du groupe est de proposer des chaînes de traitement opérationnelles pour la production de ces paramètres soit par le CNES sur des sites de démonstration ou par l’OFB sur les lacs notamment suivis dans le cadre de la Directive Cadre Européenne sur l’eau en France (y compris les DROM). Les produits ainsi générés sont (ou seront) en accès libre sur les plateformes de diffusion ad-hoc (Hydroweb-NG côté CNES et geoECLA côté pôle ECLA). Aujourd’hui les logiciels GRS, WaterDectect et SISPPEO  (Satellite Imagery & Signal Processing Packages for Earth Observation) sont opérationnels. Deux chaînes ont été transmises au CNES pour calculer à partir de ces logiciels le signal satellitaire en paramètres de qualité écologique : (i) une chaîne V1 qui produit des images de niveau 3 à partir des images satellite Sentinel-2 de niveau 2 fournit par la chaîne MAJA : (ii) une chaîne V2  qui produit des images de niveau 3 à partir des images Sentinel-2 de niveau 1C et corrigées spécifiquement par le module GRS. Auparavant, la chaîne MOD3R, développé au GET pour le traitement des images satellite MODIS, avait été transféré à l’Agence de l’Eau du Brésil (ANA – http://hidrosat.ana.gov.br/) (Martinez et al. 2015)

Objectifs spécifiques

• Démontrer la faisabilité technique du suivi de paramètres de qualité des eaux (concentration en matières en suspension, en chlorophylle-a, turbidité) au sein de lacs et rivières par satellite en travaillant sur des sites d’observation instrumentés qui permettent une validation précise des produits issus du spatial par des mesures conventionnelles ;
• Développer la connaissance des propriétés optiques des eaux en réalisant des campagnes de mesures radiométriques à de nombreux sites afin d’établir des algorithmes d’inversion robustes et de tester les modèles issus de la littérature ;
• Utiliser la modélisation optique afin d’étudier la variabilité des propriétés optiques inhérentes en relation aux caractéristiques physico-chimiques des eaux mesurées in situ comme les caractéristiques des matières en suspension (granulométrie, minéralogie) ou la distribution verticale du phytoplancton dans la colonne d’eau ;
• Exploiter des séries temporelles d’images haute-résolution Sentinel-2, Landsat et basse résolution (MODIS, VIIRS, Sentinel-3) afin de réaliser des études thématiques en lien aux changements environnementaux en France et dans le monde.
• Proposer une approche multi-échelle en considérant toutes les techniques de télédétection.

Projets réalisés et en cours

Les différents projets de recherche dans ce CES sont financés essentiellement par le CNES et l’OFB. Le groupe a également obtenu un financement de la commission européenne pour la promotion des données Sentinel, en organisant deux écoles d’été sur la couleur des eaux continentales ouvertes à des chercheurs et gestionnaires du monde entier à partir de 2021. Une thèse de doctorat dédiée aux eaux noires (riches en carbone organique dissous) co-financée par l’Office de l’Eau de Guyane, EDF France et l’OFB, démarrera en 2021.

À noter que les équipes du CES ont été choisies par l’UNESCO pour développer un portail de données sur le lac Tchad en lien avec la Commission du Bassin du Lac Tchad afin de suivre plusieurs paramètres de qualité des eaux par imagerie Sentinel-2 et Landsat-8. Ce portail propose également la température de surface de l’eau estimée à partir de l’infra-rouge thermique de l’imagerie Landsat (Simon et al, 2014, Prats et al., 2018, Prats et al., 2020) produite par le pôle ECLA .

Projets réalisés

Le projet OBS2CO (2018-2020, CNES-TOSCA, UMR GET / Pôle ECLA) a contribué au développement de l’utilisation de la télédétection satellitaire pour le suivi de la qualité des eaux de rivières, lacs et estuaires en proposant une approche multi-sites (en France et au Sud). Il a permis d’élaborer une chaîne de traitement automatisée « couleur de l’eau » pour les produits Sentinel-2 et Landsat-8 sur les eaux continentales, progressivement transférée à la plate-forme Theia et HYSOPE-II (plateforme de données satellitaires dédiée à la thématique hydrosystème).

Le projet HIDROSAT avec l’Agence de l’Eau du Brésil, l’Institut de Recherche pour le Développement et de nombreux partenaires universitaires et institutionnels au Brésil depuis 2010 afin de développer un serveur mettant à disposition librement des informations sur la qualité des eaux obtenus par satellite (imagerie MODIS) et de valider les produits obtenus dans le contexte d’une utilisation pré-opérationnelle par une grande agence gestionnaire de la ressource en eau. Une nouvelle phase du projet commence en 2021.

Le projet HYDROSIM (2018-2021), financé par la BPI et les pôles de compétitivité Aerospace Valley et Eau, afin de développer l’utilisation intégrée des réseaux de mesures conventionnels, des produits issus de l’hydrologie spatiale et de la modélisation hydrologique et de la qualité des eaux sur le bassin de l’Amazone.

Projets en cours

Le projet OBS2MOD (2021-2023, CNES-TOSCA UMR GET / Pôle ECLA) a pour objectif de faire progresser les connaissances de la physique du signal des cibles eaux continentales (amélioration de l’estimation des aérosols, des effets d’environnement et prise en compte de la répartition verticale et de la granulométrie des hydrosols lors de la modélisation du rayonnement sortant de l’eau) afin d’améliorer le couplage des observations satellitaires (sentinel-2 & 3, Landsat) avec les modèles d’hydrologie et de qualité des hydrosystèmes.

Le projet LASHA (2020-2022, CNES-TOSCA Université de Nantes / IFREMER / Pôle ECLA) a pour objectifs de faire progresser les connaissances fondamentales sur la bio-optique des microalgues marines et lacustres responsables des blooms toxiques, de développer de nouveaux algorithmes de télédétection et d’appliquer les algorithmes sur plusieurs sites pilotes côtiers et lacustres.

Le projet TELEMAC (2021- 2024, OEG, OFB, EDF Guyane, Voltalia) a pour objectif principal de documenter et analyser la dynamique spatio-temporelle des flux de matières carbonés au sein du réservoir de Petit-Saut en Guyane française à partir de la télédétection satellitaire. TELEMAC apportera une plus-value aux projets prévus en se focalisant notamment, dans le cadre d’une thèse de doctorat, sur l’étude des eaux fortement chargées en matière organique dissoute typiques du lac de Petit-Saut.

L’action TELQUEL du pôle ECLA (OFB-INRAE-USMB) vise à contribuer au développement de l’utilisation de la télédétection satellitaire pour le suivi de la qualité et des conditions environnementales des eaux lacustres à l’échelle nationale y compris les régions et départements d’outre-mer, avec une approche couplant mesures radiométriques in situ, modélisation, et exploitation de séries temporelles d’images satellitaires (https://professionnels.ofb.fr/fr/node/455).

Le Service National d’Observation HYBAM, qui documente l’hydrologie, la sédimentologie et la géochimie des eaux du bassin de l’Amazone et diffuse des produits issus du spatial, notamment pour le suivi des flux sédimentaires et qui participer à la validation des produits couleur des eaux du CES.

Quelques exemples de produits Couleurs des eaux

Calendrier

• 2015 : démonstrateur pré-opérationnel (Agence de l’Eau du Brésil)
• 2015 -2017 : suivi de 5 sites en France et 10 à l’étranger (Amérique du Sud, Afrique et Asie)
• 2017 – 2019 : test et validation des nouveaux algorithmes régionaux
• 2019 : transmission et adaptation de la chaîne OBS2CO V1
• 2020 : finalisation de la chaîne OBS2CO V2
• 2021 : diffusion des produits du CES sur les plateformes de Theia, de l’OFB et de l’UNESCO

Contact

Coordinateurs

Jean-Michel Martinez
UMR GET – Directeur de Recherche IRD

Thierry Tormos
Pôle ECLA | Chef de projet OFB

Nathalie Reynaud
Pôle ECLA

Tristan Harmel
UMR GET

Guillaume Morin
Pôle ECLA

Mauricio Cordeiro

William Santini

Références

• Espinoza-Villar R., Martinez JM, Armijos E., Espinoza J. C., Filizola N., Dos Santos A., Willems B., Fraizy Pascal, Santini William, Vauchel Philippe. Spatio-temporal monitoring of suspended sediments in the Solimoes River (2000-2014). Comptes Rendus Geoscience, 2018, 350 (1-2), p. 4-12. ISSN 1631-0713
• Gallay M., Martinez JM, Allo S., Mora A., Cochonneau Gérard, Gardel A., Doudou Jean-Claude, Sarrazin Max, Chow-Toun F., Laraque Alain. Impact of land degradation from mining activities on the sediment fluxes in two large rivers of French Guiana. Land Degradation and Development, 2018, 29 (12), p. 4323-4336. ISSN 1085-3278
• Yepez S., Laraque Alain, Martinez JM, De Sa J., Carrera J. M., Castellanos B., Gallay M., Lopez J. L. Retrieval of suspended sediment concentrations using Landsat-8 OLI satellite images in the Orinoco River (Venezuela). Comptes Rendus Geoscience, 2018, 350 (1-2), p. 20-30. ISSN 1631-0713
• Lins R. C., Martinez JM, Marques D. D., Cirilo J. A., Fragoso C. R. Assessment of chlorophyll-a remote sensing algorithms in a productive tropical estuarine-lagoon system. Remote Sensing, 2017, 9 (6), p. art. 516 [19 p.]. ISSN 2072-4292
• Pinet S., Martinez JM, Ouillon Sylvain, Lartiges B., Villar R. E. Variability of apparent and inherent optical properties of sediment-laden waters in large river basins – lessons from in situ measurements and bio-optical modeling. Optics Express, 2017, 25 (8), p. A283-A310. ISSN 1094-4087
• Espinoza-Villar R., Martinez JM, Armijos E., Espinoza J. C., Filizola N., Dos Santos A., Willems B., Fraizy Pascal, Santini William, Vauchel Philippe. Spatio-temporal monitoring of suspended sediments in the Solimoes River (2000-2014). Comptes Rendus Geoscience, 2018, 350 (1-2), p. 4-12. ISSN 1631-0713
• Condé, R. de C., Martinez, J.-M., Pessotto, M.A., Villar, R., Cochonneau, G., Henry, R., Lopes, W., Nogueira, M., 2019. Indirect assessment of sedimentation in hydropower dams using MODIS remote sensing images. Remote Sensing 11, 314. https://doi.org/10.3390/rs11030314
• Cordeiro, M., Martinez J.-M. and Peña-Luque S. . Automatic water detection from multidimensional hierarchical clustering for Sentinel-2 images and a comparison with Level 2A processors. » Remote Sensing of Environment 253 (2021): 112209
• Martinez J.M., Ventura D., Cochonneau, G., Oliveira, E., Cerqueira Piscoya, R., Guimaraes, V.. Towards a remote sensing-based operational monitoring application at the Brazilian National Water Agency. CEOS report “Applications of Satellite Earth Observations: Serving Society, Science & Industry”, pp-100-103, 2015.
• Simon, R.; Tormos, T. & Danis, P.-A. Retrieving water surface temperature from archive LANDSAT thermal infrared data: Application of the mono-channel atmospheric correction algorithm over two freshwater reservoirs, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2014, 30, 247 – 250.
• Prats, J.; Reynaud, N.; Rebière, D.; Peroux, T.; Tormos, T. & Danis, P.-A. LakeSST: Lake Skin Surface Temperature in French inland water bodies for 1999–2016 from Landsat archives, Earth System Science Data, 2018, 10, 727-743