L'humidité des sols est une variable clé dans le cycle de l'eau. En effet, les échanges d’énergie surface/atmosphère dépendent fortement de l'humidité superficielle des sols. L'évaporation, l'infiltration et l'écoulement sont conditionnés par humidité superficielle tandis que l'humidité des sols dans la zone racinaire régit la disponibilité d'eau pour la végétation.
SMOS est un minisatellite scientifique de l'Agence spatiale européenne, lancé en 2009, toujours en activité. Le concept a été développé initialement au CNES.
L'objectif de la mission est l'observation globale de deux paramètres importants requis pour une modélisation précise de la météo et du climat : l'humidité des sols et la salinité des océans.
SMOS effectue quinze révolutions autour de notre planète par 24 heures et produit tous les trois jours une carte complète de la surface terrestre avec une résolution de 50 km par pixel et une profondeur d’un centimètre.
Le produit d'humidité superficielle des sols fournit à l'échelle mondiale des données en valeur absolue à 25 km de résolution. Ces données sont acquises à une fréquence journalière, hebdomadaire et mensuelle. La période couverte a débuté en 2002 et se poursuit jusqu'à présent.
Le produit d'humidité dans la zone racinaire (1 m de profondeur) fournit à l'échelle globale des données à 25 km de résolution élaborées à partir du satellite Smos.
Ces données sont acquises à une fréquence journalière et mensuelle. La période couverte a débuté en 2010 et se poursuit jusqu'à présent.
Le produit d'indice de sécheresse fournit à l'échelle globale des données à 25 km de résolution élaborées à partir du satellite Smos.
La période couverte a débuté en 2010 et se poursuit jusqu'à présent.
Sentinel-1 est une série de 2 satellites d'observation de la Terre développée par l'Agence spatiale européenne dans le cadre du programme Copernicus dont le premier exemplaire est mis en orbite en 2014, le second en 2016. Chaque satellite, d'une masse d'environ 2 300 kg, emporte une charge utile constituée par le radar à synthèse d'ouverture fonctionnant en bande C qui fournit des vues avec une résolution pouvant atteindre 5 mètres.
Sentinel-1 fournit des informations vitales à de nombreux services opérationnels, qu’il s’agisse d’observer la glace dans les océans polaires ou de suivre les affaissements de terrain, et a un rôle clef dans le plus grand programme d’observation de la Terre jamais imaginé.
Cette mission est de plus le seul satellite européen spécifiquement conçu pour répondre rapidement lors de situations d’urgence, comme les inondations et les tremblements de terre.
Le Centre d'Expertise Scientifique "CES Humidité du sol à très haute résolution spatiale" regroupe des équipes de l'UMR Tetis et du Cesbio qui développent une cartographie de l’état hydrique du sol avec une précision et des résolutions spatio-temporelles adaptées aux besoins des utilisateurs scientifiques et acteurs en charge des politiques publiques.
Le produit issu du CES Humidité du sol à très haute résolution spatiale est mis à jour à une fréquence de 6 jours. Il a une échelle parcellaire et intra-parcellaire, à partir de 0.2 hectares, et couvre fin 2018 la région Occitanie en France et la Tunisie.
Les deux cartes d’humidité des sols ci-dessous correspondent à deux images radar du 19 et du 26 janvier 2017 sur une petite zone de la région Occitanie. La carte du 19 janvier 2017 montre que le sol du site d’étude est sec avec des valeurs d’humidité entre 5 et 15 %. La carte du 26 janvier 2017 montre, quant à elle, des sols humides avec valeurs entre 25 et 35 %.
Masque Neige
Sentinel-2 est une série de 2 satellites d'observation de la Terre de l'Agence spatiale européenne, développée dans le cadre du programme Copernicus, mis en orbite en 2015 et 2017. Les satellites Sentinel-2 constituent une des composantes spatiales de ce programme qui comprend également notamment les Sentinel-1 (observation radar tout temps) et Sentinel-3. Ils fournissent de l'imagerie optique haute résolution permettant l'observation des sols, chaque satellite disposant d’un imageur multi-spectral MSI qui fournit des vues dans 13 bandes spectrales en lumière visible et proche infrarouge avec une résolution comprise entre 10 et 60 mètres et une fauchée de 290 km.
Le produit neige disponible est celui distribué par le pôle de données et de services surfaces continentales Theia (créé fin 2012 par 9 institutions publiques françaises impliquées dans l’observation de la Terre et les sciences de l’environnement - www.theia-land.fr) . Le produit indique la présence ou l’absence de neige à la surface terrestre tous les cinq jours en l’absence de nuages. C’est un produit à 20 m de résolution généré à partir d'images Sentinelle 2 de niveau 2A produites par Theia et n'est donc disponible que sur les zones couvertes par la production de Theia identifiées en rouge sur la carte ci-dessous.
Il s'agit d'une première version des produits qui sera amenée à évoluer, en particulier sur les aspects suivants :
Carte d'enneigement des Pyrénées du 16 avril 2017
La connaissance de l'occupation des sols est nécessaire à la fois en tant qu'objet d'étude (aménagement du territoire, cycle du carbone), mais aussi comme prérequis pour beaucoup d'analyses d'images satellitaires se concentrant sur certaines classes concernant le suivi de la végétation agricole pour les besoins d’irrigation et les prévisions de rendement. La disponibilité actuelle des séries temporelles Sentinel-2 nous permet d'effectuer une production opérationnelle annuelle de l'occupation des sols sur la France, avec un niveau de détails modéré (15 à 20 classes), et une résolution de 10 à 20 mètres.
Carte d'occupation des sols de la France
Le Centre d’Expertise Scientifique CES occupation des sols ( qui regroupe des équipes du Cesbio, de l'UMR Ispa, Dynafor, du CNRM, de l’UMR Tetis,de l’ IGN-Matis, de Costel et du Sertit) a publié le 9 avril 2018 la 2ème carte d'occupation des sols de la France métropolitaine produite automatiquement à partir de données Sentinelle 2A et Sentinelle 2B. Le 30 mars 2017 était produite la 1ère carte d'occupation des sols de la France métropolitaine à partir de données Sentinelle 2 de fin 2015 à fin 2016 et de données Landsat 8.
Les cartes d'occupation des sols 2016 et 2017 ont une résolution de 10 m et une nomenclature de 17 classes :
Carte d'occupation des sols en Occitanie
Passage Jason-3
Passage Sentinel-3
Passage SWOT
En succédant à Topex-Poséidon, Jason-1 et Jason-2, Jason-3 assure la continuité des mesures d’altimétrie océanique de haute précision au service de la surveillance du climat, de l’océanographie opérationnelle et de la prévision saisonnière.
Jason-2, lancé en 2008, a cessé sa mission le 30 octobre 2019. Jason-3, lancé en 2016 et toujours en fonctionnement, est issu d’une collaboration entre le Cnes, la Nasa, Eumetsat et la Noaa. Ce projet s’inscrit dans la lignée de ses prédécesseurs, qui depuis plus de 20 ans, placent les océans sous haute surveillance. Les partenaires se trouvent être les mêmes que pour Jason-2 mais avec une représentation différente: les agences opérationnelles (Noaa et Eumetsat) prennent la direction du programme, le Cnes devient coordinateur du système et tous les partenaires, y compris la Nasa, supervisent les activités scientifiques.
Evolution du niveau moyen des mers
L’instrument principal est un altimètre. L'onde radar émise par l’altimètre se réfléchit sur la surface de la mer et est renvoyée vers le satellite. Celui-ci mesure le temps aller-retour et analyse la forme d'onde reçue, permettant respectivement de déterminer la distance entre le satellite et la surface de la mer ainsi que la rugosité de la surface, qui découle de la hauteur des vagues. L'altitude de la surface de la mer est ensuite déduite de la différence entre l'altitude du satellite et la distance mesurée. Utilisé sur les océans, notamment pour suivre la circulation océanique et le niveau moyen des mers, ce principe a été utilisé progressivement pour mesurer la hauteur de l’eau sur les grands fleuves et sur les grands lacs. Une science est alors née : l’hydrologie spatiale.
Principe de la mesure altimétrique
Actuellement, la première base de données Hydroweb contient des données sur les grands fleuves et les grands lacs. Les produits proposés sont constitués de séries temporelles continues et de longue durée pour les niveaux des grands lacs de plus de 100 km2, les réservoirs et les fleuves.
Les séries de mesures opérationnelles sont rafraichies au plus tard 1.5 jours après la disponibilité d’une nouvelle mesure altimétrique. Fin 2018, elles couvrent environ 80 grands lacs et plusieurs milliers de points de mesures sur les fleuves.
Les séries de mesures recherche sont rafraichies à intervalle réguliers en fonction des avancées effectuées sur les traitements par le laboratoire du LEGOS. Elles couvrent environ 150 grands lacs et 1000 points de mesures sur les fleuves.
Sentinel-3 est une série de 2 satellites d'observation de la Terre de l'Agence spatiale européenne développée dans le cadre du programme Copernicus, mis en orbite en 2016 et 2018. L’instrument principal est un radar altimètre (SRAL), dont l’objectif est de fournir des données opérationnelles non seulement sur le plein océan mais aussi sur les zones côtières, les glaces ou encore sur les eaux continentales comme les lacs et rivières. Chaque satellite embarque également trois autres instruments : le radiomètre SLSTR, le spectromètre imageur OLCI (ocean land color instrument) et le radiomètre micro-onde MWR.
La mission, basée sur les deux satellites en orbite, permet une couverture mondiale et une transmission de données optimales. Par exemple, avec une largeur de bande de 1270 km, l’instrument de couleur pour les océans et les terres fournira une couverture mondiale tous les deux jours.
Sentinel-3 se concentre sur nos océans et mesure la température, la couleur et la hauteur de la surface de la mer, ainsi que l’épaisseur de la glace de mer. Ces mesures serviront, par exemple, à surveiller les changements du niveau de la mer, la pollution marine et la productivité biologique.
La mission SWOT, dont le lancement est prévu en 2021, est un partenariat majeur entre la NASA et le CNES, avec une contribution de la part des agences spatiales canadienne CSA et anglaise UKSA. La NASA et le CNES tirent parti d’une coopération de près de trente ans dans le domaine de l’altimétrie spatiale.
Le principal objectif du programme est de réunir les besoins des communautés hydrologiques et océanographiques en un seul satellite. L’instrument principal est un interféromètre en bande Ka ( KaRIn) qui fournit une image bidimensionnelle de la surface (deux fauchées de 60 km de part et d’autre de la verticale du satellite). La mesure est basée sur la différence de phase du signal reçu par les deux antennes et constitue une rupture technologique par rapport à l’altimétrie conventionnelle.
Principe de la mesure SWOT
Satellite SWOT
Le clip SWOT
En hydrologie continentale, le satellite va surveiller les fleuves de largeur supérieure à 100 mètres, en fournissant pour chaque tronçon de 10 km du fleuve des mesures de hauteur, de largeur, de débit et de pente.
200 000 tronçons de fleuves devraient être ainsi surveillés, 1 ,2 ,3 ou 4 fois par cycle de 21 jours.
Les produits SWOT pour les fleuves
Le satellite va également surveiller dans le temps la hauteur, la superficie et l’évolution du stock d’eau pour des lacs de taille supérieure ou égale à 6 hectares, soit environ 250 mètres par 250 mètres. L’objectif est d’aller encore plus loin en atteignant une superficie de 100 mètres par 100 mètres. Plus de vingt millions de lacs devraient être observés.
Les produits SWOT pour les lacs
llustration d'un produit typique TAPEER-BRAIN.
En haut : précipitations cumulées quotidiennes (mm).
En bas : erreur d'échantillonnage (mm)
Megha-Tropiques est un satellite franco-indien qui doit étudier les échanges d'énergie thermique entre océans et atmosphère dans la zone tropicale pour mieux comprendre leur incidence sur le climat. Il a été lancé en 2011. Il étudie les échanges d'énergie thermique entre océans et atmosphère dans la zone tropicale pour mieux comprendre leur incidence sur le climat.
Des produits de précipitations globales peuvent être obtenues grâce à l’algorithme TAPEER-BRAIN qui combine des observations micro-ondes et infrarouges pour fournir des estimations des précipitations et les barres d'erreur associées à une résolution spatiale de un degré et une résolution temporelle journalière.
Cette mission a été développée en France dans le cadre de GEWEX (Global Energy and Water Cycle Experiment). Pour comprendre les processus météorologiques et climatiques tropicaux, il est nécessaire d’obtenir des statistiques fiables sur le bilan hydrique et énergétique de l’atmosphère tropicale et de décrire l’évolution de ses systèmes (mousson, cyclones,…) à des échelles de temps appropriées. Parallèlement, des missions atmosphériques et océaniques tropicales ont également été étudiées en Inde, directement concernée par ces phénomènes. La première originalité de MEGHA-TROPIQUES est d'associer trois instruments radiométriques permettant d'observer simultanément trois composants interdépendants du moteur atmosphérique: la vapeur d'eau, l'eau condensée (nuages et précipitations) et les flux radiatifs. La seconde est de privilégier l'échantillonnage de la zone intertropicale, tenant compte de la grande variabilité spatio-temporelle des phénomènes tropicaux. De plus, le radiomètre à micro-ondes MADRAS MEGHA-TROPIQUES pourrait être un élément complémentaire à la constellation de mini-satellites de la Mission mondiale de précipitation.
TAPEER est synonyme de quantité de précipitation tropicale avec une estimation des erreurs. L’amélioration majeure de cette version 1.5 de l’algorithme TAPEER consiste à traiter séparément la détection de la pluie et l’estimation du taux de pluie. En conséquence, différentes configurations de satellite peuvent être utilisées pour les deux aspects, ce qui permet notamment de tirer parti de l'utilisation de sondeurs à micro-ondes pour la détection de la pluie. La mise en œuvre actuelle repose donc sur la détection de pluie par des imageurs à micro-ondes LEO (TRMM / TMI, F15 / SSMI, F16 / SSMIS, F17 / SSMIS, F18 / SSMIS, GCOMW1 / AMSR2) et des sondeurs (MT / SAPHIR), ainsi que des récupérations de précipitations instantanées à partir d'imageurs micro-ondes LEO utilisant l'algorithme BRAIN (Viltard et al, 2006). Ces estimations de détection et de taux de pluie sont ensuite fusionnées avec les données de résolution spatiale / temporelle complète provenant du canal de fenêtre thermique embarqué sur les plates-formes GEO (MSG, Meteosat7, GOES-E, GOES-W, MTSAT, HIMAWARI). Le produit est ensuite corrigé statistiquement en utilisant les données TRMM PR v7 sur les taux de pluie près de la surface.
Le Centre d'Expertise Scientifique "CES Couleurs des eaux continentales" regroupe des équipes du GET, de l'IGE, de Geosciences Rennes et de l'UMR Epoc qui travaillent sur la concentration en matières en suspension et concentration en chlorophylle-a pour les eaux de surface de rivières, lacs ou estuaires.
Le produit issu du CES Couleurs des eaux continentales est mis à jour à une fréquence de 1 à 10 jours. Il a une échelle de 10 m à 500 m et couvre fin 2018 les régions Occitanie, Nouvelle-Aquitaine, Normandie, Auvergne-Rhône-Alpes et Guyane.
Les données utilisées sont des données à haute résolution (Landsat 8, Sentinelle 2, Spot 5 Take 5, Venμs) et moyenne résolution (MERIS FR, Sentinelle 3).
Enjeux : L’étude des eaux de surface continentales revêt une double importance puisqu’elles représentent la plus grande partie de la ressource hydrique disponible pour nos sociétés et que la qualité de ces eaux permet de tracer de nombreux processus à l’œuvre au sein des bassins versants (érosion, changements d’occupation des sols, pollutions diffuses et ponctuelles, variations climatiques). L’utilisation de la télédétection pour le suivi de paramètres de qualité des eaux comme la présence de matière organique et minérale sous forme dissoute ou particulaire est opérée de manière routinière sur les eaux océaniques depuis de nombreuses années. De nombreux travaux de recherche ont été conduits pour adresser la complexité des eaux continentales. Les eaux hyperturbides, correspondant à la majorité des eaux continentales - rivières, lacs, retenues de barrages, estuaires - sont un sujet d’étude majeur par télédétection pour les années à venir.
Produit : il s’agit de développer un produit « concentration en matières en suspension » et « concentration en chlorophylle-a » pour les eaux de surface de rivières, lacs ou estuaires. Le produit sera adapté en fonction de la plateforme satellite (résolution spectrale et radiométrique) et bénéficiera de travaux antérieurs intégrant des mesures radiométrique hyperspectrale (propriétés optiques inhérentes et apparentes des eaux), des techniques de caractérisation des eaux de rivières, de la modélisation bio-optique et l’analyse de séries temporelles basses résolutions d’images MODIS/MERIS au sein de rivières et lacs.
Distibution de la turbidité, réservoir du Nil et d'Assouan, les 17 janvier et 20 août 2016
