Les outils du spatial, qui ne cessent de progresser, apparaissent aujourd’hui incontournables pour compléter efficacement et à moindre coût les programmes de surveillance des paramètres ciblés par la directive cadre sur l’eau. Plusieurs paramètres peuvent être suivis, comme la température de l’eau, la transparence, la concentration en chlorophylle-a ou le marnage. Cet article propose un aperçu des avancées françaises récentes pour caractériser ces paramètres, à partir de satellites d’intérêts au travers notamment des travaux conduits dans les centres d’expertise scientifique du Pôle national de données et services dédié aux surfaces continentales (THEIA).

L'évaluation de l’état écologique des plans d’eau, imposée par la directive cadre européenne sur l’eau (DCE), repose majoritairement sur les données acquises in situ par les États membres dans le cadre des réseaux de surveillance réglementaires. Les méthodes traditionnelles de surveillance, bien que déjà riches d’information, ne donnent néanmoins qu’une vision partielle dans le temps et dans l’espace des caractéristiques des milieux et des pressions qu’ils subissent. Ce manque d’information peut ainsi conduire à une évaluation erronée de l’état écologique (Soulignac et al., 2016 ; encadré 1), avec un impact potentiel sur la robustesse des programmes de mesures et de gestion. Par ailleurs, en France, seuls les plans d’eau de plus de cinquante hectares sont concernés par la surveillance réglementaire.

Intensifier la surveillance avec les méthodes actuelles étant peu envisageable financièrement, la télédétection satellitaire offre des potentialités remarquables (Papathanasopoulou et al., 2019) pour compléter les données in situ à moindre coût et consolider ainsi l’évaluation de l’état écologique des plans d’eau.

Aujourd’hui, les nouvelles générations de satellites dont les produits sont accessibles gratuitement, offrent un très bon compromis entre la précision géographique au sol (résolution spatiale) et la fréquence de revisite (résolution temporelle), adapté aux plans d’eau ciblés par la mise en application française de la DCE et au suivi de leurs dynamiques saisonnières. La sensibilité des capteurs embarqués par ces satellites (résolution radiométrique) et leur capacité à décrire les caractéristiques des cibles au sol (résolution spectrale) ont également progressé, bien que la plupart d’entre eux ne soient pas dédiés exclusivement à l’observation des eaux intérieures. Les satellites aux capteurs dédiés (exemple Sentinel-3 et MODIS à 300 et 250 m respectivement) restent quant à eux trop approximatifs spatialement pour cet exercice et les plus résolus spatialement présentent des performances radiométriques et spectrales limitées et un temps de revisite trop faible pour assurer une surveillance adéquate.

Plusieurs paramètres soutenant la mise en œuvre de la DCE peuvent ainsi être suivis, comme la température de l’eau, la transparence, la concentration en chlorophylle-a ou le marnage. Compte tenu des fortes potentialités, la littérature internationale sur ce sujet est florissante (figure 1). Cet article se propose de présenter un aperçu des avancées françaises récentes en recherche et développement pour caractériser ces paramètres, à partir des satellites d’intérêts mentionnés dans le tableau 1, au travers notamment des travaux conduits dans les Centres d’expertise scientifique (CES) du Pôle national de données et services dédié aux surfaces continentales (THEIA).

La température de l’eau : IRT Landsat et TRISHNA

La température joue un rôle essentiel et structurant dans le fonctionnement des écosystèmes lacustres. Elle constitue par ailleurs l’un des paramètres physico-chimiques à prendre en compte pour l’évaluation de l’état écologique des plans d’eau au titre de la DCE, parmi les paramètres physico-chimiques généraux dits « soutenant la biologie ». Aucun indicateur n’existe pourtant aujourd'hui pour ce paramètre en France, et à notre connaissance dans les autres États membres, pour les plans d'eau. Ceci s'explique par un besoin d'informations détaillées sur la dynamique spatiale (horizontale et verticale) et temporelle des structures thermiques, y compris durant la période de mélange hivernale (période clé pour l’apport en oxygène dans les parties profondes des plans d’eau). Le réseau national thermie (RNT) plans d’eau a été déployé dans l’objectif de combler ce besoin, mais le nombre de sites échantillonnés n’est pas encore suffisamment représentatif de la diversité nationale et il n’offre pas de vision spatialisée des structures thermiques horizontales. La télédétection peut contribuer, par couplage avec la modélisation, à enrichir les informations acquises.

Vue de l’espace, l’estimation de la température de surface de l’eau est mesurable à partir de la télédétection infrarouge thermique (IRT) (encadré 2). Le programme satellitaire Landsat fournit depuis les années 1980 une série continue d’images dans l'IRT qui nous permet aujourd’hui de disposer de chroniques long terme, à cent mètres de résolution spatiale, à raison d’une mesure tous les seize jours dans des conditions d'acquisition idéales (absence de nuage). Dans le cadre du CES « Température de surface et émissivité », le pôle « Écosystèmes lacustres » (ECLA, OFB-INRAE-USMB) produit des images de température sur l’ensemble des surfaces en eaux continentales de France métropolitaine et d’Outre-mer visibles par l’imagerie Landsat. Cette production mise à jour annuellement est diffusée sur la plateforme de données du pôle ECLA (https://data.ecla.inrae.fr/) et très prochainement sur celle du pôle THEIA. La méthode, qui consiste à corriger des effets atmosphériques l’énergie émise dans l'IRT par les surfaces en eau, est régulièrement validée à partir des données in situ historiques de la surveillance et des réseaux complémentaires. Cette validation repose actuellement sur une centaine de lacs. L’erreur moyenne sur l’estimation de la température de surface de l’eau est de ± 1,2 degrés Celsius (Simon et al., 2014 ; Prats et al., 2018). Dans les années à venir, cette télésurveillance sera complétée par les observations du satellite TRISHNA (Thermal infraRed Imaging Satellite for High-resolution Natural resource Assessment) qui permettra de gagner notamment en résolution spatiale (50 m) et temporelle (revisite tous les trois jours) (tableau 1).

Les informations sur l’évolution temporelle et la distribution spatiale des températures de surface des plans d’eau fournies par la télésurveillance permettent de calibrer des modèles thermodynamiques des plans d’eau français (Prats et al., 2020 ; figure 2). Ces modèles, prédisant les structures thermiques au pas de temps journalier sur l’ensemble de la colonne d’eau, contribueront à terme à la définition de valeurs seuils pour un indicateur DCE sur la température.

La transparence et la chlorophylle-a : imagerie Landsat et Sentinel-2

La transparence de l’eau est un paramètre physico-chimique couramment utilisé pour estimer la qualité de l’eau et intervient dans l’évaluation réglementaire de l’état écologique des plans d’eau. Elle est habituellement estimée sur le terrain à partir de mesure de la profondeur de disparition du disque de Secchi. La concentration en chlorophylle-a (chla) intervient directement dans le calcul d’un des indicateurs biologiques pour la DCE, l’IPLAC (indice phytoplanctonique lacustre) en tant que proxy de l’abondance du phytoplancton. Le protocole standardisé d'échantillonnage pour l’IPLAC préconise une mesure intégrée sur la zone euphotique (zone superficielle dans laquelle pénètre la lumière), soit en laboratoire à partir d’un échantillon prélevé in situ, soit directement in situ à l’aide de sondes fluorimétriques.

Ces deux paramètres, parfois soumis à des phénomènes locaux et susceptibles d’évoluer ou de présenter des événements très ponctuels dans le temps, ne sont cependant mesurés qu’en un seul point du lac, généralement sur deux années par plan de gestion de six ans. Vue de l’espace, ces paramètres sont mesurables de manière intégrée par télédétection de la couleur de l’eau (encadré ) sur la zone euphotique.  Des efforts de R&D restent à fournir pour utiliser à terme cet outil dans la surveillance DCE, notamment pour gagner en généricité et en précision. Trois défis sont actuellement identifiés par la communauté.

Le premier défi consiste à démêler le signal sortant de l’eau des autres signaux perturbateurs arrivant au capteur satellitaire (encadré 3). C’est à partir de ce signal que sont déduits les différents paramètres liés aux matières colorées, dont la transparence et la concentration en chla. Le CES « Couleurs des eaux continentales » a développé l’algorithme GRS (Harmel et al., 2018) qui prend notamment mieux en compte les effets du reflet du soleil sur la surface de l’eau. Des progrès restent à apporter sur la quantification des aérosols et les effets d’environnement (Pahlevan et al., 2021).

Le second défi réside dans la localisation des pixels correspondant exclusivement à l’eau, c’est-à-dire pour lesquels le fond n’est pas visible et qui ne sont pas dans l’ombre des nuages. La méthode la plus utilisée repose le seuillage d’un indice de détection d’eau, comme le Normalized Difference Water Index, implémenté dans GRS. Elle donne des résultats satisfaisants mais des confusions persistent notamment avec les ombres de nuage. Les méthodes basées sur l’intelligence artificielle, comme l’algorithme WaterDetect (Cordeiro et al., 2021), sont actuellement testées.

Le troisième défi vise à traduire le signal sortant de l’eau capté par les satellites en paramètres de qualité. Plusieurs approches sont possibles (Mishra et al., 2017) : en reliant directement le signal aux mesures in situ du paramètre recherché sur un échantillon de sites (approche empirique) ou en reliant les paramètres optiques des constituants de l’eau au signal satellitaire par modélisation (approche analytique). Alors que l’approche empirique est simple à réaliser mais peu générique car dépendante de l’échantillon, l’approche analytique est à l’inverse plus générique mais plus complexe à mettre en œuvre compte tenu des données optiques nécessaires au calage des modèles. Pour réaliser ce compromis entre généricité et spécificité, le CES construit actuellement, sur la base d’une typologie de la couleur de l’eau (Spyrakos et al., 2018 ; Neil et al., 2019), un portefeuille d’algorithmes adaptés à la diversité des milieux aquatiques rencontrés dans les eaux intérieures françaises permettant de calculer chacun des paramètres. La figure 3 illustre un exemple de résultat obtenu pour la transparence et la concentration en chla sur le lac d’Annecy (Haute-Savoie) avec les algorithmes dédiés à ce type d’eau.

Le marnage : imagerie Sentinel-1 & 2 et altimétrie SWOT

Les fluctuations du niveau d’eau des plans d’eau (marnage) impactent fortement le fonctionnement des écosystèmes lacustres et la biodiversité qu’ils abritent. Du point de vue de la DCE, le marnage est une caractéristique prise en compte dans les règles de typologie des plans d’eau. Pour les masses d’eau fortement modifiées, il constitue également une contrainte technique obligatoire à considérer pour l’évaluation du potentiel écologique. Par ailleurs il intervient dans le calcul de l'indice LHYMO, en cours de finalisation, qui propose une l’évaluation globale de l'état hydromorphologique des plans d’eau.

Malgré ces nécessités réglementaires, le marnage des lacs est généralement très peu documenté. S’il est pourtant suivi finement sur les retenues gérées, la donnée reste difficilement accessible. Les méthodes d’observation directe du niveau de l’eau ne permettent pas quant à elles de disposer de mesures suffisamment fréquentes pour caractériser correctement ces fluctuations, en particulier pour les plans d’eau les plus difficiles d’accès. La pose d’enregistreurs automatiques à haute-fréquence est une alternative envisageable mais trop coûteuse pour la surveillance nationale.

Pour combler ce manque de données, la télédétection offre deux possibilités de mesure du marnage : une mesure directe par altimétrie radar et une mesure au travers du suivi des variations de superficie des surfaces en eaux, directement reliées aux variations de hauteurs d’eau (encadré 4).

L’altimétrie radar est déjà utilisée de manière opérationnelle pour le suivi du marnage des grands lacs et fleuves au travers de la base de données Hydroweb (http://hydroweb.theia-land.fr/). Néanmoins, les précisions géographiques au sol des altimètres actuels ne permettent pas de couvrir les plans d’eau français (seul le lac Léman est actuellement documenté dans Hydroweb). L’arrivée imminente de l’altimètre radar SWOT (prévu en 2022) améliorera sensiblement cette couverture, avec une mesure altimétrique centimétrique rendue possible sur toute surface en eau de largeur supérieure à 100 m, voire 50 m. La majorité des plans d’eau ciblés par la mise en application française de la DCE pourront donc être suivis par SWOT, avec une fréquence a minima hebdomadaire pour près de la moitié d'entre eux (figure 4).

Le suivi en parallèle des superficies des surfaces en eau, par imagerie optique et/ou radar, renforcera cette télésurveillance dans le temps et permettra de caractériser des systèmes de plus petites tailles. Les travaux de Simon et al. (2015) ont montré qu’avec des images de résolution spatiale inférieure ou égale à 10 m, la précision de la mesure du marnage est conservée par rapport aux résolutions plus fines. Cependant, la performance de cette méthode reste dépendante de la morphologie des berges : plus la pente est importante, moins les variations de superficies sont détectables à marnage équivalent. Cette analyse de performance reste à mener sur le territoire français. Celle-ci sera facilitée par l'accès aux produits des surfaces en eau du CES « Cartographie et suivi des surfaces en eau » (figure 5), issues notamment du couplage de l’imagerie radar Sentinel-1 et l'imagerie optique Sentinel-2, qui sont actuellement en cours d’évaluation et seront diffusés fin 2021 sur la future plateforme HYDROWEB-NG dédiée aux données issues du spatial sur les hydrosystèmes.

Conclusion

Les outils du spatial, qui ne cessent de progresser, apparaissent aujourd’hui incontournables pour compléter efficacement et à moindre coût les programmes de surveillance, notamment réglementaires. À très court terme, la télésurveillance offrira une vision plus détaillée dans le temps et dans l’espace (distribution horizontale) de la température de l’eau, la transparence, la concentration en chlorophylle-a et permettra de mieux suivre le marnage. Elle complétera ainsi les mesures réalisées in situ, qui resteront néanmoins indispensables, à la fois pour rendre compte de la dimension verticale de certains paramètres, comme la température et la concentration de la chlorophylle-a et pour continuer de collecter les nombreuses informations nécessaires à l’évaluation, aujourd’hui difficilement estimables par imagerie (richesse spécifique et biomasse du phytoplancton par exemple). En outre, le recours à la télésurveillance agrandira le champ de suivi de ces paramètres aux lacs de taille plus modeste (< 50 ha), qui concentrent eux aussi de nombreux enjeux environnementaux et sociétaux. Des efforts en R&D restent néanmoins à fournir. Ces efforts sont variables en fonction du paramètre étudié : alors que pour la température, les séries temporelles sont déjà en production sur le territoire national, des tests de performances doivent être conduits pour la transparence et la chlorophylle-a, et la phase de prototypage vient de débuter pour le marnage. Les équipes scientifiques associées aux différents CES du pôle THEIA (« Température de surface et émissivité », « Couleurs des eaux continentales », « Cartographie et suivi des surfaces en eau » et « Hauteur des lacs et des rivières »), participent, avec la communauté internationale aussi bien marine que continentale, à ces efforts. Dans cet exercice, la collecte de données de terrain de qualité est indispensable pour le développement des algorithmes et la qualification des produits issus du spatial (encadré 5). Mais déjà, pour qu’à terme cette nouvelle information soit utilisée pleinement dans le processus de surveillance voire d’évaluation, il est indispensable que la sphère scientifique s’empare de ces données plus riches dans le temps et dans l’espace et réfléchisse à la manière de les exploiter en complément des mesures in situ. 

Pour citer cet article :

Référence électronique :
TORMOS, Thierry ; REYNAUD, Nathalie ; DANIS, Pierre-Alain ; HARMEL, Tristan ; MORIN, Guillaume ; MARTINEZ, Jean-Michel ; ANDRAL, Alice ; COQUE, Arthur ; PEROUX, Tiphaine ; BAUDOIN, Jean-Marc, Quand la surveillance des plans d’eau prendra de la hauteur, Revue Science Eaux & Territoires, Directive cadre européenne sur l’eau – Bilan de vingt années de recherche pour la reconquête de la qualité des masses d’eau, numéro 37, 2021, p. 114-123, 10/12/2021. Disponible en ligne sur <URL : http://www.set-revue.fr/quand-la-surveillance-des-plans-deau-prendra-de-la-hauteur> (consulté le 08/08/2022), DOI : 10.14758/SET-REVUE.2021.4.21.

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