Publié le 5 mai 2022
De nos jours, la surveillance des eaux côtières et intérieures utilise couramment les données satellitaires mais celles-ci sont le plus souvent limitées aux mesures radiométriques acquises à partir de capteurs multispectraux (qui enregistrent dans un nombre restreint de bandes spectrales). Les principaux paramètres qui en sont dérivés sont les concentrations en matières totales en suspension et en chlorophylle-a.
Ces paramètres sont très utiles pour le suivi de l'eutrophisation et du transport des sédiments. Cependant, les utilisateurs, parmi lesquels les agences en charge de la gestion des eaux de surface, souhaitent disposer d'informations plus détaillées, comme par exemple l'origine des sédiments ou la présence de certaines espèces de phytoplancton (notamment les espèces nuisibles). Les utilisateurs en charge de la surveillance d'eaux très complexes aimeraient également avoir accès à des produits plus précis pour les concentrations en chlorophylle-a. En effet, pour certaines eaux particulièrement troubles, il est difficile d'obtenir une bonne estimation de la concentration en chlorophylle-a à partir d'algorithmes basés sur des enregistrements multispectraux.
L'hyperspectral à la rescousse
Pour répondre à la demande des utilisateurs et préparer la nouvelle génération de capteurs hyperspectraux (par exemple, le capteur de la mission PACE de la NASA, dont le lancement est prévu cette année), le projet STEREO III HYPERMAQ a exploré de nouvelles applications de la radiométrie hyperspectrale dans les eaux intérieures et côtières.
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Les capteurs hyperspectraux sont capables d'enregistrer l'information dans une multitude de bandes spectrales très étroites (souvent plus de 200) de l'ordre de quelques nm et souvent contiguës, dans les portions visible, proche infrarouge et infrarouge moyen du spectre électromagnétique. Les données hyperspectrales fournissent donc une information plus détaillée des propriétés spectrales (signature spectrale fine) d'une scène et permettent une identification et une discrimination plus précises des objets que les capteurs à larges bandes. (Voir Petit guide de la Télédétection) |
Une chaîne de traitement, dédiée aux applications en eaux côtières turbides, a été développée pour traiter les images du capteur hyperspectral CHRIS-PROBA et une base de données de 96 images acquises sur les sites d'étude HYPERMAQ a été constituée.
Prototype PANTHYR installé sur la plateforme RT1 près du port d'Ostende
Pour valider les résultats obtenus par les capteurs satellitaires hyperspectraux et multispectraux, un système autonome de radiomètres hyperspectraux a été développé. Deux prototypes de PANTHYR ont été installés sur des plateformes offshore.
Des microalgues traquées
En plus de la validation des données satellitaires, ces instruments se sont avérés très utiles pour la surveillance des écosystèmes. En effet, dans les eaux côtières belges, il a été possible de suivre la prolifération de Phaeocystis globosa, une espèce de phytoplancton nuisible qui peut être à l'origine d'efflorescences très importantes, dues à un excès de nitrate dans l'eau. Les mousses épaisses et malodorantes qui s'accumulent dans l'eau et sur les plages constituent une nuisance pour les pêcheurs, touristes et résidents et bouleversent les interactions trophiques dans l'écosystème marin. Grâce aux données hyperspectrales, il a été possible de suivre cette espèce à une résolution temporelle sans précédent (heures).
Série temporelle de la concentration en chlorophylle-a et de la dominance de P. globosa (couleur des points) calculée à partir de la réflectance PANTHYR au printemps 2020 pour la plateforme RT1, située à 500 m du port d'Ostende
Des mesures de terrain aux futurs capteurs satellitaires
De nombreuses campagnes de mesures in situ dans les eaux intérieures et les lagons, les estuaires et les eaux côtières en Europe (eaux côtières et Spuikom en Belgique et sites du Verdon et de Pauillac dans l'estuaire de la Gironde en France), en Amérique du Sud (Rio de la Plata et lac Chascomus en Argentine) et en Asie (sites de Chongxi et Baozhen dans l'estuaire du Yangtze en Chine) ont également été réalisées afin d'acquérir des données pour le développement et la validation des algorithmes.
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Au cours de ces campagnes, les propriétés optiques (diffusion, absorption, turbidité, réflectance de l'eau), les particules en suspension, les concentrations en pigments, la composition en espèces du phytoplancton et la composition des sédiments ont été mesurées.
Outre le développement et la validation d'algorithmes, le jeu de données HYPERMAQ permet également de mieux comprendre la signature radiométrique et l'écologie de certains environnements mal connus et complexes tels que le bassin du Spuikom près d'Ostende en Belgique.
Image Landsat 8 RGB (rouge-vert -bleu) en couleur quasi réelle (à gauche) et pixels marqués comme végétation flottante d'un sous-ensemble de l'image Landsat 8 (au milieu) et de l'image MODIS Aqua du même jour (à droite).
Après validation, certains algorithmes pourraient être appliqués aux données satellitaires, ce qui permettrait d'améliorer la surveillance des eaux grâce à une large couverture spatiale et des revisites fréquentes.
Concentration en chlorophylle-a dans le Rio de la Plata calculée à partir d'un algorithme hyperspectral sur une image CHRIS-PROBA. Il a été démontré que pour des eaux très turbides, les données hyperspectrales permettent d'améliorer la récupération de la concentration en chlorophylle-a.
Par exemple, la végétation flottante a pu être surveillée dans les eaux très turbides du Rio de la Plata en Argentine à l'aide de capteurs satellitaires multispectraux. De plus, grâce à un algorithme hyperspectral, la récupération de la concentration en chlorophylle-a y a été considérablement améliorée. L'analyse des mesures in situ a également permis de faire des recommandations pour les futurs capteurs satellitaires hyperspectraux.
Projet HYPERMAQ (Hyperspectral and multi-mission high resolution optical remote sensing of aquatic environments)