DETECLOIRE : Etude des submersions dans l'estuaire de la Loire avec SPOT4 (Take5)

Entre Nantes et Saint-Nazaire, l’eau de la Loire déborde sur la plaine alluviale dès que son niveau dépasse l'altitude de 2,70 mètre IGN69, définie comme la ligne de rive. Le niveau d'eau en Loire dépend de la marée, du débit du fleuve et de facteurs atmosphériques.

Depuis 2008, le GIP Loire Estuaire (GIPLE) s'appuie sur l'analyse d'images satellites et de photographies aériennes pour cartographier et comprendre le phénomène des submersions par la Loire dans la plaine alluviale en aval de Nantes. Plusieurs emprises de débordements faibles, forts et extrêmes (tempête Xynthia) ont été cartographiées, permettant de comparer les surfaces théoriquement submersibles avec les surfaces réellement submergées.

A niveau de débordement équivalent, le volume d'eau qui déborde et l'expansion sur la plaine alluviale varient en fonction de :

  • la teneur en eau des sols avant le débordement ;
  • la durée de débordement ;
  • la répétitivité des débordements (pleines mers débordantes successives)

La fiche indicateur http://www.loire-estuaire.org/documents/pdf/L1D1_nov2012.pdf propose une analyse statistique des submersions sur la période 1996-2011 et une analyse cartographique pour 4 débordements contrastés.

Dans le cadre de l'expérience SPOT4 (take5), la mise à disposition par le CNES de nouvelles images prises lors d’événements hydro-climatiques variés est une véritable opportunité de pouvoir :

  • affiner les connaissances sur la dynamique de submersion par la Loire en fonction de situations hydrologiques variées ;
  • mieux caractériser les différents apports en eau  pour évaluer la part respective de chacun (Loire ou ruissellement du bassin versant);
  • améliorer la connaissance des surfaces en eau dans les marais pour différentes cotes dans la perspective des futurs règlements d’eau.

Outre les images satellites, le projet s'appuie sur des observations et mesures sur le terrain qui permettront de confronter l'état initial de la plaine alluviale et l'état lors du passage de SPOT-4.

Acquisitions systématiques ou à la demande ?

Exemple de programmation de Pleiades (CNES). Parmi les sites demandés, seuls ceux qui sont reliés à l'orbite sont acquis.

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Les satellites d'observation à haute résolution peuvent être répartis en deux catégories :

  • les Satellites à Acquisition à la Demande  (SAD) :

Les utilisateurs demandent une acquisition sur leur site au fournisseur d'images, qui optimise la programmation de manière à satisfaire le maximum d'utilisateurs (et aussi de manière à optimiser son bénéfice). Le fournisseur d'images facture fréquemment un surcoût si l'image doit être acquise à une date précise, et l'utilisateur n'est pas certain d'obtenir une acquisition, sauf s'il paye le coût d'une acquisition prioritaire.

SPOT, Pleiades, Ikonos, Quickbird, Formosat-2, et la plupart des satellites Radar sont des SAD.

 

  • les Satellites à Acquisition Systématique (SAS)

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Comme sur des roulettes

(English version)

Jusqu'ici, l'expérience SPOT4 (take5) se déroule parfaitement. Les premières images ont été acquises hier (le 31 janvier) et seront descendues sur terre demain (le 3 février). Mais en plus, le CNES a bien voulu programmer ce matin deux acquisitions suivies d'un téléchargement, afin que nous puissions vérifier que tout fonctionne avant le week-end. Et, en fait ...

...tout a parfaitement fonctionné : la transmission, l'inventaire et la mise au catalogue chez Astrium Geo, et l'édition du produit de Niveau 1A. L'une des acquisitions avait lieu en Ukraine, l'autre au Koweit, l'une des deux était nuageuse, voici l'autre :

La première image de SPOT4 (Take5) sur le Koweit (extrait sous-échantillonné)

"CHAPEAU" aux équipes du CNES et de SpotImage !

SPOT4 a rejoint sa nouvelle orbite / SPOT4 is on its new orbit

C'est fait ! L'expérience SPOT4 (Take 5) a démarré hier soir ! Le changement d 'orbite a eu lieu en début de nuit, et les passages au dessus des stations de réception du réseau 2 Ghz du CNES ont confirmé que l'orbite visée a bien été atteinte. Un grand MERCI aux personnes du CNES (DCT/OP) et de CS qui y ont consacré une bonne partie de leur nuit. (L.Houpert, JP Chognard, M.Moulin, F.Rimbert, J.Sarda, S.Ramos, D. Delmas et G.Beaumet).

Done ! SPOT4 (Take5) started yesterday night. The orbit change occurred at the beginning of the night, and the overpasses above CNES 2Ghz station network confirmed that the expected orbit has been reached. Many thanks to all the people at CNES (DCT/OP) and CS who spent there a large part of their night. (L.Houpert, JP Chognard, M.Moulin, F.Rimbert, J.Sarda, S.Ramos, D. Delmas et G.Beaumet).

Oups !

Nous avons beau être des ingénieurs du spatial, qui dialoguons tous les jours avec des satellites, nous pouvons néanmoins oublier qu'il y a 31 jours en janvier. Je viens de mettre à jour la chronique "Quand-est-ce qu'il passe SPOT4 ?", pour préciser que le premier jour du cycle Take 5 aura lieu le 31 janvier et pas le 1er février. Si vous aviez planifié vos campagnes de terrain, il va falloir les avancer d'un jour. Nos plates excuses !

 

SPOT4 (Take5) : l'agenda des prochains jours

(English Version)
Changement d'orbite

L'altitude de l'orbite de SPOT4 sera diminuée de 2.5 km, demain, le 29 janvier au soir.  Il s'agit d'une manœuvre à peine plus importante que les manœuvres habituelles de maintien à poste. Pendant la nuit, les paramètres de la nouvelle orbite seront mesurés et vérifiés par les collègues de la sous-direction des opérations (DCT/OP) du CNES.

Première programmation des images

La programmation sera chargée à bord du satellite en début d'après midi du 30 janvier, toujours par les collègues de DCT/OP. Si tout va bien, les premières images devraient être acquises le Mercredi 31 janvier (Jour 5 du Cycle de 5 jours). Les images seront enregistrées à bord du satellite, et vidées sur la station de réception de Toulouse le 2 ou le 3 février, avec les images des jours suivants.

Mise au catalogue interne

Astrium (ex-Spot-Image) devrait mettre les images au catalogue en début de semaine prochaine (4 ou 5 février). Nous pourrons vérifier que les images acquises sont conformes aux attentes.

Production des données

Les premiers produits 1A seront fournis peu après par Astrium.  Pour le centre de production MUSCATE au CNES et pour le CESBIO, débutera la mise au point finale de la production des produits de niveau 1C et de niveau 2A. La décision de lancer l'expérience ayant été prise le 11 décembre seulement, tout cela demandera du temps, pour intégrer toutes les chaînes élémentaires et ajuster leur paramétrage (ortho-rectification, étalonnage, détection de nuages, corrections atmosphériques).

Restez à l'écoute !

Quand est-ce qu'il passe, SPOT4 ?

(english version)

(mise à jour du 29 janvier 2013, Vous pouvez aussi consulter le calendrier des observations.)

Quel jour ?

Sur chacun des 42 sites de l'expérience Take5, SPOT4 fera une acquisition tous les 5 jours. La manœuvre de changement d'orbite aura lieu le 29 janvier et dès les premiers jours de février, probablement même le 1er, les premières données seront acquises. Plusieurs utilisateurs ont déjà demandé à connaître le jour de passage afin de coordonner les acquisitions sur le terrain, simultanément au passage du satellite.

Pour savoir quel jour du votre site sera acquis, téléchargez le fichier kmz ci-joint, chargez le dans Google Earth et cliquez sur l'emprise du site qui vous intéresse. Vous pourrez lire le jour du cycle et le pas miroir de SPOT4 utilisés. Le pas miroir vous permettra de prédire l'heure de passage.

 

De gauche, à droite, les orbites des jours 1 à 5 du cycle, et les sites observés avec le même code de couleur.

Sachant que le jour 1 du premier cycle de Take5 aura lieu le 31 janvier, on peut en déduire le jour de passage du satellite :

  • Si le site qui vous intéresse est programmé le 1er jour du Cycle, les passages auront donc lieu, , le 31 janvier, en février le 5, le 10, le 15, le 20, le 25, en mars, le 2, le 7...
  • Si c'est le 3eme jour du cycle, ce sera les 2, 7, 12, 17, 22, 27 février, le 4 mars, le 9 mars...

 

A quelle heure ?

L'heure de passage est un peu plus compliquée à calculer, car l'inclinaison de l'orbite de SPOT4 n'est plus maintenue depuis quelques années pour économiser des ergols et prolonger la durée de vie du satellite. Cela se traduit par une dérive de l'heure de passage,  qui devient de plus en plus matinale.:

  • En février, le satellite passe à 9h25 TU à l'équateur
  • En juin, le satellite passera vers 9h10 TU à l'équateur.
  • Dans les deux cas, à 45 degrés de latitude Nord, il faut encore enlever 12 minutes.

Cette heure de passage est valable si votre site est sous la trace :

  • si votre site est observé depuis l'Ouest (pas miroir supérieur à 46), rajouter quelques minutes : 15 minutes si le site est observé avec un pas miroir proche de 91 (avec un angle de 27 degrés)
  • Si votre site est observé depuis l'Est sous un angle de 27 degrés (pas miroir inférieur à 46), il faut soustraire quelques minutes (15 minutes pour un pas miroir proche de 1, avec un angle de 27 degrés depuis l'Est).

Le CNES a essayé (Merci Frédéric), autant que possible, dans la programmation, d'acquérir les sites depuis l'Est, pour retarder l'heure de passage et avoir un soleil plus élevé.

En fait, si vous avez vraiment besoin de connaître l'heure exacte, le plus simple sera de nous demander l'heure de passage des premières images acquises sur votre site, et d'appliquer une dérive linéaire de l'heure de passage de 15 minutes en 4 mois.

Le site Take5 de Midi-Pyrénées - Réunion le 6 février 2013

Le CESBIO s'est bien évidemment mobilisé pour proposer plusieurs sites pour l'expérience Take5. Trois sites ont été proposés et finalement retenus : un site au Maroc, un site en Tunisie et un grand site occupant tout le Sud de la région Midi-Pyrénées, de Cahors jusqu'à la frontière Espagnole. Le site SudMiPy couvre 220*160 km², soit l'emprise de 12 images SPOT.

Les 8 images à l'ouest seront acquises simultanément, le jour 2 du cycle de 5 jours, les 4 images à l'ouest seront acquises le jour 3. Il existe une zone d'intersection qui s'étend de Cahors au Val d'Aran en passant par Montauban, Toulouse, Rieumes et Saint Girons, qui sera observée deux fois lors de chaque cycle de 5 jours, à un jour d'intervalle et sous deux angles assez différents.

Une réunion (invitation) présentant l'expérience Take5 et les activités prévues sur le site SudMiPy aura lieu le 6 février après midi au CESBIO (merci à ceux qui comptent venir de prévenir Jean-François Dejoux)

Jean-François Dejoux a réuni pour cette proposition 12 équipes scientifiques basées en Midi-Pyrénées, qui travailleront sur 7 sujets différents :

  1. Détection de nuages, corrections atmosphériques, produits composites mensuels
  2. Détection de la couverture neigeuse, observation et modélisation du dépôt et de la fonte de la neige, et lien avec le bilan hydrologique de bassins versants
  3. Développement de méthodes automatiques et robustes de classification de l'occupation des sols, permettant de traiter de grandes superficies
  4. Production de cartes d'occupation des sols.
  5. Détection et caractérisation des cultures irriguées dès leur émergence
  6. Production de cartes de rendement, biomasse et évapo-transpiration, bilans hydrologiques à l'échelle de bassins versants
  7. Détection des étendues d'eau, modélisation du signal fourni par le futur satellite SWOT, à partir de l'occupation des sols.

Par ailleurs, sur la même zone, l'INRA de Bordeaux a prévu de travailler sur la date de débourrement de différentes espèces d'arbres dans les Pyrénées, en étudiant la variation de cette date avec l'altitude.

Bien entendu, l'utilisation de ces données n'est pas limitée à ces 7 applications, et les personnes intéressées par ces données sont invitées à nous contacter, et à commencer au plus vite leurs relevés de terrain, les 4 mois de l'expérience Take5 seront vite passés.

ODK : Relevés d'occupation des sols sur Android

Pour valider les cartes d'occupation des sols ou pour faire l'apprentissage des méthodes de classification, il faut disposer de données de terrain. Au CESBIO, nous avons expérimenté plusieurs outils et méthodes complémentaires. Pour les surfaces agricoles, nous disposons, en France, du Registre Parcellaire Graphique (RPG) constitué à partir des déclarations des agriculteurs. Pour les espaces naturels, différentes cartes de référence existent, comme par exemple la base de données de l'Inventaire Forestier national, fournie par l'IGN. Le RPG est mis à jour tous les ans et l'inventaire forestier tous les 10 ans. Ces bases de données ne renseignent donc pas sur le stade phénologique de la culture à une date donnée.

Capture d'écran de l'outils ODK

Pour collecter ce genre d'informations, le CESBIO réalise des enquêtes de terrain mensuelles sur 300 parcelles agricoles localisées autour de Rieumes en haute Garonne. Cependant, afin de disposer de données réparties un peu partout sur sa zone d'intérêt (le sud-ouest de la France),  nous avons aussi mis en place une application de relevé d'occupation des sols sur téléphone Android, basée sur l'application gratuite ODK collect.

Cette application présente un questionnaire à l'utilisateur. Le questionnaire que nous avons mis en place relève la position de la parcelle, la date, l'occupation des sols et son stade de développement. L'outil est très facile à installer, il est également très simple de modifier le questionnaire à partir d'un tableur en utilisant ensuite un traducteur qui le transforme en fichier XML et que l'on télécharge sur le serveur ODK aggregate. Enfin, les données collectées peuvent être récupérées sur un serveur en ligne.

Parcelles de prairies (Vert clair), blé (jaune), Colza(orange), Forêts (Arbres), relevées à vélo par un courageux expérimentateur

Nous avons écrit une notice d'utilisation de l'outil ODK collect et de notre formulaire. Si vous voulez utiliser cet outil et son formulaire, accéder ou contribuer à notre base de données, n'hésitez pas à nous contacter.

Nous avons aussi développé un petit formulaire permettant de relever la présence ou non de neige autour de vous, dans le but de valider les cartes de surface enneigée produites par satellite.

Le Pôle Thématique Surfaces Continentales THEIA

(English Version)

Le "Pôle Thématique Surfaces Continentales" THEIA est une structure nationale inter-organismes destinée à valoriser les données satellitaires, en premier lieu au service de la recherche environnementale sur les terres émergées, et en second lieu des politiques publiques de suivi et de gestion des ressources environnementales. Son objectif est de faciliter la mesure de l’impact des pressions anthropiques et du climat sur les écosystèmes et les territoires, observer, quantifier et modéliser les cycles de l’eau et du carbone, de suivre les évolutions des sociétés et de leurs activités, notamment de leurs pratiques agricoles, et de comprendre les dynamiques de la biodiversité.

Au sein de ce Pôle Thématique, le CNES met en place un centre de production MUlti Satellite, multi-CApteurs, pour des données multi-TEmporelles (MUSCATE). Ce centre a pour but de mettre à disposition des utilisateurs des produits prêts à l'emploi issus de séries temporelles d'images acquises sur de grands territoires. La mission Sentinel-2 sera bien sûr le fer de lance de ce centre de production, mais avant le lancement de la constellation, MUSCATE a d'ores et déjà produit les données issues de l'expérience SPOT4 (Take 5). En même temps, le centre de traitement prépare aussi l'exploitation de toutes les données LANDSAT acquises au dessus de la France continentale, de 2009 à 2011.

Le centre de production MUSCATE existe déjà sous la forme d'un prototype développé au CNES avec un fort soutien de la société CAP GEMINI. Ce prototype est déjà capable de traiter les données des satellites LANDSAT, SPOT, Formosat-2, Venµs et Sentinel-2, à partir de chaînes développées au CNES pour le traitement géométrique [1], au CESBIO pour la détection des nuages [2] et pour la correction des effets atmosphériques [3]. En parallèle, le développement d'un centre de production opérationnel est en phase de spécification.

Les produits fournis par le centre MUSCATE sont les suivants :

Simulations des produits SPOT4(Take5) à partir d'images Formosat-2

  • Niveau 1C (Données ortho-rectifiées en réflectance au sommet de l’atmosphère)
  • Niveau 2A (Données ortho-rectifiées en réflectance de surface après correction atmosphérique,  avec un masque des nuages et de leurs ombres, ainsi qu'un masque des surfaces d’eau et de neige).
  • Niveau 3A (Synthèses bi-mensuelles ou mensuelles de réflectances de surface, constituées de la moyenne pondérée des réflectances de surface des pixels non nuageux obtenus au cours de la période). Pour le moment, la chaîne de Niveau 3A n'existe que pour le satellite Venµs.

Les données produites par le centre MUSCATE seront autant que possible distribuées gratuitement aux laboratoires de recherche d'une part, et aux institutions publiques françaises d'autre part. Le PTSC disposera bien sûr, dans les mois qui viennent d'un serveur de distribution des données, dont la première version est en cours de finalisation.

[1]: Baillarin, S., P. Gigord, et O. Hagolle. 2008. « Automatic Registration of Optical Images, a Stake for Future Missions: Application to Ortho-Rectification, Time Series and Mosaic Products ». In Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2008, 2:II‑1112‑II‑1115. doi:10.1109/IGARSS.2008.4779194.

[2]: Hagolle, Olivier, Mireille Huc, David Villa Pascual, et Gérard Dedieu. 2010. « A multi-temporal method for cloud detection, applied to FORMOSAT-2, VENµS, LANDSAT and SENTINEL-2 images ». Remote Sensing of Environment 114 (8) (août 16): 1747‑1755. doi:10.1016/j.rse.2010.03.002.

[3]: Hagolle, O, G Dedieu, B Mougenot, V Debaecker, B Duchemin, et A Meygret. 2008. « Correction of aerosol effects on multi-temporal images acquired with constant viewing angles: Application to Formosat-2 images ». REMOTE SENSING OF ENVIRONMENT 112 (4) (avril 15): 1689‑1701. doi:10.1016/j.rse.2007.08.016.