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Research

A5 : Télédétection

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Contexte

Domaines scientifiques de l’OSTE

Le projet quinquennal (2011-2015) inscrit fortement une thématique sur la gravimétrie et la géodésie spatiale, deux domaines qui constituent en soi des champs de recherche alliant observation spatiales (dont celles liées à l’orbitographie) et modélisation. Ils sont également situés en amont de recherches vouées à l’étude de la Terre solide, de l’océan, des aquifères continentaux, des calottes glacières et glaces de mer, de la dynamique des grandes masse atmosphériques ou encore du positionnement de structures et d’interfaces retraçant l’évolution géométrique continuelle de notre planète. Les activités développées dans ces deux domaines sont ainsi au cœur d’un réseau de collaborations avec des équipes toulousaines, nationales et internationales. En produisant des référentiels géodésiques relatifs ou absolus de haute précision, en suivant l’évolution temporelle du champ de gravité terrestre, et en assurant le suivi du positionnement d’interfaces ou d’objets aux échelles locale, régionale ou globale, la gravimétrie et la géodésie spatiale procurent des informations fondamentales pour un suivi en temps réel de l’évolution de paramètres terrestres et environnementaux relevant de plusieurs des champs thématiques portés au sein du projet quinquennal du GET (2011-2015), en particulier les thématiques « Géoressources », « Terre Solide », « Champ de Gravité, Déformations Crustales ; Positionnement » et « Ressources en Eau et Vulnérabilités ».

L’analyse des déplacements de la croûte terrestre ou de variation du champ de pesanteur en relation avec l’activité volcanique ou tectonique a constituée une avancé majeure pour une meilleure compréhension de la dynamique de la lithosphère continentale (rhéologie, comportement mécanique, etc.). Pour étudier les déplacements de la superficie terrestre, nous utilisons essentiellement des données radar acquises par satellite ((ERS, ENVISAT, ALOS, TERRASAR et prochainement Cosmos Skymed), et des données acquises au sol (GPS, Microgravimétrie). Ces observations géodésiques nous ont permis sur différents complexes volcaniques, situés principalement en Amérique du Sud, d’apporter des contraintes sur la structure ou la dynamique interne de zones volcaniques actives : localisation de réservoirs magmatiques, identification d’anciennes caldeiras, contrôle structural sur l’activité récente, détection de transferts de fluides. Parallèlement,  dans les zones tectoniques, elles nous ont permis d’observer finement un champ de déformation et d’étudier, par exemple, plus précisément les variations de contraintes associées au cycle sismique. Dans le cadre de l'actuel quinquennal (2011-2015), nous continuons ces travaux, dans le cadre de différents programmes de financement et d’appel d’offres, en collaboration avec des chercheurs du laboratoire Magma et Volcans pour ce qui concerne l’étude des déformations volcaniques et avec des chercheurs de Géoscience Azur et du LGIT pour les aspects tectoniques. La disponibilité de longues séries temporelles d’images radar acquises en bande C, la grande sensibilité aux déplacements de surface des images radar acquises en bande X et la cohérence excellente des images acquises en bande L vont offrir la possibilité de mieux caractériser la dynamique de phénomènes à l’origine de déformations. Ainsi la technique interférométrique devrait permettre de mieux  caractériser le couplage sismique sur des zones de subduction, ouvrant ainsi des  perspectives intéressantes pour l’étude du partitionnement des mouvements et les déformations de la lithosphère continentale induites par la subduction. Elle devrait également permettre de suivre avec plus de précision l’évolution de la mise en place des grands corps magmatiques détectés dans la Cordillère des Andes. Au-delà de ces questionnements, ces études apporteront, par une meilleure connaissance des aléas naturels d’origine volcanique ou sismique, une contribution essentielle à l’étude des risques associés.

Les travaux menés dans le cadre du précédent quadriennal (2007-2010) ayant montré l’apport majeur des données spatiales pour la modélisation des grands bassins tropicaux. La résolution spatiale de plus en plus fine de restitutions des variations temporelles du champ de pesanteur par exemple avec GRACE, permet dorénavant d’en faire un outil de base pour établir des bilans des fluctuations des masses d’eau régionales entre les grands compartiments du système Terre. L’accent sera porté sur la poursuite du développement des bases de données et SIG, l’évaluation de l’apport des données des missions satellites à venir  et leur assimilation pour l’optimisation des modèles (cf. axe « modélisation »). Des développements sont en cours pour alimenter la base de données de l'ORE-HyBAm avec des données d'altimétrie spatiale (séries de cotes aux stations virtuelles proches des stations in-situ de l'ORE;  missions ENVISAT, JASON 2) et des données de concentration de MES en surface à partir des images MODIS. Par la suite l'automatisation de ces chaînes de traitement sera complétée afin de tendre vers une mise à jour en temps presque réel de ces données obtenues depuis l'espace (avec insertion dans les SIGs).

Des travaux sont en cours (modélisation, assimilation) pour anticiper l’exploitation des futures missions satellitaires, en particulier SWOT (Surface Water Ocean Topography Satellite Mission) qui fournira une couverture globale et quasi continue des réseaux de drainage (collaboration avec le LEGOS) et Megha-tropique pour participer à la validation des champs de pluies fournis et vérifier leur apport pour la modélisation.

Les études sur la biogéochimie des plaines d’inondation seront poursuivies en lien avec les activités portant sur la couleur de l’eau et de cartographie des zones humides. Des algorithmes d’assimilation seront développés afin d’optimiser les modélisations couplées hydrodynamique/biogéochimie mises en place pour quelques sites pilotes. La régionalisation des résultats à l’ensemble des plaines d’inondation du cours inférieur de l’Amazone s’appuiera sur la cartographie des zones humides et leur typologie (travaux menés en collaboration avec l’US Espace, l’université de Santa Barbara et l’INPE).

Le développement d’outils de suivi de la qualité des eaux continentales par imagerie satellitaire sera poursuivi selon différents axes 1) mesures expérimentales in situ des propriétés optiques des eaux continentales ; 2) réalisation de chaînes de traitement permettant de traiter des séries temporelles longues d’image satellites (images MODIS et MERIS ; création d'une base de données images dédiée en ligne GETMODIS ); 3) développement d’algorithmes d’inversion permettant de passer de la grandeur physique observée par les capteurs optiques (radiance) à la concentration en matières des eaux de surface.

L’imagerie satellitaire radar active (SAR) est exploitée au sein du laboratoire pour le suivi des crues en zones d’inondations en milieu tropical, pour étudier les interactions entre les eaux et la végétation ou prévoir l’impact d’aménagement hydraulique sur les zones ripariennes. Nous exploitons ainsi des données des missions ASAR (bande C), PALSAR (Bande L) et sommes associés aux projets de mission BIOMASS (bande P). Enfin, nous développons des techniques de fusion de données optique / radar afin de cartographier les hydrosystèmes et leur variabilité dans le temps (méandrisation, inondations).

Les observations spatiales sont également utilisées en synergie avec les observations de terrain (dont validation des produits « végétation ») pour étudier l’impact de la variabilité climatique sur la végétation, les propriétés de surface et le cycle de l’eau au Sahel, dans le cadre du Service d’Observation AMMA-CATCH. La réponse de la végétation est abordée grâce aux observations NOAA/AVHRR (25 ans d’archives), SPOT-VGT et MODIS. Les données spatiales à haute et très haute résolution combinées aux photographies aériennes plus anciennes seront utilisées pour étudier l’évolution du couvert ligneux en particulier en réaction aux événements extrêmes (grandes sécheresses de 1973 et 1984).

L’incidence des variations de couvert végétal sur les propriétés radiatives de la surface (albédo), sur le bilan d’énergie et sur l’évapotranspiration sont étudiées via l’analyse des produits ‘albédo’ issus de MODIS et METEOSAT et leur évaluation sur site. La dynamique inter-annuelle de l’hétérogénéité spatiale du couvert végétal est liée avec la redistribution spatiale des eaux de pluie (distribution des eaux de surface avec SPOT, LANDSAT, CORONA, FORMOSAT) et l’érosion des sols, le fonctionnement hydrologique régional étant modifié ces dernières décennies. Le cycle de l’eau sera abordé avec 1) l’évaluation des stocks d’eau intégrés à l’échelle régionale (GRACE) ; 2) l’évaluation saisonnière des stocks d’eau de surface (mares) - ressource capitale pour les populations et leurs activités économiques (LANDSAT, SPOT-VGT, MODIS) ; 3) l’estimation de l’humidité superficielle des sols (SMOS, METOP, altimétrie, ENVISAT/ASAR, ALOS/PALSAR) qui joue un rôle important dans les interactions surface-atmosphère. Enfin, les changements d’occupation du sol seront analysés à l’aide des capteurs à haute et moyenne résolution (SPOT, LANDSAT, CORONA, FORMOSAT).

L’estimation des précipitations des échelles méso- à globale par télédétection satellitaire présente un intérêt pour plusieurs des travaux que nous venons de décrire. Avec des réseaux opérationnels peu denses, la ceinture tropicale souffre d’un déficit d’observations pluviométrique de qualité (e. g. Afrique de l’Ouest, bassin Amazonien, etc.). Ce déficit contraste avec un besoin aigu d’observations dans des régions où la vulnérabilité des ressources à la variabilité climatique est grande. Megha Tropiques (lancement 2010), premier satellite de la constellation ‘Global Precipitation Measurement’ (GPM), représentera une innovation majeure dans le domaine de la télédétection des précipitations tropicales avec trois instruments complémentaires et une orbite bien adaptée (jusqu’à 6 balayages/jour dans la bande tropicale): un imageur hyperfréquences pour les nuages et la pluie (Madras), un sondeur hyperfréquences de vapeur d’eau (Saphir), et un instrument à bandes larges destiné à la mesure des flux radiatifs (ScaRaB). Deux types de  produits seront délivrés: pluies instantanées sous la trajectoire et cartographie des cumuls de précipitations (pas de temps infra-journalier sur une grille régulière de  résolution ~50 km).

Le plan de validation de cette nouvelle mission franco-indienne (projet CNES/TOSCA), prévoit des efforts coordonnés sur  trois continents avec des campagnes dédiées en Afrique de l’Ouest, en Inde et au Brésil. Les observations hydro-météorologiques des bassins des SO/ORE BVET, HyBAm et AMMA-CATCH serviront de cadre à l’évaluation des produits Megha Tropiques aux échelles clefs pour l’hydrologie. Un super site de validation intensive, comportant des instruments spécifiques (radar météorologique, …)  sera notamment déployé sur le site Nigérien d’AMMA-CATCH, autour de Niamey. Ces sites pilotes permettront de tester l’apport de la mesure satellitaire et des produits pluviométriques haute résolution qui en sont issus (directement ou via une désagrégation appropriée) pour une meilleure quantification des bilans en eau continentaux.

Outils de mise en œuvre

D’un point de vue méthodologique la plupart des travaux de l’axe OSTE s’appuient sur la modélisation et l’inversion ou l’assimilation de données – souvent multi-capteurs, multi-satellites et donc multi-échantillonnages, avec en outre des données in-situ hétérogènes. Des échanges de compétences sont envisagés de ce point de vue. Une autre tendance que nous entendons renforcer est le recours à des SIG, et leur couplage aux modèles dynamiques, permettant une analyse synthétique des environnements étudiés et de leurs évolutions spatio-temporelles. Notre laboratoire est également en mesure de proposer des sites déjà instrumentés, souvent de longue date conformément à la vocation des Observatoires de Recherche en Environnement (BVET, HyBAm, AMMA Catch) et des services d’observations associés. Notre stratégie consistera à multiplier et diversifier les instruments opérés sur sites (e. g. gravimétrie pour l’hydrologie) et diversifier les questions thématiques (si besoin avec de nouveaux partenaires institutionnels). Ces sites seront aussi proposés dans le cadre de plusieurs missions satellites comme sites de calibration/validation (e.g. MegaTropic, SMOS, etc.) si possible multi-instruments, renforçant ainsi le potentiel de synergie d’analyse de paramètres environnementaux en co-localisation.

Collaborations

Les travaux de cet axe transverse s’appuient sur de nombreuses collaborations avec des équipes d’Agences ou Instituts d’études spatiales (CNES, INPE au Brésil, ISRO en Inde, etc.) qui seront renforcées. Par ailleurs, le GET s’inscrit comme acteur ou co-promoteur d’initiatives transversales au niveau de l’OMP, des sites de Toulouse ou au niveau interrégional. En parallèle l’offre de formation du laboratoire sur ces thèmes sera renforcée, soit sur les sites toulousains ou régionaux, soit à l’international via l’organisation de manifestations visant au développement des capacités, transferts des connaissances et savoir faire, et à la constitutions de réseaux de collaborations et d’accueils de jeunes scientifiques, notamment avec les pays du Sud.

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