Lacs, rivières et zones inondées

Hydrologie par altimétrie spatiale


Présentation générale

        Les eaux continentales représentent seulement 0,65% du montant total de l’eau sur Terre alors que 97% est stocké dans les océans et 2,15% dans la cryosphère. Cependant, les eaux continentales ont un impact important sur la vie terrestre et les besoins domestiques. Elles jouent également un rôle majeur sur la variabilité climatique. L’eau sur Terre est continuellement recyclée par les précipitations, l’évaporation et l’écoulement à la mer. La description de plus en plus précise du cycle de l’eau sur les terres émergées, permet une meilleure prévision du climat et un contrôle affiné des ressources en eau de la planète (consommation et activités humaines comme l’agriculture, l’urbanisation, la production d’énergie hydroélectrique…).

        Depuis peu, les techniques spatiales de télédétection sont utilisées pour l’étude des variations des niveaux et volumes d’eau dans les grands bassins fluviaux à des échelles de temps allant de quelques mois à plusieurs décennies… Les techniques les plus prometteuses sont l’altimétrie spatiale permettant la mesure des niveaux d’eau des fleuves, des lacs et des plaines inondées ainsi que la nouvelle mission de gravimétrie spatiale GRACE fournissant les variations spatio-temporelles des stocks d’eaux continentales. L’utilisation combinée de ces techniques avec d’autres techniques spatiales telle l’imagerie multispectrale permet d’accéder à une plus grande variété d’applications hydrologiques.

        Depuis le début des années 1990, plusieurs satellites altimétriques (européens ou en coopération franco-américaine) ont été lancés : ERS-1 (1991-1996), Topex/Poseidon (1992-2006), ERS-2 (1995- ), GFO (2000- ), Jason-1 (2001- ), Envisat (2002- ). Ils ont pour objectif principal de réaliser des mesures de la hauteur des océans. Ces dernières années, plusieurs groupes scientifiques dans le monde ont aussi utilisé l’altimétrie spatiale pour mesurer les niveaux des eaux continentales (mers intérieures, fleuves, lacs, zones inondées, réservoirs). Selon les satellites, la résolution temporelle varie de 10 jours (Topex/Poseidon et Jason) à 17 jours (GFO) et 35 jours (ERS et Envisat). Le long des traces du satellite, la résolution au sol est de l’ordre de 500 m en moyenne. L’espacement inter-trace varie de 80 km à 350 km à l’équateur selon les satellites. Ces nouvelles observations permettent de construire de longues séries temporelles de niveaux d’eau sur les eaux de surface continentales. Les produits sont un complément important, voire une alternative aux mesures in situ, en particulier dans les régions où les réseaux au sol sont soit inexistants soit en train de disparaître. Utilisées conjointement avec d’autres données hydrologiques et des sorties de modèles hydrologiques, ces données contribuent de façon très utile à l’étude du cycle de l’eau et la quantification des ressources en eau.

L'altimetrie spatiale

        L'altimètre embarqué envoie à intervalles réguliers (typiquement 1/10e ou 1/20e de seconde) un signal radar vers le nadir qui se réfléchit à la surface de l'eau. De la mesure de la durée du trajet aller-retour de l'onde, on déduit l'altitude du satellite au-dessus de la surface de l'eau. Grâce aux méthodes d'orbitographie aujourd'hui bien maîtrisées, on sait positionner le satellite sur sa trajectoire. La connaissance de l'orbite permet de calculer l'altitude du satellite par rapport à une surface de référence (qui, par convention, est un ellipsoïde dont les caractéristiques sont celles d'une «terre moyenne»). La différence entre les altitudes du satellite par rapport à l'ellipsoïde et par rapport à la surface de l'eau fournit la hauteur «instantanée» de l'eau par rapport à l'ellipsoïde. Les satellites altimétriques réalisent une couverture complète de la Terre au cours d'un cycle orbital (dont la durée est de quelques jours) à l'issue duquel il survole à nouveau les mêmes régions du globe.

Topex/Poseidon (T/P)

        La mission altimétrique Topex/Poseidon, développée conjointement par le CNES et la NASA, a été lancée en août 1992. Cette mission a marqué un tournant important dans l’étude des océans, grâce à la précision inégalée de son système altimétrique et l’amélioration spectaculaire de la précision de l’orbite du satellite (l’incertitude sur l’orbite, de plusieurs décimètres pour les missions antérieures, a été réduite à 1-2 cm pour Topex/Poseidon). Les données GDR (Geophysical Data Records), fournies par le centre de traitement et de distribution AVISO du CNES, incluent la mesure altimétrique (la hauteur du satellite au dessus de la surface instantanée de l’eau), l’orbite du satellite ainsi que l’ensemble des corrections géophysiques, environnementales et instrumentales à appliquer à la mesure altimétrique.

Ces GDRs sont utilisés pour établir les séries temporelles de niveaux d’eaux continentales de la base HYDROWEB. Les corrections géophysiques et environnementales sont adaptées au milieu continental. Le temps de revisite d’un même site –ou cycle orbital- est de 10 jours (il caractérise la résolution temporelle). Le long de la trace, la résolution géographique est variable. Sa valeur minimale est de l’ordre de 500 m (caractérisée par la fréquence des mesures altimétriques, égale à 10Hz pour Topex/Poseidon) mais sa valeur effective est en générale de quelques km en raison du moyennage de plusieurs mesures successives le long de la trace effectué pour améliorer la précision.
Le fonctionnement de Topex/Poseidon s'est interrompu en janvier 2006. Depuis 2001 son successeur Jason-1 a pris le relais

Les produits altimétriques d'Hydroweb

Lacs & réservoirs

        Sur les lacs, les séries temporelles de hauteurs d’eau de la base HYDROWEB sont en général obtenues en combinant les données de plusieurs profils d’un même satellite et/ou de plusieurs satellites, selon la couverture des traces au sol. Ceci améliore de façon significative la précision des hauteurs d’eau. Toutefois cette approche n’est possible que si la taille des objets étudiés est suffisante pour une couverture multi-satellites.

Fleuves et zones inondées

        Sur les fleuves, on définit une station dite «virtuelle» à l’intersection entre le cours d’eau et la trace-satellite (voir figure 1). Pour chaque cycle orbital, la hauteur d’eau associée à cette station virtuelle est construite en moyennant géographiquement l’ensemble des mesures le long de la trace situées à l’intérieur de la zone définie pour la station. La position affectée à cette mesure moyenne est le barycentre de la position des mesures individuelles.

Définition de station virtuelle


Fonds de cartes

        Les images satellite associées aux séries temporelles proviennent d'images LANDSAT Thematic Mapper (résolution au sol dans la bande visible : 30m). Les images ont été téléchargées par à partir du site internet de la NASA (https://zulu.ssc.nasa.gov/mrsid/mrsid.pl).


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