Suivi des zones humides par télédétection satellitaire radar...C. Cazals 1,2, P.-L. Frison 1, S....
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10 juin 2016
Journée Technique
Avancées, apports et perspectives de la télédétection
pour la caractérisation physique des corridors fluviaux
1Université Paris-Est Marne-la-Vallée - IGN/MATIS 2Gisway 3Université de Rennes 1 4Télécom Bretagne 5Université de Rennes 2
Suivi des zones humides par
télédétection satellitaire radar
C. Cazals1,2, P.-L. Frison1, S. Rapinel3, A. Bonis3, G.
Mercier4, C. Mallet1, S. Corgne5, J.-P. Rudant1
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Esti atio des du es d’i o datio e ilieu p ai ial
Télédétection radar
Co te te de l’ tude
Site d’ tude: Le Ma ais Poitevi
Do es et o e s is e œuv e
M thodologie de t aite e t et d’a al se des do es
• Interprétation et traitements radar
• Validation
Résultats et précision
Conclusions
Sources : Esa - http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-1/Instrument Futura Science - http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/dico/d/developpement-durable-zone-humide-6175/
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Télédétection radar
•Capteur satellitaire actif du domaine des micro-ondes (1cm < λ < 75 cm) •A al se de l’ ho t odiffusio de l’o de pou caractériser les cibles au sol
RADARSAT-2 – 07/04/2016 Sentinel-2 – 07/04/2016
=> Toutes les a uisitio s so t e ploita les jou , uit, uages …
Baie de l’Aiguillo
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Révolution Sentinel-1A: Données diffusées librement et gratuitement - https://scihub.copernicus.eu/ Répétitivité de 12 jours pour Sentinel-1A et Sentinel-1B (avril 2016) Une même zone couverte par plusieurs orbites (montante et descendante)
Jus u’à 3 images tous les 6 jou s
Caractéristiques des images : •Résolution sol : 5x20m (sl. rg x az) •Taille pixel : 10 x 10 m •Emprise : 250 x 200 km •Bande C (λ~6cm)
Source : ESA
Sentinel-1 et la télédétection radar
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Télédétection radar Énergie enregistrée pour un pixel radar est sensible aux caractéristiques:
- surface: pente du terrain , rugosité sol, humidité (sol et végétation), structure géométrique des couverts végétaux
- o de : pola isatio , lo gueu d’o de …
Sources: http://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/sar_int.htm
https://earth.esa.int/handbooks/asar/CNTR1-1-5.html
Bande P λ~75cm
Bande L λ~25cm
Bande C λ~6cm
Influence de la lo gueu d’o de
Influence de la polarisation Sentinel-1
VV VH
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Contexte
Besoi de ieu o ait e l’h d o-morphologie et sa variation temporelle pour a a t ise les ha itats atu els et l’ tat ologi ue des asses d’eau.
Cas des pairies humides: - su fa es d’eau li e + v g tatio i o d e - volutio te po elle de l’i o datio Définitions claires ces milieux pas simple
volets de l’ tude : - cartographie : acquisition spatial régulière par radar - validation : donnée de sondes piézométriques et MNT
Source : Binicaise - http://binicaise.unblog.fr/2015/04/19/marais-poitevin-communal-du-lairoux/
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Site d’ tude: Ma ais Poitevi
Emprise de la zone humide du Marais Poitevin image Sentinel-1 (11/04/2016) σ
VV σ
VH σ
VH-σ
VV
Zone humide (103 500 ha ): - topographie 1.5 et 3.5m - 40% surfaces agricoles en prairies -P iode d’i o datio : décembre – mai
Intérêt de traiter toute la zone de manière homogène quelles que soient les
conditions météorologiques.
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Cartographie:
14 images Sentinel-1 du programme Copernicus de l’ESA: -Mo e s hu ai s: ois te ai , t aite e t, a al se …. -Moyens logiciels : libres (SNAP, Qgis, script Python/Gdal) -Coût utilisateur données & logiciels: 0€
Validation:
Mod le u i ue de te ai de l’IGN Litto D : Coût : 0€ pour utilisateur de service public ou recherche
11 sondes piézométriques - EPMP/UMR ECOBIO (Univ. rennes1/CNRS) Achat : 680 € /sonde piézométrique + 450 €/sonde atmosphérique +500€ matériel de relevage des données de sonde Installation : 1h de travail pour deux personnes /sonde Relevage des sondes : 1 visite/6mois sur chaque sonde
Données et éléments « logistiques »
Titre journée - Arial - corps 14 Source : Bourgeau-Chavez et. al. 2009
Interprétation des images radar
Prairie sèche
Végétation inondée ou sol engorgé
Eau Libre
Sentinel-1 - 11/04/2016
σVV
σVH
σVH
-σVV
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Traitement des images radar
Détection eau libre
Série temporelle
radar
Masque zones
inondables
Détection eau libre + végétation
inondée dans le masque
Série temporelle
d’i o datio
M thode d’e t a tio : Seuillage+croissance des régions sur deux polarisations
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Zone Non Inondée
Zone Inondée
Zones inondées (Radar)
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Zone Non Inondée
Zone Inondée
Zones inondées (Radar)
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Zone Non Inondée
Zone Inondée
Zones inondées (Radar)
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Zone Non Inondée
Zone Inondée
Zones inondées (Radar)
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Zone Non Inondée
Zone Inondée
Zones inondées (Radar)
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Zone Non Inondée
Zone Inondée
Du e d’i o datio
Hypothèse : Continuité de l’i o datio e t e deu dates
inondées Écart temporel : 12 jours
Zones inondées (Radar)
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Validation : Interpolation spatiale de mesures ponctuelles
MNT
Limites: hauteu d’eau pas ide ti ue da s toute la pa elle. précision altimétrique MNT ~20cm => conséquences sur zones de faible pente % des su fa es si ul es o t u e la geu i f ieu e à …
Intérêt : Do es pou ha u e de dates à l’heu e de l’a uisitio Validation avec données in situ de précisons intra-parcellaire et non obtenues par télédétection représentative de la réalité du terrain
Si ulatio d’u hauteu de appe d’eau de
Interpolation spatiale des mesures grâce au MNT
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Esti atio de la ualit à l’ helle i t a-parcellaire
Classification
Omission Eau Libre
Eau végétation
Sec
Référence Simulation
MNT
Inondé 1538 515 2957 59 %
Non Inondé
10 439 49823 1 %
Commission 7 % 46 % 6 %
Co pa aiso des si ulatio s de iveau d’eau et des d te tio s pou pa elles et dates
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Résultats et discussion
Détection par le radar de 40% des zones inondées avec (1/4) ou sans (3/4) végétation :
- superficie des zones en eau trop petites par rapport à la capacité de détection du radar (75% des zones <20m de large). - e iste e d’u tapis v g tal t op pais ui so t alo s o détectables.
Seule e t % de fausse ala e pou l’eau li e
Confusion entre les classes « Eau avec végétation, sol engorgé » et « Zone Non-Inondée » : limite entre engorgé et inondé pas franche
% des su fa es d’eau de plus de , ha
sont détectées
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Conclusion La t l d te tio ada pe et d’esti e :
- la du e d’i o datio pou des su fa es i o d es de taille suffisa te > ha - à échelle moyenne (vastes étendues, 250 km de fauchée) - à haute fréquence temporelle (1image /12 jours) - à outs duits pou l’utilisateu
Méthode de validation : estimation (trop ?) fiable de la qualité des résultats. M thode d’esti atio de l’i o datio ui pe et a priori une comparaison intra et inter-annuelle => Bila d’ volutio possi les.
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Perspectives Analyse plus poussée du taux de détection (haute résolution spatiale, polarisation) Etudie l’i flue e de l’a gle d’i ide e de l’o de ada afi d’i t g e plusieu s o ites jus u’à i ages / jou s Complémentarité optique Sentinel-2/ radar Sentinel-1 V ifie l’op atio alit de la thode au o -radaristes (collègues EPMP) Appli ue la thode à d’aut e o te tes de zo es hu ides ue elui des prairies humides
Titre journée - Arial - corps 14 C. Cazals ; S. Rapinel ; P.-L. Frison ; A. Bonis ; G. Mercier ; C. Mallet ; S. Corgne ; J.-P. Rudant ; Mapping and characterization of hydrological dynamics in a coastal marsh using high temporal resolution Sentinel-1A images, Remote Senesing, En révision
Boni, G.; Ferraris, L.; Pulvirenti, L.; Squicciarino, G.; Pierdicca, N.; Candela, L.; Pisani, A. R.; Zoffoli, S.; Onori, R.; Proietti, C.; Pagliara, P. A Prototype System for Flood Monitoring Based on Flood Forecast Combined with COSMO-SkyMed and Sentinel-1 Data. IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. in Remote Sens. 2016, no.99, pp.1-12.
Cazals C.; Rapinel S. ; Frison P.-L. ; Bonis A. ; Mercier G.; Mallet C.; Corgne S.; Rudant J.-P.; Mapping and characterization of hydrological dynamics in a coastal marsh using high temporal resolution Sentinel-1A images, Remote Senesing, En révision.
Yan, K.; Di Baldassarre, G.; Solomatine, D.P.; Schumann G.J.P. A review of low-cost space-borne data for flood modelling: topography, flood extent and water level. Hydrol. Processes 2015, 29, 3368–3387.
Références
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Données de télédétection: -14 images Sentinel-1 : dec.2014 – mai 2015 -Modèle numérique de terrain (Litto3D - IGN)
Données in situ: -11 sondes piézométriques (EPMP/Rennes 1)
Données spatiales et de terrain
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Visite de terrain
Sentinel-2 – 07/04/2016 I.R. R. V. (IRC)
Sentinel-1 - 11/04/2016 σ
VV σ
VH σ
VV
MNT + terrain – 09/04/2016
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Visite de terrain
Sentinel-2 – 04/04/2016 I.R. R. V. (IRC)
Sentinel-1 - 11/04/2016 σ
VV σ
VV σ
VV
MNT + terrain – 09/04/2016
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Visite de terrain
Sentinel-2 – 04/04/2016 I.R. R. V. (IRC)
Sentinel-1 - 11/04/2016 σ
VV σ
VV σ
VV
MNT + terrain – 09/04/2016
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Travaux sur la détectabilité des surfaces d’eau e fo tio de leu taille
D te tio des su fa es d’eau de plus de . ha à % Li ite : fo es allo g e des su fa es d’eau
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Evolution des états de surface
Composition colorée:σ0VV σ0
VH σ0VH/VV
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Interprétation des mécanismes
RADARSAT-2 – 10/04/2016
Source : Bourgeau-Chavez et. al. 2009
σ0 moyen
VV VH HH
-17 -25 -17
VV VH HH
-11 -17 -10
-11 -20 -12
VV VH HH
-14 -19 -12
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Site d’ tude: Ma ais Poitevi
Emprise de la zone humide du Marais Poitevin sur fond de carte Google Map