Une base de données sur l’évolution des zones humides et inondées à l’échelle du globe et à haute résolution spatiale
La première base de données permettant d’établir la cartographie, à une grande résolution spatiale, de toutes les zones humides de notre planète et de leur évolution entre 1993 et 2007 vient d’être construite à partir d’un large ensemble de données satellitaires et d’algorithmes "big data". Appelée GIEMS-D3, cette base de données est le fruit d’une collaboration internationale menée principalement par des chercheurs du Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA/Observatoire de Paris, Observatoire de Paris / CNRS / UPMC / Université de Cergy-Pontoise / ENS Paris / IPSL) et du Laboratoire d'études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS/OMP, CNRS / IRD / CNES / UPS) et de la start-up Estellus 1 . Elle devrait contribuer à l’amélioration de notre compréhension de l’hydrologie continentale.
Bien que représentant moins de 5 % des surfaces continentales, les zones humides permanentes ou temporaires (lacs, cours d’eau, estuaires, deltas, marais, lagunes, marécages, tourbières, etc.) sont importantes pour de multiples raisons : elles conditionnent les cycles biogéochimiques de zones écologiquement sensibles ; elles sont une composante majeure du cycle de l’eau et jouent donc un rôle important dans la variabilité du climat ; elles sont à l’origine de plus d’un tiers du méthane atmosphérique, un gaz à effet de serre 20 fois plus puissant que le dioxyde de carbone et qui contribue aux changements climatiques. Dans ces zones, l’eau est le principal facteur contrôlant le milieu naturel ainsi que la vie animale et végétale.
Mieux comprendre le fonctionnement des zones humides, leur variabilité spatiale et leur dynamique temporelle est indispensable, car elles sont un forçage essentiel pour les modèles climatiques qui permettent d’appréhender l’évolution du climat dans les décennies à venir, de mesurer son impact sur le cycle hydrologique continental et ainsi d’élaborer des recommandations en matière de gestion des ressources en eau. Cependant, caractériser leur distribution et quantifier leurs variations saisonnières et interannuelles sur toute la Terre, des tropiques aux hautes latitudes, est un réel défi tant ces zones sont diverses.
En exploitant la synergie d’un très grand nombre d'observations satellitaires issues de différents instruments utilisant des fréquences diverses du rayonnement électromagnétique (visible, infrarouge, micro-ondes passives et actives), une équipe internationale comprenant des chercheurs du LERMA et du LEGOS est parvenue à élaborer GIEMS-D3, la première base de données à haute résolution spatiale (90 m) permettant de cartographier, à l'échelle du globe, les zones humides et leur dynamique temporelle entre 1993 et 2007.
Pour réaliser ces restitutions satellitaires, les chercheurs ont dû utiliser des méthodes complexes de "big data" telles que les réseaux de neurones artificiels, les techniques de classification et les régressions statistiques non linéaires. Ils ont en outre dû développer une méthode de changement d’échelle (de désagrégation) avec laquelle ils ont pu passer d’une résolution spatiale de 25 km à une haute résolution spatiale de 90 m, compatible avec les études régionales.
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Probabilités d’inondation estimées par GIEMS-D3 pour l’ensemble du globe, avec des zooms sur certains fleuves et zones humides (Pantanal, Mississippi, Okavango et Ob)
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Une comparaison avec d’autres observations satellitaires, notamment dans le visible (instruments MODIS ou LANDSAT) a permis de démontrer les qualités de GIEMS-D3 :
- elle permet de détecter la présence d’eau même sous un couvert végétal dense ;
- elle est bien moins sensible à la présence de nuages que les observations dans le visible, ce qui lui permet de décrire la saisonnalité des zones humides même pendant la saison des pluies.
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Ci-dessus de gauche à droite et de haut en bas : probabilité d'inondation de MODIS, GIEMS-D3, Landsat et image Google Earth dans le visible, sur le Mékong (Vietnam).
Ce nouvel outil devrait être très utile aux nombreuses communautés qui s’intéressent à l’environnement, l’hydrologie continentale, la météorologie et la climatologie, ainsi qu’aux nombreuses applications socio-économiques dans les domaines de la gestion des ressources en eau, de l’agriculture ou de l’écologie. Il devrait également permettre à la communauté scientifique de mieux se préparer à l’arrivée des données du futur satellite SWOT 2 qui vont révolutionner l’hydrologie continentale.
Note(s):
- Estellus valorise des travaux de recherche effectués dans le cadre du CNRS par ses deux fondateurs. Elle est spécialisée dans le traitement et l'exploitation des données satellitaires, dans les domaines de l'environnement et des sciences de la Terre.
- La mission satellite SWOT (Surface water and ocean topography) du CNES et de la NASA devrait être placée sur orbite en 2021. SWOT permettra d’estimer les variations de surface et de hauteur des eaux continentales, à une très grande résolution spatiale et temporelle grâce à un altimètre radar interférométrique.
Références :
Aires F., L. Miolane, C. Prigent, B. Pham-Duc, E. Fluet-Chouinard, B. Lehner and F. Papa (2017), A Global dynamic and long-term inundation extent dataset at high spatial resolution derived through downscaling of satellite observations, J. Hydrometeor., Volume 18, No. 4, April 2017.
Contact chercheur :
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Filipe Aires, LERMA/IPSL
filipe.aires@obspm.fr , 01 40 51 20 18
Source : INSU