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Le monde de la science | Rétrospective ISSW2018 : télédétection opérationnelle

Que se passe-t-il dans le domaine des sciences de la neige ?

28/11/2019

Des chercheurs se déplacent au Japon avec des caméras et des radars. Entre les mesures, de nombreuses lignes de calibrage sont tracées dans la neige.

BFW

L'International Snow Science Workshop (ISSW) réunit tous les deux ans des scientifiques et des praticiens dans des domaines très variés, mais toujours liés à la neige. Les nouvelles connaissances et les résultats de la recherche sont présentés en différents blocs thématiques, appelés sessions. Nous divisons le tout en petits morceaux plus ou moins digestes et résumons pour vous toutes les deux semaines les sessions de l'ISSW2018.

Cette fois-ci : Operational remote sensing - application for snow and avalanches (Session 4).

La télédétection consiste à explorer quelque chose à distance - la télédétection pratique pour les skieurs consisterait par exemple à repérer une ligne possible et à observer l'état de la neige à l'intérieur avec des jumelles. Pour aller plus loin, on pourrait enlever le filtre proche infrarouge de son appareil photo numérique et interpréter le spectre proche infrarouge de la surface de la neige à l'aide du canal rouge des images pour en déterminer la nature (voir image, P4.4). Ou bien simplement compter les traces dans les images, comme l'a fait une équipe de chercheurs en observant une pente pour mettre en évidence les préférences de terrain des freeriders en fonction du niveau de danger d'avalanche (P4.5). Un résultat intéressant est la préférence de skier seul en fonction du niveau de danger : 66% des descentes pour un niveau de danger 3, 85% pour un niveau 2 et seulement 93% pour un niveau 1 ont eu lieu en groupe - qu'on me dise encore que "No friends on powder days" n'est pas vrai ...

La télédétection englobe encore bien d'autres choses : on peut par exemple la catégoriser en fonction de la "distance" - la distance à l'objet - ou en fonction de la méthode de mesure. Dans la session actuelle, les applications de télédétection sont basées sur des données et des observations prises depuis le sol (balayage laser terrestre, photographie time-lapse), par des appareils volants (actuellement des drones, traditionnellement des vols habités) et surtout - de plus en plus important - par des satellites. Les méthodes de mesure employées sont toujours des méthodes optiques, mais optique ne signifie pas seulement rayonnement dans le spectre visible : des courtes aux longues longueurs d'onde, on utilise des lasers, du proche infrarouge, des longueurs d'onde visibles et des radars. En outre, chaque méthode de mesure peut être utilisée de manière active ou passive : Active signifie qu'un objet est éclairé et que les réflexions sont ensuite mesurées. Passive signifie que seul le rayonnement émis passivement est enregistré.

Image infrarouge de la surface de la neige — Imagerie infrarouge de la surface de la neige

ISSW2018, P4.4

Certains produits de télédétection basés sur le sol, les avions et les satellites font partie intégrante de notre vie quotidienne et surtout du travail quotidien des services de prévision des avalanches. Les données satellites donnent un aperçu de la situation météorologique actuelle et des tempêtes à venir. Les données d'un radar météorologique indiquent l'état actuel d'une tempête de neige. Et après que la poudreuse soit tombée, nous allons certes profiter de la neige, mais les services de prévention des avalanches font souvent appel à un vol en hélicoptère pour évaluer l'ampleur des avalanches. Ne serait-il pas souhaitable d'extraire toutes ces informations sur la hauteur de neige et la texture de la surface de la neige, sur le nombre et la taille des avalanches par période de tempête, sur la quantité d'eau stockée dans le manteau neigeux hivernal en attendant d'alimenter les centrales hydroélectriques en été, uniquement à partir d'observations par satellite ?

I'm gonna send from outta space ...

L'un des programmes de recherche par satellite les plus remarquables pour la recherche sur la neige et les avalanches est la série de satellites Sentinel du programme d'observation de la Terre Copernicus de l'UE. Au total, trois satellites Sentinel ont été mis en orbite par l'ESA. Ils sont équipés de différents capteurs et les données sont accessibles à tous gratuitement. Sentinel 1 est équipé d'un radar qui réagit de manière sensible à la fonte des neiges. Sentinel 2 et 3 ont des capteurs dans le domaine du proche infrarouge jusqu'à la longueur d'onde visible, mais les deux satellites offrent leurs données à des résolutions spatiales et temporelles différentes. Outre la série Sentinel, il existe d'autres satellites pertinents, par exemple la série LandSat, EnviSat, RadarSat, etc.

Les problèmes éventuels liés aux données satellitaires résultent de la résolution spatiale et temporelle. Sentinel 3, par exemple, peut fournir des données quotidiennes, mais avec une résolution de pixels de plusieurs centaines de mètres seulement. Sentinel 2, en revanche, parvient à survoler la même zone avec une résolution de plusieurs dizaines de mètres au moins tous les six jours. Malgré cela, les capteurs optiques et surtout les capteurs radar peuvent fournir des paramètres tels que la hauteur de neige, la densité et les taux de fonte à des échelles régionales (O4.1).

Un assez grand nombre des montants de la session traitent de l'exploitation des données satellitaires. Des produits opérationnels, régulièrement générés à partir des données, sont parfois présentés. Une entreprise d'Innsbruck, par exemple, propose des cartes de couverture neigeuse ou encore des cartes de fonte (O4.12). Une équipe de chercheurs norvégiens détecte de manière opérationnelle des dépôts d'avalanches (O4.9). D'autres contributions sur les données satellites sont plus prudentes et discutent en tant que traités scientifiques, tout ce qui ne va pas encore très bien, mais qui a bien sûr beaucoup de potentiel.

Résumé graphique de la session — Synthèse de la session graphique

ISSW 2018

Les dépôts d'avalanches sont différents de la poudreuse

La prévision des avalanches se base sur diverses informations spatiales telles que les modifications spatiales et temporelles du manteau neigeux - par exemple la quantité de (nouvelle) neige ou la répartition des cycles de fonte et de congélation en début d'année. D'autre part, le nombre de départs d'avalanches pendant une tempête est une grande inconnue et la détection d'avalanches a son propre bloc thématique à l'ISSW (cf. session 7 : "Avalanche detection : Industry and Research").

Les mesures radar basées sur les satellites, en tant que discipline de télédétection, peuvent en principe bien détecter le contraste entre la neige intacte et les dépôts grossiers d'avalanches de neige mouillée par exemple (P4.9). Toutefois, seuls les dépôts d'avalanches suffisamment grandes donnent un signal radar qui se distingue du signal micro-ondes déjà très bruyant. Les avalanches petites et sèches, celles qui sont les plus importantes pour les skieurs, ne peuvent donc pas (encore) être détectées par radar.

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Un modèle te le dit rapidement

Un deuxième bloc thématique important est ce qu'on appelle l'assimilation des données. Assi quoi ? Il s'agit de savoir comment les informations spatiales provenant des missions satellites peuvent être intégrées dans des modèles spatiaux (de manteau neigeux) et utilisées pour réinitialiser les conditions initiales et les conditions limites. Classiquement, ces modèles de manteau neigeux sont alimentés par les résultats des modèles météorologiques et par les données ponctuelles des stations météorologiques. La variabilité et l'hétérogénéité du manteau neigeux doivent être ajoutées à partir des données de télédétection.

Les modèles peuvent donc toujours être relancés sur la base des données, et les erreurs continues sont réduites.

En conséquence, les informations peuvent être modélisées de manière quasi physiquement correcte à partir du manteau neigeux existant, des conditions météorologiques actuelles et des informations spatiales supplémentaires des données satellitaires. De telles chaînes de modèles ont le potentiel de produire non seulement de meilleures informations pour la prévision des avalanches (O4.10), mais elles sont également utiles pour l'hydrologie, où il s'agit souvent de quantifier la teneur en eau du manteau neigeux complet (O4.5). La teneur en eau (hauteur de neige x densité), son évolution dans le temps et les débits de fonte correspondants sont souvent des valeurs prévisionnelles basées sur un indice, c'est-à-dire que la situation actuelle est extrapolée à partir d'événements comparables sur une zone plus large. L'article (O4.3) se demande si ces estimations issues d'"événements historiques" sont encore correctes et suffisantes pour les situations futures au cours du changement climatique.

Le projet www.mysnowmaps.com, présenté dans l'article (O4.7), est un produit combiné de données de télédétection, de données et d'observations locales et de modèles de manteau neigeux. Outre la carte détaillée des hauteurs de neige pour l'ensemble des Alpes (voir photo), le site contient également un portail permettant d'enregistrer ses propres mesures. L'objectif est de calculer la carte des hauteurs de neige encore mieux et avec plus de précision à mesure que les valeurs absolues locales sont connues. D'après ce que je peux voir, il y a quelques bons prix à gagner et jusqu'à présent peu d'utilisateurs qui fournissent des données - leurs valeurs actuelles sont quasiment complémentaires aux valeurs de prévision dans notre jeu de pronostics sur les hauteurs de neige. Je ne peux pas évaluer précisément la différence entre la carte et les données SnowGRID mises à disposition sur PowderGuide (ISSW 2013), mais avec les infos des deux cartes, on devrait avoir une bonne base de planification.

"Laser et drones" ressemble à un film de science-fiction de série B

Un dernier grand bloc thématique de la session de télédétection traite de l'utilisation du balayage laser terrestre- une mesure de distance assistée par laser comme sur un chantier, et de la photogrammétrie avec des drones, c'est-à-dire la représentation de structures spatiales à partir de photos prises dans différentes directions de vue ("structure from motion"). Ces deux méthodes sont quasiment de la télédétection locale. Le laser va jusqu'à environ 5 km de distance et les drones ne peuvent voler qu'à portée de vue. Les deux méthodes donnent, après un certain traitement des données, un modèle numérique de terrain, c'est-à-dire une valeur d'altitude pour chaque coordonnée. En déduisant l'état sans neige, on obtient directement la hauteur de neige absolue sur le terrain avec une précision de l'ordre du centimètre. Une comparaison de la mesure de la hauteur de neige par drone, balayage laser, satellite et mesures manuelles interpolées est discutée dans l'article (P4.15). D'autres contributions sont de nature plus méthodologique, soit en étudiant le traitement des données (P4.14), soit en traitant de la dépendance des mesures laser vis-à-vis des conditions météorologiques.

Carte des hauteurs de neige de mysnowmaps

ISSW2019, O4.7

Une vision d'avenir, qui n'a pas été explicitement exprimée lors de la session, mais qui pourrait ne pas être trop éloignée, est que les drones que nous traînons pendant nos loisirs pourraient justement nous fournir des cartes de neige de ce type en temps réel. Nous pourrions alors visualiser chaque petit requin sur l'écran de nos lunettes de ski. Si en plus les lunettes étaient équipées de verres proches de l'infrarouge, nous pourrions distinguer le moindre résidu de poudreuse des croûtes de vent et de fonte - du freeride avec de la science-fiction, ce serait quelque chose...

Conclusion

En conclusion, on peut dire que la télédétection est une méthode de mesure et d'analyse interdisciplinaire importante. Depuis toujours, la télédétection fait partie intégrante de la géographie, mais depuis un certain temps, de nombreuses autres sciences ont également utilisé ces techniques. L'état de la recherche sur la neige et les avalanches montre très clairement que la télédétection est importante à bien des égards et que son importance ne fera que croître à l'avenir. Les données satellites, en particulier, nous fourniront dans les années à venir de nombreuses informations utiles sur le manteau neigeux.

Galerie photo

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