LES IMAGES SPOT, UNE SOURCE D’INFORMATION SUR L’EAU

Françoise AXES - SPOT Image 

Introduction

Sans eau, il n’y a pas de vie. Le sol est le support des activités humaines. De ce fait, le développement économique de nombreux pays commence par la maîtrise de l’eau et la sécurisation foncière.
L’eau et le sol sont valorisés au travers des activités humaines, et l’on peut considérer ces deux composantes du territoire comme deux ressources naturelles indispensables et complémentaires au développement des populations. La durabilité de la valorisation de l’eau et du sol par l’homme exige toutefois un préalable essentiel : la caractérisation précise de ces ressources qui rend possible ensuite l’identification des droits qui leur sont associés. Des réformes foncières sont actuellement en cours dans de nombreux pays émergents. Des réformes et des lois sur l’eau voient le jour dans quelques pays. Or, si des lois nationales suffisent à préciser presque complètement le droit foncier, le droit de l’eau est plus complexe du fait de la mobilité de l’eau qui n’existe pas pour le sol. Ce sont les relations entre l’amont et l’aval des écoulements qui ajoute de la complexité au phénomène. Quoique fasse mon voisin sur sa parcelle, je disposerai toujours de la mienne. Par contre, si mon voisin prélève toute l’eau du ruisseau qui traverse nos deux parcelles et l’assèche avant qu’il ne pénètre sur la mienne, je ne dispose plus de l’eau du ruisseau à laquelle je prétendais avoir droit.
Beaucoup d’experts s’accordent à penser que l’eau sera l’un des problèmes les plus critiques des pays en voie de développement au début du 21ème siècle. La conférence des Nations Unies sur l ‘environnement et le développement, tenue en 1992 à Rio de Janeiro, soulignait déjà la nécessité d’adopter une approche équilibrée et durable pour la gestion de cette ressource naturelle. Une convention internationale sur l’eau pourrait en définir le cadre.

I.- Un besoin d’information fiable, objective, et actualisée sur l’eau

Face à la croissance des besoins en eau pour ses utilisations domestiques, agricoles et industrielles, les commissions chargées de légiférer, les organismes chargés de déterminer des plans d’action, de rechercher de nouvelles ressources en eau, de définir les stratégies d’aménagement, d’assurer la gestion et le suivi de la qualité des eaux, ont besoin de données précises et à jour. Or, les données existantes sont rarement exhaustives, elles ne sont pas toujours facilement accessibles ou disponibles, elles sont souvent obsolètes. Au cours des dernières années, pour répondre à ce besoin réel et pressant d’information, des « bases de données eau » ont été mises en place au niveau régional, national et international. Elles sont issues le plus souvent d’approches statistiques et de mesures directes prises à partir d’un nombre limité de stations ponctuelles, et n’ont pas toujours la référence spatiale adaptée aux besoins des législateurs, des aménageurs, des gestionnaires, des décideurs.
Aujourd’hui, les satellites d’observation de la Terre constituent une source d’information précieuse sur cette composante du territoire qu’est l’eau, et le développement des systèmes d’information géographique (SIG) permet de donner aux bases de données sur l’eau la dimension spatiale indispensable. Nous décrivons ici au travers de quelques exemples d’utilisation des images satellitales comme source d’information sur l’eau.

II.- Caractéristiques de l’information satellitale

II.1.- Les satellites d’observation de la Terre

Les systèmes d’observation de la Terre peuvent être séparés en deux grandes familles. Les systèmes passifs où le satellite ne fait qu’enregistrer un information sur l’énergie lumineuse réfléchie par la terre, et les systèmes actifs (radar) où le satellite émet lui même un signal dont il enregistre la réponse après un aller-retour avec la Terre. Les satellites radar disponibles sont RADARSAT,  ERS, JERS.

Au sein de la famille des satellites passifs, on distingue les satellites météorologiques (METEOSAT), les satellites basse résolution spatiale et haute répétitivité temporelle (NOAA, SPOT4-Végétation), et les satellites haute résolution spatiale et faible répétitivité temporelle (Landsat, SPOT, IRS1C, IRS1D, Quickbird, Ikonos, etc.) .
Les images des satellites d’observation de la Terre présentent généralement plusieurs avantages; elles sont couvrent de grandes surfaces, elles sont actualisées, facilement accessibles, numériques, exhaustives, homogènes et standardisées.
NOAAH, METEOSAT et SPOT4 Végétation sont particulièrement bien adaptés au suivi et à l’analyse des changements météorologiques et thermiques globaux (atmosphère, température de surface, activité chlorophyllienne), avec des résolutions au sol supérieures au km. On quantifie grâce aux canaux du moyen infrarouge les quantités d’eau contenues dans les plantes.

Nous limiterons volontairement ici notre exposé aux données haute résolution vues comme source d’information sur l’eau, et plus particulièrement aux données SPOT.

II.2.- Les images à haute résolution SPOT

Les données satellitales à haute résolution actuellement disponibles sur des bases réellement commerciales dans le monde entier sont Landsat et SPOT. Plusieurs millions d’images sont déjà disponibles en archive. Leurs principales caractéristiques sont résumées dans le tableau 1.

Satellite	Capteur	Zone couverte	Résolution	Nombre
de canaux	Échelle maximale	
Landsat 5	MSS	180 x 180 km	80	4	1:250.000	
	TM	180 x 180 km	30	7	1:100.000	
SPOT 1,2,3	XS	60 x 60 km	20	3	1:50.000	
	P	60 x 60 km	10	1	1:25.000	
SPOT 4	Xi	60 x 60 km	20	4	1:50.000	
	P	60 x 60 km	10	1	1:25.000	
SPOT 4	Végétation	2250 km	1 km	4	globale	

           Tableau 1 : principales caractéristiques des satellites SPOT et LANDSAT

Du fait de leur conception technique, les satellites SPOT offrent des avantages spécifiques pour la cartographie : flexibilité dans l’acquisition des données  avec une haute répétitivité d’observation (tous les 2 à 3 jours en moyenne), excellentes performances géométriques liées à l’utilisation de détecteurs en ligne à barrettes qui autorisent des travaux de cartographie ou de mise à jour  de cartes jusqu’au 1:25.000 (précision planimétrique : 6 à 7 m), possibilités d’observations stéréoscopiques pour la production de Modèles Numériques de Terrain (précision altimétrique : 4 à 10 m).

Les spatiocartes, dérivées des images brutes, facilitent l’intégration des données satellitales dans les SIG. Une spatiocarte est un produit constitué d’un fond d’image satellitale, projeté et découpé selon un système cartographique donné (UTM, Lambert, Gauss Krüger...), muni d’amorces et de croisillons géographiques et cartographiques, disponible sur support numérique et/ou analogique. Une spatiocarte est par conséquence directement superposable aux cartes traditionnelles. Elle constitue une source d’information actualisée, permet de mettre à jour des données géographiques obsolètes et sert de référentiel géométrique pour l’ensemble des données d’un SIG.

Les images multispectrales (XS, Xi) ont une grande richesse radiométrique. Les instruments enregistrent les rayonnements émis dans 3 ou 4 bandes spectrales (vert, rouge, proche infrarouge, moyen infrarouge). Leur combinaison permet d’identifier facilement les surfaces en eau, avec des nuances différentes selon la profondeur, la  charge en sédiments, etc.

III.- SPOT, source d’information sur l’eau

Nous distinguerons deux types d’information fournies par SPOT sur l’eau :
•	une information directe (sur les eaux de surface)
•	une information sur l’eau déduite d’autres informations thématiques qui lui sont liées, dans le cadre d’une approche systémique (sur les eaux souterraines, sur les variables intermédiaires de caractérisation de l’eau)
Les informations fournies par Spot répondent à plusieurs besoins : détection de la ressource, inventaire cartographique, suivi temporel, qualité et pollution, études préalables aux aménagements, maintenance des aménagements.

III.1.- Inventaire des eaux de surface : les spatiocartes SPOT

L’inventaire consiste à localiser, quantifier et qualifier les eaux de surface. Elle concerne aussi bien le réseau hydrographique que les plans d’eau.
Spot Image a acquis de nombreuses références dans ce domaine, au Bangladesh pour le suivi des grands fleuves affluents du Ganges et du Brahmapoutre, dans la province de Neuquen en Argentine, à Shangaï en Chine. Les spatiocartes Spot (éditées au 1 :100 000, au 1 :50 000 ou au 1 : 25 000) fournissent la référence cartographique exhaustive et actualisée sur de vastes territoires pour la délimitation des surfaces immergées et le calcul de surfaces correspondantes, la bathymétrie, le transport de matériaux en suspension.
Leur nature numérique les rend très facilement intégrables dans les bases de données géoréférencées, à la fois comme fond de référence cartographique, et comme source d’information thématique. Leur coût varie entre 1,5 et 5 US$/km2.

III.2.- Les spatiocartes SPOT, outil de communication et de négociation

Objectives, indiscutables et rapidement disponibles, les spatiocartes Spot présentent de plus l’avantage d’être très facilement lisibles et interprétables.
Elles constituent déjà des supports de communication et de dialogue essentiels pour la décision en matière d’aménagement, protection et gestion de l’eau. Ne seraient-elles pas utilisables également en matière de juridique ?

III.3.- La recherche de ressources en eau souterraine

L’inventaire des ressources en eau est mené la plupart du temps par les autorités régionales ou nationales, au travers des services de gestion des ressources naturelles. La recherche de zones à nappes d’eau souterraine potentielles peut être considérée comme un premier inventaire qui conduit à des applications telles que l’identification de linéaments et de végétation en zones arides, la localisation de points de forage dans les zones fracturées, l’évaluation de la recharge en eau dans les bassins sédimentaires.
De telles études concernent généralement de grands territoires, et l’échelle d’étude varie entre le 1:500 000 pour les inventaires, et le 1:20 000 pour l’identification de points de forage.
Les techniques traditionnelles (de géologie, pédologie, hydrologie, météorologie) et les techniques de télédétection sont complémentaires. On a souvent recours à l’utilisation de couvertures aériennes stéréoscopiques en dernière étape (accès aux points de forages). Les images satellitales utilisées sont LANDSAT MSS (bandes 7,5,4) ou les images SPOT (multispectrales, panchromatiques, ortho-images et MNT dérivés). Les principales techniques sont :
•	l’analyse visuelle pour l’identification d’unités de paysages (relations étroites entre la végétation pérenne et les fractures), l’extraction de réseaux de drainage et d’irrigation, la délimitation de bassins versants à partir de MNT existant ou dérivés de couples stéréoscopiques SPOT ;
•	l’analyse détaillée structurale complétée par des observations de terrain (identification de direction des contraintes, fractures, fissures, décrochage et jonction du réseau);
•	l’analyse statistique des linéaments;
•	l’intégration dans un SIG pour combiner l’imagerie satellitale et les données exogènes conventionnelles.

La bonne fiabilité de ces méthodes est confirmée par un fort taux de succès de forage (supérieur à 70%), des vitesses moyennes de production dans les normes acceptables, une qualité de l’eau conforme aux standards de potabilité.
Le coût reste très variable selon les surfaces traitées, les échelles d’étude et les données utilisées, soit de 2 à 10 $ par km2, voire plus.

III.4.- Suivi temporel des phénomènes hydrologiques, maîtrise des crues

La répétitivité d’acquisition d’images, et la possibilité de programmation des satellites SPOT sont un grand avantage pour le suivi des phénomènes hydrologiques, et l’acquisition de séries de données multi-temporelles.
Par exemple, le projet mené par Spot Image au Bangladesh a notamment permis d’acquérir pour quelques zones sensibles, deux images par an depuis 1990 (une au printemps, une en automne). Ces images constituent aujourd’hui une véritable base de données numériques sur les variations inter-annuelles et inter-saisonnières du tracé des cours d’eau et de leurs débordements périodiques et occasionnels. Cette base est utile pour la compréhension des phénomènes hydrologiques et la planification des actions nécessaires à une meilleure maîtrise des crues et à la protection des populations riveraines. 

III.5.- Qualité, pollution, protection

Les images Spot permettent de détecter les phénomènes de turbidité, les courants marins côtiers, les événements exceptionnels et visibles comme la marée noire survenue en baie de Shangaï en 1997, comme les rejets de certaines substances toxiques (huile, pétrole).
Les expériences réalisées pour le contrôle et la surveillance côtière combinent souvent plusieurs types de données satellitales, en particulier les données radar ERS. C’est par exemple le cas d’une étude visant a positionner le bateau San Song qui nettoya ses cuves le 13 août 1996 au large des plages de Singapour. L’interprétation d’une image ERS avait en effet permis de reconstituer la position et le trajet du navire, et de reconnaître coupable la compagnie de transport.

III.6.- Aménagements hydro-agricoles

III.6.1.- Études préalables aux aménagements

Des inventaires cartographiques d’utilisation du sol et de l’eau utilisant les images satellitales à haute résolution sont conduits pour identifier, préparer et évaluer les projets d’aménagement : construction de petits barrages au Niger, de retenues d’eau, aménagements hydro-agricoles pour la création ou l’extension de zones irriguées, construction de stations d’épuration, gestion et réhabilitation des périmètres irrigués. Ces applications concernent les autorités locales, nationales et régionales d’aménagement hydraulique, pour :
•	inventorier les ressources en eau et les potentialités d’utilisation de l’eau (suivi des mares au Niger), 
•	assurer un approvisionnement régulier en eau et promouvoir les cultures irriguées (petits barrages en Afrique sahélienne, grands périmètres irrigués en Afrique du Nord, au Moyen Orient, en Asie, en Amérique Latine).

Les autorités doivent évaluer l’impact des différents scénarios d’aménagements avant de prendre leurs décisions. Les aménagements hydro-agricoles doivent être construits dans des lieux favorables du point de vue topographique, géologique et agricole, et dans des zones où l’érosion est minimale.
Dans les pays en voie de développement, étant donné la superficie des zones d’étude et l’état de la cartographie disponible, il n’existe pas d’alternative économique, rapide et exhaustive, aux techniques de télédétection.
Les images satellitales utilisées sont les images multispectrales SPOT (par exemple 3 dates après la saison des pluies pour le suivi des mares au Niger). Un seuillage et une classification donnent de l’information thématique sur la localisation des mares, la couverture végétale et l’utilisation du sol, les paramètres du sol (litho-pédologie). Une étude statistique sur l’évaporation mise en relation avec les images traitées permet d’évaluer la surface et le volume des mares. Les différentes cartes sont intégrées dans un SIG et analysées. Les règles d’analyse sont établies par les spécialistes des différents domaines concernés, dans le but d’obtenir une carte de sensibilité à l’érosion.

Dans ce cas, la précision de l’évaluation de la surface des plans d’eau est d’environ 5% (pour les mares de moins de 20 ha) et 2 à 3 % (pour les plans d’eau de plus de 50 ha), ce qui se traduit en terme de volume par une précision de 15 à 30% selon la topographie de la mare. L’estimation reste moins précise que les méthodes topographiques classiques (1% en surface et 5% en volume), mais elle est exhaustive puisque toutes les mares de plus de 0,25 ha sont détectées. La précision de la carte analytique de sensibilité à l’érosion est tout à fait satisfaisante puisque 90% des stations de contrôle sur le terrain correspondent à la réalité.
Les coûts sont réduits en comparaison avec les techniques traditionnelles de suivi des mares. Le coût de localisation de petits barrages sur une base semi-industrielle est évalué entre 10 US$ et 20 US$ par km².
Les délais d’obtention sont eux aussi réduits pour le suivi des mares (quelques semaines au lieu de plusieurs années avec les techniques traditionnelles).

III.6.2.- La gestion des périmètres irrigués et du littoral, la maintenance des aménagements

Plusieurs projets menés par le CEMAGREF, l’Institut International du Management de l’Irrigation (IIMI), au Maroc, au Pakistan et au Mexique ont montré l’intérêt des images satellitales pour la cartographie de référence des périmètres, l’identification des dysfonctionnements tels que les prélèvements illicites d’eau, les pertes dues au mauvais état du réseau de distribution, les zones de salinité prononcées.
L’IFREMER travaille sur la gestion du littoral avec une approche très similaire.

Cartographie de référence
La plupart des gestionnaires de l’irrigation n’ont qu’un image abstraite du réseau d’irrigation qu’ils ont à gérer : une arborescence dont les noeuds sont des dispositifs de régulation des prélèvements et des débits.
Les spatiocartes SPOT permettent ainsi la « spatialisation » du périmètre, une vision panoramique particulièrement nouvelle et enrichissante pour une meilleure compréhension lorsqu’il s’agit de grands périmètres (plus de 10 000 ha).
Les images SPOT permettent de cartographier précisément les aménagements existants, les réseaux,  d’individualiser les parcelles d’occupation du sol (de plus de 1 ha) et les unités de gestion hydraulique. 

Maintenance
Les fuites des canaux d’irrigation se détecte par la présence non attendue de végétation spontanée, détectable sur les images SPOT. De même, la présence de végétation dans les drains à ciel ouvert  signale une diminution de l’efficacité de drainage par obstruction.
La cartographie de la salinité a été réalisée à partir d’une combinaison de mesures terrains, de calcul d’indices de végétation et de brillance du sol à partir des images XS (Mexique, Pakistan).
La photointerprétation des hétérogénéités au sein des parcelles permet de détecter d’éventuelles anomalies des dispositifs d’irrigation ou de drainage.

Bilan hydrique, gestion hydraulique
La cartographie des cultures irriguées, le calcul automatique de leur surface par SIG, et la comparaison avec les surfaces déclarées par les agriculteurs permettent de détecter les infractions et de contrôler les règles de fonctionnement ou de partage de l’eau du périmètre.
A l’intérieur de la classe « culture irriguée, le détail des cultures est une variable d’entrée du calcul du bilan hydrique spatialisé de chaque unité de gestion, qui peut s’exprimer de la façon suivante dans les conditions d’équilibre :
(culture  x  besoins en eau de la culture) = (pluies  +  débit  x  efficience des canaux)
Ces calculs permettent d’identifier les zones soumises à un stress hydrique, et d’analyser le fonctionnement du périmètre.

Conclusion

Les spatiocartes SPOT, exploitables jusqu’au  1/25 000, fournissent un fond de référence cartographique actualisé d’une excellente qualité. Ce fond cartographique numérique facilement intégrable dans une base de données spatialisée (un SIG) permet l’identification immédiate des eaux de surface, et permet de dériver de nombreuses informations thématiques indispensables pour la décision (SPOT P pour la précision géométrique, SPOT XS pour l’information thématique, les couples Stereo-SPOT pour le calcul de Modèles Numériques de Terrain).

Les capacités de programmation des satellites, leur répétitivité de passage et la capacité de visée oblique assurent une excellente capacité d’acquisition des bonnes images à la bonne période sur la zone d’intérêt. Cet atout est particulièrement important pour la constitution de bases de données multitemporelles, pour la prévention et le suivi des événements hydrologiques exceptionnels comme les crues.

En matière d’aménagement et de gestion de systèmes complexes (périmètres irrigués, littoral), les possibilités de simulation offertes par le couplage de modèles hydrologiques (ou hydrauliques) et des techniques de traitement de l’information géographique permettent justement de visualiser rapidement dans l’espace géographique (à 2 ou 3 dimensions) les conséquences de chaque scénario. Le SIG, alimenté par des données multisources et multidisciplinaires, est ainsi de plus en plus utilisé comme outil de simulation, de communication et d’aide à la décision entre tous les acteurs de la gestion de l’eau.

Références

Use of Remote Sensing Techniques in Irrigation and Drainage, Proceedings of the Expert Consultation, Montpellier, France, 2-4 November 1993, CEMAGREF-FAO. Water reports 4, FAO, 53-60.

Documents SPOT Image.