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Apport de l’imagerie satellitaire pour la recherche d’indices de drainage superficiels

De Wikigeotech

La connaissance précise des réseaux de drainage superficiel, naturels ou artificiels, constitue un élément déterminant pour apprécier les conditions de circulation et le potentiel d’infiltration des eaux à la surface du sol, dans le cadre par exemple de la caractérisation des aires d’alimentation de captage (AAC). La recherche de ces réseaux en surface et en sub-surface s’appuie généralement sur des relevés de terrain, sur des mesures in situ, sur des enquêtes et sur l’examen de photographies aériennes (photo-interprétation).

À présent, le traitement d’images satellites à très haute résolution spatiale (THRS) ou de produits dérivés de ces images (Modèle Numérique d’Élévation par exemple) peut permettre d’identifier de manière semi-automatique certains réseaux de drainage, tels que le tracé des thalwegs (chevelu hydrographique), les fossés agricoles et routiers ou encore les points d’infiltration naturels (dolines par exemple).


Cet article constitue une synthèse bibliographique des méthodes de télédétection spatiale appliquée à la recherche des indices de drainage superficiels suivants :

  • Axes d’écoulement des eaux en surface (réseau hydrographique) ;
  • Chenaux de drainage dans les horizons superficiels du sol en sub-surface (écoulement hypodermique) ;
  • Points naturels d’infiltration des eaux en surface (dépressions karstiques de type doline par exemple) ;
  • Discontinuités naturelles des massifs géologiques (failles, contacts entre formations géologiques, …) ;
  • Dispositifs de drainage artificiel des eaux de surface (fossés routiers ou agricoles, drain enterré, …).


Sommaire

Les méthodes d’extraction semi-automatiques (synthèse bibliographique)

Les possibilités d’extraction semi-automatique de chaque indice de drainage listé précédemment et l’apport de la télédétection sont détaillées ci-après.


Le réseau hydrographique

Représentation d’un chevelu hydrographique (tracés colorés), occupant les principaux thalwegs


Les thalwegs, constituant des axes naturels de convergence des eaux de ruissellement, sont organisés en une structure arborescente plus ou moins dense suivant le milieu local et l’échelle d’observation (géométrie fractale, cf. figure ci-contre).


Les méthodes d’extraction les plus couramment utilisées sont basées sur le traitement de Modèle Numérique de Terrain (MNT) ou d’élévation (MNE). Il existe trois approches distinctes [Charleux-Demargne, 2001] :

  • Les approches « hydrologiques », qui consistent à calculer les directions d’écoulement à partir d’algorithmes unidirectionnels ou multidirectionnels, adaptés au format de MNE ou MNT utilisé ;
  • Les approches « morphologiques », qui consistent à différencier les surfaces convergentes ou divergentes du MNT, en calculant un indice qui quantifie la convergence ou la courbure du relief en chaque point, indépendamment de toute notion de direction ;
  • Les approches « hydrogéomorphologiques » combinant les deux approches précédentes, en ne retenant que les avantages de chaque méthode (méthode hybride).


L’exemple d’application de l’approche « hydrogéomorphologique » présenté ci-après montre clairement la distribution spatiale des fonds de thalwegs, confirmant l’efficacité de cette méthode automatique.


Application de la méthode à partir d’un MNE SPOT 5 avec une résolution spatiale de 20 m (région de Ras El Oued, Algérie, 2006) – © Spot image


Apport de la télédétection :

Même si le réseau hydrographique peut être extrait à partir d’autres sources de données (cartes topographiques, photographies aériennes, …), son extraction à partir d’un modèle numérique de terrain offre de nombreux avantages, notamment les informations tridimensionnelles obtenues, la récupération de données au format vecteur et les possibles modélisations du réseau secondaire en fonction de la résolution du MNE utilisé et des seuils de calcul choisis.

Les méthodes « hybrides », permettant de définir la structure morphologique des bassins de manière significative et réaliste, constituent les approches les plus précises et les plus efficaces.


Les chenaux de drainage dans les horizons superficiels du sol (sub-surface)

Les écoulements de sub-surface correspondent à des circulations d’eau latérales généralement temporaires, se manifestant sur des terrains en pente (versants) ou sub-horizontaux avec un gradient orienté plus ou moins perpendiculairement aux courbes de niveau. Ils forment des chenaux d’extension spatiale variable, souvent irréguliers, et sont assimilables à des micro-nappes.

Dans certaines conditions favorables, les horizons accueillant les écoulements de sub-surface sont visibles à partir d’images satellites à très haute résolution spatiale (THRS), comme le montrent les extraits suivants, et sont donc détectables par photo-interprétation.

  • A GAUCHE : image satellite Pléiades multispectrale, résolution spatiale 2,5 m, faisant ressortir un réseau de drainage superficiel ;
  • A DROITE : sur la même zone, MNT de la BD topo IGN avec représentation des axes et sens d’écoulements superficiels photo-interprétés)


Sous-écoulements sur versants, convergents vers un thalweg (Commune de Mauroux, Lot, France) – © CNES 2012


Apport de la télédétection :

Sur site, les écoulements de sub-surface sont souvent difficilement visibles en raison du manque de recul. La télédétection, qui offre une prise de hauteur, est donc un outil parfaitement adapté à la recherche de ce type d’indice. Toutefois, il est très difficile, voire impossible, d’extraire l’information à partir du traitement automatique d’images satellites en raison du caractère ponctuel, parfois diffus, et de la variabilité spatiale ou temporelle des écoulements de sub-surface. De plus, les nombreuses confusions possibles avec d’autres indices (traces d’humidité en fond de vallon par exemple) nécessitent systématiquement l’expertise d’un photo-interprète.

Aussi, dans le cas présent, l’apport de l’imagerie satellitaire permet seulement une analyse par photo-interprétation, qui peut en revanche être facilitée et améliorée par l’exploitation des différentes bandes spectrales des capteurs (notamment le proche infrarouge pour l’identification de traces d’humidité).


Points d’infiltration des eaux en surface : exemple des dolines

Vue d’une doline isolée (causse Comtal, Aveyron, 2008)


Les dolines, correspondant à des dépressions fermées globalement sub-circulaires d’échelle généralement pluri-métrique à pluri-décamétrique, constituent des points naturels d’infiltration typiques des milieux karstiques (modelé affectant les régions calcaires, dû à la dissolution de la roche).


Il n’existe pas de méthodes dédiées spécifiquement à la détection des dolines. En revanche, il existe des outils informatiques de correction des MNE / MNT qui consistent à substituer les dépressions locales par des surfaces horizontales en effectuant une opération de remplissage.


Ces outils, schématisés ci-après, peuvent être utilisés pour extraire automatiquement les dolines d’un MNT.


Opération de remplissage des dolines en 3 étapes à partir d’un MNE ou d’un MNT (méthode « fill sink ») – 1 : Identification du noyau central de la dépression (en noir) ; 2 : Identification des cellules contribuant à la dépression par processus itératif et recherche de l’exutoire (en bleu) ; 3 : Augmentation des valeurs d’élévation du fond de la dépression jusqu’à atteindre la valeur de la cellule adjacente à l’exutoire


Apport de la télédétection :

Certaines sources de données recensent les dolines (carte de l’IGN et du BRGM notamment), sachant que ces informations ne sont ni homogènes, ni exhaustives. La méthode d’extraction basée sur le traitement d’un MNE / MNT est très efficace pour extraire automatiquement des dépressions sur des surfaces horizontales ou sub-horizontales (plateaux, causses, …). Suivant le niveau de précision du MNE / MNT, elle peut permettre de détecter des dolines de petites dimensions, en notant que la résolution du modèle doit correspondre à l’échelle des plus petites dépressions à identifier. Enfin, des traitements radiométriques effectués à partir d’images satellites sont également envisageables pour affiner le recensement, une grande partie des dolines ayant tendance à accumuler un certaine humidité pouvant avoir un effet sur l’activité chlorophyllienne (lorsque le fond de la dépression est colmaté par des résidus imperméables).


Discontinuités naturelles des massifs géologiques

Petite fracturation en massif calcaire (structurée en 3 directions) mise en évidence par l’humidité différentielle du réseau de discontinuités - Image Pléiades panchromatique, résolution spatiale : 0,5 m - Commune de Sérignac, Lot, France, mai 2012 – © CNES 2012


Les discontinuités naturelles telles que les failles forment généralement des éléments structuraux rectilignes pouvant jouer un rôle conducteur ou favorisant l’infiltration et le cheminement des eaux souterraines.

Les méthodes de détection de ces axes de drainage préférentiels consistent globalement à rechercher les indices linéamentaires, tels que les alignements de végétation ou les contrastes de radiométrie et de texture par exemple, afin de caractériser les accidents géologiques (directions, espacement, ouverture, …).


Apport de la télédétection :

Malgré la complexité des réseaux de fracture, la télédétection permet d’extraire de manière semi-automatique la fracturation à partir d’images satellites grâce notamment à la prise de recul, notamment en contexte désertique ou semi-désertique lorsque la fracturation est bien développée. Les travaux de recherche menés jusqu’à présent conduisent à des résultats très satisfaisants d’un point de vue qualitatif et quantitatif. Toutefois, ils ne permettent pas encore de déterminer le potentiel hydraulique réel des fractures et donc de différencier les éléments conducteurs actifs et inactifs.


Dispositifs de drainage artificiels des eaux de surface

exemple de drainage artificiel enterré, drainages agricoles parcellaires (réseau « en croix ») visibles par satellite - Image SPOT, résolution spatiale 2,5 m, novembre 2006 – © Spot Image


Les réseaux artificiels assurent la collecte et l’évacuation des eaux de ruissellement ou des eaux excédentaires. Ces dispositifs constituent des aménagements linaires (fossés, drains enterrés, ouvrages hydrauliques, …) pouvant être structurés en un réseau plus ou moins dense, convergeant vers un collecteur.

Leur signature spectrale dépend de la saturation en eau des terrains, donc des précipitations (et plus globalement des cycles saisonniers). En règle générale, ces dispositifs sont marqués par une humidité différentielle contrastant avec celle des sols avoisinants.


Les fossés (agricoles et routiers) ainsi que certains drains enterrés sont visibles sur les images satellites THRS (avec une résolution spatiale inférieure à 2,5m, comme le montre le cliché précédent). Des études sont actuellement en cours pour estimer le potentiel des traitements automatiques pour la recherche de ce type d’élément, en particulier par le biais d’algorithmes d’analyse de structures géométriques tels que les lignes, les angles droits ou les segments parallèles, caractéristiques d’aménagements artificiels.


Conclusion

La télédétection spatiale, grâce à sa vision synoptique, permet d’étudier de manière homogène de vastes champs géographiques (méthode « à grand rendement ») et constitue un puissant outil pour la détection automatique de certains réseaux de drainage, tels que le chevelu hydrographique et les dépressions topographiques (dolines par exemple).

Pour d’autres éléments de drainage, tels que les sous-écoulements dans les horizons superficiels des sols et les discontinuités naturelles des massifs géologiques, la télédétection n’est pas utilisable en mode automatique car l’expertise humaine (photo-interprétation ou analyse détaillée in situ) est indispensable pour identifier précisément les zones, et plus généralement pour valider les informations. Toutefois, la télédétection reste pertinente au regard de la prise de hauteur, du large champs d’observation et de la richesse spectrale de l’imagerie spatiale.

Dans tous les cas, l’utilisation de la télédétection et de l’imagerie satellitaire finement résolue peut faciliter l’étude des réseaux de drainage superficiels. Les résolutions spatiales et spectrales des images, la capacité de revisite, les coûts comparativement réduits et l’augmentation croissant de l’offre sont autant d’atouts pour promouvoir l’utilisation de cette technologie, par exemple pour la réalisation d’études hydrologiques (superficielles et souterraines) ou pour la caractérisation d’Aires d’Alimentation de Captage (AAC).



Le créateur de cet article est Sébastien Rucquoi
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Bibliographie

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