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Images radar et suivi d’évolution du risque inondation dans le delta du Danube

Le risque d’inondation est majeur dans le Delta du Danube déjà plusieurs fois touché (en 2002, 2005, 2006 et 2010). Tout changement (végétation, nouvelles zones inondées ou non) peut être détecté et analysé par comparaison d’images satellites en lien avec les données hydrologiques et d’occupation du sol.

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Le changement climatique et ses effets sur le cycle de l’eau font l'objet de préoccupations, en effet l'augmentation de la fréquence des fortes précipitations, l’élévation du niveau marin (de 18 à 59 cm prévu en 2100) ainsi que l’érosion liée aux vagues de tempête, menacent directement les zones littorales. Les deltas (milieux humides côtiers) représentent, à l’échelle des temps géologiques, des environnements récents en changement permanent et constituent les écosystèmes les plus menacés au monde. C’est ainsi que le delta du Danube, déjà affecté par des inondations liées au climat et à l’élévation du niveau marin, a été déclaré "Réserve de Biosphère" en 1993 afin de préserver ses ressources.

Le Danube traverse l’Europe de l’Allemagne à la Mer Noire, il est par sa taille (superficie de 4455 km2) le second delta d’Europe après l’embouchure de la Volga, 79% de sa superficie est située en Roumanie. Son réseau hydrographique est formé de 3 bras principaux et la plaine deltaïque est caractérisée par de très légères différences d’altitude. Les zones de faible altitude présentent de nombreux lacs qui jouent un rôle important lors des crues du Danube : l'eau excédentaire des fortes pluies s’y accumule avant de s’écouler dans les bras principaux quand le niveau du fleuve s’amenuise. Cet environnement deltaïque est également caractérisé par la présence de la plus grande roselière du monde qui constitue une part considérable de sa zone inondable.

Chaque année le delta est inondé, les deux dernières inondations majeures (2006 et 2010) ont été précédées d’importantes chutes de neige pendant l'hiver, suivies d’une fonte relativement précoce dans les montagnes du bassin versant du Danube. Selon les données hydrologiques, les épisodes de décharge maximale des eaux se produisent de mars à juillet et les inondations de 2006 et 2010 ont été suivies de périodes de faibles eaux (à Tulcea, le niveau du Danube était de 1 m en août 2007 et de 0,35 m en octobre 2011).

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Figure 1 : Delta du Danube et localisation de la zone d'étude


Les satellites radars peuvent collecter des images de jour comme de nuit à travers la couverture nuageuse qui accompagne généralement les inondations, et permettent ainsi de caractériser et cartographier ce risque naturel. Les images utilisées dans l’étude proviennent du satellite japonais ALOS dont l’outil radar nommé PALSAR, d'une résolution de 15 m et utilisant un mode dual polarimétrique, permet l’acquisition d’images dans deux modes de polarisation linéaire différents (HH et HV). La comparaison entre les images issues de ces deux configurations de polarisation permet d’exploiter la différence de phase entre les acquisitions.

Les jeux d’images ont été pris avant (15 juin 2008, 20 mai 2010), pendant (18 juin 2010) et après (3 août 2010) les épisodes de crues. Des données hydrologiques constituées par les mesures du niveau journalier du Danube à Tulcea (en 2006, 2007, 2009 et 2010), la moyenne multi-annuelle du niveau du Danube à Tulcea (entre 1931 et 2011) ainsi que le calendrier de phénologie (étude de l’apparition d’évènements périodiques dans le monde vivant selon les variations saisonnières climatiques) des roseaux du delta ont également été utilisés.

Le traitement des images radars multi-dates permet de détecter les différents types de changement de surface liés aux inondations de 2010 et d’en caractériser la typologie. L’émetteur du radar satellite envoie des ondes électromagnétiques qui seront réfléchies au sol puis renvoyées au satellite où elles seront analysées par un récepteur : c’est la polarimétrie. Dans cet article c’est la polarisation qui est exploitée : il s’agit d’une propriété de l’onde électromagnétique qui décrit l’orientation du champ électrique du signal émis et reçu dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation. L’antenne du radar transmet habituellement des hyperfréquences avec une polarisation horizontale (H) ou verticale (V) et reçoit de l’énergie rétrodiffusée avec une polarisation horizontale ou verticale. Certains radars, dont le radar ALOS, peuvent émettre et recevoir les deux.

Une comparaison peut ainsi être faite entre les images radar d’une même zone (fig. 2), prises à différentes dates, afin de calculer l’entropie temporelle (homogénéité ou hétérogénéité de la surface au cours du temps). L’étude des différences et de la nature des changements de surface entre les deux dates est possible grâce à l’extraction d’indicateurs polarimétriques correspondant respectivement à l’entropie temporelle et à l’intensité de l’énergie réfléchie et transmise. Une faible entropie temporelle (proche de 0) signifie que l’indicateur polarimétrique est stable dans le temps, inversement une forte valeur (proche de 1), montre que l’indicateur a subi des changements significatifs au cours du temps. Ainsi les paramètres étudiés dans le delta du Danube décrivent la géométrie et les caractéristiques du mécanisme de rétrodiffusion de la végétation et des éléments du sol.

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Figure 2 : A gauche, images radar en couleurs composites ; A droite : Entropie temporelle issue de la comparaison des 2 images radar pour détecter les changements entre le 15 juin 2009 et le 18 juin 2010

Plus les couleurs sont claires (fig. 2 : image de droite), plus l’entropie est élevée et plus il y a de changement des indicateurs polarimétriques entre les deux dates. La distinction entre l’analyse de l’entropie temporelle des polarisations hyperfréquences horizontales (HH) et verticales (HV) permet de comprendre la nature des changements détectés avec l’analyse conjointe des deux polarisations.

Grâce à cette méthode, on peut appréhender les différentes couvertures végétales qui nous renseignent sur les caractéristiques des sols (type, pH, régime d’inondation, salinité). Les classes stables telles que la végétation hydrophile (roseaux), la forêt et les lacs deltaïques sont très bien repérées et différenciées des classes les plus variables, comme les zones inondables et inondées. La détection des différences structurelles entre les couverts de végétation permet de cartographier les différents types de surfaces et l’extension spatiale des zones inondées et inondables.

Enfin, l’efficacité de l’analyse d’entropie temporelle, à partir d’images radar multi-dates, a été évaluée et apparait nettement supérieure aux classifications des données optiques. Elle est de 95% pour la classe "eau" (d’où son intérêt pour le suivi des inondations) et de 82% à 87% pour les différents types de végétation. On atteint une performance moyenne de 87%, toutes classifications confondues.

En perspective de cette étude, la réalisation d’une analyse multi-temporelle à l’aide du satellite RADARSAT-2 permettrait de confirmer les tendances observées pour les données du satellite ALOS/PALSAR et d'obtenir une meilleure discrimination entre le sol nu et l’eau grâce à des caractéristiques de polarisation différentes.


Médiation scientifique

Assurée par Caroline Kaub doctorante de l’École Doctorale des Sciences de la Mer (EDSM – Université de Bretagne Occidentale), en 1ère année de thèse au Laboratoire Domaines Océaniques (LDO) à l’IUEM.

L’article

Simona Niculescu, C. Lardeux, G. Mercier, L. David, 2015. Change detection in floodable areas of the Danube delta using radar images. Natural Hazards, DOI 10.1007/s11069-015-1809-4

Les auteurs

Ce travail est le fruit d’une collaboration entre chercheurs de l’équipe du laboratoire LETG-Brest Géomer (Littoral – Environnement – Télédétection – Géomatique), de l’Office National des Forêts (ONF) et du laboratoire CNRS Labsticc/CID de Télécom Bretagne.

La revue

Natural Hazards, Journal of the International Society for the Prevention and Mitigation édité par Springer, est dédié à la recherche sur tous les aspects des risques naturels : la prévision des évènements catastrophiques, le management du risque et l’étude de la nature des risques naturels et technologiques permettant ainsi l'échange entre plusieurs disciplines.

Contacts

Auteurs : consulter l'annuaire de l'IUEM
Bibliothèque La Pérouse : Suivi éditorial, rédaction, corrections et mise en page : Fanny Barbier

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