La stéréoscopie par satellite pour le suivi des ressources en eau ?

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Dans les régions arides ou semi-arides, où l’irrigation est généralisée, le suivi de la ressource en eau agricole est primordial pour anticiper les pénuries. Cette ressource peut-être l’eau de grands barrages, de petits réservoirs ou provenant de l’aquifère.

C’est le cas de l’état du Télangana, en Inde du Sud, où de nombreux grands barrages (en bleu cyan dans la figure ci-dessous) construits sur les fleuves dans les années 1980 ont permis la création de périmètres irrigués très étendus . Sur les zones amont déconnectées des rivières pérennes (qui coulent toute l’année, en bleu foncé), l’agriculture peut compter sur l’eau souterraine, mais aussi sur les milliers de réservoirs agricoles, composant un système ancestral de stockage en cascade des ruissellements de la mousson, permettant de maintenir une ressource en eau en surface pendant la période sèche (Myriade de points bleus sur la figure ci-dessous).

Ces systèmes de digues de 20m de large permettent de créer une cuvette profonde de quelques mètres sur quelques hectares (<5-10 ha). Ils sont généralement maintenus et gérés localement au niveau des villages mais ne sont pas jaugés. L’arrivée de Sentinel-2 il y a presque 10 ans permet de réaliser le suivi des dynamiques régionales des surfaces en eau dans ces petits réservoirs agricoles. L’évaluation des volumes derrière ces surfaces est beaucoup plus complexe. Parce qu’ils sont nombreux et de faible taille, l‘altimétrie Nadir utilisée classiquement en hydrologie spatiale ne passe que très rarement sur ces surfaces en eau, et les données récentes de SWOT ne garantissent pas une grande précision d’élévation sur ces petites retenues.

Une étude récente réalisée dans le cadre de la thèse de Claire Pascal au CESBIO, publiée dans PLOS Water, propose une autre voie. Elle teste la fiabilité des estimations de volume à l’échelle de l’état du Télangana à partir des surfaces en eau Sentinel-2, en utilisant des Modèles Numériques d’Elévation (MNE) globaux (tels que le SRTM, ALOS World 3D et Copernicus DEM), ou régionaux (CartoDEM).

Ces volumes sont évalués sur 1% de la surface de l’état grâce à des acquisitions stéréoscopiques des satellites Pléiades. Ces données à très haute résolution spatiale (50cm), acquises grâce au Dispositif Institutionnel National d’Accès Mutualisé en Imagerie Satellitaire (DINAMIS), ont été acquises sur des zones couvrant 500 petits réservoirs, tous à sec – ces réservoirs sont vides tous les 5 à 6 ans – permettant de cartographier leur structures 3D par stéréoscopie spatiale. Nous avons pu reconstruire des relations hypsométriques pour chaque réservoir, c’est à dire la relation qui relie le volume stocké à une surface en eau. En utilisant ces relations et les dynamiques de surfaces en eau Sentinel-2, nous avons pu reconstituer, pendant les saisons sèches (Oct. à Mai, sans nuage), des chroniques d’assèchement des volumes d’eau (en Millions de m^3) dans les 500 réservoirs, comparé cette référence aux estimations de volume faite avec les DEM globaux ou régionaux, ainsi qu’une évaluation de la capacité maximale de ce système hydrologique à l’échelle régionale. Ce travail a permis d’estimer un stockage maximal de 30 mm que l’on peut comparer aux 200 mm de capacité affiché par le Registre National des Grands Barrages (NRLD).

Sans surprise, la résolution de 30 à 90 m des MNE globaux et régionaux et le fait qu’ils ont pu être générés alors que les réservoirs n’étaient pas vides, entrainent des sous estimations de volume de 47 à 78% par rapport aux estimations réalisées avec les MNE pléiades à 2m de résolution. De plus, une simple dégradation de la résolution des MNE de Pléiades de 2 à 30m entraine une sous-estimation systématique de 29% des volumes. Ces erreurs, attendues mais quantifiées sur ce contexte agro-hydrologique, peuvent être néanmoins utiles pour corriger les estimations de remplissage de cet hydro-système jusque là jamais jaugé à l’échelle régionale, et ce avec des données libres.

L’étude montre également le fort potentiel de futures missions stéréoscopiques à très haute résolution (comme CO3D, le prolongement des Pléiades, Pléiades Neo ou l’avant projet 4D-Earth), pour le suivi des ces réservoirs peu profonds, avec des erreurs attendues limitées (17% pour un MNE de 12m de résolution). Ces erreurs peuvent en effet être plus faibles que la précision attribuée aux élévations de surface en eau produite avec les données SWOT, lorsque la surface en eau de ces réservoir est suffisamment grande pour en permettre la mesure. Ces données stéréoscopiques permettent et permettrons de réaliser une cartographie des systèmes hydrologiques aujourd’hui non jaugé à condition que les acquisitions se fassent à des moments propices, c’est à dire lorsque le système est vide ou presque, ce qui est récurrent dans la majeure partie des zones semi-arides du monde.