Télédétection hyperspectrale des eaux littorales turbides. - GIS-COOC

Atelier GIS COOC
Bordeaux 9/10 février 2015
Télédétection satellite et aéroportée de la
concentration en
chlorophylle a en milieu turbide côtier
Larnicol Morgane Master SML mention physique marine, UBO
David Doxaran¹, Pierre Gernez²
1 : Laboratoire Océanographique de Villefranche/mer
2 : Laboratoire Mer Molécule Santé, Université de Nantes
Résultats stage Master 2 SML mention Physique Marine
➢
Télédétection de la chla en Baie de Bourgneuf
Laboratoire Océanographique de Villefranche/mer
Mars-septembre 2014
Sujet de thèse CIFRE, ACRI-ST
➢
Télédétection hyperspectrale des eaux littorales turbides
Laboratoire Mer Molécules Santé, Université de Nantes
2015-2018
Contexte du stage : Le projet Gigassat
Projet Gigassat (2012, Fabrice Pernet Ifremer, Pierre Gernez MMS)
Impact des changements environnementaux sur les écosystèmes ostréicoles
Composition de l'eau de mer : Matières en suspension,
phytoplancton
➢
La fraction algale des MES intervient dans la croissance
Phytoplancton, MEB
➢
Le phytoplancton constitue une part importante de l'alimentation de l'huître
➢
La chlorophylle a est un indicateur de la biomasse phytoplanctonique
Objectif du stage : quantifier la concentration en chlorophylle a dans la
Baie de Bourgneuf à partir de données satellites
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Les caractéristiques de la Baie de Bourgneuf
Remise en suspension
des MES par les courants
de marée
Différences de turbidité
entre le Nord et le Sud
rr
Ba
o
er
r
iè
e
us
e
ch
La Coupelasse ~ 154 mg/L
Graisselous ~ 34 mg/L
Valeurs moyennes annuelles
mesurées en 1995,Haure et Baud
Adaptée de Barillé et al, 2000
de Barillé et al, 2000
9Adaptée
février 2015
Principaux flots de
marée
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La remise en suspension de microalgues benthiques
Marée basse
Marée haute
Forte variabilité tidale des
MES et chla
Très forte turbidité des eaux
de la baie
Blanchard et al, 2006
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La variabilité des concentrations en chla
Corrélation chla et
MES
Microalgues
benthiques
Variations de la
chla en opposition
de phase avec
celles des hauteurs
d'eau
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Intérêt des observations satellites
Mesures directes
Précises mais ponctuelles → description spatio-temporelle limitée
Mesures satellites
→ vue instantanée de l'ensemble de la Baie
→ bonne répétitivité dans le temps
→ bonne couverture temporelle : accès à des données en continu depuis 1998
Il est nécessaire de développer des algorithmes pour estimer la chla dans l'eau de
mer à partir de données satellites.
Il n'existe pas encore de modèle fiable pour les eaux côtières les plus turbides.
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Les caractéristiques du radiomètre MERIS
Radiomètre
MERIS
Plateforme
ENVISAT
Propriétaires
Agence spatiale
européenne
Résolution spatiale
300 m (FR)
Résolution temporelle
2/3 jours
Résolution spectrale
15 bandes
412.5/900 nm
Durée de vie
2002/2012
Caractéristiques du radiomètre MERIS
MERIS normalised SRF, theoretical central wavelengths
band 1
band 3
band 5
band 7
band 9
band 11
band 13
band 15
Response
1,000
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
400
Bande spectrale centrée à 665 nm
9 février 2015
500
600
700
800
band 2
band 4
band 6
band 8
band 10
band 12
band 14
900
wavelength [nm]
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Les limites des algorithmes standards
Eaux claires
océaniques
Eaux turbides côtières
Spectres de réflectances, Baie de Bourgneuf
Spectres de réflectances, eaux claires
Utilisation du signal dans le rouge et le proche infrarouge, minima de Rrs à
675 nm
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Les mesures réalisées dans la Baie de Bourgneuf
Campagne de mesure avril 2013 :
31 stations
chla in situ (HPLC)
Rrs in situ (TRIOS, ASD)
Sondes : deux ans de données (20052006) utilisées pour les match-ups
2 sites ostréicoles
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Relation bio-optique de quantification de la chla pour la
Baie de Bourgneuf
Combinaison de Rrs in situ :
Algorithme 3B, Gitelson et al, 2008
chla α [(1/Rrs665)-(1/Rrs709)]*Rrs754
Rrs in situ, Baie de Bourgneuf 2013
Algorithme 2B, Le et al, 2012
chla α Rrs709/Rrs665
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Sélection des données lors des matchups (MERIS FR)
300 m
300 m
Pixels MERIS
Mesure in situ
Cohérence spatiale
Cohérence temporelle
Sélection du pixel le plus proche pour
limiter l'incertitude spatiale liée à une
forte variabilité
Sélection des valeurs les plus proches et
interpolation à partir des données des
sondes
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Résultat des matchups (MERIS FR)
Facteurs d'erreur :
Résolution spectrale
Résolution spatiale
Correction atmosphérique → SAABIO
Algorithme 3B : RMSE = 6.06 mg/m3
Algorithme 2B : RMSE = 5.25 mg/m3
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Exemple de carte de concentration en Chla (MERIS FR)
RMSE ~ 5,25 mg/m³
Estuaire de la Loire
Baie de Bourgneuf
Ile de
Noirmoutier
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Correction
atmosphérique
SAABIO
intégrant la
BPAC
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Vers une classification des eaux ?
Complémentarité des algorithmes
OC5, Gohin et al, 2003, 14 mars
2006
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Algorithme 2B (Le et al, 2012), 14 mars
2006
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Contribution des substances colorées dissoutes
Eau pure
Constituants colorés
MES : particules algales + particules non algales
CDOM : matières organiques colorées dissoutes
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Conclusions du stage
BILAN STAGE
LIMITES MÉTHODE
➢
➢
Caractérisation des propriétés
bio-optiques de la baie
➢
➢
Test des algorithmes standards
« couleur de l'eau »
➢
➢
➢
Développement d'un algorithme
adapté aux eaux les plus turbides
Validation de l'algorithme pour la
Baie de Bourgneuf
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➢
Non adaptée aux eaux du
plateau continental
La contribution des substances
dissoutes n'est pas étudiée
La correction atmosphérique
utilisée est source d'erreurs
La résolution spectrale du
satellite n'est pas optimale
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Perspectives
Couplage entre le modèle de croissance et les
observations satellites
Modèle écophysiologique de l'huître
creuse, adapté de Barillé et al (1997)
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Sujet de thèse : Télédétection hyperspectrale des eaux
littorales turbides
Thèse CIFRE, Société ACRI-ST,
2015/2018 laboratoire Mer Molécules Santé, Université de Nantes
Directeur : Patrick Launeau (LPG)
Co-directeur : Pierre Gernez (MMS)
Co-encadrant : David Doxaran (LOV)
Objectifs
Détecter la concentration en chla dans les eaux très turbides
bordant les vasières intertidales
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Sujet de thèse : Télédétection hyperspectrale des eaux
littorales turbides
➢
➢
➢
Amélioration des algorithmes bio-optiques
Données aéroportées hyperspectrales pour étude spatio-temporelle
de la chla
Campagne de mesures in situ prévue en 2015 STAGE : données
Baie de Marennes Oléron, projet PNTS Turbo
➢
STAGE : complexité des
eaux intertidales
supplémentaires
Simulation des réponses des futurs capteurs satellites OLCI et MSI
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9 février 2015
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Images hypespectrales acquises en Baie de Bourgneuf en 2002 (capteur DAIS),
2009 et 2010 (capteur HySpex)
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MERCI DE VOTRE ATTENTION !
DES
QUESTIONS ?
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Annexe : comparaison des différents capteurs
Radiomètre
Propriétaire
Plateforme
Résolution
temporelle
Résolution
spatiale
Résolution
spectrale
MERIS
ESA
ENVISAT
2/3 jours
300 m HR
15 bandes
spectrales
412.5-865
nm
OLCI
ESA
Sentinelle 3
2/3 jours
300 m HR
21 bandes
400-1020
nm
Δλ = 15
nm
MSI
ESA
Sentinelle 2
10 m HR
DAIS
Aéroportée
496-1035
nm
Δλ = 15/20
nm
HySpex VNIR
Aéroportée
400_1000
nm
Δλ = 4.5
nm
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Caractéristiques des capteurs MERIS et OLCI et MSI et aéroportés DAIS et HySpex