Technologie par Satellite

Utiliser des images satellitaires

Les satellites existent depuis plusieurs dizaines d'années et se sont avérés pour être un outil précieux et source d'information pour étudier les conditions et les phénomènes prenant place à la surface de la terre. On peut citer la cartographie de la végétation et les aménagements de cartographie, la surveillance des glaces de mer, les prévisions météorologiques etc.

Les données satellitaires ont beaucoup d'avantages. Elles fournissent la couverture de la surface de la terre répétée et complète, ce qui est impossible avec des mesures sur le terrain. Elles sont non seulement continues, mais également uniformes et objectives. Il n'y a aucun problème d'inter-calibrage ou de corrections connexes, comme c'est généralement le cas des mesures au sol.

Les sondes du satellite mesurent le rayonnement dans une partie spécifique du spectre électromagnétique, qui est reflété ou émis par le système de la terre-atmosphère. La réflectance spectrale dans la gamme de longueur d'onde visuelle peut caractériser l'objet à la surface. L'émission dans la thermique infrarouge est déterminée par l'émissivité et la température de la surface de la terre. Les deux signaux sont soumis à des influences atmosphériques. Donc c'est un art en soi d'extracter d'information utile et précieuse, qui est toutefois très gratifiant une fois qu'il a réussi.

Des satellites météorologiques ont été lancés afin d'analyser et de prévoir le temps à grande échelle. Cependant, déjà depuis les premières des années 80, d'autres applications mettant l'accent sur l'échange d'énergie et d'eau à la surface de la terre, ont emergé. Dans ce développement EARS a joué un rôle majeur. Avec sa système EWBMS, la société est la première dérivant de telles données climatiques à l'aide d'un satellite.

This Meteosat 2nd Generation (MSG) Noon Composite image has been created from hourly images on 24-06-2010 and shows the surface reflection (albedo) in the visible part of the electromagnetic spectrum.

Energy and Water Balance Monitoring System

Vue d'ensemble

EWBMS, le système de suivi du bilan de l'énergie et de l'eau, comprend deux lignes de traitement des données Météosat, à savoir l'un pour les précipitations et l'autre pour les composantes du bilan énergétique. La cartographie des précipitations s'appuie sur une approche statistique, en utilisant la relation empirique entre le durée du séjour des nuages et la quantité de précipitation. La suivi des composantes du bilan énergétique (rayonnement, chaleur sensible et chaleur latente) est basée sur la physique de l'énergie et l'échange de masse à la surface de la terre.

Calibration

Les données Météosat infrarouges thermiques et visibles sont convertis en température et albédo planétaire, en utilisant la calibration appropriée. La calibration thermique de canal est basée sur des références simultanément observées de l'espace et de corps noir, et est disponible dans l'en-tête ou le titre de bas de page des fichiers de données. Pour le canal visible une approche de calibrage empirique est appliquée, basée sur des albédos de référence connus: cumulonimbus, désert, forêt, mer.

Traitement de précipitations

Différents niveaux de nuage sont classifiés sur la base de leur température de sommet. Leur présence est comptée, menant aux durées de nuage (CD), pour différentes classes de taille de nuage, pendant un jour ou une décade (période de dix jours). Ces durées de nuage sont alors liées aux observations en temps réel de précipitations, obtenues par le WMO-GTS, au moyen de régression multiple locale.

Les coefficients de régression (a) et le résiduel sont déterminés pour chaque station de précipitation et ses 11 stations les plus proches, et puis sont interpolés pour chaque pixel. Ci-après les précipitations dans chaque pixel sont estimées au moyen de l'équation de régression, en utilisant les coefficients et le résiduel interpolés.

R = a0 + a1 . CD1 + a 2 . CD2 + ai . CDi + … + residual

Traitement du bilan énergétique

Pour la cartographie de bilan énergétique, les données du midi et du minuit sont les plus utiles. Puisque, dans une image satellite unique, le temps change d'ouest en est, plusieurs images horaires sont utilisées pour créer des composites infrarouges visibles et thermiques de midi et de minuit des segments en forme de banane, qui correspondent au midi et au minuit dans chaque image. L'interpolation temporelle appropriée est appliquée afin d'éviter des jantes possibles entre ces segments. Puis, des procédures de correction atmosphérique sont appliquées, afin d'obtenir la température de surface réelle de midi et de minuit (Tn, Tm), et l'albédo de midi (A0). La température de surface moyenne quotidienne (To) est obtenue par la moyenne de la température de surface midi et minuit. En outre, la température de l'air au dessus de la couche limite atmosphérique (Ta) est dérivée au moyen d'un modèle analytique du cycle la température quotidienne.

L'albédo superficielle, la temperature de la surface et de l'air sont entrées dans le calcul du rayonnement net (In) et du flux de chaleur sensible (H) à la surface de la terre:

Ln = (1 - Ao) Ig + ɛasTa4 - ɛosTo4

H = a (To - Ta)

Le rayonnement solaire 'global' (Ig) entrant est calculé à base de la constante solaire, des coordonnées, du temps de l'année, de la profondeur optique atmosphérique et de la nébulosité. Une correction pour l'utilisation de lumière photosynthétique est appliquée. Le calcul des flux de rayonnement de grande longueur d'onde implique une hypothèse sur l'émissivité de la surface (ɛo ≈ 0.9) et l'utilisation d'une formulation empirique de l'émissivité de l'atmosphère (ɛa). Ci-après, le flux d'énergie latente (LE), c'est-à-dire la chaleur utilisé pour l'évaporation de l'eau, est obtenu comme la différence entre le rayonnement net et le flux de chaleur sensible:

LE = In - H

Le flux latent d'énergie, exprimé en W/m2 est finalement converti à l'évapotranspiration quotidienne réelle exprimée en mm/jour (1 mm/jour correspond grosso modo à 29 W/m2). L'évapotranspiration potentielle, qui se produit lorsque la surface est humide, est déterminée par l'énergie disponible:

LEp ≈ 0.8 ∙ In

L'évapotranspiration relative (RE) est finalement obtenue par:

RE = LE / LEP

L'évapotranspiration relative est de l'information très importante par rapport au suivi de la sécheresse agricole et à la prévision de rendement de récolte. L'évapotranspiration relative est connue pour être une bonne mesure de l'eau de sol disponible, et est proportionnelle à la croissance de plantes ((Doorenbos and Kassam, 1979, “Yield Response to Water”, FAO Irrigation and Drainage Paper 33).

Traitement des nuages

Quand un pixel est nuageux, les calculs de rayonnement sont différents. La transmissivité (tc) du nuage est dérivée de l'albédo du nuage. Les flux de rayonnement de grande longueur d'onde presque annulent. La radiation nette à la surface de la terre est alors déterminée avec:

Inc = (1 - Ao) tc Ig

Le dernier albédo sans nuage mesuré est utilisé. La dernière étape consiste à estimer la répartition du rayonnement net entre la chaleur sensible et latente. À cet effet nous utilisons l'évapotranspiration relative (semblable au ratio de Bowen, qui tend à être conservatif) du dernier jour sans nuage et estimons l'évapotranspiration réelle avec LE = 0.8 ∙ RE ∙ In. Cependant si on observe des nuages (Cumulonimbus) au-dessus de la zone, l'évapotranspiration relative est corrigée vers le haut sur la base de la durée de "nuages froids" (cold cloud duration: CCD):

LE = 0.8 ∙ RE ∙ In + CCD ∙ LEP

Les calculs de modèle de bilan énergétique sont schématiquement représentés dans le diagramme ci-dessous.

Produits de sécheresse

Evapotranspiration relative

L'évapotranspiration relative est le quotidien de l'évapotranspiration réelle sur l'évapotranspiration potentielle, exprimée en pour cent. Il caractérise la disponibilité de l'eau pour la croissance des cultures, et est proportionel au niveau de croissance.

L'indice de sécheresse de l'evapotranspiration

L'indice de sécheresse de l'évapotranspiration (EDI) est défini comme l'évapotranspiration réelle (LE) au cours de l'évapotranspiration potentielle (LEP), sur une échelle de temps d'un ou plusieurs mois. Il est comparable au produit d'évapotranspiration relative (RE), mais ensuite appliqué à une période plus longue, et approprié pour caractériser les conditions de croissance des cultures pendant une partie importante, ou toute la saison de croissance:

EDI = LE / LEP      [1-3 mensuel]


Evapotranspiration différentielle

Le produit de l'évapotranspiration différentielle (DE) compare l'évapotranspiration relative (RE) dans la période actuelle à l'évapotranspiration relative pour la même période dans une ou plusieurs années de référence (RE*):

DE = (RE - RE*) / RE*       [%]

Habituellement, la période de référence est l'année précédente ou la moyenne des cinq années précédentes. DE est exprimée en pourcentage de diminution ou d'augmentation par rapport à la période de référence. Si appliquée à une période de la saison de croissance, DE peut être utilisée comme un indicateur de la production agricole par rapport à d'autres années.

L'image ci-dessous montre un exemple pour l'Afrique de l'Ouest. Notez qu'en général les cartes DE se laissent mieux interpreter en combinaison avec le produit sur lequel elles sont basées, qui en ce cas est l'évapotranspiration relative mensuelle, également appelée indice de sécheresse de l'évapotranspiration (EDI).


Indice de sécheresse liée aux précipitations

L'indice de sécheresse de la précipitation (PDI) est défini comme la précipitation (PRC, en mm) divisée par l'évaporation potentielle (Ep, en mm), exprimée en pourcentage sur une échelle de temps d'un ou de plusieurs mois:

PDI = PRC / EP       [x-mensuel]

Un PDI inférieur à 100% signifie que la précipitation était inférieure à l'évapotranspiration potentielle. Par conséquent, la précipitation ne pouvait pas approvisionner suffisamment d'eau pour une croissance optimale. Toutefois, un PDI supérieur à 100%, ne signifie pas nécessairement que des conditions optimales sont atteintes pour la croissance, alors qu'une partie inconnue de la pluviométrie est perdue dans les eaux de ruissellement et percolation profonde.

Prévisions de rendement des cultures

Évoluation et previsions des rendement des cultures

L'ECGM est un modèle de croissance des cultures, qui utilise les sorties de rayonnement et d'évapotranspiration d'EWBMS pour produire des estimations de la biomasse. C'est un modèle relativement simple, qui considère la plante comme un organe unique, qui produit et accumule des hydrates de carbone ('matière sèche'). Il assume que le rendement économique soit proportionnel à la production de matière sèche. La simulation de la production de biomasse est faite sur une base quotidienne et implique le calcul du rayonnement actif photosynthétique, l'utilisation efficace de lumière photosynthétique, interception de la lumière par la végétation, niveau de croissance relatif dû à la limitation de l'eau, la photosynthèse brute, respiration de l'entretien, et finalement la production nette de la biomasse et son accumulation. Un exemple d'une telle simulation est montré dans le graphique ci-dessous. Toutefois il est difficile d'estimer la biomasse réelle exactement de cette façon, car il y a beaucoup de facteurs additionels qui jouent un rôle (qualité de graine, type de sol, engrais, gestion des cultures). Par conséquent, une approche différentielle est généralement suivie, où l'écart du rendement prévu par rapport à une serie d'années de référence, ou "rendement de différence", est présenté.

Pour des applications pratiques, il suffit d'estimer le rendement relatif des cultures (RY) directement de l'évapotranspiration relative, sur la base d'une relation qui a été développée par Stewart (1973) et Doorenbos et Kassam (1979), stipulant que le déficit relatif de rendement est proportionnel au déficit relatif de l'évapotranspiration:

(1 - RY) = k (1 - RE)

Cette relation découle du fait que l'absorption de CO2 et la transpiration des plantes sont régulées par les stomates de la plante et sont donc proportionnelles. Ici, l'évapotranspiration relative s'applique à toute la saison croissante, habituellement une période de 3 mois. Le facteur k est lié à la sensibilité de la sécheresse d'une culture. Par exemple, pour le maïs k = 1.25 (sécheresse sensible), et pour le sorgho k = 0.9 (résistant à la sécheresse). Pour une culture intermédiaire (par exemple le blé) k = 1. Dans ce cas, le rendement relatif est égal à l'évapotranspiration relative (RY = RE). Enfin, le rendement de la différence (DY) découle de:

DY = (RY - RY*) / RY*

Où RY* est le rendement relatif de référece. Des rendements de différence sont habituellement présentés relativement à l'année précédente et/ou relativement à la moyenne des 5 dernières années.