Cartographie par télédétection optique MODIS des couverts neigeux en montagne

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Français
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Niveau: Supérieur, Master, Bac+5
Cartographie par télédétection optique MODIS des couverts neigeux en montagne : réalisation et analyse topographique (Asie centrale, Alpes) Laboratoire d'accueil : LTHE (Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement) Bâtiment CERMO 460 rue de la piscine Domaine universitaire , BP 53 38041 Grenoble cedex 09 Directeur de PFE : - M. Jean-Pierre Dedieu, chargé de recherche CNRS au LTHE Correcteurs :- Mme Tania LANDES, Maître de conférences, INSA Strasbourg -Mme Françoise NERRY, LSIIT Mémoire Présenté et soutenu le Mardi 14 juin 2011 Pour l'obtention du diplôme d'ingénieur INSA Spécialité topographie Par Violaine DOUTRELEAU Laboratoire d'accueil : LTHE (Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement) Bâtiment CERMO Domaine universitaire BP 53 38041 Grenoble cedex 09 Directeur de PFE : - M. Jean-Pierre Dedieu, Chargé de Recherche CNRS au LTHE Correcteurs :- Mme Tania LANDES, Maître de Conférences, INSA Strasbourg -Mme Françoise NERRY, LSIIT

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Publié le 01 juin 2011
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Langue Français
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Cartographie par télédétection optique
MODIS des couverts neigeux en montagne :
réalisation et analyse topographique
(Asie centrale, Alpes)

Mémoire
Laboratoire d’accueil : LTHE (Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie Présenté et soutenu le
et Environnement) Bâtiment CERMO

460 rue de la piscine Mardi 14 juin 2011
Domaine universitaire , BP 53
38041 Grenoble cedex 09
Pour l’obtention du diplôme d’ingénieur

Directeur de PFE : - M. Jean-Pierre Dedieu, chargé de recherche CNRS au LTHE INSA

Spécialité topographie
Correcteurs :- Mme Tania LANDES, Maître de conférences, INSA Strasbourg Par Violaine DOUTRELEAU -Mme Françoise NERRY, LSIIT

Laboratoire d’accueil : LTHE (Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie
et Environnement)

Bâtiment CERMO
Domaine universitaire
BP 53
38041 Grenoble cedex 09


Directeur de PFE : - M. Jean-Pierre Dedieu, Chargé de Recherche CNRS au LTHE


Correcteurs :- Mme Tania LANDES, Maître de Conférences, INSA Strasbourg
-Mme Françoise NERRY, LSIIT




Violaine Doutreleau



REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier en premier lieu toutes les personnes qui m’ont suivie, encouragée et donné les
moyens de parvenir à l’accomplissement de ces études.

Particulièrement, suite à ce projet de fin d’études, je remercie Mr J.-P. Dedieu, mon maitre de stage,
qui m’a encadré durant ce projet. Diplômé de l’IGN, et chargé de recherche CNRS au LTHE
(Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement), il a validé les différentes étapes
de mon travail et m’a permis de mieux comprendre certains points théoriques. Ses connaissances
m’ont guidée au fil de ce projet.

Pour l’aspect technique d’utilisation des logiciels je remercie les multiples membres du LTHE qui m’ont
permis d’avancer dans mes recherches.
Christine Barachet, informaticienne de formation m’a permis de mieux comprendre la philosophie du
langage python. Nous avons pu échanger des idées et solutions avec les stagiaires Alexandre Mary
de Météo-France (travaille sous Geomatica) et Romain Lemettais (travaille sous ArcGis et Access).
Julie Gardelle ancienne INSA, doctorante en glaciologie m’a permis de mieux comprendre certains
paramètres utilisés sous Géomatica.

Je tiens également à remercier d’autres étudiants du LTHE qui se sont questionnés sur ma production
de cartes. Ceci m’a apporté de nouvelles pistes de recherche et une autre vision de mon travail.

Puis l’interaction avec le monde de la recherche m’a permis de découvrir de nouveaux logiciels, et
fonctionnalités de logiciels que je ne connaissais pas encore et qui m’ont facilité le travail (Ant
Renamer, TeamViewer…).

Enfin je remercie le LTHE, mon laboratoire d’accueil, qui m’a permis de réaliser ce projet dans de
bonnes conditions autant au niveau social que professionnel.
Rapport de PFE-Juin 2011



SOMMAIRE
1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 1
1.1 Le sujet d’étude ... 1
1.2 Contexte du projet ............................................................................................................................. 1
1.2.1 Le laboratoire d’accueil ................... 1
1.2.2 Projet de réalisation de cartes (Kyrgyzstan) .................... 2
1.2.3 Projet d’analyse topographique de l’enneigement (Europe) ........................... 2
1.3 Les objectifs et les lignes suivies .................................................................................................. 3
1.4 Plan du rapport .................................. 3
2 LE CAPTEUR MODIS ................................................................................................ 5
2.1 Les caractéristiques techniques du capteur MODIS .............................. 5
2.2 Les produits issus du capteur MODIS ......................................................................................... 5
2.2.1 Les données de réflectance MOD09 ................................ 6
2.2.2 Les produits de neige ...................................................... 7
3 ETAT DE L’ART ......................................................................................................................................... 9
3.1 Présentation de la méthode actuelle de réalisation des cartes ........ 9
3.1.1 Les algorithmes ............................................................. 10
3.1.2 Analyse des cartes ......................................................................................... 12
3.2 Analyse topographique des couverts neigeux ..................................... 14
3.2.1 Bilan des connaissances ................................................................................ 14
3.2.2 Résultats des précédents stagiaires ............................................................... 15
4 SUIVI DYNAMIQUE DE L’ENNEIGEMENT, BASSIN VERSANT DU SYR DARIA AU
KYRGYZSTAN ....................................................................................................................................... 17
4.1 Les données ...... 17
4.1.1 Images de réflectance ................................................................................................................... 17
4.1.2 Produit- neige ............................... 17
4.1.3 MNT SRTM .................................................................................................................................... 17
4.2 Traitements ...... 19
4.2.1 Suivi de la chaine de traitements .. 19
4.2.2 Précision relative des deux types de cartes ................................................................................... 21
4.2.3 Carte d’occupation des sols ........................................... 22
4.2.4 Suivi temporel de la surface enneigée ........................... 23
4.3 Analyse des résultats ..................................................................................... 24
4.3.1 Evaluation de l’automatisation ..................................................................... 24
4.3.2 Evaluation qualitative ................... 24
4.3.3 Précision relative des cartes .......................................... 24
Violaine Doutreleau



4.3.4 Suivi temporel de la surface enneigée ........................................................................................... 28
5 ETUDE TOPOGRAPHIQUE DE L’ENNEIGEMENT SUR L’EUROPE ........................................... 33
5.1 Les données ...................................................................................................... 34
5.1.1 Les cartes ...... 34
5.1.2 Le MNT et ses produits dérivés ..................................... 34
5.1.3 Les données statistiques ............................................................................... 36
5.2 Les traitements ................................................................ 37
5.2.1 Suivi temporel de la surface enneigée ........................... 37
5.2.2 Relation Altitude / Enneigement ................................... 37
5.2.3 Relation Orientation/Enneigement ............................... 38
5.2.4 Etude de la limite inférieure de la neige ........................................................................................ 39
5.2.5 Relation Orientations/Limite inférieure de la neige ...... 40
5.2.6 Etude de la durée moyenne d’enneigement .................. 40
5.3 Analyse des résultats ..................................................................................................................... 41
5.3.1 Suivi temporel de la surface enneigée ........................... 41
5.3.2 Relation entre enneigement et altitude ........................ 43
5.3.3 Courbes de fusion par tranche d’orientation ................. 48
5.3.4 Limite de la neige .......................................................................................................................... 49
6 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ..................................... 54
6.1 Réalisation des cartes sur le bassin versant du Syr Daria au Kyrgyzstan .................. 54
6.2 Analyse topographique de l’enneigement sur l’Europe ................................................... 54
6.3 Bilan sur le projet ........................................................................................... 55
7 TABLE DES ILLUSTRATIONS ............................................................................................................. 56
8 BIBLIOGRAPHIE .................................... 59
9 SITES INTERNET ................................................................................................... 61
10 TABLE DES ANNEXES ........................................................... 61

Rapport de PFE-Juin 2011
1 Introduction


1 INTRODUCTION
L’étude de la répartition des ressources en eau est une des clés de survie des populations. Utile pour
l’agriculture, la production d’énergie, et au maintien de la vie, l’eau est un des corps chimiques
essentiels de la Terre. En moyenne, 150L d’eau sont utilisés chaque jour en France par personne.

La préserver et conserver sa qualité est donc un enjeu de taille. Pour des études à l’échelle d’un
1
département ou d’un pays, la télédétection contribue à cette politique de préservation de l’eau.

L’analyse de la répartition et de l’évolution des stocks d’eau est utile d’une part pour la mise en place
de modèles hydrologiques et écologiques et d’autre part pour évaluer l’impact d’un changement
climatique. Ces deux dimensions interviennent dans mon projet.
1.1 LE SUJET D’ETUDE
La première partie de mon travail consiste à traiter des images optiques MODIS (MODerate
Resolution Imaging Spectroradiometer) afin d’en extraire des cartes de neige et des cartes de
pourcentage de neige en Asie centrale (Kyrgyzstan). Les cartes de neige donnent une information
binaire sur la présence de neige. Les cartes de fraction de neige estiment la présence de neige à
l’échelle sub-pixellaire en fournissant une fraction de surface enneigée.
La période d’étude est de 10 ans : du 26 février 2000 (premières acquisition du satellite Terra) au 31
décembre 2010 (fin de la période d’étude). Ce travail est réalisé dans la perspective de mise en place
de modèles hydrologiques et climatiques, pour une étude sur l’impact des barrages sur les ressources
en eau.

La seconde partie de mon étude concerne l’analyse des relations entre l’enneigement et la
topographie sur les bassins versants du Rhône (Suisse) et du Pô (Italie), ces deux derniers étant déjà
largement documentés. Cette étude contribue à évaluer l’impact du changement climatique sur les
couverts neigeux en zone de montagne.

Ce projet s’inscrit dans le programme européen FP7 ACQWA
(Assessing Climate impacts on the Quantity and quality of WAter). Le
FP7, ou septième programme cadre, est le programme cadre de l’union
européenne pour la recherche et le développement technologique.

Le programme ACQWA a pour but d’étudier les impacts d’un changement climatique sur l’hydrologie
en montagne. Il est coordonné par l’université de Genève. Ce programme se base sur 4 bassins
versants, celui de l’Aconcagua au Chili, du Rhône en Suisse, du Pô en Italie et du Syr Daria au
Kyrgyzstan.
Pour plus d’information, le site officiel est le suivant : www.acqwa.ch
Ma contribution se situe dans le Work Package (WP) 2.3 dont l’objectif général est de fournir une
description quantitative du changement climatique et indirectement de facteurs socio-économiques.
1.2 CONTEXTE DU PROJET
1.2.1 LE LABORATOIRE D’ACCUEIL
J’ai effectué ce projet au LTHE (Laboratoire d’étude des Transfert en Hydrologie et Evironnement). Ce
laboratoire est composé de 5 équipes de recherche et regroupe environ 120 personnes. Je fais partie
2
de l’équipe CHyC (Cryosphère , HYdrosphère et Climat de montagne). Plus d’information sur ce
laboratoire sont disponibles à l’adresse suivante : http://www.lthe.fr/LTHE/
1
1
La télédétection est l’ensemble des connaissances et techniques utilisées pour déterminer, au
moyen de mesures effectuées à distance, les caractéristiques physiques et biologiques des
phénomènes (Office québecois de la langue française, 2006).

2
La cryosphère désigne les régions recouvertes par de l’eau à l’état solide (Cryosphère, 2011).
Rapport de PFE-Juin 2011
1 Introduction


1.2.2 PROJET DE REALISATION DE CARTES (KYRGYZSTAN)
3
Le Kirghizstan ou Kirghizistan ou encore Kyrgyzstan (Figure 1), en Asie centrale est un pays
montagneux, à l'origine peuplé par des populations nomades. Ancienne république de l'URSS, il a
obtenu son indépendance en 1991. D’une superficie de 198 500km², il abrite 5 millions d’habitants.
Pour information, la superficie des glaciers sur le Kyrgyzstan a été estimée en 1960 à 8077km², selon
le catalogue des glaciers de l’URSS (1966).

Le besoin en cartographie au Kyrgyzstan est surtout géopolitique et économique. Le fleuve du Syr
Daria alimente le Kyrgyzstan, l’Ouzbékistan et le Kazakhstan en prenant sa source au Kyrgyzstan
dans la chaine de montagne du Tian Shan. Du Tian Shan à la mer d’Aral, le Syr Daria parcourt 3019
km.
Durant la période de l’URSS, le Kyrgyzstan devait fournir de l’eau en été à l’Ouzbékistan et au
Kazakhstan pour leur culture de coton (~800 000 ha irrigués), et en hiver ces deux derniers pays
devaient fournir de l’énergie au Kyrgyzstan. Aujourd’hui le Kyrgyzstan exploite ce fleuve pour combler
ses besoins en énergie, et les pays en aval dépendent de sa gestion des barrages pour l’alimentation
de leurs cultures.
Il est également possible qu’à l’avenir, le Syr Daria ne s’alimente plus suffisamment à cause du
changement climatique. D’où un projet de construction de réservoirs d’eau, directement en lien avec
ma production de cartes d’enneigement.
Les différents barrages se situent à la sortie du lac artificiel de Toktogul au nord-ouest du pays (Figure
2) à la frontière avec l’Ouzbékistan et à l’entrée de la rivière Naryn dans ce réservoir. Le Syr Daria est
divisé en deux affluents : le Naryn qui traverse le pays d’est en ouest (700 km de long, bassin versant
de 58 400 km²) et le Kara Daria (177 km de long, bassin versant de 30 177km²) de trajectoire Sud-est/
Nord-ouest.
Le principal glacier sur le bassin versant du Syr Daria (Figure 2) est l’Akshiriak (Ak-Shyyrak) dans la
chaîne de montagnes du TianShan à l’est du bassin versant.


Figure 1 : Localisation du
Kyrgyzstan(Wikipedia@,modifié)
Figure 2 : Localisation du bassin versant du Syr Daria au Kyrgyzstan
(intérieur de la courbe noire) avec localisation des glaciers (en
rouge)(UNDP@,2009)

Aucune étude n’a été menée jusqu’à présent pour quantifier les variations interannuelles de
l’enneigement sur le bassin versant du Syr Daria (≈112 000 km²) au Kyrgyzstan, d’où l’intérêt de mon
intervention.
1.2.3 PROJET D’ANALYSE TOPOGRAPHIQUE DE L’ENNEIGEMENT (EUROPE)
Pour deux raisons, l’analyse topographique de l’enneigement sur l’Europe a été divisée en deux
bassins versants : celui du Pô en Italie et du Rhône en Suisse (Figure 3). La première raison est que
leurs orientations prédominantes sont quasiment opposées avec, pour le Pô, une majorité des massifs
orientés Sud-est, Sud-ouest et, pour le Rhône, orientés Ouest, Nord-ouest. D’autre part ces deux
bassins versants subissent des courants atmosphériques très différents avec pour le Pô un régime
dominant méditerranéen et pour le Rhône un régime dominant Atlantique. Les courants 2
atmosphériques impliquent des différences lors de l’enneigement. Ainsi les Alpes du Sud sont
connues pour être généralement davantage enneigées que celles du Nord, car le courant

3
On utilisera le terme anglais Kyrgyzstan tout au long de ce mémoire.
Violaine Doutreleau
1 Introduction


méditerranéen se déverse en premier sur les Alpes. Par contre, dans le cas du courant océanique, les
précipitations se heurtent d’abord aux Préalpes suisses et françaises.
Ces deux bassins versants ont une superficie respective de 5000km² pour le Rhône en Suisse, et de
37000km² pour le Pô en Italie (ce qui est de 3 à 20 fois inférieur au bassin versant du Syr Daria, en
Asie centrale).



Figure 3 : Localisation des bassins versants du Rhône (bleu) et du Pô (rouge) (MOD09 WIST@, modifié)

Pour information, les coordonnées géographiques centrales du Rhône sont : Long. : 7°30’ ; Lat. :
46°10’ et celles du Pô: Long. : 8°00’ ; Lat. : 45°10’. Les limites nord et sud des bassins versants sont
séparées d’une distance de 90 km pour le Rhône et de 290 km pour le Pô.
1.3 LES OBJECTIFS ET LES LIGNES SUIVIES
Les objectifs sont la création et l’analyse de cartes de neige et de fraction de neige sur le bassin du
Syr Daria (Kyrgyzstan) en utilisant un protocole déjà validé (Boos, Notice explicative_ABOOS, 2009).
Cette réalisation de cartes s’est orientée vers la programmation sous les logiciels ArcGis v.9.3
(langage python) et Geomatica PCI v.9.1 (langage «easi» et modeler) pour automatiser le protocole
de réalisation des cartes. Geomatica PCI est un logiciel de télédétection canadien distribué dans plus
de 135 pays (http://www.pcigeomatics.com/ ). Il permet de gérer un grand nombre de formats et peut
combiner des données raster et vecteur. Une fois les cartes créées, une analyse de précision ainsi
qu’un suivi temporel de la variation de surface enneigée ont été réalisés. Il a également été
nécessaire de compléter la base de données de cartes pour les bassins versants du Rhône et du Pô.

Pour l’étude des relations entre enneigement et topographie, il a été nécessaire de créer de nouvelles
cartes permettant d’exploiter cette relation. Ainsi nous avons créé des cartes de corrélation entre
enneigement et orientation, enneigement et limite de neige, enneigement et altitude de nuage et enfin
entre enneigement et orientation de nuage. Puis il a fallu automatiser l’extraction de données
statistiques pour l’exploitation de ces cartes.
1.4 PLAN DU RAPPORT
Ce rapport sera divisé en 6 grandes parties, la première étant l’exposé de cette introduction.
La seconde partie traitera des données MODIS utilisées en spécifiant ses caractéristiques techniques.
La troisième partie établira un état de l’art des différentes études réalisées sur mon projet et se
divisera donc en deux sous-parties : la création des cartes de neige et l’analyse topographique de
l’enneigement.
Les quatrième et cinquième parties décrivent les données, traitements et résultats obtenus
respectivement suite au suivi dynamique de l’enneigement sur le Kyrgyzstan et à l’analyse
topographique de l’enneigement sur l’Europe.
3 Enfin la conclusion présentera un bilan des travaux réalisés et proposera des perspectives sur les
futurs travaux à réaliser pour compléter cette étude.


Rapport de PFE-Juin 2011