Le passé, le présent et le futur de l’observation de la Terre par satellite pour la surveillance de l’environnement : une perspective canadienne

Douglas Bancroft, directeur général,Centre canadien de télédétection,

octobre 2012

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Aperçu Naissance de l’observation de la Terre (OT) moderne

par satellite Quatre décennies d’innovation et d’application Prochaines étapes : nouvelles missions satellitaires Enjeux environnementaux prioritaires au Canada Le défi : des ressources spatiales aux avantages pour

la société La réponse de la communauté de l’OT du

gouvernement du Canada Mot de la fin

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Naissance de l’observation de la Terre (OT) moderne par satellite au Canada

1971 : fondation du Centre canadien de télédétection (CCT) pour « produire d’une manière opportune et

efficace les données de télédétection et l’information dérivée nécessaires à la gestion des ressources naturelles et de l’environnement au Canada, et pour réaliser et soutenir la recherche et le développement sur la collecte, le traitement et l'interprétation de ces données. »

1972 : 1ère installation de réception de données d’OT établie à Prince Albert.

1972 : Réception de la 1ère image Landsat-1 (satellite 1 d’Earth Resources Technology des États-Unis).

4

Années 1970 : établissement du Canada comme premier partenaire des É.-U. et chef

de file en matière d’OT par satellite 1er pays à se joindre au programme d’observation de la Terre des É.-U. Contribution à l’élaboration de systèmes de traitement des données

Landsat et SPOT (Système probatoire d‘observation de la Terre). Membre actif du Groupe de travail des opérateurs des stations au sol

Landsat. Élaboration de plusieurs méthodes

d’avant-garde pour l’étalonnage géométrique et atmosphérique et l’extraction d’information.

Production d’images du Thematic Mapper (TM) de Landsat des capitales canadiennes et d’autres villes importantes du Canada.

Élaboration de produits normalisés à l’aide du TM de Landsat pour la cartographie des forêts, des cultures et de la géologie.

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Réalisation de la première estimation opérationnelle des superficies cultivées en pommes de terre en 1980, pour Statistique Canada.

Le département de l’Agriculture des États-Unis adopte les méthodes du CCT pour l’estimation des superficies cultivées.

Exploitation du Système de correction des images numériques pour le géocodage de produits numériques utilisant des données Landsat.

Élaboration de plusieurs tutoriels de télédétection utilisés partout dans le monde.

Début de travaux préparatoires de R et D pour Radarsat : traitement de données RSO; applications relatives aux glaces et à

la géologie.

Années 1980 : début de la télédétection opérationnelle

Statistique Canada

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Années 1990 : surveillance opérationnelle des glaces, R et D pour des applications RSO et

produits à l’échelle nationale Méthodes et outils pour la surveillance des

glaces à l’aide de Radarsat-1 – Service canadien des glaces.

Technologie et applications RSO élaborées et transmises à plus de 30 pays;

Information et produits à l’échelle nationale pour la surveillance de l’environnement, par ex. : couverture terrestre, albédo; indice de surface foliaire, feux de forêts.

Élaboration du premier progiciel de traitement et d’affichage d’images hyperspectrales.

Transfert de nombreuses technologies àl’industrie.

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Entrée dans le 21e siècle : foisonnement des applications d’OT…

Archives de données satellitaires àlong terme;

Paramètres et processus à la surface de la Terre, par ex. : productivité primaire nette des

écosystèmes; évapotranspiration.

RSO pour la surveillance inondations; glissements de terrain; infrastructures en milieu pergélisolé.

OT à l’appui des données environnementales cartographie des zones urbaines; MAN à haute résolution.

Étendue des glaces en été dans l’Arctique

Trichtchenko, 2008

8

Cartographie de la couverture des terres et de l’utilisation du sol pour l’évaluation

environnementale Carte de la couverture des terres

(autour de l’an 2000) à résolution de 30 m, utilisée pour : l’estimation de la biomasse

forestière; l’inventaire de l’utilisation des

terres agricoles; la comptabilisation des

émissions de gaz à effet de serre.

Information sur la couverture des terres et l’utilisation du sol pour l’évaluation de la biodiversité.

Carte à résolution de 250 m de la couverture des terres à l’échelle continentale, à l’appui des évaluations environnementales de l’ALENA. Carte de la couverture des terres,

Latifovic et al., 2010 (CCT)

9

Surveillance opérationnelle de la limpiditéde l’eau et de la productivité des

écosystèmes marins EC : télédétection

opérationnelle de la couleur de l’eau pour des eaux intérieures canadiennes choisies en temps quasi réel.

MPO : télédétection opérationnelle de la concentration de chlorophylle et de la température de surface, pour déterminer la productivité primaire des écosystèmes marins.

Carla Caverhill, MPO

Concentration de chlorophylle Température de surface de la mer

Couleur de l’eau dans les Grands Lacs

Binding et al., EC

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Prochaines étapes : nouvelles missions satellitaires d’OT pour la surveillance de l’environnement

Missions satellitaires planifiées : amélioration des résolutions spatiales, temporelles et spectrales : Mission Constellation RADARSAT Sentinelles 1, 2, 3 Mission de continuité des données Landsat

(Landsat Data Continuity Mission [LDCM]) ALOS2 EnMAP GRACE-2 JPSS

Nouvelles frontières : boucler le cycle de l’eau : stockage total d’eau,

humidité du sol, niveaux d’eau, précipitations; sources de GES : CO2, CH4, SO2, NO2. Systèmes satellitaires pour l’observation

de l’eau

11

Le défi mondial :Transformer les ressources spatiales en avantages concrets pour la société

Eau

MétéorologieAgriculture

Biodiversité

Climat

Catastrophes

Santé

Énergie

Écosystèmes

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Défi du Canada : masse continentale et littoral par rapport au PIB -

L’OT par satellite est essentielle.

Région PIB(milliards de

dollars)

Superficie terrestre

(millions de km2)

PIB/superficie (milliards de $ par

million de km2)

Territoires nordiques

6 4 1,5

Ensemble du Canada

1 500 10 150

États-Unis 14 000 9,2 1 520

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Causes et mesures d’atténuation Émissions de gaz à effet de serre. Changement d’affectation des terres.

Répercussions et adaptation Ressources en eau. Phénomènes extrêmes : sécheresses,

inondations. Ressources en biomasse : productivité

par rapport aux perturbations (feux, ravageurs).

Possible dégel du pergélisol émission de grandes quantités de méthane; risques pour les infrastructures.

Services écosystémiques santé humaine; biodiversité.

-15 -10 -5 0 10 20 30 >30 cm

N o n p e r m a f r o s t a r e a

Enjeux environnementaux prioritaires au Canada :Changement climatique

Dégel du pergélisol, Zhang et al. (CCT)

Surveillance des feux, Landry et al. (CCT)

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Enjeux environnementaux prioritaires au Canada : Régimes de réglementation efficaces et efficients Le Canada est reconnu comme un

chef de file mondial en matière d’énergie et de ressources.

Il possède un énorme potentiel de prospérité économique, mais également une responsabilitéenvironnementale.

Les pressions environnementales et sociales convergent.

Un régime de réglementation efficace et efficient est essentiel au développement responsable.

La surveillance environnementale constitue un apport essentiel aux cadres de réglementation.

15

Des données de base pour l’évaluation des impacts sur l’environnement longues séries chronologiques, avec une résolution temporelle

permettant de déceler les modifications de l’environnement; couverture nationale, à résolution spatiale représentant les cibles.

Surveillance de la conformitéaux règlements construction d’infrastructures; bassins de résidus; remise en état.

Surveillance des effets environnementaux cumulatifs air; eau habitats fauniques et biodiversité.

Et l’amélioration des régimes de réglementation nécessite…

16

Défis pour la communauté de l’OT par satellite : des investissements dans le secteur spatial aux

avantages pour la société Réception, archivage, traitement et distribution

des données satellite. R et D pour des applications avant le lancement. Élaboration d’applications

R et D axée sur les enjeux. Transition vers les opérations

intégration aux processus décisionnels; approche pluridisciplinaire et

transdisciplinaire; de « l’article évalué par des pairs » au

« produit »; des « méthodes » à la « capacité ».

Intégration horizontale sur le plan scientifique

par satellite–in situ; pluridisciplinaire; sur le plan organisationnel; sur le plan du soutien à la prise de

décisions.

17

La réponse de la communauté de l’OT au sein de la « famille fédérale

canadienne »…

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Surveillance opérationnelle de l’intégritéécologique dans les parcs nationaux

Outils et protocoles d’OT opérationnels élaborés et intégrés à la surveillance de l’intégrité écologique des parcs nationaux couverture des terres; indice de surface foliaire,

biomasse, feuillage; Pergélisol.

Résultats utilisés dans les rapports officiels sur l’état des parcs nationaux.

Modèle d’approche pluridisciplinaire pour mettre en œuvre l’OT

Cartographie prédictive des écosystèmes du parc national Ivvavik. La carte à résolution de 10 m a été

dressée à l’aide d’images satellite multispectrales SPOT HRVIR et des attributs de terrain provenant d’un modèle

altimétrique numérique(Fraser et al., 2011, CCT)

Parc national Ivvavik

19Surveillance des déversements illégaux d’hydrocarbures dans les eaux canadiennes

Surveillance intégrée des pollueurs par satellite (ISTOP)

20

Infrastructures au sol pour satellites :les nouveaux investissements du GC permettront d’obtenir une

couverture suffisante des terres et des eaux canadiennes

Station de réception d’Inuvik

Station de réception de Gatineau

Station de réception de Prince Albert

21

Le GC mettra en œuvre un réseau interconnecté d’installationspour satellites, de classe mondiale, pour la réception,

l’archivage, le traitement et la distribution de données d’OT.

22

R et D pour des applications préalables au lancement MCR : applications de

polarimétrie compacte Eaux de surface Terres humides Glace fluviale Déversements de pétrole Biomasse Mouvements de terrain

Sentinelles : applicabilité aux priorités canadiennes Agriculture Forêts

EnMAP Surveillance des bassins de

résidus Santé des écosystèmes

Missions de la Constellation Radarsat

Type de

glace

Structure de la biomasse

Terres

humidesVan Sander, CCT

Touzi, CCT

Charbonneau, CCT

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Soutien à la gérance de l’environnement Exemple : sables bitumineux

Surveillance des impacts sur l’environnementSoutien aux politiques stratégiques

Surveillance de la conformité

Surveillance de la conformité Surveillance de

la performance

Surveillance de la performance

Échantillonnage in situ et extrapolation

Échantillonnage in situ et extrapolation

Surveillance des conditions de référence

Surveillance des conditions de référence

Surveillance de l’état cumulatif

Surveillance de l’état cumulatif

Surveillanceet contrôle

Surveillanceet contrôle

Surveillance des effets cumulatifs

Surveillance des effets cumulatifs

Par ex. surveillance des lacs sensibles à l’acidificationL’échantillonnage de centaines de lacs réalisé par avion en Alberta, en Saskatchewan et au Montana, tel qu’indiqué dans le PGI, coûte cher, ce qui limite la surveillance. La télédétection est un outil de surveillance économique, puissant et complémentaire.

Surveillance de la conformité à la réglementationpour l’application des règlements

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Détection des changements liés aux ouvrages anthropiques et aux activités connexes Chercheurs principaux : Bert Guindon et

Ying Zhang, CCT Contact en Alberta : Energy Resource

Conservation Board (ERCB) Extrants proposés :

Méthodes et outils pour la surveillance opérationnelle de la construction d’infrastructures et de perturbations terrestres à l’aide d’images à haute résolution.

Produits d’information pour les sites à l’étude ou la région des sables bitumineux.

Recommandations visant à intégrer les extrants aux activités de surveillance de la conformité.

Collaborateurs : ERCB, AE, SST-DIC

1Détection des perturbations dues à

l’aménagement d’infrastructures d’après une image à haute résolution

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Surveillance de l’injection de vapeur àl’aide de données InSAR

Blowout

Chercheur principal : Vern Singhroy, CCT Contact en Alberta : ERCB Extrants proposés :

Cartes InSAR de déformation du terrain àdes sites où la géologie est variable Corrélation des données InSAR avec les

résultats de modèles de soulèvement par injection de vapeur produits par l’industrie. Renforcement des capacités de l’ERCB

pour soutenir l’utilisation de l’InSAR. Collaborateurs : ERCB, Compagnie

Pétrolière Impériale Ltée, ESSO, Exxon Mobil, Conoco Philips, Commission géologique du Canada, ASC.

2

26

Évaluation et surveillance de l’état de la surface terrestre par OT

Chercheurs principaux : R. Latifovic, D. Pouliot et R. Fernandes, CCT

Contact en Alberta : Alberta Environment (AE) Extrants proposés :

Longues séries chronologiques de données satellitaires multicapteurs, cohérentes àl’échelle régionale (haute résolution temporelle et résolution spatiale de 0,03 à1 km).

Indicateurs de surface (couverture des terres, indice de surface foliaire, fRPAA, neige, etc.) pour établir des valeurs de base, analyser les tendances et soutenir la modélisation (processus liés à la surface terrestre/l’eau/l’air).

Méthodes permettant la surveillance de la surface terrestre en temps quasi réel par les organismes de réglementation.

Collaborateurs : SCF, EC, PC, ASC, chercheurs universitaires…

3

27

RSO pour la surveillance des niveaux d’eau4

Chercheur principal : Brian Brisco, CCT

Contact en Alberta : AE Extrants proposés – R et D :

Évaluation de la technologie InSAR pour l’estimation des niveaux d’eau. Données RSO contribuant aux outils

de cartographie des terres humides et évaluation de la technologie. Recommandation pour une approche

opérationnelle d’estimation des niveaux d’eau au moyen de données RSO.

Collaborateurs possibles : EC, Canards Illimités Canada, ASC, chercheurs universitaires…

Printemps Été

ERS-1/TM Classification des milieux humides

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Chercheur principal : Ridha Touzi, CCT

Contact en Alberta : Sustainable Resource Development (SRD), ERCB, AGS, AE

Extrants proposés : Méthodologie du RSO

polarimétrique pour la classification des tourbières et la détection des changements.

Méthodes de surveillance des changements à long terme de l’écoulement de l’eau dans les tourbières en surface et sous la surface (Radarsat 2, ALOS).

Collaborateurs possibles : SRD, ERCB, AGS, AE, ASC…

RSO polarimétrique pour la surveillance des tourbières5

Tourbière minérotrophe à carex et à scirpe

29

Projet de SC : technologie hyperspectrale pour la surveillance de la santé des écosystèmes

Sites pour des études hyperspectrales

6

Organisation directrice :Université de Victoria

Participants : Univ. de Calgary, Univ. de l’Alberta, Univ. de Lethbridge, gouv. de l’Alberta

Extrants proposés : Images aériennes multicapteurs traitées

pour des zones choisies. Indicateurs de la santé de la végétation. État des terres humides. Processus de remise en état des

terrains. Accroissement d’échelle pour simuler

les exigences en matière de capteurs hyperspectraux spatiaux.

Collaborateurs : RNCan (CCT et SCF), gouv. de l’Alberta (TecTerra), EC

30

Mise en application des satellites GRACE :caractérisation des changements dans le stockage d’eau

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ONQC

WIWI

MIMI

IAIA

ILILPAPA

NYNY

MNMN

ININ OHOH NJNJMOMO WVWV

-76°

-76°

-80°

-80°

-84°

-84°

-88°

-88°

-92°

-92°

50° 50°

48° 48°

46° 46°

44° 44°

42° 42°

Données de satellite GRACE

Stockage total d’eau souterraine dans la région des Grands Lacs (Huang et al., 2012, CCT)

Les satellites GRACE permettent de prendre des mesures gravimétriques, et ont démontré qu’ils pouvaient servir à surveiller les changements dans le stockage total d’eau.

Le CCT et la DLG ont élaboré cette technologie àl’interne, dans le cadre du programme des eaux souterraines du Secteur des sciences de la Terre.

À droite, l’exemple des Grands Lacs.

31

Mise en application : Quantification de la disponibilité des ressources en eau

Water closureValidation

Input

Intégration fondée sur la physique de données acquises par plusieurs satellites ou sur le terrain pour l’estimation du cycle de l’eau (Wang et al., 2012, CCT)

Les archives de données satellitaires à long terme et les données Radarsat sont utilisées pour cartographier les eaux de surface et l’état du terrain; combinées avec d’autres données pour alimenter :

l’estimation du cycle de l’eau au moyen d’une intégration fondée sur la physique,

qui peut être validée par les changements dans le stockage totale d’eau déterminés d’après des estimations tirées de données gravimétriques (GRACE).

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Mise en application : Surveillance de l’intégritéde l’habitat en milieu boréal

Version 1

Ian Olthof, CCT

Guindon et Zhang, CCT La population boréale du

caribou est en déclin; l’application de la LEP à cette population pourrait avoir des incidences sur de nombreux projets d’exploitation.

EC a fait d’importants investissements pour la cartographie des infrastructures en milieu boréal à l’aide de Landsat, mais les cartes doivent être mises à jour.

Le CCT a élaboré des méthodes et des outils de pointe qui peuvent servir àactualiser les cartes de façon économique.

Un partenariat est essentiel.

Données à haute résolution Cartographie des infrastructures

Données à résolution moyenne (SPOT 4-5)

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Partenariats stratégiques Partenaires stratégiques :

ASC, EC, PC, AAC, MDN, MPO Gouvernements provinciaux et

territoriaux Chercheurs universitaires Industrie

Collaboration internationales NASA, NOAA, USGS, ASE Agence spatiale allemande (DLR) Japon (JAXA) Chine (CEODE, Institut des

applications de la télédétection)

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Observation de la TerreLa source d’information la plus puissante pour comprendre et gérer les répercussions des activités humaines sur la planète le moyen le plus économique; observation à distance, synoptique et continue; solution inutile si elle n’est pas intégrée au processus

décisionnels des utilisateurs, des clients, des décideurs et des organismes de réglementation.

Missions d’OT opérationnelles Elles devraient être conçues dans le cadre des processus

décisionnels. La majorité des applications opérationnelles devraient être

élaborées avant le lancement.