Observation des océans par satellite : comment fiabiliser les données ?

L'étude et l'observation des océans, comme la hauteur des mers, permettent de comprendre l'évolution climatique de notre planète et desauvegarderles écosystèmes marins. Pour obtenirces informations, les satellites d'observation sontdevenusincontournables. Situés à plusieurs centaines de kilomètres de la surface, les capteurs fournissent des images caméras, des images radarset des données brutes qui nécessitent un traitement préalable afin que les scientifiques puissent les exploiter.

ALTEN, fort de sonexpérience en Big Data Spatial et entraitement de la donnée, collabore avec de grandes entreprises dans le domaine. Mais comment les données brutes collectées par les satellites d'observation deviennent-elles exploitables ? C'est ce qu'ALTEN vous propose de découvrir dans ce décryptage.

Observation des océans : quelles données
et comment les récupérer ?

Pour étudier le comportement des océans, les scientifiques utilisentles satellites de deux manières.

La première méthode consiste àeffectuer des relevés de données depuis l'espace. Dans ce cas, les satellites sont placés en orbite héliosynchrone (entre 35 et 786 km d'altitude) et sont équipés de capteurs photographiques ou de radars. De ce fait, ils sont capablesde récolter des « images » brutes en survolant les océans à intervalles réguliers. Une fois ces images obtenues, les satellites les transmettent aux stations au sol.

La secondeméthode est appelée« mesureIn-Situ »: Lesatellite n'est alors qu'un relais entre un appareil de mesure en mer et le centre de récolte de données. Pour ce faire, les organismes d'étude océanique disposentde réseaux de bouées et balises communicantes dans les zones à étudier. Celles-ci sont équipées pour mesurer des paramètres tels que la température ou la salinité de l'eau. Les résultats sont ensuite transmis par liaison satellite.

Les données récupérées par les stations au sol ne sont pas exploitables. Durant la phase de récolte par les satellites, de nombreux facteurs altèrent les données comme l'atmosphère, l'évolution de la position du satellite, les nuages. Ces données doivent donc être traitées afin que les effets des perturbations survenues durant la deuxième acquisition du satellite soient corrigés.

Comment les images satellites sont-elles traitées ?

Pour transformer les donnéesbrutesobtenuespar les satellites,en datas disponibles pour les clients,une procédure de chaîne de traitement des données est nécessaire. En ce sens, les chaînes de traitement sont normalisées par les différentes agences spatialessuivant la norme de CEOS et décrites en plusieurs niveaux :

• Niveau 0 : les données sont reconstruites mais non traitées. Elles sont fournies par le réseau de satellites en pleine résolution et accompagnées de toutes les informations nécessaires pour les traitements de niveau supérieur.

• Niveau 1 : tous les pixels ont été acquis à la même date au cours d'un passage du satellite. Le traitement ne fait pas d'hypothèse sur l'environnement observé. Chaque pixel de l'image est traité de la même manière. Le produit exprime les données en grandeur physique.

• Niveau 2 : les données doivent elles aussi être acquises en quelques instants. Mais cette fois, des traitements différenciés par type de pixel sont autorisés. Il est possible de faire des hypothèses sur l'atmosphère, l'état de la mer, les reflets du soleil ou encore la rotation relative de la Terre pour corriger les images.

• Niveau 3 : dans ce cas, le produit est constitué de données acquises à des dates différentes. Les images peuvent être retouchées de la même manière que celle décrite au niveau 2 et peuvent être fusionnées pour corriger des perturbations climatiques. Elles sont en général des synthèses périodiques (hebdomadaires, décadaires, mensuelles) des données obtenues au niveau 2.

• Niveau 4 : ce sont les sorties de modèle ou les résultats des analyses des données de niveau inférieur. En d'autres termes, il s'agit des variables qui ne sont pas directement mesurées par les instruments, mais qui en sont dérivées. Par exemple, avec la donnée de la hauteur des océans, la localisation des courants océaniques peut être déduite.

Plusieurs équipes d'ingénieurs doivent alors intervenir pour traiter toutes ces informations.

Une première équipe est en charge de l'implémentation des algorithmes(lissage, interpolation linéaire) qui, à partir d'une image peu précise, la corrige pour la rendre exploitable.

Une seconde équipe s'occupe de la vérification de la localisation et de l'angle de prise d'information des satellites. Etant donné que les satellites se déplacent à grande vitesse autour de la Terre, il peut y avoir une incertitude sur leur emplacement.

Une dernière équipe analyse les mesures obtenues comme la salinité, le niveau des océans, ou encore les tourbillons et met à disposition des clients les études réalisées.

Quels sont les champs d'application de ces mesures ?

Les données obtenues par l'observation des océans sont primordiales à l'échelle mondiale en termes de développement économique, écologique et social.

• Économique tout d'abord puisqu'elles serventpar exemple à définir et étudier les zones de pêche. La carte de globalfishingwatch.orga notamment été développée grâce aux données satellitaires. Cet outil permet de suivre en temps réel l'ensemble des bateaux de pêche dans les océans du monde entier. Il est également possible desurveiller les zones maritimes et leur état d'exploitation ou de surexploitationpour 90% des zonesde pêche).

'Les hommes pêchent dans les océans de la planète depuis 42.000 ans. Mais jusqu'ici, nous n'avions pas vraiment de vue d'ensemble sur où et quand les gens pêchaient.'
David Kroodsma, Directeur Recherche et Développement de l'ONG américaine Global Fishing Watch.

• Écologique ensuite puisque l'étude des niveaux des océans est l'un des premiers facteurs utilisés pour décrire l'état de réchauffement climatique. Et l'une des plus-values apportées par l'action des satellites est justement leur capacité à pouvoir observer l'impact de l'Homme sur les écosystèmes maritimes et détecter les dégazages d'hydrocarbures. Une action d'autant plus indispensable lorsque l'on sait qu'en 2019 par exemple, les satellites ont permis de suivre l'évolution de la nappe de pétrole causée par le naufrage du cargo Grande America, ou encore que plus d'un million de personnes habitent à moins de 500 mètres des côtes en France métropolitaine [1]; une proportion qui s'élève même à 16% à l'échelle mondiale.[2]
• Social enfin puisque les satellites sont des outils clés dans l'observation des océans et l'étude des phénomènes météorologiques maritimes. En plus de fournir des informations régulières utiles aux prévisions météorologiques, ils sont aussi utilisés pour étudier les phénomènes extrêmes tels que les tsunamis. Dans ce cas, ils peuvent relayer les premiers signaux d'alerte émis par les bouées en mer « DART », ou bien permettre d'étudier avec précision la propagation et l'intensité des vagues ou des ondes sismiques.

  Un autre rôle de surveillance des satellites a été mis en lumière avec l'accident de Kevin Escoffier en 2020. Ce marin participait au Vendée Globe lorsqu'il a émis un signal de détresse. Grâce à la balise présente sur son bateau, le skipper a été localisé et secouru rapidement. Ces balises sont devenues obligatoires pour les bateaux de plaisance et utilisent le réseau satellitaire pour fonctionner.

Pour toutes ces raisons, l'observation des océans et la fiabilisation des données obtenues grâce aux satellites sont des enjeux primordiaux. La clé de développement de ces activités se situe autour d'un besoin en traitement de données plus rapide et plus fiable, alors même que le flux de données entrant grandit. Les experts misent notamment sur le développement de nouveaux algorithmes d'intelligence artificielle pour répondre à ces impératifs.

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