SO HYBAM / Technics / Station limnimétrique virtuelle

Station limnimétrique virtuelle

Principe de l'altimétrie spatiale

Toute intersection d'un plan d'eau continental avec la trace au sol d'un satellite équipé d'un altimètre constitue une station limnimétrique virtuelle potentielle, susceptible de suivre dans le temps l'évolution de la hauteur du plan d'eau par rapport à un ellipsoïde.

Le principe de la mesure est résumé sur la figure 1 :l'altimètre envoie une impulsion en direction du nadir et mesure le temps mis par celle-ci pour se réfléchir sur la surface de la Terre et revenir vers l'altimètre. Connaissant la vitesse de propagation de l'onde dans les milieux traversés, ce temps de parcours permet de calculer la distance (R) entre l'altimètre et la surface réfléchissante. L'orbite du satellite (et donc sa hauteur H par rapport à un ellipsoïde) étant connue, la hauteur de la surface réfléchissante (h) par rapport à l'ellipsoïde peut être calculée (h=H-R). Dans la pratique, plusieurs corrections sont apportées à la mesure pour tenir compte des perturbations dues à l'atmosphère, l'ionosphère et marées terrestres solides et liquides.

Figure 1 : Principe de l'altimétrie spatiale (d'après da Silva, J. S., adapté de CNES/D. Ducros).

La fréquence des mesures le long d'un passage du satellite dépend de la mission : 10 impulsions par seconde pour Topex/Poseidon, 20 impulsions par seconde pour Envisat et Jason. L'écart de temps entre 2 passages consécutifs dépend lui de la répétitivité du satellite : 35 jours pour Envisat, 10 jours pour Topex/Poseidon et Jason, ce qui conditionne l'écart entre deux relevés de la série temporelle de hauteur du plan d'eau déduite.

Par ailleurs, la densité des traces au sol du satellite varie en raison inverse de sa répétitivité : 90 km entre 2 traces Envisat à l'équateur contre 315 km entre 2 traces Topex/Poseidon et Jason; d'où une densité de stations virtuelles potentielles plus faible pour Topex/Poseidon et Jason que pour Envisat. La figure 2 superpose les traces au sol de Topex/Poseidon et Jason (en rouge) avec celle d'Envisat (en jaune) dans une région d'Amazonie.

Figure 2 : Traces au sol Envisat (jaune) et Topex/Poseidon-Jason (rouge) autour de Manaus (Amazonie).

Une méthodologie de définition de stations virtuelles est appliquée dans le SO HYBAM au voisinage des stations in-situ et les séries de hauteurs associées sont disponibles ici (choisir "virtuelles" dans le type de station à sélectionner). Cette méthodologie manuelle a été développée par des équipes de recherche impliquées (entre autres) dans le projet commun IRD/ANA "Application de l'Hydrologie Spatiale au Bassin Amazonien", établi dans le cadre d'un accord avec l'ABC (Agence Brésilienne de Coopération). Des travaux sont en cours pour tendre vers une méthodologie totalement automatisée.

Le site du SO HYBAM sera également utilisé pour diffuser les données d'autres stations virtuelles produites par les équipes associées au Service d'Observation.

Définition d'une station virtuelle

VALS (Virtual ALtimetric Stations), un logiciel développé spécialement, permet de définir une station virtuelle à partir des informations fournies par les agences spatiales et d'en extraire une série chronologique de hauteurs d'eau après avoir sélectionné parmi les mesures instantanées (10 ou 20 par seconde) celles qui représentent la hauteur du plan d'eau. Cette méthodologie est décrite dans le manuel du logiciel et dans différents articles (voir bibliographie en fin de page) et ne sera pas répétée ici mais seulement illustrée par quelques figures se rapportant aux principales étapes de la méthode.

  • définition d'une zone d'étude autour d'une intersection d'un plan d'eau avec la trace au sol d'un satellite, à l'aide de Google Earth (figure 3)
  • extraction des mesures qui se positionnent dans la zone d'étude et représentation de la mesure altimétrique en fonction d'une distance au sol (figure 4)
  • sélection manuelle des mesures représentatives du plan d'eau (figure 4)
  • extraction, à partir des mesures sélectionnées, de la série chronologique qui est ensuite mise à disposition dans la partie Données du site du SO HYBAM (figure 5).
Figure 3 : Choix d'une zone d'étude (les points sont un sous-échantillonnage des mesures disponibles-1 point pas seconde).
 
Figure 4 : Sélection des mesures représentatives; les points reliés par un trait correspondent à un même passage, les points sélectionnés sont en rouge).
 
Figure 5 : Série chronologique extraite; temps en abscisse, hauteur par rapport à l'ellipsoïde en ordonnée; chaque hauteur est accompagnée d'une barre d'incertitude (en vert).
Format des séries de hauteurs altimétriques extraites

Les données téléchargées à partir du site du SO HYBAM le sont sous forme de fichier texte en colonnes, compatible avec le format csv. D'autres formats seront disponibles dans le futur. La figure 6 présente un exemple de fichier extrait dont voici la signification des colonnes :

  • id_station : code identifiant la station virtuelle
  • nom : nom de la station virtuelle
  • date : date et heure de la mesure
  • valeur : mesure en cm de la hauteur du plan d'eau par rapport à l'ellipsoïde de référence du satellite
  • incertitude : erreur en cm, estimée sur la mesure
  • origine : méthode utilisée pour calculer la valeur représentative de la hauteur à partir des mesures instantanées (au 1/20ème de seconde pour Envisat par exemple):
    • 0 : moyenne des hauteur
    • 1 : médiane des hauteurs
    • 2 : moyenne des hauteurs avec correction de l'effet off-nadir (cf. bibliographie)
    • 3 : médiane des hauteurs avec correction de l'effet off-nadir.
  • qualité :estimation de la qualité de la mesure en fonction du nombre de mesures instantanées utilisées dans la méthode de calcul (c'est à dire sélectionnées au voisinage de la station virtuelle) :
    • de 1 à E : 1, 2, 3, ... 14 mesures utilisées
    • F : plus de 14 mesures utilisées.
Figure 6 : Extrait de fichier téléchargé avec la hauteur relative à l'ellipsoïde en cm et l'incertitude associée à la mesure.
Bibliographie

Alsdorf, D.E., Rodriguez, E., Lettenmaier, D.P. « Measuring water surface from space ». Reviews of Geophysics, 45,1-24, (2007).

Calmant S., Seyler, F.,. « Continental surface water from satellite altimetry». C.R. Geosciences, 338, 1113-1122, (2006).

Calmant, S., Seyler, F., Créteaux, J.F. « Monitoring Continental Surface Waters by Satellite Altimetry ». In revision at Survey in Geophysics

Frappart, F., Calmant, S., Cauhope, M., Seyler, F. and Cazenave, A. « Preliminary results of envisat ra-2-derived water levels validation over the amazon basin ». Remote Sensing of Environment, 100(2), 252-264, (2006).

Kosuth, P., Blitkow, D., Cochonneau, G. « establishment of an altimetric reference network over the Amazon basin using satellite radar altimetry (Topex Poseidon) ». On 15 years of Progress in Radar Altimetry, Venice, Italy, ESA SP-614 July 2006, 8p, (2006).

Lee-L. Fu, Cazenave, A. Satellite Altimetry and Earth Sciences. A handbook of Techniques and Applications, Ed Academic Press, International Geophysics Series, Vol. 69, San Diego, USA , (2001).

Roux, E., Santos da Silva, J., Vieira Getiranaa, A. C., Bonnet, M.-P., Calmant, S., Seyler, F. « Producing timeseries of river water height by means of satellite radar altimetry – Comparison of methods ». In revision at Hydrological Sciences Journal – Journal des Sciences Hydrologiques.

Santos da Silva, Corrêa Rotunno Filho, O.J., Roux, E., Seyler, F., Calmant, S. « Níveis d’água nas zonas úmidas da bacia Amazônica estimadas por satelites altimétricos . II sympósio de Recursos Hidricos do Sul-Sudeste, 12-18 Outubro de 2008, Rio de Janeiro, (2008).

Wingham, D. J., Rapley, C. G., Griffiths, H. « New techniques in satellite altimeter tracking systems ». Proceedings of IGARSS’86 Symposium, Zurich, 8 –11 Sept. 1986, Ref. ESA SP-254, 1339–1344, (1986).

Zelli, C. « ENVISAT RA-2 advanced radar altimeter: Instrument design and pre-launch performance assessmentreview ». Acta Astronautica, 44, 323– 333, (1999).