Cartographie et surveillance des glaces de lac au moyen de satellites SAR

Torsten Geldsetzer et Joost van der Sanden, Ressources naturelles Canada, Centre canadien de télédétection

Glace de lac : Plusieurs milliers de lacs d’eau douce couvrent les paysages nordiques. Ainsi, la glace de lac représente une importante partie de la cryosphère et sa phénologie influence une gamme étendue de phénomènes naturels et d’activités humaines. La glace de lac régit la productivité biologique des écosystèmes lacustres, ainsi que la migration des espèces qui dépendent de la glace ou des eaux libres. La glace de lac détermine le prélèvement de l’eau en hiver pour la consommation humaine (des lacs peu profonds peuvent geler jusqu’au fond); elle permet l’aménagement de routes de glace, assurant en hiver un accès routier vers des lieux éloignés. En outre, la glace de lac influence les régimes climatiques et, par conséquent, les prévisions météorologiques et la modélisation du climat. En raison de sa sensibilité à la température de l’air, la glace de lac représente un indicateur efficace du changement climatique.

Figure 1. Lacs couverts de neige et de glace dans le PN Vuntut, au Yukon, à la fin du mois de mars 2009. Le contour des lacs est représenté en vert. L’image de gauche a provient d’un satellite Landsat optique. L’image de droite a été acquise à l’aide du satellite SAR Radarsat-2 en copolarisation et en polarisation croisée. Les lacs foncés comportent de la glace gelée jusq'au fond; les zones paraissant en rouge, en bleu et en blanc sur les lacs représentent trois différents types de glace flottante.

Caractéristiques des glaces : La phénologie des glaces de lac comprend trois principaux phénomènes glaciels : 1) englacement à l’automne, 2) gel jusqu’au fond en hiver et 3) fonte \ dégel au printemps. L’un des principaux objectifs consiste à cartographier et à surveiller les dates intra-annuelles et interannuelles de ces trois phénomènes. Le moment où se produisent ces événements repose principalement sur la température de l’air, bien que le vent, la couche de neige et la taille du lac (superficie et profondeur) jouent également un rôle. En hiver, la plupart des glaces sont flottantes. Toutefois, un gel jusqu’au fond peut se produire dans des lacs peu profonds, notamment dans les zones où la profondeur est inférieure à un ou deux mètres. Parmi les caractéristiques des glaces de lac, on note : la couverture des glaces de lac (pourcentage de glace par rapport à l’eau libre), le type de glace, l’épaisseur de la glace (habituellement moins de deux mètres) et les conditions à la surface (couverture de neige, phase de la fonte, structure cristalline).

Satellites SAR : Dans le Nord canadien, la cartographie et la surveillance des glaces de lac représentent un défi particulièrement important puisqu’il faut couvrir de vastes étendues géographiques en région éloignée, dans la noirceur hivernale ou sous une couverture nuageuse persistante. Des mesures doivent être prises fréquemment afin de cartographier l’état des glaces à des dates précises. Les satellites radar à synthèse d’ouverture (SAR) de télédétection sont les plus aptes à exécuter cette tâche. Les satellites SAR émettent et reçoivent des signaux radar hyperfréquences, et peuvent saisir des images de la Terre malgré une obscurité totale ou une couverture nuageuse (contrairement aux satellites optiques). Les satellites SAR enregistrent la rétrodiffusion, c’est-à-dire les signaux hyperfréquences reçus; l’intensité et les caractéristiques (par ex., la polarisation) de la rétrodiffusion permettent d’interpréter les conditions à la surface. Les signaux hyperfréquences peuvent traverser la couverture de glace et de neige à divers degrés, permettant la détection de l’eau sous la glace ou dans la couverture de neige.

Méthodes : À l’heure actuelle, la recherche et développement (R et D) se fait en collaboration avec Parcs Canada et se concentre sur les lacs dans trois des parcs nationaux (PN) du Canada les plus nordiques : PN Vuntut (Yukon); PN Tuktut Nogait (T.N.-O.); PN Ukkusiksalik (Nunavut). Cette R et D comporte quatre étapes :

1. Observer la rétrodiffusion SAR des glaces de lac à l’automne, en hiver et au printemps.
2. Établir des relations entre la rétrodiffusion et les propriétés géophysiques des glaces de lac, afin de comprendre comment les hyperfréquences interagissent avec la neige, la glace et l’eau.
3. Élaborer des méthodes permettant de distinguer de façon constante la glace de lac de l’eau libre, ou la glace gelée jusqu’au fond de la glace flottante.
4. Automatiser ces méthodes pour la cartographie et la surveillance des phénomènes glaciels.

Résultats : Jusqu’à maintenant, les satellites SAR qui fournissent simultanément des images en copolarisation et en polarisation croisée (orthopolarisation) sont d’excellents outils pour la cartographie et la surveillance des glaces de lac. L’imagerie est disponible grâce à des satellites SAR de deuxième génération : RADARSAT-2, ALOS PALSAR, TerraSAR-X. En hiver, la glace gelée jusqu’au fond et la glace flottante sont identifiées respectivement par une rétrodiffusion copolarisée faible ou élevée. La distinction entre les types de glaces flottantes est possible en ajoutant des images acquises en polarisation croisée (figure 1). Au printemps, les glaces de lac et l’eau libre sont classées d’après leur rétrodiffusion en copolarisation ou en polarisation croisée (figure 2). Au début de la période de fonte, on utilise l’imagerie réalisée en copolarisation parce que la rétrodiffusion en polarisation croisée est trop faible. Toutefois, pendant la phase finale de fonte (ou désintégration) des glaces, les images acquises en polarisation croisée sont utilisées lorsque de grandes étendues d’eau libre sont présentes et que les vagues induites par le vent présentent une rétrodiffusion en copolarisation très similaire à celle de la glace. En hiver, la progression du couvert de glace jusqu’au fond est assez lente, de sorte que des images SAR toutes les semaines ou tous les mois suffisent pour la surveillance. Cependant, des changements rapides au cours de l’englacement de l’automne et la fonte printanière exigent des images SAR tous les trois ou quatre jours afin de cartographier et de surveiller de façon exacte ces phénomènes (figure 3).

Données et produits Radarsat-2 © MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. (2009) – Tous droits réservés. Radarsat est une marque officielle de l’Agence spatiale canadienne.