Use Case 2 - Test Sommersturmschäden 2017/fr

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Fig. 1 : Épreuve écran issue de l’application web. La légende permet de différencier les surfaces de dégât potentielles (jaune à rouge) des nuages (hachuré gris) et des surfaces sans données (grises). Le symbole entouré en bleu contient un lien vers Sentinel Playground permettant de vérifier visuellement l’image satellite de base.

Une méthode pour fournir de manière automatique des cartes indicatrices sur les dégâts de tempête estivales pour toute la Suisse a été développée d’après les images satellite Sentinel-2. L’année 2017 a été choisie comme exemple et pour un test pratique de l’évaluation des tempêtes estivales (fin juillet et début août). L’utilisateur ou l’utilisatrice peut choisir toutes les images satellite Sentinel-2 entre le 05.07.2017 et le 19.08.2017 qui couvrent au moins en partie la Suisse. Il est alors possible, après une tempête, de vérifier rapidement si des images utilisables, c’est-à-dire avec le moins de nuages possible, sont disponibles. Les surfaces de changement potentielles disponibles s’affichent ensuite dans le visualiseur.

Les surfaces de changement proposées sont déterminées d’après la diminution du Normalized Burn Ratio Vegetationsindex. Un projet précédent (Weber & Rosset, 2019) a démontré l’utilité de cet indice pour détecter les surfaces touchées par des tempêtes.

Fig. 2 : Représentation des deux orbites Sentinel couvrant la Suisse. À une date donnée, l’orbite 108 ou l’orbite 65 est relevée. La disponibilité des images est la meilleure pour la zone où elles se superposent (tous les 2 ou 3 jours).

Les valeurs dans la légende du visualiseur représentent en moyenne pour chaque surface de changement (polygone) la baisse du NBR multipliée par 100. La multiplication par 100 ne sert ici qu’à économiser de l’espace de stockage (grâce aux chiffres entiers plutôt que décimaux). La différence résulte de la comparaison entre l’image à la date choisie et un état de référence avant l’événement présumé / la date choisie. On utilise comme référence un composite si possible exempt de nuages constitué de toutes les images disponibles datant de 45 jours avant la date choisie. Des valeurs proches de -100 indiquent d’importants dégâts. Les polygones de changement sont délimités grâce à une valeur seuil (-15) et à partir d’une superficie minimum de 5 ares. Les nuages sont aussi représentés (cf. Fig. 1) afin d’éviter de conclure erronément à l’absence de dégâts. Cela vaut aussi pour les surfaces « no data », c.-à-d. celles pour lesquelles aucune donnée Sentinel-2 n’est disponible (Fig. 1).

La Suisse étant couverte par deux orbites, une date de prise de vue n’en concerne toujours qu’une partie (Fig. 2). L’autre partie est indiquée comme une surface « NoData » dans le visualiseur.

Limitations

Fig. 3 : Délimitation correcte de dégâts de surface survenus le 02.08.2017. La première image sans nuage disponible est celle du 15.08.2017. Les surfaces de dégât trouvées ont été comparées avec les données de référence du WSL (en jaune).

Les résultats ont été en partie validés grâce aux données de référence du WSL et les dégâts de surface ont pu être bien reconnus et délimités (Fig. 3). Certaines surfaces ont pourtant jusqu’à présent été erronément délimitées comme des surfaces de dégât. Il s’agit notamment de zones en bordure de nuages, couvertes de neige ou encore de zones d’ombre sur les versants nord abrupts. Dans ces cas, il faut être particulièrement prudent lors de l’interprétation des résultats.

Il faut si possible toujours choisir une date de prise de vue sans nuage. C’est pourquoi chaque date de prise de vue dispose d’un lien direct vers Sentinel Playground (cf. symbole entouré de bleu Fig. 1) permettant de rapidement vérifier chaque image visuellement. La date de la prise de vue et l’extrait de l’image sont sauvegardés dans le lien et directement repris. Pour les noyers de TG, il s’est par exemple écoulé 13 jours entre la tempête du 02.08.2017 et la première prise de vue sans nuage (Fig. 3).

Le procédé de sélection des images utilisables est expliqué et illustré dans la vidéo ci-dessous.

L’hiver complique encore la situation : l’état de la végétation, l’intensité lumineuse, les nuages, les ombres et la neige représentent autant de défis qui expliquent pourquoi les résultats des tempêtes hivernales n’ont pas encore pu être publiés. Une solution consisterait à utiliser en combinaison des données Sentinel-1, qui ne sont pas influencées par l’intensité de la couverture nuageuse ou lumineuse (cf. à ce sujet le projet actuel du WSL).

Tutoriel vidéo : Fondamentaux pour une bonne utilisation

Cette vidéo montre comment utiliser l’application web « Test des dégâts des tempêtes estivales de 2017 »:

Informations contextuelles sur la méthode

Au cours de la période définie (05.07 au 19.08.2017), le NBR a d’abord été calculé (NBR_Aktuell). Les nuages ont été délimités grâce au masque de nuage ESA. Le NBR a ensuite été calculé pour la période de référence, celle-ci étant définie comme une fenêtre de 45 jours avant la date du relevé.

Zu diesem Zweck wurde zuerst mittels der unter Use Case 1 beschriebenen NDVI Maximum Komposit Methode aus allen verfügbaren Aufnahmen innerhalb der 45-tägigen Zeitspanne ein möglichst wolkenfreies Komposit erstellt. Für dieses wurde dann wiederum der NBR berechnet (NBR_Referenz). Aus diesen beiden Bildern wurde daraufhin die Differenz gebildet (∆NBR), und die Veränderungsflächen wurden mittels Schwellenwert ausgeschieden. Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht das Vorgehen.

Abb. 4: Darstellung des Arbeitsflusses zu Use-Case 2. Für jede Sentinel-2-Aufnahme wird der NBR berechnet (NBR Aktuell). Daraufhin wird der NBR für die Referenzperiode berechnet, welche als das 45-Tages-Fenster vor dem ausgewählten Aufnahmedatum definiert wurde. Zu diesem Zweck wird aus allen verfügbaren Aufnahmen innerhalb der 45-tägigen Zeitspanne ein möglichst wolkenfreies Komposit erstellt, für welches wiederum der NBR berechnet wird (NBR Referenz). Aus diesen beiden Bildern wird die Differenz gebildet (∆NBR), und die Veränderungsflächen werden mittels Schwellenwert ausgeschieden.

Dieser Prozess erfolgte wie beschrieben zunächst testweise für den Sommer 2017, jedoch ist die automatisierte Bereitstellung der Veränderungsflächen für die ganze Schweiz möglich. Dabei würden die Informationen für alle verfügbaren Aufnahmen innerhalb der letzten 45 Tage ab dem jeweils aktuellen Datum mittels sogenannten «rollenden Archiven» zur Verfügung gestellt werden. Die vollautomatische Analyse und Bereitstellung der Resultate sollte innerhalb von 2-5 Tagen nach Bildaufnahme möglich sein.

Datenbezug

Die Veränderungsflächen können hier als ein einziger Polygon-Layer via WMS oder WFS Dienst bezogen werden (Tipps und Informationen zu Einbindung und Verarbeitung der Daten gibt es hier). Für jede ausgeschiedene Veränderungsfläche wurden neben dem Zeitpunkt (time) zudem Flächengrösse (area), sowie Mittelwert (mean), Maximalwert (max) und 90%-Quantil (p90) der NBR-Differenzwerte berechnet und als Attribute in den Vektordaten gespeichert. Wie schon erwähnt, wurden die NBR Differenzen aus Speicherplatzgründen mit 100 mulipliziert, und Veränderungslfächen mittels Schwellenwert (-15) und ab einer Mindestgrösse von 5 Aren ausgeschieden. Das Attribut class differenziert zwischen Veränderungsflächen (class = 1), Wolken (class = -1), und NoData (class = -2).