Cas d’usage 2 - Test dégâts des tempêtes estivales de 2017

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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 de l’indice de végétation Normalized Burn Ratio (NBR). 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 nuage 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 « NoData », c.-à-d. celles pour lesquelles aucune donnée Sentinel-2 n’est disponible pour la date choisie (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 dans des noyers, TG. La première image sans nuage disponible est celle du 15.08.2017. Les surfaces de dégâts 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 »:

Données

Les surfaces de changement peuvent être récupérées ici sous la forme d’un unique layer (couche) de polygones via un service WMS ou WFS (vous trouverez ici des conseils et des informations pour intégrer et exploiter des données). En plus du moment (time), la superficie (area), la moyenne (mean), la valeur maximale (max) et le quantile 90% (90p) des valeurs différentielles du NBR sont calculés et sauvegardés comme attributs dans les données vecteur de chaque surface de changement. Comme évoqué précédemment, les différences de NBR sont multipliées par 100 pour des raisons d’espace de stockage et les surfaces de changement sont délimitées grâce à une valeur seuil (-15) et à partir d’une superficie minimum de 5 ares. L’Attribute class différencie les surfaces de changement (class = 1) des nuages (class = -1) et des NoData (class = -2).

Informations contextuelles sur la méthode

Au cours de la période définie (05.07 au 19.08.2017), le NBR a d’abord été calculé (NBRAktuell). 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.

Pour cela, un composite avec le moins de nuages possible a été établi avec toutes les images de la période de 45 jours selon la méthode du NDVI composite maximum décrite dans le cas d’usage 1. Le NBR (NBRReferenz) a ensuite été à nouveau calculé pour celui-ci. À partir de ces deux images, on peut établir la différence (∆NBR) et les surfaces de changement sont délimitées grâce à la valeur seuil. La figure suivante illustre le procédé.


Fig. 4 : Représentation du flux de travail pour le cas d’usage 2. Le NBR est calculé pour pour chaque prise de vue Sentinel-2 (NBR Aktuell). Le NBR est ensuite calculé pour la période de référence, celle-ci étant définie comme une fenêtre de 45 jours avant la date du relevé. Pour cela, un composite avec le moins de nuages possible a été établi avec toutes les images de la période de 45 jours. Le NBR est calculé pour ce composite (NBR Referenz). À partir de ces deux images, on peut établir la différence (∆NBR) et délimiter les surfaces de changement grâce à la valeur seuil.


Bien que cette procédure ait d’abord été employée de manière expérimentale pour l’été 2017, comme décrit ci-avant, il est possible d’obtenir automatiquement les surfaces de changement pour toute la Suisse. Il faut pour cela disposer des informations pour toutes les images disponibles des 45 derniers jours avant la date actuelle, grâce à des « archives roulantes ». L’analyse et la mise à disposition automatisée des résultats se fait normalement en 2 à 5 jours après la prise vue.