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Télédétection / Remote Sensing

 

De nouvelles connaissances en provenance des airs et de l’espace

Les capteurs de télédétection au sol, ou embarqués sur des drones, des avions ou des satellites sont des outils de plus en plus importants pour la recherche sur les dangers naturels. Après des phénomènes catastrophiques, il est possible de collecter rapidement des données sur de grandes surfaces, à haute définition, et ceci même sur des zones qui ne sont pas ou difficilement accessibles au sol.

Le SLF étudie comment de tels systèmes de capteurs peuvent être utilisés à l’avenir de manière optimale en haute montagne, en travaillant sur les thèmes suivants :

  • mesures détaillées et cartographie des phénomènes d’avalanches, de laves torrentielles et de chutes de pierres
  • création de modèles numériques de terrain actuels et précis en haute montagne
  • détection de la variabilité de hauteur de neige à petite échelle
  • cartographie des types de neige sur des grandes surfaces
  • caractérisation des forêts de protection
 

Détection et cartographie des avalanches

Les informations actualisées sur les départs d’avalanche sont essentielles pour la prévision et la recherche. Après des événements extrêmes comme ceux de l’hiver 1999, des capteurs de télédétection peuvent être mis en œuvre pour cartographier les avalanches sur de grandes surfaces. Ce sont surtout les zones de départ, les distances d’écoulement et les hauteurs de dépôt qui présentent un intérêt certain. Avec les tout derniers processus de reconnaissance automatique des départs d’avalanches, il est possible de dépouiller rapidement et efficacement ces quantités énormes de données. Ces informations sont essentielles pour valider des modèles dynamiques d’avalanches.

 

Des radars peuvent être installés pour surveiller des versants critiques, par exemple en amont de voies de communications ou de localités. Ils présentent l’avantage de livrer des données également par mauvaise visibilité (brouillard, chutes de neige, observations nocturnes). Les chercheurs testent des radars au sol sur le Dorfberg à Davos, et ont découvert que l’accélération du manteau neigeux juste avant le départ d’une avalanche de glissement peut être mesurée.

 

Modèles numériques de terrain

Les DEM (Digital Elevation Models, modèles numériques de terrain) sont la base de la simulation numérique des mouvements de masse tels que les avalanches, les laves torrentielles ou chutes de pierres avec RAMMS et beaucoup d’autres applications de recherche. Les scientifiques du SLF étudient différentes technologies pour la constitution de modèles de terrain précis en haute montagne comme le LiDAR ou la corrélation photogrammétrique (voir ci-après). Sur des sites choisis, présentant des caractéristiques topologiques extrêmes, ils quantifient la précision atteinte et identifient les erreurs systématiques. Ils étudient également l’impact de la qualité du modèle de terrain et de la résolution sur les résultats de la simulation.

 

Mesures lors d’expérimentations sur des avalanches

Des avalanches de grande taille peuvent être déclenchées artificiellement sur le site d’essais du SLF dans la vallée de la Sionne (commune d’Arbaz). Pour tirer un profit optimal de ces événements rares, et très précieux pour la recherche, les scientifiques mettent également en œuvre une technologie de télédétection : la surface de la neige est mesurée avec précision par balayage laser avant et après le départ de l’avalanche. Pendant la descente, les chercheurs utilisent la photogrammétrie pour déterminer le volume du nuage de poudreuse et la vitesse du front d’avalanche. Une caméra infrarouge mesure les températures de la neige dans l’avalanche. Ces données sont ensuite utilisées pour la validation et l’étalonnage du modèle de dynamique des avalanches RAMMS.

 

Variabilité à petite échelle de l’épaisseur du manteau neigeux

Les informations sur la hauteur de neige et la variabilité spatiale sont importantes pour de nombreuses applications concernant la neige et les avalanches, ainsi que pour l’hydrologie. Aujourd’hui, la hauteur de neige est mesurée surtout ponctuellement par les stations automatiques. Cette approche ne permet cependant pas de mesurer les variations spatiales en terrain montagneux. Les chercheurs du SLF testent des méthodes de télédétection pour collecter sans lacunes sur de grandes étendues les hauteurs de neige, et évaluent leur potentiel pour des interventions opérationnelles. Les mesures effectuées depuis des avions permettent une précision d’une trentaine de centimètres, et ceci sur de grandes surfaces, par exemple l’ensemble de la vallée de la Dischma près de Davos. Le balayage laser et les drones ne couvrent certes que des surfaces plus petites, mais atteignent une précision de 5 – 10 cm par rapport aux mesures manuelles de référence. Ce degré de détail et cette grande précision ouvrent de nouvelles possibilités pour de nombreuses applications de recherche et dans la pratique.

 

Cartographie des types de neige

La réflexion du rayonnement solaire dans le domaine du proche infrarouge est fortement dépendante de caractéristiques de la neige comme la taille des grains ou la teneur en eau liquide. La neige ancienne à gros grains et la neige humide apparaissent beaucoup plus sombres sur l’image que la neige soufflée à grains fins. C’est pourquoi des instruments de télédétection optique peuvent être utilisés pour différencier différents types de neige. Le SLF teste l’adéquation des capteurs embarqués sur des drones, des avions ou satellites pour la cartographie des types de neige.

 

Détermination des caractéristiques des forêts de protection pour la modélisation des dangers naturels

La forêt est en Suisse la protection la plus importante sur de grandes surfaces contre les avalanches et les chutes de pierres. Mais comment cette fonction de la forêt de protection peut-elle être déterminée au mieux, et intégrée dans les modélisations ? Le SLF étudie dans quelle mesure il est possible d’utiliser les drones et le balayage laser pour évaluer des paramètres importants comme la densité de la forêt, les différentes essences et le bois mort dans la forêt de protection. Ces informations alimentent les simulations RAMMS.

 

Les instruments de télédétection

Les instruments de télédétection peuvent être répartis en quatres groupes :

Les capteurs optiques (passifs) mesurent la lumière du soleil réfléchie par la surface terrestre dans différentes longueurs d'onde, et peuvent ainsi collecter d'intéressantes informations sur les propriétés chimiques et physiques superficielles des objets. De telles données sont en général relativement simples à interpréter, avec une très haute résolution spatiale. Cependant, ces capteurs ne voient pas à travers les nuages et ne peuvent donc être mis en œuvre par mauvais temps.

Les capteurs infrarouges (passifs) mesurent le rayonnement émis par les objets à la surface de la Terre dans les grandes longueurs d’onde. Cette énergie rayonnée dépend de la température et du matériau, et peut donc être convertie en une température précise de la surface de l’objet. La température de l’air n’intervient pas, car l’atmosphère est pratiquement totalement transparente au rayonnement thermique. Cette technologie est souvent utilisée pour détecter les ponts thermiques sur les bâtiments, mais elle est aussi très intéressante pour des applications de recherche sur les dangers naturels.

Les capteurs radars (actifs) envoient des ondes radio et mesurent la proportion réfléchie par la surface terrestre. Ces ondes peuvent traverser les nuages, et collecter des données par ciel couvert. De plus, les grandes longueurs d'onde pénètrent également dans les matériaux comme la neige, et livrent ainsi des informations importantes sur les couches plus profondes. Cependant, les données radars sont relativement difficiles à interpréter, et il est indispensable de poursuivre les recherches dans ce domaine.

Les capteurs LiDAR (actifs) envoient des ondes dans la plage visible ou proche infrarouge du spectre électromagnétique, et mesurent le temps nécessaire pour l'aller-retour jusqu'au sol. Ceci permet de constituer des modèles très précis de la surface du terrain. Cette technologie ne peut être mise en oeuvre que depuis les avions et hélicoptères ; elle est donc limitée à de petites zones.

Tous ces systèmes de capteurs sont utilisés au SLF