Thermie des rivières de l’est canadien par télédétection

Collaborateurs

Mme Anik Daigle, Cégep Garneau et chercheure principale du projet 

Gespe’gewa’gi Institute of Natural Understanding (GINU)

Direction principale de l’expertise sur la faune aquatique (MELCCFP)

Financement

Programme de recherche et développement appliquée (RDA) du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG)

Objectifs

La température de l’eau dans les rivières et les lacs est une variable déterminante de la qualité de l’eau et des habitats aquatiques affectant, entre autres, l’oxygène dissous, la toxicité de certains polluants, la prolifération d’espèces envahissantes et le métabolisme des organismes aquatiques.

Bien que l’on reconnaisse aujourd’hui l’importance de surveiller la température de nos rivières et lacs, les réseaux de suivis existants au Canada demeurent limités dans le temps (récents) et dans l’espace. Il en résulte que nos connaissances des régimes thermiques sont encore largement parcellaires, avec d’importantes conséquences sur nos capacités à caractériser la qualité de l’eau et des habitats aquatiques, à évaluer les durées des saisons avec et sans glace, leurs effets sur la crue printanière, sur la phénologie des espèces aquatiques, sur la pêche, etc. Sans une connaissance approfondie de ces différents processus, il est en outre difficile d’anticiper l’effet du réchauffement climatique sur chacun.

Nous proposons ici d’enrichir de façon substantielle le portrait thermique du réseau hydrographique de l’est du Canada à l’aide de la télédétection satellitaire.

Méthodologie

Ce projet vise en premier lieu l’automatisation de l’identification de pixels « eau » dans les images de Landsat, puis l’utilisation de l’information extraite à ces pixels pour

1. Caractériser le régime thermique à chaque pixel.
2. Évaluer son évolution dans le temps. Les utilisateurs finaux pourront, via une interface conviviale et publique, visualiser et télécharger les chroniques de températures à leurs sites d’intérêt, de même que plusieurs descripteurs (ex.: régime thermique moyen, tendances, métriques descriptives de la qualité de l’habitat thermique, etc.) correspondant à leurs besoins en matière de préservation et de restauration des habitats aquatiques.

L’imagerie infrarouge thermique permet de mesurer la température d’une surface en exploitant le lien entre la température, la radiance spectrale et l’émissivité de la surface en question. Cette imagerie est disponible sur Google Earth Engine (GEE), mais pour répondre aux impératifs du projet, il convient de tirer l’information thermique uniquement sur les pixels se trouvant à 100 % dans un cours d’eau (dits « sentinelles »), de manière à éviter de fausses mesures et d’induire des bruits dans les profils thermiques.

Identification de pixels « sentinelles » dans les images thermiques de Landsat

Pour ce faire, différentes sources d’information sont croisées pour attribuer une probabilité d’appartenance « eau » à chacun des pixels susceptibles de représenter une étendue d’eau.

Interpolation longitudinale

Les pixels sentinelles, identifiés comme « purs », permettent des mesures de température en plusieurs points de lacs et de rivières. Ces mesures sont typiquement disjointes spatialement, puisque séparées par des sections de rivière sur lesquelles des pixels purs n’ont pu être identifiés. L’interpolation est effectuée sur l’axe longitudinal de la rivière à l’aide de méthodes classiques (interpolations unidimensionnelles linéaires ou cubiques), ou à l’aide de régressions utilisant des caractéristiques locales susceptibles de faire varier la température (p. ex. élévation, ordre, km de rivière, largeur, orientation, pente).

Validation terrain

Certaines données historiques acquises dans des rivières moyennes à larges et incluses dans les bases RivTemp (rivtemp.ca) et DataStream Atlantic (atlanticdatastream.ca) permettent de valider les valeurs de température obtenues par les pixels sentinelles identifiés et d’en évaluer les précisions et biais éventuels.

Caractérisation spatio-temporelle des régimes thermiques

Diverses informations sont extraites et certaines mesurées à partir des profils thermiques tirés des images de Landsat comme :

1. La probabilité d’appartenance « eau » du pixel
2. La série de températures disponible à ce pixel
3. Le profil moyen interannuel du régime thermique (température moyenne journalière interannuelle en fonction du jour de l’année)
4. Un modèle simplifié à trois paramètres de ce régime thermique (paramètres représentant le maximum annuel, la date d’occurrence de ce maximum et la durée de la saison chaude) et les tendances temporelles de ces paramètres
5. Lorsque statistiquement significative, la tendance (°C/année) des températures moyennes annuelles et mensuelles
6. Une liste de 60 statistiques descriptives d’intérêt pour évaluer la qualité de l’habitat thermique, incluant l’indice thermique de croissance potentielle pour le saumon atlantique juvénile pour les rivières avec une population de cette espèce.

Mise en place de l’interface de diffusion

GEE offre des options de déploiement en ligne efficaces grâce à la solution intégrée nommée Apps Engine, qui prend en charge les interactions en temps réel avec les données, permettant aux utilisateurs d’explorer et d’analyser les informations géospatiales de manière dynamique et d’accéder à l’affichage de cartes interactives, de graphiques et de tableaux de bord, pour présenter les résultats des analyses de manière intuitive.

Équipements

• Google Earth Engine
• Programmation en Python et Javascript
• Thermographes

Domaines

Gestion des ressources

Suivis environnementaux