ENJEUX

Image Spot-5 du désert Egyptien, acquise le 30 juillet 2002. Au sud de l'image on peut voir le lac Nasser, un ancien canal reliant les deux sources d'eau et la construction d'un nouveau canal (à l'est du premier). © Cnes/distribution Spot Image, 2002

Lieu de vie et d'action de l'homme, très hétérogènes spatialement, les surfaces continentales jouent un rôle fondamental dans les bilans énergétique, hydrique et carboné de la Terre. Elles interagissent étroitement avec l'atmosphère et le système hydrologique et évoluent constamment sous l'influence des forçages climatiques et anthropiques.
Les questions scientifiques auxquelles on tente de répondre dans ce domaine sont ainsi orientées, d'une part, vers le fonctionnement de la biosphère et le déterminisme des flux d'eau et de carbone, d'autre part, vers le rôle des surfaces continentales sur les processus atmosphériques et hydrologiques (notamment l'impact de l'hétérogénéité des états de surface sur la variabilité de l'atmosphère).
Le domaine des surfaces continentales fait, naturellement, l'objet de nombreuses demandes sociétales qui tendent à orienter, voire à piloter, un certain nombre d'activités de recherche. On veut en particulier :

mieux gérer les risques ou les situations de crise (inondations, incendies, tempêtes, sécheresses, etc.) ;
assurer une meilleure sécurité alimentaire (prévisions de récolte, systèmes d'alerte précoce, etc.) ;
participer à la protection de l'environnement dans tous ses aspects (quantité et qualité de l'eau, pollution et érosion des sols, émission de gaz à effet de serre, aménagement des paysages urbains et ruraux, maintien de la biodiversité, changements d'usage des sols, appui à la réglementation, etc.).

Toutes ces problématiques couvrent une large gamme d'échelles temporelles, selon le compartiment auquel on s'intéresse ou le type de couplage considéré : de la minute au siècle pour le fonctionnement et la dynamique des écosystèmes, de la minute à quelques journées pour les interactions surface-couche limite, de la minute au mois pour l'hydrologie, échelles plus longues quand on considère les interactions avec la circulation générale ou certains forçages anthropiques.
Elles mettent également en jeu une gamme d'échelles spatiales très vaste, qu'il est commode de découper en trois grands ensembles :

l'échelle locale, celle de l'écosystème homogène, de la parcelle agricole, de l'unité de gestion ;
un ensemble d'échelles allant du régional au global, où l'on s'intéresse au changement global, à l'inventaire des puits et sources de carbone, aux prévisions de récolte, à l'hydrologie continentale ;
entre les deux, les échelles dites intermédiaires, ou sub-méso, ou échelles du paysage, qui ont pris une importance majeure avec le développement des préoccupations environnementales et où l'on s'intéresse aux risques, à la pollution, à l'aménagement, à la santé humaine etc.

Dans ce cadre, l'utilisation des observations spatiales est centrale et s'est petit à petit fondue dans une véritable démarche d'intégration, mettant en jeu à la fois diverses catégories de données et l'utilisation de modèles de transfert et de fonctionnement.

CHAMPS THEMATIQUES

On peut de façon arbitraire découper les activités scientifiques menées sur les surfaces continentales en plusieurs champs thématiques.

Suivi des actions anthropiques

Il s'agit de suivre l'occupation de l'espace à l'échelle de plusieurs années (déforestation, urbanisation, irrigation, activités industrielles, etc.), ou d'un cycle saisonnier (suivi des techniques culturales, observation des surfaces cultivées, agriculture de précision, etc.). Ce suivi, bien rodé maintenant, met en jeu des imageurs à résolution spatiale fine, du type Landsat, Radarsat ou issus de la filière Spot.

Région du sud de la France : occupation du sol en 40 classes à partir d'images Landsat et Spot. © Corine Land Cover

Fonctionnement et dynamique des écosystèmes

Il s'agit d'une des activités majeures en matière d'observation des surfaces continentales.

On cherche à suivre la dynamique de la végétation, mieux appréhender l'activité photosynthétique et la respiration, évaluer la production de biomasse, ainsi que faire l'inventaire des sources et puits de carbone. A l'échelle globale, les capteurs "grand champ" comme Végétation, Polder, Meris, Modis et bientôt Smos et Iasi fournissent nombre d'informations pertinentes. A des échelles plus fines, la très haute résolution spatiale (type Pléiades/Orféo) doit pouvoir compléter les capteurs grand champ par une meilleure caractérisation des objets au sol. A ces échelles fines, où une couverture globale apparaît problématique, existe la possibilité de survol de sites sélectionnés, avec modélisation des processus et établissement de règles de passage aux échelles supérieures. Cette démarche qui consiste à échantillonner les écosystèmes terrestres a été retenue pour le projet Franco-Israélien Venµs. Enfin, l'accent est mis actuellement sur les liens structure-fonctionnement, et le poids de l'organisation des paysages sur les bilans et les flux.

Interactions surface-atmosphère

Le fort couplage des processus de surface au système atmosphérique est à l'origine de nombreux programmes visant à déterminer les échanges d'énergie et de masse (vapeur d'eau, CO₂, gaz divers, aérosols, particules biotiques et abiotiques, etc.) entre surface et atmosphère, mais aussi à quantifier l'impact des variations climatiques sur ces échanges et, au-delà, le fonctionnement de la biosphère. Ces programmes reposent souvent sur une combinaison de capteurs dans différentes bandes spectrales, en particulier dans le domaine de l'infrarouge thermique.

Hydrologie

On s'attache à la quantification et au suivi de la ressource, qu'elle soit sous forme liquide (contenu en eau des sols, suivi des zones inondées ou débit des cours d'eau par exemple) ou solide (suivi du manteau neigeux ou des glaces). Les mesures passives ou actives dans le domaine des hyperfréquences (imageurs radar SAR comme ERS ou Envisat ; diffusiomètres ou radiomètres micro-ondes comme SSMI) sont principalement utilisées. L'altimétrie (ERS,Topex-Poséidon, Envisat, Jason) apparaît prometteuse pour estimer les hauteurs d'eau dans les rivières et en déduire les débits.

OBSERVABLES ET STRATEGIE

Si la télédétection permet en premier lieu l'identification d'objets et l'établissement de typologies de surface, elle produit également nombre de variables utilisées dans l'étude du fonctionnement de la végétation et des échanges biosphère-atmosphère :

des variables radiatives : albédo, émissivité ;
des variables liées à l'état de surface (hauteur, rugosité) ou à la structure de la végétation ;
des variables liées à l'état hydrique et énergétique des surfaces : température, humidité ;
des variables représentatives de la quantité et du type de végétation présente : biomasse, teneur en chlorophylle, fraction de rayonnement utile absorbée.

Les stratégies d'observation reposent à un premier niveau sur l'estimation de variables directement dérivées de l'occupation du sol, permettant une première estimation grossière de caractéristiques des surfaces. Cependant, la plupart des travaux font maintenant appel à l'élaboration de variables ou produits biophysiques non directement observables par télédétection tels que l'indice de surface foliaire, la température foliaire et celle du sol, le taux de couverture, etc. L'établissement de ces variables passe par l'utilisation de modèles de complexité inégale, pouvant mettre en jeu processus de transfert radiatif, mécanismes d'échange surface-atmosphère et fonctionnement de la biosphère.

C'est dans ces aspects que réside l'un des récents changements majeurs dans les stratégies d'observation des surfaces continentales : la généralisation de l'assimilation des observations spatiales par les modèles, permettant l'estimation, par couplage entre modèles radiatifs et modèles de fonctionnement, de variables non directement accessibles par télédétection. Deux évolutions complémentaires sont à remarquer :

les programmes de recherche mettent en jeu des observations multi-capteurs permettant de tirer parti de complémentarités entre longueurs d'onde, résolutions spatiales, répétitivité temporelle, couverture au sol, etc. ;
ils tendent à s'appuyer sur les observations spatiales au même titre qu'ils utilisent les sites instrumentés, les réseaux de mesure au sol, les observatoires de recherche en environnement, les moyens aéroportés, le tout dans des démarches d'intégration.

Ces nouvelles démarches se retrouvent au cœur du programme communautaire Seve (Sol eau végétation énergie), associant plusieurs laboratoires et organismes français (Centre d'études spatiales de la biosphère, Centre national de recherches météorologiques, Institut national de la recherche agronomique, Cemagref, Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement, Laboratoire central des Ponts et Chaussées, Ecole centrale de Nantes, etc.) et visant à élaborer un modèle de fonctionnement des surfaces continentales à l'échelle de paysages hétérogènes.

Schéma général de l'utilisation de la télédétection dans la modélisation Seve.