Surveillance de la couverture neigeuse et glaciaire dans la bannière de Dalad, en Mongolie-Intérieure, basée sur la décomposition spectrale de mélanges hyperspectraux

La couverture neigeuse est une variable systémique active du changement climatique terrestre. Elle constitue non seulement un indicateur important du changement climatique global, mais est également étroitement liée au bilan énergétique, au cycle atmosphérique, au cycle de l'eau et aux cycles du carbone et de l'azote de la Terre. Sa forte réflectivité, sa grande capacité de stockage du froid, son énorme chaleur latente de transition de phase et son rôle de source et de puits de gaz à effet de serre lui confèrent un rôle crucial dans le bilan énergétique de la surface terrestre. La télédétection quantitative est le principal moyen d'acquérir des informations sur la couverture neigeuse afin de suivre son évolution, d'évaluer sa réponse au changement climatique et de mener des recherches hydrologiques sur celle-ci. La télédétection satellitaire est largement utilisée dans ce domaine.

La neige présente une réflectivité élevée dans le spectre visible, mais faible dans l'infrarouge à ondes courtes, tandis que la plupart des nuages ​​ont une réflectivité élevée dans les deux bandes. Par conséquent, le calcul de la différence entre les bandes visible et infrarouge à ondes courtes à l'aide de l'indice de différence normalisée de neige (NDSI) permet d'identifier efficacement la couverture neigeuse dans les données de télédétection optique. Cependant, comme la neige et les nuages ​​ont des caractéristiques spectrales similaires dans le spectre visible, les produits de couverture neigeuse élaborés à partir de la télédétection optique sont souvent affectés par un rayonnement solaire insuffisant et la présence de nuages, ce qui entraîne un grand nombre de valeurs manquantes et pose certaines difficultés d'application. C'est pourquoi nous utilisons une méthode de décomposition spectrale hybride pour extraire la surface de couverture neigeuse, ce qui permet d'obtenir une précision élevée et un faible taux de faux positifs.

CAS Xiguang Aerospace - Cartographie de la couverture neigeuse et glaciaire

Source des données : imageur hyperspectral XIGUANG003

Région : Bannière de Dalad, Mongolie intérieure

Date du tournage : 5 janvier 2024

La cartographie de la couverture neigeuse et glacée comprend les étapes suivantes :

1. Calibrage radiométrique, correction atmosphérique et orthorectification des données brutes L2A ;
2. La réduction de la dimensionnalité spectrale est effectuée à l'aide de la transformation de bruit minimum (MNF).
3. Utilisez des mesures de cohérence spatiale pour déterminer les dimensions des données ;
4. Calculez l'indice de pixels purs (PPI) et filtrez davantage les variables à l'aide de l'indice de pixels purs (PPI) ;
5. Les résultats sont visualisés en N dimensions, regroupés automatiquement, et les composants extrêmes sont identifiés.
6. La cartographie spectrale a été réalisée à l'aide d'un mappeur d'angle spectral (SAM) et d'un filtre adapté accordé hybride (MTMF) pour classifier et calculer simultanément l'abondance des membres purs.
7. Les cartes sont créées à partir des résultats de la cartographie, puis fusionnées avec des images panchromatiques haute résolution.

△ Figure 1 Image de réflectance après correction atmosphérique et orthorectification

La zone d'étude se situe dans la bannière de Dalad, en Mongolie-Intérieure, plus précisément dans la partie sud de la ville de Baotou, sur la rive sud du fleuve Jaune. Elle englobe la ville de Dalad et la centrale photovoltaïque de Dalad. Le relief y est principalement composé de villes, de rivières, de mines et de déserts, avec une importante couverture neigeuse observée lors du passage du satellite.

△Figure 2 Comparaison de la réflectivité de diverses caractéristiques du sol

La présence d'un pic de réflexion à 760 nm dans la neige indique sa forte réflectivité à cette longueur d'onde. Ceci s'explique par la composition de la neige, constituée de cristaux de glace qui diffusent fortement la lumière. Lorsqu'un rayon lumineux frappe la neige, une partie est absorbée par les cristaux de glace, tandis que le reste est diffusé dans différentes directions. Parmi la lumière diffusée, l'intensité est maximale à 760 nm, d'où le pic de réflexion à cette longueur d'onde. Selon la figure 2, la différence de réflectivité à 760 nm permet de mieux caractériser le manteau neigeux ; en effet, le suivi des variations de réflectivité à 760 nm permet de surveiller la fonte de la neige. Lors de la fonte, les cristaux de glace se transforment en eau, et l'eau diffuse moins efficacement la lumière que les cristaux de glace. Par conséquent, la réflectivité à 760 nm diminue à mesure que la neige fond.

Après le calcul des pixels et l'extraction des endmembers, trois endmembers ont été retenus, dont deux représentaient la couverture neigeuse. Celle-ci a ensuite été divisée en neige fraîche et neige ancienne (mélange glace-neige), et la fonte des neiges a été analysée.

La surveillance de la fonte des neiges peut être utilisée pour les applications suivantes :

1. Prévision des inondations : La fonte des neiges est l’une des principales causes d’inondations. En surveillant la fonte des neiges, il est possible de prévoir la probabilité et l’ampleur des inondations.
2. Prévision des avalanches : Les avalanches sont une autre catastrophe naturelle provoquée par la fonte des neiges. La surveillance de cette fonte permet de prévoir la probabilité et l’ampleur des avalanches.
3. Gestion des ressources en eau : La fonte des neiges est une source importante d’eau pour les cours d’eau. Le suivi de cette fonte permet de prévoir les variations de débit et, par conséquent, d’assurer une meilleure gestion des ressources en eau.

△ Figure 3 Carte de répartition de l'abondance de l'élément neige nouvelle.

△ Figure 4 Carte de répartition de l'abondance des plantes endogènes de la vieille neige

Le filtrage adapté au mélange (MTMF) utilise une méthode de démixage partiel pour déterminer l'abondance des spectres des composants purs. Cette technique emploie un filtre adapté (MF) afin de maximiser la réponse des composants purs connus et de supprimer les réponses dues à des bruits de fond inconnus, permettant ainsi de « faire correspondre » un signal connu. Elle offre une méthode de détection rapide de matériaux spécifiques basée sur la correspondance des spectres des composants purs dans une bibliothèque ou une image, sans nécessiter la connaissance de tous les composants purs présents dans la scène. Le démixage spectral linéaire, quant à lui, détermine l'abondance des matériaux dans les pixels d'une image en supposant que la réflectance du pixel dans chaque bande est égale à une combinaison linéaire des réflectances des composants purs présents dans le pixel.

Les figures 3 et 4 présentent les résultats de la MTMF, qui permet de visualiser l'abondance de chaque composant spectral pur et d'afficher intuitivement la composition spectrale mixte du pixel. Plus la couleur est foncée, plus l'abondance de ce composant est élevée. La neige fraîche recouvrait les plaines occidentales et les montagnes méridionales de la ville de Dalat. La neige ancienne était principalement concentrée dans le désert occidental, la ville de Dalat et la zone minière.Les résultats de l'analyse spectrale angulaire (SAM) ultérieure le confirment également.

△ Figure 5 Résultats de la classification du mappeur d'angle spectral

Le Spectral Angle Mapper (SAM) compare le spectre d'une image à un spectre de référence dans un espace à N dimensions. Le SAM compare l'angle entre le spectre de référence (représenté par un vecteur à n dimensions, où N est le nombre de bandes) et le vecteur de chaque pixel dans cet espace. Un angle plus petit indique une meilleure correspondance avec le spectre de référence. Appliquée à des données calibrées, cette technique est relativement insensible aux effets d'éclairage et d'albédo. Le SAM génère une image de classification en fonction d'un seuil d'angle maximal.

La figure 5 présente les résultats finaux de la classification. On constate que, comparativement aux résultats MTMF, la classification de la région ouest est plus performante, réduisant ainsi le taux de faux positifs. Elle met également en évidence la faible couverture neigeuse et glaciaire ainsi que le phénomène de fonte des neiges dans la ville de Dalat, au nord-est, et dans la zone minière, au sud-est.

Statistiques sur la superficie enneigée et verglacée

Voici les statistiques relatives à la couverture neigeuse et verglaçante :

Superficie totale couverte par l'imagerie satellite : 6 400 kilomètres carrés

Couverture neigeuse : 11 % (704 kilomètres carrés)

Couverture neigeuse ancienne : 6 % (384 kilomètres carrés)

La consultation des données météorologiques historiques locales a révélé que la température maximale enregistrée était d'environ -1 °C. Par conséquent, les principales causes de la fonte des neiges et des glaces dans cette région sont probablement les suivantes :

1. Impact des activités humaines : Les zones densément peuplées et les régions minières sont généralement le théâtre de nombreuses activités humaines, telles que l’exploitation minière, le transport et les opérations mécaniques. Ces activités peuvent modifier la nature et la structure de la surface, réduire sa rugosité et rendre difficile la tenue ou l’accumulation de la neige. Parallèlement, le déneigement artificiel est effectué dans les villes et sur les routes. En revanche, les régions du nord sont principalement composées de villages et de terres agricoles, moins affectées par l’activité humaine, ce qui explique que la neige y fonde plus lentement.
2. Couverture et infrastructures : Les zones densément peuplées et les régions minières comportent généralement de nombreuses infrastructures artificielles telles que des bâtiments, des équipements et des routes. Ces couvertures absorbent le rayonnement solaire, ce qui augmente la température de surface et réduit la formation et le maintien de la neige.
3. Émissions de chaleur : Les activités de production dans les zones densément peuplées et les mines de charbon s’accompagnent généralement d’importantes émissions de chaleur, notamment la chaleur générée par la combustion du charbon et la chaleur de fonctionnement des équipements mécaniques. Cette chaleur contribue à élever la température de la surface environnante, ce qui rend difficile l’accumulation de neige dans ce type d’environnement.

Les résultats de la classification des surfaces de neige et de glace antérieures ont été observés dans le lit du fleuve Jaune. En tenant compte des conditions météorologiques et de la date de la saison des crues glaciaires, il a été déterminé qu'il s'agissait de plaques de glace composées d'un mélange d'eau et de glace, ou d'un lit de rivière partiellement gelé. L'intégration de données de terrain permettra d'analyser plus en détail la composition des plaques de glace et le gel du fleuve. Le suivi de l'ensemble du processus de formation des plaques de glace dans le lit du fleuve à une échelle spatiale plus large illustre l'intérêt des technologies de télédétection hyperspectrale.