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Surveillance de la qualité de l'eau du lac Hongze basée sur le satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei).
Introduction générale
Dans le cadre de la surveillance des lacs et des zones humides grâce à la télédétection hyperspectrale, la concentration totale de sédiments en suspension (TSM) est un indicateur clé pour évaluer la transparence de l'eau et l'envasement des lacs. Lac transitoire, le lac Hongze présente d'importantes variations de superficie et de niveau, avec une profondeur moyenne de seulement 1,5 m. La complexité des sources de sédiments et la répartition de la végétation aquatique créent un environnement spectral unique.
Le principe physique de la télédétection hyperspectrale pour la surveillance des sédiments en suspension repose sur le fort effet de diffusion de la lumière incidente par les particules en suspension. Lorsque la concentration de sédiments en suspension dans l'eau augmente, la courbe spectrale de réflectance se modifie significativement dans les bandes du visible et du proche infrarouge, notamment dans la gamme 600-800 nm, où la réflectance croît de façon spectaculaire avec la concentration. Contrairement à l'imagerie multispectrale conventionnelle, l'imagerie hyperspectrale capture ces subtiles caractéristiques spectrales grâce à des bandes continues à l'échelle nanométrique, permettant de distinguer efficacement les contributions de la diffusion par les sédiments, de l'absorption par les algues et de la réflexion par les sédiments de fond.
Méthodes et principes
Cette étude de cas a utilisé des images hyperspectrales prises par le satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) le 14 juillet 2025 pour effectuer une surveillance des sédiments en suspension, et a comparé et analysé différentes méthodes sur la base des résultats d'extraction.
Tableau 1. Introduction aux données
Dans ce cas, le calcul de l'indice utilise des données de réflectance du niveau L2C corrigées des effets atmosphériques. La procédure opératoire spécifique est la suivante :
1. Prétraitement des données
(1) Étalonnage radiométrique : Les données de valeur DN d’origine sont traitées en utilisant les coefficients d’étalonnage radiométrique fournis par la luminance pour obtenir les données de luminance apparente. Ceci peut être réalisé à l’aide de l’outil d’étalonnage radiométrique d’ENVI.
(2) Correction atmosphérique : La correction atmosphérique est effectuée à l'aide d'outils de correction atmosphérique basés sur les modèles 6S ou MODTRAN pour obtenir des données de réflectance de surface, comme l'outil de correction atmosphérique FLAASH dans ENVI.
(3) Lissage spectral : Dans ENVI, l’algorithme de Savitzky-Golay (SG) est utilisé pour lisser les données de réflectance de surface, ce qui réduit le bruit spectral et améliore la fiabilité de la classification ultérieure. Vous pouvez utiliser l’extension Filtre Savitzky-Golay disponible sur l’App Store d’ENVI ou l’outil de lissage spectral intégré de THOR. Lors de l’utilisation du filtre Savitzky-Golay, les paramètres sont définis comme suit :
(4) Géolocalisation des images (facultatif) : géoréférencer les données traitées par rapport à la carte de base. La géolocalisation peut être effectuée dans ENVI, QGIS ou ArcGIS. L’utilisation de Google Images est recommandée comme carte de référence.
2. Indice de différence normalisée de l'eau (NDWI)
L'étendue des plans d'eau a été extraite par la méthode de l'indice spectral. Plus précisément, l'indice de différence normalisée de l'eau (NDWI) a été calculé à partir de l'image de réflectance de surface traitée par FLASH. Ensuite, un seuil a été défini à partir de l'histogramme de l'image NDWI pour extraire les plans d'eau. La formule de calcul est la suivante :
3. Indice normalisé de différence des sédiments en suspension (NDSSI)
L'indice de sédiments en suspension par différence normalisée (NDSSI) est calculé en exploitant pleinement le pouvoir de pénétration de la lumière bleue et la forte absorption de la lumière proche infrarouge par l'eau. L'eau pure absorbant la quasi-totalité de l'énergie incidente dans la bande proche infrarouge, et les particules en suspension présentant une forte diffusion dans cette même bande, la différence normalisée entre la lumière bleue et la lumière proche infrarouge permet d'améliorer efficacement le contraste entre les matières en suspension et l'eau.
4. Méthode du rapport de bandes (rapport TSM)
La méthode du rapport TSM élimine le bruit de fond environnemental et met en évidence les caractéristiques cibles grâce à des combinaisons non linéaires de différents canaux spectraux. Le principe physique de cette méthode repose sur le décalage vers le rouge significatif du pic spectral de réflectance de l'eau lorsque la concentration de matières en suspension augmente. En pratique, le rapport lumière rouge/lumière verte est souvent utilisé comme indicateur de sensibilité. En effet, la bande de lumière rouge (autour de 665 nm) est extrêmement sensible à la rétrodiffusion des particules en suspension à faibles et moyennes concentrations, tandis que la bande de lumière verte (autour de 560 nm) est moins affectée par les pigments tels que la chlorophylle. Le calcul de ce rapport est mathématiquement simple et efficace, et permet de réduire les erreurs de rayonnement dues à l'angle de visée du capteur et à l'ombrage du terrain. C'est une méthode courante pour la surveillance de la qualité de l'eau dans les lacs à coloration complexe, comme le lac Hongze.
Analyse des résultats
Figure 1. Image composite en vraies couleurs du satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250714
Figure 2. Distribution des résultats NDSSI pour le satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250714
Figure 3. Distribution des résultats du ratio TSM pour le satellite Xiguang-1 05 (numéro Tianxianpei 20250714)
D'après les résultats des calculs du NDSSI et du ratio TSM, les sédiments en suspension du lac Hongze présentent une distribution spatiale très homogène, caractérisée par des valeurs élevées au nord-ouest et des valeurs faibles au centre et au sud-est du lac. Les zones à forte concentration sont nettement plus marquées le long de la rive nord-ouest, reflétant directement l'état initial de dépôt des importantes quantités de sédiments charriées dans le lac par les eaux de ruissellement. De plus, les fortes pluies estivales, conjuguées au climat de mousson du bassin du lac Hongze et à son important ruissellement de surface, accentuent l'érosion fluviale et la capacité de transport des sédiments, entraînant une augmentation significative des apports sédimentaires. Le lac Hongze est un lac suspendu typique, situé en zone de faible altitude ; son lit est plus élevé que les terres environnantes. Les rivières qui s'y jettent (comme la rivière Huai) subissent une forte dénivellation à leur entrée dans la zone lacustre, ce qui ralentit leur débit et réduit leur capacité de transport, provoquant ainsi un dépôt sédimentaire important. En revanche, les eaux libres au centre du lac et les eaux profondes au sud-est se situent toutes deux dans la plage de valeurs faibles sur les deux cartes, ce qui indique que ces zones sont moins affectées par les apports terrestres et présentent une transparence de l'eau relativement élevée.
En résumé, ces deux méthodes confirment non seulement le fait géographique que la rivière Huai est la principale source de sédiments pour le lac Hongze, mais fournissent également une base scientifique quantitative pour l'élimination ultérieure des interférences de la végétation émergente et le suivi précis de l'évolution des zones humides.