Surveillance des glaces du fleuve Jaune basée sur la technologie hyperspectrale

Les floes sont des blocs de glace qui se déplacent avec l'eau d'une rivière avant que celle-ci ne gèle. Le terme « floe » désigne donc la glace qui se déplace à la surface de l'eau ou dans une étendue d'eau. On distingue deux types de floes : les floes d'hiver et les floes de fonte printanière. Les premiers sont principalement composés de fleurs de glace et d'amas de glace, tandis que les seconds sont principalement composés de glace brisée. Il s'agit des floes qui se forment avant que la rivière ne gèle.

△ Figure 1. Suivi de l'écoulement de la glace à travers les trous dans la glace

△ Figure 2 Catastrophe due à un embâcle

Pourquoi surveiller les stalactites de glace ?

1. Lutte contre les inondations et réduction des catastrophes :Les inondations dues à la glace ou l'obstruction des chenaux fluviaux peuvent provoquer des reflux, entraînant la formation d'embâcles et menaçant les zones situées en aval. La surveillance des plaques de glace permet d'émettre des alertes précoces et de prendre des mesures pour réduire la fréquence et l'impact des inondations.

2. Protéger les installations de conservation de l'eau :L'accumulation de glace peut endommager les ouvrages hydrauliques tels que les barrages, les ponts et les digues, compromettant ainsi leur fonctionnement et la sécurité des projets. La surveillance de la glace permet d'identifier rapidement les risques potentiels et de prendre les mesures d'entretien et de renforcement appropriées.

3. Gestion des ressources en eau :La formation et l'évolution des banquises reflètent les variations de température et de caractéristiques hydrologiques de l'eau, fournissant ainsi des informations précieuses pour la gestion des ressources en eau et les prévisions hydrologiques. Le suivi des banquises permet une meilleure compréhension de l'état des glaces fluviales et apporte des données essentielles à la gestion des ressources en eau.

4. Recherche scientifique :La surveillance et l'étude des plaques de glace permettent de mieux comprendre le mécanisme de formation, l'évolution et la relation des plaques de glace dans les rivières ou les ruisseaux avec les changements climatiques, ce qui est d'une grande importance pour la recherche sur les changements climatiques et le développement de l'hydrologie.

△ Figure 3 Carte de localisation de la zone d'étude de surveillance des glaces du fleuve Jaune

Introduction au domaine de recherche

La zone d'étude se situe dans la partie mongole-intérieure du fleuve Jaune, à son point le plus septentrional, à plus de 1 000 mètres d'altitude. Loin de l'océan, elle est rarement atteinte par les courants d'air chauds et tempérés et est fréquemment influencée par l'anticyclone mongol. Elle présente des caractéristiques climatiques continentales marquées, avec des hivers longs et rigoureux où les températures restent négatives pendant 4 à 5 mois, pouvant atteindre -35 °C. Le fleuve gèle pendant 4 à 5 mois dans cette section, la majeure partie de son cours étant constituée d'une couche de glace stable. En hiver, le débit du fleuve dans la partie mongole-intérieure dépasse généralement 400 mètres cubes par seconde. Les basses températures et les épaisses couches de glace, combinées à l'impact des crues qui provoquent la rupture des plaques de glace et la formation de grands blocs, ainsi qu'à la morphologie du fleuve, conduisent à des formations de glace denses qui peuvent piéger et bloquer la glace, entraînant une forte montée du niveau du fleuve et le rendant très vulnérable aux brèches, aux inondations et autres catastrophes.

La zone d'étude est un tronçon de rivière de 103 kilomètres de long situé dans la partie sud de la ville de Baotou, orienté est-ouest. La superficie du lit de la rivière est d'environ 70 kilomètres carrés.

△ Figure 4 Image satellite de la zone de surveillance des glaces du fleuve Jaune

△ Figure 5 Types de caractéristiques fluviales

△ Figure 6 Carte de réflectance des types de couverture terrestre des chenaux fluviaux

Zhongke Xiguang Aérospatiale - Eau courante Méthodes de recherche de suivi

1. Acquisition des données : des images hyperspectrales à 150 bandes de la région de Baotou en Mongolie intérieure ont été utilisées, prises par le satellite hyperspectral XIGUANG003 le 5 janvier 2024.
2. Détermination de la zone d'étude : Les données raster originales ont été masquées à l'aide de vecteurs de limites fluviales pour extraire des images hyperspectrales au sein de la zone d'étude.
3. Déterminer le nombre de catégories : Avant[Colonne Applications Hyperspectrales] Surveillance de la couverture neigeuse et glaciaire dans la bannière de Dalad, en Mongolie-Intérieure, basée sur la décomposition spectrale de mélanges hyperspectrauxD’après la classification de la glace et de la neige, trois types de reliefs ont été identifiés dans le lit de la rivière : la surface de l’eau courante (fossé dégagé*), un mélange de glace et de neige, et une surface de glace recouverte de neige. Comme le montre la figure 5, dans la bande spectrale 450-850 nm, la réflectivité de la surface de l’eau courante est la plus faible, inférieure à 10 % en moyenne, celle du mélange de glace et d’eau se situe entre 10 % et 30 %, tandis que celle de la surface de glace recouverte de neige atteint 65 %.
4. Classification : Classification non supervisée, pixel par pixel, des caractéristiques du terrain dans le lit de la rivière.
5. Analyse statistique : Statistiques sur la superficie et le pourcentage de superficie de chaque élément dans différentes régions.

Dans les sections de rivière gelées, on observe des surfaces d'eau exposées de longueur variable, appelées chenaux dégagés. Les chenaux dégagés qui se forment pendant la période de gel sont appelés chenaux dégagés primaires ; ceux qui se forment pendant la période de dégel sont appelés chenaux dégagés secondaires.

△ Figure 8 Carte de répartition des glaces flottantes dans la section de Baotou du fleuve Jaune

Conclusions et applications de la recherche

L'extraction et l'analyse de la banquise dans différentes conditions de mélange au sein du lit du fleuve Jaune, dans la zone d'étude, ont permis de créer une carte de répartition de la banquise. Cette carte illustre clairement la localisation de la banquise selon son état. Parallèlement, l'analyse statistique de la superficie et du rapport de superficie a permis de déterminer l'état de gel du lit du fleuve, d'identifier les zones à risque et de fournir un outil efficace pour la surveillance à grande échelle de la banquise.

Wenkaihe : La glace fond et la rivière s'ouvre principalement sous l'effet de la chaleur. La situation est relativement stable, mais cela prend du temps.

Rivière Wukai : La fonte des glaces et l’ouverture de la rivière sont principalement dues à la force de l’eau. Le lit de la rivière en amont dégèle en premier, tandis que la glace dans la partie aval reste solide. Lorsque le débit d’eau en provenance de l’amont augmente soudainement et rencontre la banquise en aval, un phénomène de confluence d’eau et de glace se produit, provoquant des crues soudaines et la rupture de la glace sous l’effet de la force de l’eau. 

Parallèlement, la surveillance des glaces flottantes par télédétection satellitaire à grande échelle fournit des données précises sur leur distribution au cours d'une période donnée, constituant ainsi une base de données essentielle à l'élaboration de modèles de prévision. La combinaison des données météorologiques, des données de surveillance issues d'équipements fixes installés dans le lit du fleuve et des données de télédétection acquises par drones permet d'obtenir des informations complètes sur le gel des rivières et les glaces flottantes, réduisant ainsi les coûts de main-d'œuvre tout en assurant une surveillance continue et transversale des risques et une prévision précise des évolutions.

De plus, la combinaison des caractéristiques de l'imagerie hyperspectrale et de l'atlas permet une inversion quantitative plus poussée et une classification à l'échelle sub-pixel, aidant ainsi les chercheurs et les gestionnaires de l'eau à déterminer avec plus de précision le type et l'état des glaces flottantes. Ceci permet une meilleure compréhension des conditions de gel des rivières (horizontal ou vertical) et des processus de dégel (lent ou rapide), notamment en surveillant le rapport glace/eau dans le lit de la rivière, la morphologie des cristaux de glace, le type de calotte glaciaire (statique ou dynamique) et l'évolution de la visibilité du lit. Par exemple, les variations de visibilité peuvent servir à prédire le type de dégel (une visibilité accrue indiquant un dégel lent), permettant ainsi de prendre des mesures proactives pour réduire les pertes dues aux embâcles.