Satellites : les sentinelles invisibles des risques environnementaux - Retour sur la journée du PNTS

L’expertise scientifique au service de la gestion des risques

Là où les méthodes traditionnelles — relevés au sol, drones, ou modèles empiriques — peuvent avoir des difficultés à fournir des réponses, les scientifiques ont présenté des approches innovantes. Grâce à leur maîtrise des données satellitaires, ils s’avèrent capables de détecter des phénomènes invisibles à l’œil nu, cartographier des zones inaccessibles, ou encore fournir des informations critiques aux acteurs de la gestion de crise. Comme en témoignent les 13 exemples présentés lors de la journée annuelle du PNTS, la télédétection spatiale s’impose comme un outil multithématique, capable de répondre à des enjeux aussi variés que la sécurité alimentaire, la pollution atmosphérique, ou la surveillance volcanique.

Des applications concrètes pour chaque type de risque

Cartographie et gestion des catastrophes naturelles
 

• Cartographie rapide et précise des catastrophes naturelles (inondations, séismes, incendies, glissements de terrain) pour une gestion de crise efficace. Les méthodes traditionnelles ont du mal à fournir des informations géolocalisées en temps réel et à grande échelle. Les données satellite permettent une réponse opérationnelle ultra-rapide : le SERTIT (ICube/Unistra) transforme l’imagerie en géo-information en moins de 6 heures après réception des données, avec des produits comme les contours d’inondation (délai médian : 5h20), les hauteurs de submersion, ou la traficabilité. Parmi les résultats notables, on compte des cartes d’impact livrées en 40 heures après le séisme d’Haïti (2010), ou encore des outils innovants pour modéliser les surfaces inondées, ou fournir des informations en temps quasi réel sur le développement des incendies de végétation. La réactivité extrême demandée (24/7/365) reste un défi

• Analyser les mouvements et la position des individus pour identifier ceux qui ont besoin d’aide lors d’une catastrophe naturelle. En cas de séismes ou éruptions volcaniques, surtout quand les images de drones sont floues ou prises de très haut, les secours peinent à repérer rapidement les personnes en détresse depuis les airs. Grâce à l’intelligence artificielle, ces mêmes images permettent d’analyser les mouvements et la position des individus et de repérer bien plus de personnes en détresse, même de très haut ou sous des angles compliqués, afin que les secours puissent agir plus vite et sauver des vies.

Risques géologiques 

• Prévision des ruptures de glissements de terrain. Les glissements de terrain sont responsables d'environ 4 000 morts par an (surtout dans les pays montagneux à faible revenu). Leur détection précoce est un défi en raison de la variabilité spatiale et temporelle de leur vitesse, et de leur complexité mécanique. Les données satellite permettent désormais de repérer des précurseurs en détectant des mouvements lents initiaux et/ou l’accélération finale avant la rupture de certains gros mouvements de terrain.

   

• Détection précoce des glissements de terrain lents (comme ceux des glaciers rocheux dans les Alpes), qui se déplacent de quelques mètres sur des années mais dont le mouvement reste invisible sur une courte période dans les images satellites optiques classiques (ex. : Sentinel-2 ou SPOT6/7). Les données des satellites radar à synthèse d'ouverture (SAR) – comme Sentinel-1 – permettent de mesurer par interférométrie (InSAR) des mouvements centimétriques en comparant des images prises à quelques jours d’intervalle, révélant ainsi des instabilités et leur dynamique. Parmi les résultats notables, l’équipe du LISTIC a créé ISSLIDE (InSAR dataset for Slow SLIding area DEtection with machine learning), le premier jeu de données dédié à l’apprentissage automatique pour repérer ces zones. Elle a également développé des algorithmes qui combinent détection et localisation des mouvements, avec de meilleures performances en intégrant la dimension temporelle.
  
   
• Evaluation précise des risques alpins post-catastrophe 
  L’évaluation précise des aléas alpins post-catastrophe, comme dans le cas de la crue de La Bérarde, nécessite une information 3D détaillée sur le terrain. Dans les environnements de montagne escarpés en tête de bassin, la topographie contrôle fortement les zones d’érosion, de dépôt et de transfert sédimentaire. Si les images satellitaires à très haute résolution spatiale sont aujourd’hui largement disponibles, leur fiabilité dans des terrains alpins complexes doit encore être soigneusement évaluée. Ce travail évalue la capacité des données satellitaires Pléiades Neo, Pléiades et SPOT à détecter les changements topographiques après une catastrophe, en les comparant à des données de référence issues du LiDAR aéroporté et de levés UAV. Les résultats montrent que l’imagerie satellitaire est très utile pour cartographier des zones dangereuses ou difficiles d’accès, mais que la résolution des images et la géométrie d’acquisition sont déterminantes pour mesurer avec précision l’érosion et les dépôts.
   
• Surveillance en temps quasi réel des éruptions volcaniques et de leurs impacts atmosphériques (modification de la chimie atmosphérique, sécurité aérienne, qualité de l’air, climat). Les données existantes  sur les gaz/particules et la déformation du sol volcaniques sont multiples, interdisciplinaires, souvent dispersées. L’analyse croisée de ces observations est donc difficile, et pourtant essentielle pour l’aide à la décision en soutien  aux acteurs opérationnels. Le portail Volcano Space Observatory (VSO) propose des services en accès libre qui visent à rendre possible une analyse conjointe interactive de ces mesures variées en facilitant l’accès à des observations permettant de traquer les panaches volcaniques (riches en SO₂, cendres, aérosols sulfatés) depuis l’espace et depuis le sol grâce à des mesures organisées en réseau (réseaux AERONET, LIDAR ou de surveillance de la qualité de l’air). Le portail VSO  offre également un suivi de la déformation du sol par analyse d’observations d’interférométrie Radar pour estimer les volumes de magma souterrain en jeu,  les variations de la topographie et les risques associés. Parmi les services notables, on retient la plateforme VOLCPLUME (suivi 4D multi-échelles des panaches) et le calculateur de flux d’émissions de SO₂ avec des tutoriels vidéo pour former les utilisateurs illustrant des cas d’étude d’impact des éruptions de La Palma (Iles Canaries) en 2021 sur la qualité de l’air ou l’aviation, du Hunga Tonga sur le climat depuis 2022, ou de la dynamique éruptive au cours de l’éruption de La Soufrière de St-Vincent en 2021. 

Incendies

• Analyse intégrée des incendies de forêt (avant, pendant, après) pour comprendre leur comportement, leur gravité (impact sur la végétation) et leur dynamique post-feu, alors que les outils existants (modèles empiriques nord-américains) sont mal adaptés aux écosystèmes européens. Les données satellite permettent d’estimer l’état hydrique des combustibles et de détecter les feux de cime ou de mesurer la puissance radiative.

Pollution

• Surveillance globale de la pollution atmosphérique (ozone et particules). La pollution de l'air est responsable de près de 4 millions de décès prématurés par an, mais ses mécanismes de distribution, de transport et d’impact restent mal compris à grande échelle. Les satellites traditionnels peinent à mesurer les polluants gazeux près de la surface ou à distinguer les espèces de particules, ce qui limite leur utilité pour l’analyse de la qualité de l’air. Les données satellite permettent désormais, grâce à des approches multispectrales innovantes, de cartographier en 3D les polluants et de développer des approches qui permettent de décortiquer les composés, pour pouvoir les relier à leur origine (trafic routier, industries, fumées de feux de forêts, poussières désertiques …) et mieux quantifier leurs impacts.
   
• Détection et la caractérisation des pollutions par hydrocarbures en mer. Les pollutions par hydrocarbures en mer sont souvent confondues avec des phénomènes naturels (zones de vent faible, films organiques). Les données satellite (radar et infrarouge) permettent, grâce à des modèles électromagnétiques avancés, de simuler la diffusion des ondes par les nappes de pétrole et d’améliorer leur détection. Parmi les résultats notables, on retient la quantification de l’épaisseur des nappes (limite de détection : ΔT = 0,3°C) et la réduction des fausses alertes.
   
• Gestion des échouements massifs de sargasses dans les Caraïbes, qui génèrent des impacts environnementaux, sanitaires (H₂S, ammoniac, arsenic) et socio-économiques (tourisme, pêche) récurrents. Les données satellite permettent de surveiller et prévoir ces échouements. Parmi les résultats notables, le projet ANR SargAlert a permis notamment de développer des bulletins d’alerte avec des prévisions à 4 jours, 15 jours et 2 mois.

Climat

• Estimation précise de la température de surface terrestre (Tskin) depuis l’espace, une variable climatique essentielle mais difficile à mesurer : les observations in situ sont rares, les séries temporelles courtes, et les capteurs infrarouges thermiques (comme IASI) génèrent des données complexes à interpréter. Les données satellite permettent désormais de restituer la Tskin via des réseaux de neurones en combinant radiances, angles de visée et émissivités, avec une validation par comparaison aux produits EUMETSAT ou ERA5. Parmi les résultats notables, on retient la détection de tendances climatiques, et le phénomène de l’îlot de chaleur urbain. Cette méthode de restitution de la température peut être appliquée à d’autres instruments satellitaires, comme IASI-NG, et MTG/IRS provenant à la fois d’orbites basses et hautes.
  
   
•    Amélioration de notre compréhension de l’impact climatique des éruptions volcaniques dans la stratosphère. De nombreuses questions persistent sur cet impact, des paramètres clés comme la taille et la composition des aérosols sont notamment encore mal connus. En combinant des données satellitaires (Sentinel-5P/TROPOMI, MetOp/IASI, CALIPSO/CALIOP) à des mesures photométriques au sol organisées en réseau (AERONET), on peut traquer les panaches volcaniques riches en dioxyde de soufre (SO₂), gaz précurseurs de la formation des aérosols soufrés, et caractériser les propriétés optiques et microphysiques des particules en leur sein. Parmi les résultats notables, l’étude de l’éruption du volcan Raikoke (2019) a révélé une croissance trois fois plus importante des aérosols soufrés au sein de morceaux de panaches capturés dans des vortex à longue vie. Cette dynamique, rarement observée dans un panache volcanique, souligne l’importance de la concentration locale en SQ₂ mais également de processus d’enrobage de particules de cendres de très petite taille (< 1 micron)  par des sulfates, sur les processus de croissance des aérosols soufrés. Ce résultat invite ainsi à revisiter les modèles d’impact du volcanisme sur le climat.

Agriculture et sécurité alimentaire

• Les données satellitaires au service de la sécurité alimentaires. Les données satellitaires constituent aujourd’hui un outil essentiel pour le suivi des zones agricoles. Elles permettent de surveiller en quasi temps réel l’état des cultures, de détecter les sécheresses et autres anomalies agroclimatiques, et d’anticiper les impacts sur les rendements. En combinant observation de la Terre, données météorologiques et modélisation, des systèmes comme ASAP et MARS du Centre Commun de Recherche de la Commission européenne fournissent des informations essentielles pour renforcer la sécurité alimentaire et améliorer la gestion des risques agricoles face au changement climatique.

Les défis à surmonter pour passer à l’échelle

Si les progrès sont spectaculaires, c’est parce que les scientifiques ont su surmonter des défis majeurs pour développer des méthodes innovantes – et qu’ils continuent de les affiner pour rendre ces outils et techniques encore plus performants.

• L'analyse du contenu de l’information : via la télédétection, on récupère une énorme masse de données. Or chacune apporte quelque chose de différent et complémentaire (par exemple, l’une va apporter une précision spatiale, l’autre temporelle). De plus, elles sont multi-sources. Réussir à les traiter et à les exploiter de manière combinée est un défi.
   
• L’usage de nouveaux outils, comme l'intelligence artificielle qui se développe de plus en plus dans l’ensemble de nos domaines. Si l’IA offre des avantages en permettant notamment de traiter une grande masse de données rapidement, ce n'est pas magique, cela ne fonctionne pas tout seul :  il y a encore tout un travail qui relève de l’expertise pour l'utiliser et l’exploiter aussi.  A ce stade, il faut encore tester pour voir ce que ça apporte par rapport aux méthodes traditionnelles. 
   
• Le délai d’accès aux données : puisque les données viennent des satellites, il faut quand même le temps que les stations au sol récupèrent les données, qu'elles soient traitées un minimum. Dans le cas de la prévision des incendies ou la cartographie des catastrophes naturelles, on voit bien que ce délai a un impact majeur. 

Un enjeu clé reste : l’opérationnalisation. Les scientifiques développent des algorithmes performants, mais ceux-ci ne sont pas toujours conçus pour être déployés en temps réel ou intégrés dans des chaînes de traitement industrielles. Passer du code de recherche à quelque chose d’opérationnel et rapide, voire industrialiser le concept, demande un travail spécifique.

Les exemples présentés lors de la journée du PNTS montrent que, grâce aux avancées des scientifiques, les satellites deviennent des alliés indispensables, la télédétection spatiale ne se contentant pas de documenter les catastrophes a posteriori, mais permettant, de les comprendre, d’en limiter les impacts et parfois de les anticiper.