Journal d'hydrogéologie et de génie hydrologique

Surveillance des lacs à partir d'une combinaison de plusieurs missions Copernicus : Sentinel-1 A et B et Sentinel-3A

Shirzad Roohi, Arash Amini, Behzad Voosoghi et Douglas Battles

La surveillance des variations du volume d'eau d'un lac donné nécessite une estimation précise du niveau d'eau et des variations de la surface de l'eau. Le niveau d'eau du lac peut être erroné en raison de réflexions multiples, appelées formes d'ondes à pics multiples, provenant de la zone éclairée à l'intérieur de l'empreinte radar. Les données bathymétriques ne sont pas non plus disponibles partout pour mesurer le volume d'eau absolu stocké.

Pour obtenir des plages optimisées et donc un niveau d'eau plus précis, les formes d'onde corrompues doivent être analysées. Nous avons développé une nouvelle approche pour sélectionner un pic optimal dans une forme d'onde donnée à suivre à nouveau avec le retracker de seuil. Nous avons sélectionné un pic qui fournit un niveau d'eau le plus proche de la jauge in situ. Dans un autre scénario, nous avons impliqué tous les pics significatifs dans une forme d'onde donnée et avons considéré la moyenne des corrections de retracking obtenues à partir de toutes les sous-formes d'onde/pics.

La surface de l'eau du lac a été estimée à partir de l'analyse d'images SAR. Pour distinguer les surfaces aquatiques des surfaces non aquatiques, l'algorithme de seuil basé sur l'histogramme a été utilisé. La série temporelle de surface a été validée par rapport à des données externes. Enfin, les variations relatives du volume d'eau ont été estimées à partir des variations du niveau d'eau et de la surface selon la méthode Heron.

Dans cette étude, nous avons utilisé les données L2 et L1b de Sentinel-3 A SRAL et les images SAR de Sentinel-1 A et B de juin 2016 à mai 2018 pour surveiller le lac Vänern en Suède. Notre analyse de la détermination du niveau d'eau montre une amélioration de 50 % pour notre nouvelle méthode optimisée de sélection de pics par rapport aux données L2 devant les mesures de jauge in situ. Nous avons également constaté que pour plus de 90 % des formes d'onde, le premier pic, appelé première sous-forme d'onde, conduit à un meilleur résultat. Le deuxième scénario, c'est-à-dire impliquant tous les pics significatifs, appelé sous-formes d'onde moyennes, a presque les mêmes performances que la sous-forme d'onde optimisée, ce qui montre l'efficacité de ce scénario pour la surveillance du niveau d'eau.

Nous avons trouvé une corrélation de 97 % et 71 % pour le niveau d'eau par rapport au volume d'eau et aux variations de surface, respectivement. Une corrélation de 78 % a été obtenue pour les variations de volume et de surface de l'eau. Il existe également une corrélation de 83 % et 88 % pour nos variations de surface et de volume d'eau par rapport à celles de la base de données Hydroweb, respectivement. Une RMSE de 5 cm dans la variation du niveau d'eau est une réussite significative pour les altimètres Sentinel-3 SAR au-dessus des eaux intérieures, c'est-à-dire du lac Vänern.