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avril-2008

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FRAZIL : Cartographier la glace de rivière
depuis l’espace

Par Yves Gauthier et Monique Bernier

GEOIDECe projet a été financé par le Réseau de centres d’excellence Geoide. Il a été piloté par l’Institut national de la recherche scientifique - Centre Eau, Terre et Environnement (INRS-ETE) et il compte parmi ses principaux partenaires l’Agence spatiale canadienne, l’École de technologie supérieure (ETS, Montréal), l’Université de l’Alberta (Edmonton), l’Université de Rennes I (France), le Cold Region and Research Engineering Laboratory (CRREL, Hanover, NH), BC Hydro (Vancouver), l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ), Environnement Canada (WSC, Ottawa), le ministère de la Sécurité publique du Québec.

Au Québec, l’englacement des rivières a des répercussions importantes sur l’écoulement de l’eau et la production hydroélectrique, sur le transport et le mode de vie des riverains et sur l’environnement. Par ailleurs, la majorité des dommages causés par les inondations l’est au moment des embâcles des rivières. La connaissance de l’état du couvert de glace est donc primordiale pour assurer une cohabitation optimale de l’homme et de cette force somnolente. FRAZIL, un outil géomatique qui tire profit de l’information contenue dans les images satellite radar, a été mis au point pour mieux comprendre ces phénomènes, soutenir les développements hydroélectriques et prévenir les catastrophes dues aux inondations hivernales.

La glace de rivière : un risque en dormance

Parce qu’il se forme sur un milieu dynamique, le couvert de glace est un phénomène difficile à suivre et à comprendre. Sa forme et sa composition varient spatialement (horizontalement et verticalement) et il peut rapidement passer d’un état passif à un état actif.

Le carottage manuel, qui consiste à extraire un échantillon de glace pour en déterminer le type et l’épaisseur, demeure un exercice risqué et qui ne fournit qu’une information ponctuelle. Quant au survol aérien de la rivière, il permet de connaître l’étendue du couvert de glace, mais ne donne qu’un aperçu d’une surface souvent masquée par la présence de neige. Pour sa part, une image satellite radar (ex. : RADARSAT) a l’avantage de couvrir de longs tronçons de la rivière et de voir au-delà de la surface. Mais la rivière ne dévoile pas facilement ses secrets et l’interprétation du signal radar est un défi de taille. C’est à cette tâche que les chercheurs du projet FRAZIL se sont consacrés.

Amas de glace sur la rivière Saint-François
Amas de glace sur la rivière Saint-François

Comprendre d’abord le signal radar

FRAZIL est un système basé sur l’utilisation des images satellite radar qui a été mis au point pour soutenir la modélisation de l’écoulement hivernal des rivières et la prévision des inondations dues aux embâcles.

Afin de mieux comprendre le contenu informatif de l’image radar, le système FRAZIL comporte un modèle théorique pour simuler l’interaction du signal radar avec la glace de rivière. Alors qu’on connaît bien les paramètres intrinsèques du radar, un tel modèle nécessite aussi la description claire des paramètres du couvert de glace. C’est par l’extraction de carottes sur les rivières Saint-François (Québec) et Athabasca (Alberta) et leur analyse par scanneur tomographique et par microscope sous lumière polarisée que la taille, la forme et la dimension des inclusions d’air de différents types de glace (glace de neige, de frasil, columnaire) ont été établies.

Carottage de glace sur la rivière Saint-François par l'IREQ
Carottage de glace sur la rivière Saint-François par l'IREQ
Carotte de glace et son image sur scanner
Carotte de glace et son image sur scanner

Transformer le signal radar en source d’information sur la glace

En ayant une meilleure compréhension des paramètres en jeu, nous sommes mieux outillés pour convertir une image radar en carte de glace. En tenant compte de la puissance de l’onde radar rétrodiffusée (rediffusée vers le capteur), il est possible d’avoir une bonne idée du type de glace présent et de sa rugosité de surface. En y ajoutant l’information sur la texture de l’image (arrangement spatial des niveaux de gris), la précision de la carte obtenue est alors accrue. Le défi est d’automatiser le processus.

Carte de glace radar de la rivière Saint-François
Carte de glace radar de la rivière Saint-François

L’automatisation de la cartographie du couvert de glace à partir d’une image satellite radar représente l’une des deux composantes principales du système FRAZIL. Cette composante comprend d’abord une routine automatisée de traitements d’image réalisée dans le logiciel Geomatica (PCI Geomatics) et permettant d’obtenir une carte des types de glace. Des outils géomatiques ont ensuite été mis au point pour calculer la superficie couverte par chaque type de glace, localiser un embâcle éventuel et en déterminer la longueur.

Calcul de la proportion de glace dans une section de rivière
Calcul de la proportion de glace dans
une section de rivière

Faire le lien avec les modèles hydrauliques

Le couvert de glace est directement lié aux conditions climatiques, au régime d’écoulement de la rivière et aux caractéristiques du chenal. Dans ce contexte, les spécialistes qui étudient l’écoulement hivernal sous glace et qui tentent de prévoir la formation d’embâcles utilisent des modèles hydrauliques intégrant toutes ces informations.

Le système FRAZIL comprend donc une deuxième composante qui a pour tâche de caractériser le chenal à partir d’informations simples et accessibles : la couche hydrographique de la cartographie numérique de base et le modèle numérique d’altitudes. Cette série d’outils géomatiques développés en langage ArcObjet permet de déterminer automatiquement certaines caractéristiques de la géométrie du chenal, telles que la largeur et la pente de la surface. Ces outils permettent également de segmenter la rivière en tronçons égaux et d’y établir les noeuds de calcul nécessaires aux modèles hydrauliques. Ils permettent enfin de transférer vers ceux-ci les informations sur le chenal et le couvert de glace.

Segmentation de la rivière
Segmentation de la rivière
Calcul de la largeur du chenal
Calcul de la largeur du chenal

Prévoir et réagir adéquatement

En plus d’être un soutien à la prévision des inondations dues aux embâcles, la cartographie radar du couvert de glace mise au point dans le projet FRAZIL est aussi utile lorsque des événements critiques surviennent réellement et menacent les populations. Obtenue en temps quasi réel, la carte fournit une information essentielle aux organismes de sécurité civile. Avec un portrait global et à jour de la situation, ils peuvent ainsi mieux cibler les zones à risque et les zones d’intervention prioritaires.

Des informations toutes chaudes sur les glaces!

Le ministère de la Sécurité publique du Québec (MSP) s’est doté d’un outil géographique de coordination des opérations : la GéoConférence. En cas de sinistre, la Géoconférence permet l’échange d’information géographique entre les intervenants.

Ce printemps (avril 2008), le MSP a utilisé la Géoconférence pour recevoir et visionner des cartes de glace provenant du système FRAZIL et cela moins de cinq heures après l’acquisition des images RADARSAT-1 sur la région de Montréal et sur la rivière Chaudière (Beauce). Ces cartes ont été intégrées au processus décisionnel lors des réunions du comité de gestion des interventions.

Extrait de la carte de glace de la région de Montréal du 7 avril 2008
Extrait de la carte de glace de la région
de Montréal du 7 avril 2008
Extrait de la carte de glace de la rivière Chaudière du 11 avril 2008 utilisée dans une Géoconférence (Beauceville).
Extrait de la carte de glace de la rivière Chaudière du 11 avril 2008 utilisée dans une Géoconférence (Beauceville).

La carte de glace est aussi utilisée dans le grand nord québécois où le réchauffement climatique vient modifier le régime de glace. Cette situation augmente les risques pour les Inuits qui utilisent les rivières pour atteindre en motoneige leurs sites de chasse et de pêche en hiver. Grâce à cet outil, les connaissances ancestrales du milieu sont maintenant appuyées par la haute technologie. Dans le cadre du programme canadien de l’Année polaire internationale, la population de Kuujjuaq a accès par Internet à une carte de glace hebdomadaire de la rivière Koksoak.

Des travaux sont actuellement en cours pour tirer profit des nouvelles caractéristiques de RADARSAT-2 (satellite canadien lancé en décembre 2007), soit la polarimétrie, une meilleure résolution spatiale et une meilleure accessibilité des données. Ces dernières caractéristiques faciliteront l’utilisation du système FRAZIL pour répondre aux besoins de la sécurité publique en cas d’urgence. De plus, de nouveaux algorithmes de classification pourront éventuellement y être intégrés.


Pour en savoir plus sur ce sujet, visualisez le reportage diffusé le 30 mars 2008 à l’émission Découverte (Radio-Canada) : http://www.radio-canada.ca/actualite/v2/decouverte/niveau2_liste90_200803.shtml


Pour leur contribution essentielle au contenu de cet article, les auteurs remercient :

  • Lisa-Marie Paquet, assistante de recherche en géomatique;
  • Imen Gherboudj, étudiante au doctorat;
  • Hugo Drouin. étudiant à la maîtrise;
  • Aurélien Gonzalez, stagiaire 2e cycle;
  • Charles Gignac, stagiaire 1er cycle.

Renseignements :

Yves Gauthier M. Sc.
Spécialiste en télédétection
Institut national de la recherche scientifique
Centre Eau, Terre et Environnement (INRS-ETE)
Yves.Gauthier@ete.inrs.ca

Monique Bernier Ph. D.
Professeure en télédétection
Institut national de la recherche scientifique
Centre Eau, Terre et Environnement (INRS-ETE)
Monique.Bernier@ete.inrs.ca



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