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decembre-2012

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Détection et suivi des fleurs d'eau par imagerie satellitaire dans les eaux douces du Québec méridional

Par Anas El-Alem, Karem Chokmani,
Isabelle Laurion, Centre Eau Terre Environnement, INRS et Sallah E. El-Adlouni, Université de Moncton

L’occurrence des fleurs d’eau d’algues bleu-vert (FEA) est devenue un problème sérieux, de même ampleur que les autres catastrophes naturelles telles que les tremblements de terres, les glissements de terrain et les tsunamis1. Les nombreux rapports sur l’occurrence des FEA dans les lacs au cours de ces dernières années relèvent la vulnérabilité de ces ressources particulièrement au Québec. Alors qu’en 2007, 156 plans d’eau étaient « touchés » par les fleurs d’eau de cyanobactéries (>20 000 cellules/ml équivalant à 10mg/m3 de concentration de la chlorophylle-a)2 , le nombre de plans d’eau touchés est demeuré relativement élevé depuis (138 à 150). Bien que ces micro-organismes aient toujours fait partie intégrante de la chaîne alimentaire, les dommages que causent leur prolifération sont divers et varient d'une simple perturbation des écosystèmes (production de composés malodorants et dégradation de l’aspect esthétique des plans d’eau) à des cas plus sérieux (inflammations dermiques, lésions au foie ou atteinte du système nerveux).

Actuellement, le moyen le plus sûr pour détecter la présence des FEA est l’échantillonnage in situ. Toutefois, ce processus de surveillance est laborieux, et pour des impératifs budgétaires évidents, il demeure limité dans le temps et dans l’espace3. Par conséquent, il y a un besoin urgent de mettre au point des méthodes pour accélérer la détection de ces fleurs d'eau et faire le suivi spatio-temporel de ces proliférations. La télédétection satellite peut être un outil intéressant pour fournir la couverture spatiale et la fréquence temporelle nécessaire pour suivre l’évolution des FEA et ainsi réduire l'effort d'échantillonnage et les coûts associés. En fait, la détection des fleurs d’eau d'algues et de cyanobactéries est possible grâce à l’activité bio-optique de leur pigment principal, la « chlorophylle-a », qui est caractérisé par une faible réflectance dans le rouge par rapport à une forte réflectance dans le proche infra-rouge (PIR) du spectre électromagnétique. C’est grâce à ce contraste qu’il est possible d’estimer la concentration de la chlorophylle-a à l’aide de modèles bio-optiques qui relient les propriétés optiques inhérentes avec les propriétés optiques apparentes des eaux. Puisque souvent les fortes concentrations en chlorophylle-a sont associés à des fleurs d'eau de cyanobactéries, cet outil peut être exploité pour surveiller ces microorganismes à potentiel nocif. Depuis le nouveau millénaire, les données du capteur MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) à bord des satellites Terra et Aqua, caractérisé par une meilleure résolution spatiale (pouvant atteindre 250 m pour certaines bandes contre 1000 m pour les capteurs des générations précédentes) et une plus large résolution spectrale (36 bandes allant du visible au PIR), sont accessibles gratuitement sur le serveur de la NASA et elles sont très utilisées dans la détection des FEA.

La figure 1 montre une comparaison entre un croquis d’une FEA détectée le 19 septembre 2001 par le personnel du ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs (MDDEFP) lors d’un échantillonnage de la baie Missisquoi du lac Champlain (figure 1A) et un composé en vraie couleur (RGB)1 de l’image MODIS acquise à la même date (figure 1B). La forme que prend la fleur d'eau dans la baie sur l’image satellite (teinte verte) ainsi que celle dessinée par le personnel du MDDEFP est presque la même. Une grande concentration de la fleur d'eau (écume) est située du côté est de la baie qui devient de plus en plus faible vers le centre pour disparaître du côté ouest de la baie. Cela montre le grand potentiel des images satellite pour détecter et délimiter l'étendue des FEA dans les plans d’eau douce de taille moyenne. Cependant, cet aspect visuel « qualitatif » n’est pas opérationnel pour les décideurs et ne leur fournit pas les informations nécessaires pour mieux gérer les plans d’eau touchés par une FEA, notamment la concentration en chlophophylle-a ou la densité des cellules cyanobactériennes.

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Figure 1  : Comparaison entre une image en vraie couleur de MODIS
et une carte de terrain réalisée par le personnel
du ministère du Développement durable, de l’Environnement,
de la Faune et des Parcs (MDDEFP).

À cette fin, une approche semi-analytique, nommée APPEL (APProche par ÉLimination), a été développée par l’équipe du Centre Eau-Terre-Environnement de l'INRS et testée sur un ensemble de lacs du Québec méridional, incluant la baie Missisquoi du lac Champlain, afin d’estimer les concentrations des FEA (chlorophylle-a). L'approche a montré un grand potentiel pour détecter et estimer les concentrations en chlorophylle-a10. La figure 2 montre une série d’images qui présentent le développement de deux épisodes de fleur d'eau en moins de deux mois. L’application du modèle sur cette série d’images a permis non seulement de suivre l’évolution spatiale des épisodes mais aussi d’en estimer les concentrations. En fait, la fleur d’eau détectée dans la figure 2B est la même que celle présente dans la figure 1B. Toutefois, le déclenchement de la FEA ( figure 2A) a été détecté avec les images satellite deux jours avant la visite du personnel du MDDEFP et avant l’expansion de la fleur d'eau sur la presque totalité de la baie. La figure 2C montre la présence d’une deuxième fleur d'eau dans la baie Missisquoi un mois plus tard. Cette dernière se trouve au centre, la rendant très difficile à apercevoir du bord de la baie (elle est à environ 2 km au large du point le plus proche du bord). Par conséquent, le Réseau de surveillance volontaire des lacs (RSVL), première source d'information du MDDEFP, n'aurait jamais pu signaler la présence de cette FEA, à moins d'avoir circulé sur le lac en bateau. D’un autre côté, ce type de carte permet de discerner les zones les plus infectées dans les plans d’eau et qui présentent un risque d’utilisation en se basant sur les seuils de concentration de la chlorophylle-a proposés par l’Institut national de santé publique du Québec (INSPQ) et l’Organisation mondiale de la santé (OMS). L'approche est en voie d’être raffinée, particulièrement dans le cas des faibles concentrations où le modèle présente le plus d'erreurs.

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Figure 2  : Résultats de l’application du modèle APPEL
sur une série d’images MODIS où on détecte
le développement de deux épisodes de fleur d'eau.

La grande limite de cette approche est la présence des nuages, qui rendent les images satellite inexploitables. En contrepartie, comme l’ensoleillement figure parmi les conditions qui stimulent le développement des fleurs d'eau d'algues, l'utilisation des données de la télédétection à cette fin demeure avantageuse.

En résumé, les données de la télédétection satellite pourraient apporter une grande aide aux gestionnaires de l’eau afin de :

  1. détecter, en temps quasi-réel2, le développement des épisodes de fleurs d’eau d'algues et de cyanobactéries;
  2. planifier a priori les missions de terrain et, par conséquent, minimiser les coûts alloués aux déplacements qui, parfois, pourraient être inutiles;
  3. mettre en place des plans de priorité des missions de terrain en fonction du niveau de détérioration et de l'importance des plans d'eaux touchés;
  4. suivre, simultanément, la qualité des eaux d'un ensemble de lacs sur un territoire aussi large que le Québec méridional en un minimum de temps.

Finalement, nos remerciements vont à Mmes S. Blais et N. Bourbonnais du MDDEFP pour le temps qu’elles ont consacré à collecter et à trier les données in situ qui ont servi à la calibration et à la validation du modèle, à la NASA/GSFC pour la gratuité des données du capteur MODIS, et à R. Latifovic et A.P. Trishchenko du Centre canadien de télédétection pour avoir fourni les modèles de prétraitement des images.

Références bibliographiques 

  1. ANDERSON, D.M., P.M. GLIBERT, and J.M. BURKHOLDER, Harmful algal blooms and eutrophication: nutrient sources, composition, and consequences, 2002, Lawrence, KS, ETATS-UNIS: Estuarine Research Federation. 23.
  2. MDDEP. Bilan des lacs et cours d’eau touchés par les fleurs d’eau d'algues bleu-vert au Québec. [Document Internet] 2009.
  3. Eija, R., et al., Effect of sampling frequency on detection of natural variability in phytoplankton: unattended high-frequency measurements on board ferries in the Baltic Sea. Journal of Marine Science, 1998. 55: p. 8.
  4. O'Reilly, J.E., et al., Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS. Journal of Geophysical Research-Oceans, 1998. 103(C11): p. 24937-24953.
  5. Kutser, T., Quantitative detection of chlorophyll in cyanobacterial blooms by satellite remote sensing. Limnology and Oceanography, 2004. 49(6): p. 2179-2189.
  6. Dall'Olmo, G., et al., Assessing the potential of SeaWiFS and MODIS for estimating chlorophyll concentration in turbid productive waters using red and near-infrared bands. Remote Sensing of Environment, 2005. 96(2): p. 176-187.
  7. Moses, W.J., et al., Estimation of chlorophyll-a concentration in case II waters using MODIS and MERIS data-successes and challenges. Environ. Res. Lett., 2009. 4: p. 045005.
  8. Kahru, M., et al., MODIS detects a devastating algal bloom in Paracas Bay, Peru. EOS, 2004. 85: p. 465-472.
  9. Hu, C., A novel ocean color index to detect floating algae in the global oceans. Remote Sensing of Environment, 2009. 113(10): p. 2118-2129.
  10. El-Alem, A., et al., Comparative Analysis of Four Models to Estimate Chlorophyll-a Concentration in Case-2 Waters Using MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Imagery. Remote Sensing, 2012. 4(8): p. 2373-2400.

1 : Un composé RGB (Rouge-Vert-Bleu) est une image composée de trois bandes localisées, respectivement, dans les régions du bleu, vert et rouge du spectre électromagnétique afin de fournir une image en couleurs naturelles.
2 : Les images sont disponibles 1 h 30 après qu’elles ont été prises.



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