Présentation

Depuis le désastre de Deepwater Horizon en 2010, jusqu'à de plus petites fuites chroniques de navires et de pipelines, le déversement de pétrole dans l'environnement exige une détection rapide et une surveillance soutenue pour minimiser les répercussions écologiques et économiques.Les méthodes traditionnelles, telles que l'inspection visuelle des aéronefs ou des bateaux, sont limitées dans la couverture spatiale et peuvent être gravement entravées par l'obscurité, le brouillard ou les mers agitées.Au cours des 30 dernières années, les technologies de télédétection sont devenues des outils indispensables pour détecter et surveiller les déversements de pétrole.

Aperçu des technologies de télédétection

La télédétection est la science de l'acquisition d'informations sur un objet ou une zone sans contact physique.Dans le contexte des déversements d'hydrocarbures, les systèmes de télédétection dépendent du rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis par le mélange huile-eau. Le choix du capteur dépend de la région de longueur d'onde du spectre électromagnétique utilisé, de l'altitude de la plate-forme et des conditions environnementales.

Chaque plateforme offre des compromis différents entre la résolution spatiale, la fréquence temporelle, la couverture aréale et le coût. Par exemple, un petit drone peut fournir des images de résolution de sous-mètres sur une petite zone en quelques minutes, tandis qu'un satellite en orbite terrestre basse peut représenter des milliers de kilomètres carrés en une seule passe, mais ne peut revisiter la même zone qu'à quelques jours. La surveillance efficace des déversements de pétrole utilise souvent une approche multiplateforme et multicapteurs qui combine les forces de plusieurs systèmes.

Technologies clés de télédétection pour la détection des déversements d'hydrocarbures

Capteurs optiques

Les capteurs optiques sont parmi les outils de télédétection les plus simples. Ils captent la lumière du soleil réfléchie dans les parties visibles (400 à 700 nm) et proches de l'infrarouge (700 à 1300 nm) du spectre. Les marées d'huile apparaissent différemment que l'eau propre parce que l'huile modifie la rugosité et la réflectivité de la surface. Dans les longueurs d'onde visibles, l'huile épaisse peut apparaître brun foncé ou noir sur un fond d'eau plus brillant, tandis que les reflets fins produisent une couleur argentée ou arc-en-ciel caractéristique. L'imagerie optique est intuitive pour les analystes humains et peut être obtenue à partir de caméras de qualité de consommation sur drones ou d'instruments satellitaires sophistiqués comme ceux des satellites Terra et Aqua de NASA ().

Radar d'ouverture synthétique (SAR)

Le radar d'ouverture synthétique est largement considéré comme le cheval de travail de la détection des déversements d'hydrocarbures depuis l'espace et l'air. Le radar d'ouverture est un capteur actif qui transmet des impulsions à micro-ondes et mesure l'énergie rétro-réperçue. L'interaction du signal radar avec la surface de la mer est régie par la ruguosité de la surface. L'eau propre avec les ondes capillaires générées par le vent produit de fortes répercussion (zones brillantes). Les marées d'huile amortissent ces ondes courtes, réduisant la rétro-répercussion et créant des taches sombres dans l'image radar. La capacité d'exploitation jour et nuit, par les nuages et par temps défavorable rend le système SAR indispensable pour surveiller les déversements dans des régions à ciel nuageux lointain ou persistant comme l'Arctique.

Capteurs infrarouges et thermiques

Les capteurs infrarouges détectent les rayonnements thermiques émis par la surface. Une marée noire peut modifier la température de surface par rapport à l'eau environnante. En journée, l'huile peut absorber plus de rayonnement solaire et devenir plus chaude que l'eau, particulièrement les émulsions plus épaisses. La nuit, le film d'huile peut refroidir plus rapidement, parfois plus froid. Les caméras infrarouges thermiques peuvent donc révéler des marées noires ou froides, selon le moment de la journée et l'épaisseur de l'huile. Ces capteurs sont généralement montés sur les avions et les UAV pour une réponse tactique.

Imagerie multispectrale et hyperspectrale

Les capteurs multispectraux capturent des images dans plusieurs bandes spectrales discrètes (généralement 4-10), tandis que les capteurs hyperspectraux enregistrent des centaines de bandes étroites contiguës à travers les régions visibles, proches de l'infrarouge et à ondes courtes infrarouges. Les informations spectrales détaillées permettent aux analystes de différencier le pétrole d'autres substances basées sur des caractéristiques uniques d'absorption et de réflexion. Par exemple, le pétrole absorbe fortement les longueurs d'onde ultraviolettes et certaines longueurs d'onde infrarouges. Les données hyperspectrales peuvent également fournir des estimations de l'épaisseur du film et du type d'huile.

Capteurs de fluorescence (Lidar et passif)

Lorsqu'il est éclairé par la lumière ultraviolette, les fluoresces d'huile – la lumière émettrice à plus longues longueurs d'onde – avec des spectres caractéristiques selon sa composition. Les systèmes lidar à fluorescence active (détection de la lumière et de la gamme) ainsi que les capteurs ultraviolets passifs peuvent exploiter cette propriété pour détecter l'huile même dans des couches très fines.

Avantages de la télédétection dans la surveillance des déversements de pétrole

[La télédétection offre plusieurs avantages critiques pour la surveillance des déversements d'hydrocarbures qui sont difficiles à réaliser avec des mesures in situ ou une seule observation visuelle.][La télédétection peut d'abord représenter des milliers de kilomètres carrés, permettant aux intervenants de cartographier rapidement l'étendue complète d'un déversement.][La télédétection peut fonctionner dans des [[la FLT:2]] milieux dangereux et de périls[la FLT:3]], comme l'Arctique, les bassins océaniques éloignés ou les zones de conflit, où les survols habités ou les relevés de navires sont impraticables.[La FLT:4]]la rapidité de détection[la FLT:5] est améliorée par les temps de revisualisation rapides des constellations satellitaires.

Études de cas et applications du monde réel

Horizon en eau profonde (Gulf du Mexique, 2010)

La catastrophe de Deepwater Horizon a été la plus importante marée noire marine de l'histoire, libérant environ 4,9 millions de barils sur 87 jours. Une vaste gamme de moyens de télédétection ont été mobilisés, notamment des satellites SAR (RADARSAT-2, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed), des satellites optiques (MODIS, Landsat) et des capteurs thermiques et hyperspectraux aéroportés. L'imagerie SAR a fourni des cartes quotidiennes de l'étendue des hydrocarbures de surface, souvent supérieures à 10 000 km2 au pic. Les données optiques du MODIS ont permis de distinguer les minces reflets des émulsions plus épaisses.

Déversements de Prestige (Espagne, 2002)

Lorsque le pétrolier Prestige a coulé au large de la côte espagnole, le mazout lourd s'est répandu sur des milliers de kilomètres le long de la côte atlantique. Agence spatiale européenne Envisat ASAR (un SAR en bande C) a été largement utilisé pour suivre la marée dérivante.

Petits déversements de pipelines et de navires

Les déversements de plus petite taille sont souvent plus difficiles à détecter depuis l'espace parce que la zone touchée peut être plus petite qu'un pixel satellite. Cependant, des satellites optiques à très haute résolution comme GeoEye‐1 et WorldView‐3 (avec une résolution panchromatique de 0,3 à 0,5 m) ont été utilisés pour détecter les fuites provenant de plates-formes et de pipelines offshore.Les caméras thermiques montées sur drone sont de plus en plus déployées pour réagir rapidement aux déversements dans les ports et les eaux intérieures.

Les défis de la télédétection des déversements de pétrole

[Les données positives restent un problème majeur : les films naturels produits par phytoplancton, les algues, les zones de remontée et même les zones d'eau calmes peuvent tous apparaître comme des taches sombres sur les images SAR. Une analyse de la texture et du champ de vent est nécessaire pour réduire les fausses alarmes. La résolution spatiale les limites peuvent causer des effusions minces ou de petits déversements à passer inaperçus si la taille du pixel est plus grande que la lécheresse. Les capteurs à très haute résolution ont souvent une revision étroite et peu fréquente, limitant leur utilisation pour la surveillance de grandes surfaces. La résolution temporelle comme les analyses de la température comme les analyses de la température et de la température sont plus complexes que les analyses de la température de l'eau.

Orientations futures et technologies émergentes

La télédétection pour la détection des déversements de pétrole évolue rapidement, grâce à l'amélioration du matériel de détection, aux algorithmes de traitement des données et aux méthodes d'analyse comme l'apprentissage automatique. Une tendance majeure est la prolifération des constellations de satellites . Des satellites plus petits et moins chers (p. ex. les plateformes CubeSat et microsatellites) sont déployés en grand nombre pour fournir des temps de revisualisation quotidiens ou même sub-jaillement. Des entreprises comme Planet Labs exploitent des centaines de cubes optiques qui peuvent représenter la Terre entière quotidiennement. Bien que optiques, ils peuvent encore détecter de grands déversements et soutenir une surveillance fréquente.

L'apprentissage de la machine et l'intelligence artificielle sont appliqués pour automatiser la détection et la classification des déversements d'hydrocarbures.Les réseaux neuronaux convolutionnels (RCN) et les modèles d'apprentissage profond formés sur de grands ensembles de données de R-S et d'imagerie optique peuvent identifier les déversements avec une grande précision et rapidité.Par exemple, les chercheurs ont développé des modèles qui traitent l'imagerie SAR Sentinel‐1 en temps quasi réel pour signaler les déversements potentiels pour l'examen humain. L'IA montre également des promesses en réduisant les faux positifs en apprenant les différences subtiles entre les marées d'hydrocarbures et les marées naturelles, les modèles induits par le vent ou les zones à faible vent.

Les véhicules aériens sans pilote (UAV) et les systèmes autonomes sont de plus en plus accessibles et capables. Equipés de charges utiles compactes en matière de R-S optiques, thermiques et même légères, les UAV peuvent être déployés rapidement pour une intervention à l'échelle locale, couvrant une superficie de quelques centaines de kilomètres carrés par vol. Leur capacité de se déplacer et de fournir une surveillance persistante est particulièrement utile pour surveiller les opérations de confinement actif ou vérifier les détections par satellite.

Les capteurs hyperspectraux et fluorescence[ avancés se dirigent vers un déploiement spatial. Le prochain programme de cartographie et d'analyse environnementales (EnMAP) de l'Allemagne et la mission de biologie de surface et de géologie (SBG) de la NASA prévue pour la prochaine décennie vont pousser les capacités hyperspectrales aux opérations de routine, ce qui permettra d'identifier plus précisément les types d'hydrocarbures et les estimations d'épaisseur, ce qui facilitera la priorisation des interventions en cas de déversement.

L'intégration avec les systèmes et modèles d'observation océaniques continuera de s'améliorer. L'intégration des données de télédétection aux courants océaniques, aux prévisions éoliennes et aux modèles de devenir chimique permet de suivre les prévisions et aide les intervenants à répartir efficacement les ressources.

Dans l'ensemble, l'avenir de la télédétection des déversements de pétrole repose sur des systèmes multiplateformes, multicapteurs et assistés par l'IA qui fournissent des informations opportunes, précises et exploitables aux décideurs.

Conclusion

Du point de vue mondial de la recherche et de la sauvetage par satellite au détail local des caméras thermiques montées sur drone, ces outils permettent une observation rapide, synoptique et persistante du pétrole en mer. Bien que des défis tels que les faux positifs, les limites de résolution et la nécessité d'une analyse spécialisée demeurent, les progrès continus dans les capacités des capteurs, les constellations satellitaires et l'apprentissage des machines surmontent ces obstacles. L'intégration de la télédétection dans les cadres d'intervention opérationnelle – amplifiés par les services de la NOAA, de l'ESMA et du programme Copernicus – a prouvé sa valeur dans les incidents majeurs et la surveillance de routine.