Le défi mondial de l'érosion des sols

Selon l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), l'érosion élimine chaque année environ 75 milliards de tonnes de terre fertile, ce qui réduit la productivité agricole et accroît la sédimentation dans les cours d'eau. Le coût économique est estimé à plus de 400 milliards de dollars par an. Les méthodes traditionnelles de surveillance de l'érosion, soit les levés de terrain, les épingles d'érosion et les parcelles de ruissellement, sont à forte intensité de main-d'oeuvre, ne fournissent que des données localisées et ne peuvent pas suivre l'échelle spatiale et temporelle du problème, c'est là que la télédétection est apparue comme un outil de transformation.

Les mesures de lutte contre l'érosion, qui vont de la couverture végétative aux structures aménagées comme les terrasses et les barrages de contrôle, sont conçues pour stabiliser le sol, réduire la vitesse de ruissellement et piéger les sédiments. Toutefois, la surveillance de ces interventions exige une observation cohérente des changements de surface des terres, de la santé de la végétation et des altérations topographiques.

Principes fondamentaux de la télédétection pour la surveillance de l'érosion

La télédétection consiste à obtenir des informations sur la surface de la Terre sans contact physique direct. Les capteurs montés sur des satellites, des avions ou des drones détectent les rayonnements électromagnétiques réfléchis ou émis sur différentes longueurs d'onde. Ces données sont ensuite traitées pour produire des images et des produits dérivés qui révèlent des propriétés biophysiques pertinentes à l'érosion, comme la densité de la végétation, l'humidité du sol, la rugosité de la surface et les changements d'altitude.

Télédétection par satellite

Des programmes comme NASA-Landsat (30 mètres de résolution depuis 1972), l'Agence spatiale européenne-Sentinel-2 (10-20 mètres de résolution depuis 2015) et des satellites commerciaux comme WorldView-3 (résolution du sous-mètre) fournissent des données adaptées à différentes échelles d'analyse. Des capteurs multispectraux capturent des bandes visibles, quasi infrarouges (NIR) et infrarouges à ondes courtes (SWIR), qui sont essentielles pour les indices de végétation tels que l'indice de végétation de différence normalisée (NDVI) qui indiquent la santé et la couverture des plantes.

Véhicules aériens sans équipage (drônes)

Les drones comblent l'écart entre les levés sur le terrain et les images satellitaires. Ils peuvent être déployés sur demande, voler sous la couverture nuageuse et transporter des capteurs qui capturent des images à haute résolution (à l'échelle du centimètre). Pour la surveillance de l'érosion, les drones sont particulièrement utiles pour évaluer les mesures de contrôle à petite échelle comme les couvertures géotextiles, les voies navigables gazonnées et vérifier les conditions des barrages.

LiDAR aéroporté et photogrammétrie

La détection et le ranging de la lumière (LiDAR) utilisent des impulsions laser pour mesurer les distances au sol, pénétrer la végétation pour cartographier la topographie de la terre nue. Les MDE de la source LiDAR sont essentielles pour modéliser le risque d'érosion, concevoir des terrasses et quantifier les changements volumétriques des ravines. La photogrammétrie aéroportée, à l'aide de photographies aériennes recoupantes, produit également des orthophotos et des MDE à haute résolution.

Mesures de contrôle de l'érosion et applications de télédétection

La télédétection ne remplace pas les observations sur le terrain mais amplifie leur contexte spatial et temporel. Ci-dessous figurent les principales catégories de mesures de lutte contre l'érosion et la façon dont les techniques de télédétection sont appliquées pour surveiller leur efficacité.

Mesures végétatives

La télédétection évalue la couverture végétative à travers des indices spectraux. La NDVI, calculée comme (NIR – Rouge) / (NIR + Rouge), est une mesure standard. Une augmentation de la NDVI au fil du temps dans les zones traitées avec de l'herbe, des arbustes ou des cultures de couverture indique une réduction réussie de l'établissement et de l'érosion. D'autres indices comme l'indice de végétation ajusté du sol (SAVI) et l'indice de végétation amélioré (EVI) tiennent compte du fond du sol et des effets atmosphériques. L'analyse des séries chronologiques de données satellitaires peut révéler si la couverture végétative est maintenue au cours de saisons sèches ou après des tempêtes à forte intensité.

Mesures structurelles: Édifice et contrôle des barrages

Les barrages de contrôle sont de petites barrières construites à travers les ravins pour piéger les sédiments. La surveillance de ces structures nécessite la détection de changements topographiques et l'accumulation de sédiments. Les DEM à haute résolution de LiDAR ou de photogrammétrie de drone peuvent quantifier l'état des bordures de terrasse, mesurer le volume des sédiments derrière les barrages de contrôle et identifier les zones où les structures ont été percées ou surchargées. En comparant les DEM de relevés successifs, les ingénieurs peuvent calculer les taux nets d'érosion ou de dépôt.

Géotextiles et couverture terrestre

La télédétection de ces matériaux est difficile parce qu'ils sont temporaires et souvent semblables à ceux du sol. Cependant, des images à très haute résolution (sous-mètre) provenant de drones ou de satellites commerciaux peuvent identifier leur présence et leur dégradation au fil du temps. Les changements de texture, de couleur et de signature spectrale (p. ex., en utilisant l'indice de différence normalisée du sol) peuvent indiquer l'usure ou l'échec.

Contours Agriculture et culture à bandes

La télédétection peut évaluer l'efficacité de ces pratiques en détectant la couverture des résidus de cultures, la direction des rangs et la croissance différentielle de la végétation. L'imagerie radar d'ouverture synthétique (SAR), sensible à la rugosité de la surface et à l'humidité du sol, peut compléter les données optiques. Des études ont utilisé le Sentinel-1 SAR pour cartographier les variations d'humidité du sol qui indiquent les voies de ruissellement et pour évaluer si les profils de contour sont effectivement suivis.

Techniques d'analyse des données

Les données brutes de télédétection doivent être traitées pour obtenir des informations significatives sur l'efficacité du contrôle de l'érosion.

Détection de changement

La détection des changements permet de déceler les différences de caractéristiques de surface des terres entre deux ou plusieurs points de temps. Il peut être aussi simple que de soustraire les images de NDVI pour trouver des zones de verdissement ou de brunissement, ou aussi avancé que l'utilisation d'algorithmes comme la détection et la classification continues des changements (CCDC) sur les séries chronologiques Landsat. Pour la surveillance de l'érosion, la détection des changements met en évidence les endroits où l'érosion est active (p. ex., les ravins en expansion, les parcelles de sol nues) et où les mesures de contrôle inversent la dégradation (p. ex., la végétation récupérée, les forages remplis).

Classification et apprentissage automatique

Les modèles d'apprentissage automatique, tels que les forêts aléatoires, les machines à vecteur de soutien et les réseaux neuronaux convolutionnels (RNC), ont été appliqués avec succès pour identifier les terrasses, vérifier les barrages et les cicatrices d'érosion à partir d'images de drones ou de satellites. Les données de formation issues des enquêtes sur le terrain permettent à ces modèles de distinguer les pentes stables et les pentes érodables, et d'évaluer l'état des mesures de contrôle de l'érosion.

Analyse topographique de LiDAR

Les levés LiDAR multitemporaux (repeat LiDAR) peuvent produire des DEM de différence (DoD), qui quantifient les changements volumétriques dans la topographie. Par exemple, une étude LiDAR répétée sur le front du Colorado a montré qu'après les tempêtes, les volumes de sédiments dans les barrages de contrôle ont changé de 200 mètres cubes, mesurant directement l'efficacité des structures. Un logiciel de détection des changements géomorphiques permet aux utilisateurs de propager l'incertitude et d'identifier une érosion ou un dépôt significatif.

Avantages de la télédétection dans la surveillance de l'érosion

Le déplacement vers la télédétection est motivé par des avantages évidents par rapport aux méthodes traditionnelles. La couverture de grande superficie[ signifie qu'une seule scène satellitaire peut couvrir des milliers de kilomètres carrés, permettant des évaluations régionales ou nationales. La collecte fréquente de données—des satellites revisitent certaines zones tous les quelques jours—permet un suivi en temps quasi réel après les tempêtes, ce qui est crucial pour les interventions d'urgence et le maintien en temps opportun des mesures de contrôle. L'efficacité du coût devient évidente par rapport aux enquêtes au sol : les équipes de terrain ne peuvent échantillonner qu'une fraction du paysage, tandis que la télédétection fournit des données mur-mur à moindre coût par unité. L'imagerie à haute résolution (sous-mètre des drones ou des satellites commerciaux) rivalise avec le détail des observations de terrain et peut saisir de belles caractéristiques telles que des forages, de petites terrasses et des bords géotextiles.

De plus, les archives de télédétection fournissent des données de référence historiques.L'imagerie Landsat datant des années 1970 permet d'analyser les taux d'érosion et de mesurer les résultats au cours des décennies, une perspective temporelle inaccessible par la surveillance au sol.Ces données permettent aux gestionnaires fonciers de prendre des décisions fondées sur des données scientifiques sur les endroits où investir dans la lutte contre l'érosion et sur la façon d'adapter les stratégies dans des conditions climatiques changeantes.

Défis et limites

Malgré sa puissance, la télédétection n'est pas sans contraintes. ]La couverture de nuages peut masquer les images optiques satellitaires pendant de longues périodes, en particulier dans les régions tropicales et montagneuses. Cette limitation est partiellement atténuée par des capteurs radar (SAR) qui pénètrent dans les nuages, mais les données SAR nécessitent un traitement et une interprétation spécialisés. La résolution spatiale demeure un compromis : les données à haute résolution sont coûteuses et couvrent des zones plus petites, tandis que les capteurs à résolution modérée (par exemple Landsat) peuvent manquer de fonctionnalités d'érosion à petite échelle ou de structures de contrôle individuelles. La complexité du traitement des données exige une expertise en analyse géospatiale, en calibration spectrale et en algorithmes de détection des changements.

Une diminution de l'IVDN peut indiquer une érosion, mais elle peut aussi résulter de la sécheresse, de la maladie ou de la récolte. De même, les changements topographiques de LiDAR pourraient refléter des processus naturels (fluides de terre) plutôt que l'échec de la mesure de l'érosion. La désintégration de ces facteurs exige souvent des données multisources et un jugement d'expert. Enfin, les coûts et l'accès[ peuvent être prohibitifs pour les pays en développement ou les communautés locales, bien que les politiques de données ouvertes (Landsat, Sentinel) aient grandement réduit cette barrière.

Orientations futures et innovations

La trajectoire de la télédétection pour la surveillance de l'érosion permet d'améliorer l'intégration, l'automatisation et la résolution.

Intégration avec l'IA et Big Data

Les plateformes de calcul en nuage comme Google Earth Engine ont un accès démocratisé aux archives d'images satellitaires à l'échelle des pétaoctets, permettant aux utilisateurs de réaliser des analyses sophistiquées sans télécharger de téraoctets de données. Les algorithmes d'apprentissage automatique, en particulier les apprentissages profonds, peuvent automatiquement cartographier les caractéristiques d'érosion et les mesures de contrôle à partir des images.

Capteurs hyperspectraux et SAR

Les capteurs hyperspectraux recueillent des centaines de bandes spectrales étroites, permettant d'identifier la minéralogie du sol, la teneur en matière organique et même des espèces végétales spécifiques.Cela pourrait améliorer les évaluations de la stabilité du sol et de la qualité de la végétation dans les zones de contrôle de l'érosion. Le radar d'ouverture synthétique (SAR), comme Sentinel-1, est de plus en plus utilisé pour l'estimation de l'humidité du sol et la topographie, et n'est pas affecté par les nuages.

Systèmes de surveillance en temps réel

Les essaims et constellations de petits satellites (satellites de Cube) à faible coût permettent de réaliser une surveillance en temps quasi réel, qui peut être programmée pour voler après des précipitations importantes ou pendant des périodes critiques de croissance de la végétation.

Conclusion

La télédétection est passée d'un outil scientifique de niche à une nécessité opérationnelle de surveillance de l'efficacité des mesures de lutte contre l'érosion.En fournissant des données évolutives, répétables et quantitatives sur la couverture végétale, la topographie et les changements de surface, elle permet aux gestionnaires fonciers de vérifier si les interventions fonctionnent, d'identifier rapidement les zones problématiques et d'allouer les ressources de manière plus efficace.Bien que des défis subsistent – couverture nuageuse, compromis en matière de résolution et besoin de compétences spécialisées – les progrès continus dans les technologies de détection, l'informatique en nuage et l'apprentissage des machines augmentent rapidement la capacité et l'accessibilité de la télédétection.