|
Université ABDELMALEK ESSAADI
Faculté des
Sciences - Tétouan
Université CADI AYYAD Projet de recherche
Faculté des Sciences et Techniques Franco-Marocain
Marrakech
MEMOIRE
Présenté en vue d'obtenir
Le Diplôme d'Études Supérieures
Approfondies
Discipline :
Risques géologiques,
Télédétection et Cartographie
Sous le
Thème
Suivi spatio-temporel de la couverture
neigeuse
dans le Haut Atlas de Marrakech à l'aide
des
images SPOT-VEGETATION (Période 1998-2005)
Présenté et soutenu publiquement
Le 14
septembre 2006
Par
Abdelghani BOUDHAR
Devant le jury
composé par :
Mr. K. TARGUISTI Prof. à la FS de Tétouan-Maroc
Président
Mr. L. HANICH Prof. à la FSTG de Marrakech- Maroc
Rapporteur
Mr. B. DUCHEMIN Chercheur au CESBIO à Toulouse-France
Rapporteur
Mr. J. ELMES SARI STITOU Prof. à la FS de
Tétouan- Maroc Rapporteur
Mr. P. ANTONIO Prof. à l'Université d'Almeria-
Espagne Examinateur
Mr. K.MOURABITI Prof. à la FS de Tétouan-Maroc
Examinateur
REMERCIEMENTS
Je tiens tout particulièrement à remercier
plusieurs personnes qui m'ont aidé à
passer un excellent
moment en leur compagnie par leurs conseils et leur contact
agréable
:
Mr Benoît Duchemin (CESBIO-IRD) et
Mr Lahoucine Hanich (FSTG-Marrakech)
pour leur encadrement
et leur disponibilité, pour leur appui technique et logistique
tout
au long du stage.
Mr Kamal Targuisti (FS-Tétouan),
responsable du DESA qui a toujours oeuvré
pour la réussite de
la formation et Mr Jamal Stitou (FS-Tétouan) pour
avoir
accepté le co-encadrement de ce travail.
Mr Vincent Simonneaux (CESBIO-IRD) et Mr
Gilles Boulet (CESBIO-IRD) pour
leur aide et leurs
conseils.
L'ensemble de l'équipe du projet
SudMed à Marrakech, les thésards et stagiaires
pour
leur gentillesse et leur bonne humeur.
Mes collègues du DESA pour tous les
bons moments que nous avons partagés
ensemble pendant toute la
période de formation.
La dynamique de l'enneigement est peu étudiée
dans le Haut Atlas marocain. Pourtant, sous ces hautes altitudes, la neige
représente une source d'eau non négligeable pour les populations
vivant en aval et plus particulièrement au printemps et en début
d'été. Les données acquises par les capteurs optiques
(réflectances et indices de neige dérivés) peuvent
être pertinentes pour le suivi spatial et temporel de la couverture
neigeuse. L'objectif de cette étude est de calculer la couverture
neigeuse et de suivre son évolution spatio-temporelle à l'aide
d'une série d'images SPOT-VEGETATION à basse résolution
spatiale mais haute répétitivité temporelle couvrant la
période 1998 à 2005. Dans une phase de préparation des
données nous avons extrait la fenêtre Tensift et ensuite
sélectionné les images complètes, sans nuages et acquises
avec des angles de visées quasi verticales. Après, nous avons
calculé la surface neigeuse globale, par tranche d'altitude, par bassin
versant et selon l'exposition des versants en utilisant une équation
exponentielle reliant un indice de neige modifié (MSI) au surface
neigeuse. Cette équation est obtenue lors d'un travail antérieur
à la base d'une combinaison des images hautes résolution
(LANDSAT-TM) avec des images basses résolution (SPOT-VGT). Les
résultats obtenus montrent une grande variabilité spatiale et
temporelle de la couverture neigeuse. Dans un objectif de validation des
résultats obtenus, une comparaison entre les profiles des surfaces
calculées avec les précipitations liquides et les
épaisseurs de neige mesurés à la station d'Oukaimden a
été faite, elle montre une cohérence globale.
Mots-clés : SPOT-VEGETATION, MSI,
dynamique neigeuse, Haut Atlas de Marrakech.
Dynamics of snow in Moroccan High Atlas is poorly investigated
despite the fact that snow may represent an important source of water for
downstream populations especially in the spring and early of summer. Data
acquired by space-borne optical sensor (reflectances and derived snow index)
may suitable for special and temporal monitoring of snow cover. The objective
of this study is to calculate the snow cover area and to follow its space-time
evolution using a series of images SPOTVEGETATION (low spatial resolution and
high temporal repetitively) covering the period 1998 to 2005. In a phase of
preparation of the data we extracted the Tensift zone and then selected the
complete images, without clouds and acquired with a quasi vertical viewing
angle. After that the snow covered area is calculated using an exponential
equation between modified snow index (MSI) and snow surfaces in High Atlas of
Marrakech, by altitudes, watersheds and orientations of sides. The results
obtained show that snow covered area characterize by a large variability
spatial and temporal. The comparison of snow surface profiles with
precipitations and snow thickness measured in Oukaimden weather station shows a
global consistency.
Keywords: SPOT-VEGETATION, MSI, Dynamics of
snow, High Atlas of Marrakech.
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE 3
I . CONTEXTE ET PROBLEMA TIQUE DE L 'ETUDE
5
I.1 Problématique de l'étude 5
I.2 Contexte de l'étude 5
I.2.1 Présentation de la zone d'étude 5
I.2.2 Climatologie 7
I.2.3 Caractéristiques physiques des sous bassins versant
atlasique 9
I.3 Contexte physique et technique 10
I.3.1 Notions de Télédétection 10
I.3.1.1 Définition de la
télédétection spatiale 10
I.3.1.2 Orbitographie 12
I.3.1.3 Interaction de la lumière avec la surface 13
I.3.1.4 Les indices 14
I.3.1.5 Les effets perturbateurs 14
a- Angle solaire (SZA) et angle de visée (VZA) 14
b- L'Atmosphère 16
I.4 Le système et les produits VEGETATION
17
I.4.1 Caractéristiques techniques de VEGETATION 17
I.4.2 Les produits VEGETATION 18
I.5 Caractéristiques optiques de la neige
19
II . MA TERIELS ET METHODES 21
II.1 Données disponibles 21
II.2 Logiciels utilisés 22
II.3 Méthodologie 23
II.3.1 Préparation et traitements des données 23
II.3.1.1 Extraction des fenêtres Maroc et Tensift 23
a- Décompression des fichiers zippés 23
b- Sélection des images couvrant le Maroc et extraction
de la fenêtre Maroc et Tensift 23
c- Renommer et sauvegarder les fichiers extraits 24
II.3.1.2 Sélection des images 24
a- Elimination des images incomplètes 24
b- Sélection des visées quasi verticales 26
c- Détection des nuages 27
II.3.2 Calcul de la surface neigeuse 28
II.3.2.1 Calcul d'indice de neige 29
II.3.2.2 Transformation de l'indice de neige en surface 30
II.3.2.3 Filtrage du bruit 31
II.3.2.4 Correction de l'effet de pente 35
II.3.2.5 Généralisation du Calcul de la surface
neigeuse 37
III . VARIATION SPATIO-TEMPORELLE DE LA SURFACE
NEIGEUSE 40
III.1 Variation da la surface neigeuse dans le temps
40
III.1.1 Variation annuelle globale dans tout le Haut Atlas 40
III.1.2 Variation annuelle au niveau des sous bassins versant
44
III.2 Variation spatiale de la surface neigeuse
46
III.2.1 Variation par tranche d'altitude dans le Haut Atlas de
Marrakech 46
III.2.2 Evolution de la surface neigeuse dans les sous bassins
versants 47
III.2.3 Variation de la surface enneigée en fonction de
l'exposition des versants 48
III.3 Comparaison des surfaces neigeuses calculées
et l'épaisseurs mesurées in situ 50
CONCLUSION 51
BIBLIOGRAPHIE 52
ANNEXES 53
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX
Figure I-1: Situation géographique du bassin du
Tensift 6
Figure I-2: Présentation des sous bassins Atlasiques
du bassin versant du Tensift. La ligne de partage climatique est en
pointillés. 7
Figure I-3 : Histogrammes de variation des
précipitations au niveau des stations Tafriat et Aghbalou sur la
période 1972-2002 7
Figure I-4 : Variation des précipitation an fonction
d'altitude dans le bassin versant du Tensift 8
Figure I-5: Variation spatiale des précipitations
annuelles dans le bassin du Tensift (période 1971 -2002) 9
Figure I-6 : Le processus de la
télédétection ((c)CCRS/ CCT) 11
Figure I-7: Orbite quasi polaire ((c)CCRS/ CCT) 12
Figure I-8 : Fauchée d'un capteur ((c)CCRS/ CCT)
13
Figure I-9: Signatures spectrales typiques et bandes
spectrales retenues pour VEGETATION 14
Figure I-10: Angle zénithal solaire et angle
zénithal de visée 15
Figure I-11: Variation de la taille d'un pixel en fonction de
l'angle de visé 15
Figure I-12: Réflectance de la neige (grains de rayon
200 microns) en fonction de l'angle d'illumination 16
Figure I-13 : Illustration des zones couvertes par VEGETATION
après 3 orbites. 17
Figure I-14: Réflectance d'une
neige pure en fonction de la longueur d'onde et selon le rayon des flocons de
neige
(0.05 à 1mm). 19
Figure II-1: Exemple d'un fichier zip 22
Figure II-2: Exemple d'extraction sur image VEGATATION
24
Figure II-3: Image partiellement vide du 0 7/1 0/2002
25
Figure II-4: Image partiellement vide du 12/10/2002
25
Figure II-5: Nombre d'images incomplètes en fonction
des jours 26
Figure II-6: Variation de l'angle zénithal au
dessus de Marrakech en fonction du temps, le seuil choisi est
présenté par un trait en pointés. 27 Figure II-7:
Variation des réflectances de la bande bleu au niveau du piémont
Atlasique au cours de la période 01- 10-2002 à 23-12-2002.
28 Figure II-8: Comparaison de la surface neigeuse calculée par
l'équation linéaire et exponentielle au niveau du
bassin versant de Rheraya, saison 1 998-1 999. 29
Figure II-9: Méthode utilisée pour calculer
l'image SI0 30
Figure II-10: a) image VGT du 14/12/2003, b) surface neigeuse
calculée non corrigée, c) variation de la surface
calculé au niveau de ligne 71, d) variation de la
surface calculée au niveau du colonne 155 31
Figure II-11: variation du pourcentage de neige non
corrigé en fonction d'altitude et par date. 32
Figure II-12 : variation de la surface neigeuse
bruitée en fonction de VZA 32
Figure II-13 : variation de la surface neigeuse
bruitée en fonction de SZA 33
Figure II-14 : variation de la surface neigeuse
bruitée en fonction de WVG 34
Figure II-15: comparaison entre les surfaces neigeuses
extraites avec l'application de 5 et 3 seuils radiométriques,
date du 1 4/1 2/2003 35
Figure II-16: Comparaison des surfaces calculées avec
l'application de 3 et 5 seuils radiom étriques 35
Figure II-17: Méthode de dégradation de l'MNT
Haute résolution à un MNT basse résolution 36
Figure II-18: a)image VEGETATION du 21/03/2004 b) surface
neigeuse corrigée. 37
Figure II-19 : Méthode de calcul de surface neigeuse
sur un sous bassin versant (exemple du sous bassin de N'fis).
38
Figure II-20 : Comparaison des résultats de notre
étude avec les résultats de Chaponnière 2005. 39
Figure III-1 : Variation annuelle de la surface neigeuse sur
tout le Haut Atlas de Marrakech 42
Figure III-2 : Précipitations journalières en
mm dans la station d 'Oukaimden et les surfaces calculées en
Km2 dans le Haut Atlas de Marrakech entre septembre 1998 et juin
1999. 43
Figure III-3 : Précipitations journalières
en mm dans la station d 'Oukaimden et les surfaces calculées en
Km2
dans le Haut Atlas de Marrakech entre septembre 2004 et juin
2005. 43
Figure III-4 : Variation annuelle de la surface neigeuse au
niveau des bassins versant atlasique 45
Figure III-5 : Variation de la surface neigeuse selon les
tranches d'altitudes sur la Haut Atlas de Marrakech, saison 2000-2001.
46
Figure III-6 : Variation de la surface neigeuse selon les
tranches d'altitudes sur le Haut Atlas de Marrakech,
saison 2004-2005. 47
Figure III-7 : Variation de la surface neigeuse sur les cinq
sous bassins atlasique, saison 1998-1999. 48
Figure III-8 : Variation de la surface neigeuse sur les cinq
sous bassins atlasique, saison 2004-2005. 48
Figure III-9 : Variation de la surface neigeuse sur le Haut
Atlas de Marrakech en fonction d'exposition des versants, saison 2002-2003
49
Figure III-10 : Variation de la surface neigeuse sur le Haut
Atlas de Marrakech en fonction d'exposition des
versants, saison 2002-2003 50
Figure III-11 : comparaison des surfaces calculées au
niveau du Haut Atlas et les épaisseurs de neiges mesurées
à la station d 'Oukaimden, saison 2004-2005 50
Tableau I-1: Caractéristiques physiques des bassin
versants Haut Atlasique 10
Tableau I-2: Bandes spectrales de l'instrument VEGETATION
18
LISTE DES ACRONYMES
ABHT Agence du Bassin Hydraulique du Tensift
CCT Centre Canadien de
Télédétection
CESBIO Centre d'Etudes Spatial et de Biosphère
CREMAS Centre de Recherche sur l'Eau en Milieu Arides et Semi
Arides
DREF Direction Régionale des Eaux et
Forêts
FST Faculté des Sciencesde Tétouan
FSTG Faculté des Sciences et
Techniques-Guéliz
IRD Institut de recherche pour leDeveloppement
MNT Modèle Numérique de Terrain
MSI Modified Snow Index
OROMVAH Office Régional de Mise en Valeur Agricole du
Haouz
SAA Solar Azimuth Angle SI Snow Index
SPOT Satellite Probatoire pour l'Observation de la
Terre
SZA Solar Zenith Angle VAA Viewing Azimut Angle
VZA Viewing Zenith Angl WVG Water Vapor Grid
INTRODUCTION GENERALE
Les milieux arides et semi-arides en général
occupent sur tous les continents une part importante des terres
émergées. Ils sont notamment caractérisés par la
très grande hétérogénéité spatiale et
temporelle de la présence de l'eau tant pour ce qui est des
précipitations et des écoulements de surface que, dans une
moindre mesure, pour les eaux souterraines. Au cours des dernières
décennies, ces régions, naturellement fragiles, ont subi à
la fois des fluctuations climatiques importantes et une emprise
accentuée de l'homme à la recherche de nouvelles terres
cultivables. Leur comportement hydrologique naturel a ainsi été
souvent profondément bouleversé du fait de la variabilité
climatique et de la pression anthropique. Ces deux aspects constituent ainsi
des champs d'investigation privilégiés pour la recherche
environnementale dans ces régions.
Les montagnes des milieux semi-arides sont les zones
ressources de ces régions et pourtant elles sont mal connues. Il est
nécessaire de développer notre compréhension et nos
capacités de simulations de ces zones pour répondre au double
défi que s'est lancé la communauté internationale en 2000
lors de la déclaration millénaire de l'ONU à savoir la
« réduction de moitié, d'ici 2015, de la proportion des
personnes qui n'ont pas accès à l'eau potable ou qui n'ont pas
les moyens de s'en procurer » et la fin de « l'exploitation
irrationnelle des ressources en eau, en formulant des stratégies de
gestion de l'eau au niveaux régional, national et local permettant
notamment d'assurer aussi bien un accès équitable qu'un
approvisionnement adéquat ».
Grâce aux barrières orographiques naturelles
qu'elles constituent face aux masses d'air, les zones montagneuses recueillent
80% de l'eau douce de surface de la planète, alors qu'elles ne
représentent que 20% de la surface terrestre. Depuis le début du
siècle dernier les montagnes sont soumises à une pression
démographique sans cesse grandissante. Elles abritent aujourd'hui plus
d'un dixième de la population mondiale (dans certaines régions
montagneuses d'Asie une densité de population de plus de 400 habitants
au km2 est observée) : agriculture, foresterie,
élevage sont la cause d'une dégradation
accélérée de l'environnement dans ces zones.
Le sud du Maroc est une zone où l'eau est rare.
L'alimentation des périmètres irrigués situés
autour de la ville de Marrakech et de la ville elle-même se fait
grâce à 2 barrages situés dans l'Atlas ainsi que par l'eau
des rivières de l'Atlas. Tandis que l'accroissement démographique
très fort de la ville nécessite toujours plus d'eau (non
seulement pour l'alimentation en eau mais aussi pour les
périmètres irrigués qui- face à ce marché
qui grandit- s'étendent), les ressources
en eau vont en diminuant sous l'effet des changements
environnementaux. C'est donc vers une optimisation de la gestion de l'eau qu'il
faut tendre.
Notre travail est effectué au sein du Centre de
Recherche sur l'Eau en Milieux Arides et Semi arides (CREMAS) à la
Faculté des Sciences et Techniques de Marrakech (FSTG). Il
s'intègre dans le cadre du programme de recherche SUDMED (projet de
coopération entre :l'institut de recherche pour le développement
(IRD), Université Cadi Ayyad et les services d'Etat marocain
responsables de l'agriculture (ORMVAH), de l'hydraulique (ABHT) et des
forêts (DREF). Ce projet vise à développer des
méthodologies d'intégration des informations de terrain et des
mesures satellites dans les modèles de processus hydro
écologiques afin de documenter, comprendre et prévoir
l'évolution d'une région semi-aride
hétérogène en vue d'une gestion durable.
Dans le bassin de Tensift l'hydrologie est surtout
développée en montagne alors que l'on s'intéresse
davantage à l'utilisation de l'eau en plaine. Dans ce contexte, une
meilleure caractérisation des ressources en eau disponibles en amont est
nécessaire. L'intégration du module neige dans les modèles
hydrologiques est une importance pour une bonne gestion des ressources en eau.
Evaluer la surface enneigée par la télédétection
à un pas de temps court est une première étape pour
estimer les quantités d'eau disponibles lors de la fonte.
L'objectif de ce travail est de calculer la surface neigeuse
dans le Haut Atlas de Marrakech à l'aide des images SPOT-VEGETATION
à basse résolution spatiale mais haute
répétitivité temporelle couvrant la période du 1998
à 2005 et de suivre son évolution spatio-temporel. Cette surface
est calculée en appliquant un algorithme reliant le pourcentage
d'enneigement (deduit à partir des images hautes résolution
LANDSAT-TM) au indice de neige (déduit des images basses
résolution : SPOT-VGT). Après nous avons étudié la
variation de la surface neigeuse, par bassin versant, par tranche d'altitude et
par exposition le long de la période sus indiquée.
I . CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE DE L'ETUDE
I.1 Problématique de l'étude
La neige est considérée parmi les principales
sources d'eau de la plaine du bassin de Tensift pour le remplissage des
barrages, la recharge des nappes et l'alimentation des canaux traditionnels, et
en tenant compte de l'augmentation des besoins en eau du fait du
développement de la population de l'agriculture et du tourisme, il est
important de quantifier le stock de neige existant et de prévoir les
volumes d'eau qui seront disponibles lors de la fonte. Cela permet de mieux
connaître la quantité d'eau disponible et de planifier plus
efficacement son utilisation.
Les précipitations dans la région de Tensift se
caractérisent par une large variabilité spatio- temporelle
(Figure I.5) ainsi que la dynamique de la couverture neigeuse dans les
montagnes de ces régions change rapidement, la neige peut tomber puis
fondre en espace d'une semaine.
Dans ce contexte, il faut un suivi régulier au cours de
la saison, à un pas de temps suffisamment fin pour suivre l'enneigement
et la fonte : 5 à 10 jours. Seuls les satellites basse résolution
offrent une répétitivité suffisante pour disposer de
données à cette fréquence. Dans ce but nous avons ici
utilisé une série d'images SPOT VEGETATION journalières
acquises entre 1998 et 2005.
| 
