BOSCO

Le projet BOSCO propose de co-construire un service d’estimation de teneur en eau sur le territoire breton à très haute résolution spatiale et temporelle, pertinente pour la gestion agricole et des ressources en eau. Ce service intègre des outils diagnostique et des produits dérivés (teneur en eau sur l’épaisseur racinaire, estimation de la recharge) pour l’appui aux politiques publiques.

[en]

Carte humidité des sols © Geosciences Rennes/CES THEIA

Observatoire Spatial du Contenu en Eau des Sols en Bretagne

PRÉSENTATION

L’eau est une ressource essentielle pour les humains et les écosystèmes : stockée temporairement dans les milieux souterrains, elle est consommée par la végétation et s’écoule vers les rivières au travers de nappes de versants. En Bretagne, 75% des ressources en eau sont issues d’eaux de surface, soutenues par un ensemble de petites nappes dans la partie altérée des roches cristallines. L’extension de la durée des périodes sans précipitations induit des sècheresses agricoles et hydrologiques (y compris en hiver), mettant sous pression les systèmes d’alimentation en eau, les schémas de gestion agricole et les efforts de restauration du bon état écologique des écosystèmes aquatiques (figure 1). Cette évolution marquée depuis les années 2000 nécessite également d’adapter les outils de gestion, qui doivent se baser sur des observations dynamiques du contenu en eau des sols à une échelle pertinente, en complément des autres informations météorologiques et d’architecture des milieux. Jusqu’à présent, les outils de gestion s’appuient soit sur des observations ponctuelles ou intégratives (par « masse d’eau »), soit sur des modélisations comme la chaine SIM de Météo-France. Cependant, sa résolution spatiale (64 km²), ne permet pas de répondre aux besoins des gestionnaires, notamment à l’échelle de la parcelle (figure 2).

Figure 1 : Évolution des températures et précipitations estivales sur 12 stations bretonnes depuis 1955. La température augmente de 3.5°C par 100 ans. L’impact du changement climatique sur les précipitations estivales se traduit par 2 régimes de précipitations : des années 1960 à 2000, des températures chaudes étaient liées à des précipitations plus importantes, mais depuis les années 2000, les années chaudes sont déficitaires en eau. © Geosciences Rennes

Le projet BOSCO consiste à :

déployer un produit satellitaire validé (CES humidité très haute résolution spatiale de THEIA) pour le suivi de la teneur en eau des sols sur la région Bretagne en accès ouvert ;
proposer des indicateurs pertinents à l’échelle locale et régionale et des produits dérivés pour définir la disponibilité de l’eau et ainsi répondre aux besoins de l’agriculture, de la gestion des ressources et du suivi des écosystèmes;
développer une plateforme de diffusion et de visualisation intégrée (approche Copernicus régional GéoBretagne) pour former et accompagner les acteurs dans l’appropriation des produits. Ainsi ces données homogènes et accessibles permettront de standardiser les analyses, d’assurer leur transparence et d’accompagner les territoires dans leurs nouvelles compétences (e.g. GEMAPI).

Figure 2 : Distribution de la teneur en eau par parcelle sur le bassin du Meu-Canut, à l’Ouest de Rennes, estimée par le produit CES THEIA « Teneur en eau à très haute résolution spatiale ». Le carré blanc correspond à la grille d’analyse et de modélisation SAFRAN/SIM2 pour l’estimation des forçages météorologiques et de teneurs en eau du sol (Soil Water Index). Noter le besoin de haute résolution spatiale pour cerner le comportement de ces systèmes hydrologiques à fine échelle. © Geosciences/CES THEIA

Le projet est construit autour de laboratoires de recherche (développeurs de code), d’entreprises(traitement opérationnel et produits dérivés), d’observatoires au sol (validation des données), et d’utilisateurs finaux (DREAL, Météo France, Eau du bassin Rennais, chambre d’agriculture) en charge de la gestion des risques et la mise en œuvre des politiques publiques afférentes à l’agriculture, la gestion des ressources, la protection des écosystèmes. Le projet s’appuie également sur des « facilitateurs », c’est-à-dire des centres d’expertise qui participent activement à l’usage et la valorisation des données satellitaires (GIS BRETEL), la diffusion des données par des outils accessibles (GéoBretagne) et la valorisation des données environnementales auprès des territoires (GIP OEB, Observatoire de l’Environnement en Bretagne). La région Bretagne offre un contexte très favorable, car elle est très impliquée dans le développement des outils de surveillance spatiale, et investie dans le développement d’une politique régionale d’atténuation du changement climatique. Le projet s’inscrit dans la convention cadre CNES-Région Bretagne et contribuera au développement de l’institut IRISPACE (Institut Régional d'Innovation Spatiale) qui débutera en 2021.

Site(s) d’application

Région Bretagne, France

DONNÉES

Satellite

Sentinel1 radar
Sentinel 2 multispectral

Autres

DREAL : Données Registre parcellaire général et Débit des rivières
METEO-France : Précipitations, évapotranspiration
Observatoires au sol : teneur en eau, données géophysiques, estimation de recharge

Pour estimer la teneur en eau à très haute résolution spatiale et temporelle à l’échelle de la Bretagne, l’algorithme de BOSCO s’appuie principalement sur la constellation de satellites issue du programme Européen Copernicus. Il combine les données Sentinel-1 (radar, sensible à l’humidité) et Sentinel-2 (optique/NDVI, état de la végétation) au sein d’un réseau de neurones pour estimer la teneur en eau des sols sur une épaisseur de ~5 cm avec une précision de ~5% volumique5. L’estimateur est basé sur les réalisations d’un modèle physique, calibré sur 10 ans de données collectées dans différents contextes climatiques et de sol. L’approche n’est pas sensible à la couverture nuageuse. La singularité de ce produit reste son échelle spatiale, la parcelle, pertinente pour des questions de gestion agricole et des ressources en eau, et son échelle temporelle (2 jours), pertinente pour la compréhension les écoulements d’eau. L’estimation des teneurs en eau sur la zone racinaire et de la recharge nécessite des forçages météorologiques (Analyse Safran) qui seront mis à disposition par Météo France, des informations sur le type de sol (GéoBretagne) et les données dé débit pour calibration (DREAL).

La validation des produits satellitaires et dérivés s’appuie sur les observatoires de l’environnement « au sol » bretons, réunis dans une plateforme d’observation soutenue par les laboratoires de l’INRAE et du CNRS (UMS OSUR et UMS IUEM), et associés aux infrastructures de recherche OZCAR et RZA. Les outils et données de mesure de teneur en eau (par drone, suivis continu), les informations locales (pédologie, …) et l’expertise sur le fonctionnement des systèmes observés seront mis à disposition pour validation à fine échelle. Météo-France fournira également les sorties du modèles SIM et notamment l’indice d’humidité des sols SWI pour la validation des produits bruts et dérivés à large échelle.

RÉSULTATS - PRODUITS FINAUX

Teneur en eau à très haute résolution spatiale (parcelle) et temporelle (2-3 jours)
Estimation de teneur en eau sur l’épaisseur racinaire (parcelle, 2-3 jours)
Estimation de la recharge (parcelle 2-3 jours)

Le principal outil de diffusion des données s’intègre dans la démarche « Copernicus Régional » et sera associé au visualisateur Mviewer développé par la région Bretagne, utilisé et promu par GéoBretagne Une interface de visualisation sera développée pour valoriser les flux de données continus (tous les 2-3 jours), sous la forme de données ouvertes qui alimenteront également la base de données THEIA (IR DATA TERRA). Cette interface sera capable de visualiser des cartes à différentes dates ou issues d’opérations statistiques (variabilité, persistance), d’afficher l’évolution temporelle par objet à différentes échelles d’intérêt pour les utilisateurs (parcelle, îlot, commune, bassin-versant). Les spécifications techniques seront à définir entre fournisseurs du produit, développeur de la plateforme, utilisateurs métiers, avec le support des facilitateurs.

L’accompagnement des territoires pour l’utilisation de ces produits et l’aide à la décision s’appuiera sur le GIP OEB, qui développe des tableaux de bord spécifiques à chaque territoire, associant données d’intérêt et indices pertinents. La démarche en cours d’intégration des collectivités dans la gouvernance de l’OEB favorisera la définition d’outils ciblés sur leurs besoins, la communication associées, et le cas échéant l’organisation de formations. Des tableaux de bord multicritères basés sur des outils d’informatique décisionnelle associant cartographie et résultats des traitements statistiques pourront être déployés (exemple ici).