SCOast-DT

Les jumeaux numériques pour l’étude et l’adaptation des zones côtières

Présentation

Contexte

Plus de deux milliards de personnes vivent dans les zones proches du littoral, à l'interface entre l'océan et la terre, et près d'un milliard d'autres vivent dans les zones côtières basses adjacentes. Ces populations sont menacées par des tempêtes de plus en plus violentes et par l'élévation du niveau de la mer à plus long terme dans le contexte du changement climatique. Le problème ne concerne pas seulement les êtres humains, mais aussi les écosystèmes en général, des impacts majeurs ayant déjà été observés sur la flore et la faune des zones côtières.

En conséquence, les gouvernements des pays côtiers mettent en œuvre des politiques de réduction des risques et d'adaptation au changement climatique. Les décideurs locaux, quant à eux, doivent traduire ces directives en actions concrètes. Cela nécessite une vision objective et à long terme. Les actions sont classées par ordre de priorité en fonction de leur coût et de leur impact escompté. Au niveau international, il existe une grande disparité dans les capacités d'analyse et d'action des différents pays concernés. De plus, le sujet est traité par une grande variété d'acteurs publics et privés, de la grande institution nationale en charge de l'évaluation des risques au petit bureau d'études étudiant un simple projet de réaménagement urbain.

Mesures absentes ou peu fréquentes, difficulté à extraire des informations pertinentes, nécessité de mélanger des données d'origine et de nature différentes... les difficultés rencontrées pour comprendre et modéliser l'environnement côtier sont nombreuses, compte tenu de sa complexité et de son évolution dynamique. De plus, tous les acteurs n'ont pas accès aux mêmes données, ni aux mêmes compétences pour les traiter.

Des solutions existent pour effectuer des mesures régulières, de qualité contrôlée et en constante amélioration à l'échelle mondiale, avec différentes modalités pour obtenir une quantité phénoménale d'informations sur le domaine côtier : les missions spatiales d'observation de la Terre. Cependant, pour être traitées, ces données nécessitent des algorithmes spécifiques. Pour les combiner, une étape supplémentaire est nécessaire pour les rendre superposables et interopérables. Le potentiel est immense et des démonstrations d'utilisation existent déjà. À grande échelle, sur la côte ouest-africaine, comme le décrit Olusegun A. Dada et al, 2023, mais aussi à plus petite échelle mais avec beaucoup plus de finesse d'analyse, comme le décrit Allen T. et al, 2023 à Hampton Roads, USA.

L'ampleur du sujet est immense et couvre la bathymétrie et la topographie côtières, la qualité des eaux terrestres et marines, les écosystèmes terrestres et marins, les infrastructures et les facteurs socio-économiques. Cependant, il ne s'agit pas de tout réinventer, mais plutôt de tirer le meilleur parti de tous les développements et données existants, de combler les lacunes et, surtout, de créer les connexions nécessaires pour rendre le jumeau numérique utile. L'exploitation de ce dernier avec des outils de modélisation et de projection devrait permettre de répondre aux questions posées par les décideurs.

​Figure 2 : L'apport des données spatiales pour les jumeaux numériques des zones côtières. © CNES

Objectifs

Les principaux objectifs du projet sont de créer des jumeaux numériques sur différentes zones, et d'aborder les cas d'utilisation suivants :

• Inondations côtières en relation avec l'élévation du niveau de la mer, les marées et les événements météorologiques extrêmes. Il s'agit notamment de projeter le risque dans l'avenir en fonction des scénarios d'évolution du climat et des moyens potentiels d'atténuation.

• Caractérisation de l'évolution du trait de côte à grande échelle et sur plusieurs décennies à l'aide de données de télédétection, cartographie de la dynamique des processus d'érosion/accrétion, comparaison et validation avec des données in situ. Des projections climatiques seront réalisées pour des zones plus petites. Sur ce sujet, nous aspirons à fournir un outil équivalent à Dynamic Coast, mais avec une couverture géographique différente et beaucoup plus large.

• Évolution des écosystèmes côtiers, indicateurs de la santé de la végétation et de la qualité de l'eau, cartographie des eaux peu profondes et de la zone intertidale.

SCOast-DT est un projet mené par le CNES, la NASA et la NOAA, dont l'objectif global est d'exploiter la puissance des jumeaux numériques alimentés par des données satellitaires, des données in situ et la modélisation pour aider les zones côtières à faire face au changement climatique. Nous espérons également que ce projet contribuera à structurer les efforts internationaux sur les jumeaux numériques en démontrant la pertinence de cette approche sur des cas réels.

Partenaires et utilisateurs

Les principaux utilisateurs de notre projet sont les autorités locales des régions d'intérêt ciblées. Notre principale ambition est de soutenir l'action publique en factualisant l'évolution passée des systèmes côtiers étudiés, tout en proposant des scénarios d'évolution dans le contexte du changement climatique. Voici les connexions qui ont été établies jusqu'à présent :

• Nouvelle-Calédonie : Gouvernement de Nouvelle-Calédonie, un accord de collaboration avec le CNES est en cours d'élaboration.
• Nokoué, Bénin : nous utiliserons une connexion locale LEGOS/IRD
• Hampton Roads Planning District Commission (HRPDC) : organisation régionale représentant les dix-sept gouvernements locaux de la région afin de traiter les problèmes d'importance locale par une planification crédible et opportune (Virginie, États-Unis).

En France, les résultats seront présentés et mis à disposition des institutions nationales en charge de l'évaluation et de la gestion des risques côtiers : BRGM, SHOM, IGN, Météo-France, IFREMER et CEREMA. Une approche similaire peut être adoptée du côté américain.

Le dernier type d'utilisateur est la communauté scientifique : la science côtière sera stimulée par la disponibilité de jumeaux numériques de zones côtières dans différentes régions d'intérêt. Nous espérons créer un effet de levier dans la communauté grâce à la nature ouverte de la plupart des outils et des résultats proposés.

Site(s) d'application

Sites France Nouméa, Nouvelle Calédonie Touho, Nouvelle Calédonie Nokoué, Benin France métropolitaine Sites US Chesapeake Bay, USA Northern Coast of Gulf of Mexico, USA Alaska, USA US West coast, USA	Figure 3 : Les zones d'études de SCOast-DT ont été choisies pour être représentatives de la diversité des problématiques côtières. © CNES

Données

Satellite

• Données libres : Landsat, Copernicus/Sentinels, Harmonized Landsat/Sentinel, VIIRS/MODIS, SWOT (étendue et niveau des eaux, débit des cours d'eau), GEDI lidar (hauteurs de forêt), SMAP (humidité du sol à proximité de la surface), Goddard Modeling and Assimilation Office products ( l'humidité du sol racinaire et en surface), SAR (futur NISAR)
• Données commerciales : Pléiades, Pléiades-Néo, Maxar, Planet…

Autres

• Données in-situ : Observatoire du littoral français, IGN LIDAR_HD, USGS National Water Information System…
• Données socio-économiques : INSEE (France), Socioeconomic data and Applications Center SEDAC (USA)
• Autres : cadastre, Open Street Map

Résultats – Produit(s) final(aux)

En travaillant le plus possible dans un cadre ouvert, notre objectif est de mettre en libre accès le plus possible d’éléments composant le jumeau numérique d'une zone côtière, ainsi que les outils utilisés pour le générer.

Codes open-source de traitement des données satellitaires qui seront utilisés et/ou livrés dans le cadre du projet

• Transformation d’une acquisition stéréo à très haute résolution en un modèle numérique de surface : Cars
• Transformation d’un modèle numérique de surface en un modèle numérique de terrain : Bulldozer
• Détermination du trait de côte à partir de Landsat et Copernicus/Sentinel-2 : Shoreliner (Bergsma et al. 2024, release du code à venir)
• Bathymétrie à partir de l'inversion de la crête des vagues : S2shore (Bergsma et al. 2021, Najar, M. A.,et al. 2022, code à paraître en 2024)
• Inversion de la couleur de l'eau : obs2co

Des briques élémentaires de construction Digital-Twin seront développées mutuellement avec les programmes Digital Twin Factory du CNES et AIST de la NASA

• Ingester : création d'ensembles de données prêts pour l'analyse à partir de données de télédétection, de données in-situ ou de sorties de modèles, y compris le formatage, l'affinage géométrique et les incertitudes. Sa fonction principale est de remplir la réplique numérique.
• Surrogate Models Cooker : boîte à outils générique permettant de créer des modèles de substitution à partir de n'importe quel modèle physique, mise en œuvre de cas d'utilisation.
• Analytics : boîte à outils générique pour analyser/visualiser le contenu de la réplique numérique, mise en œuvre des cas d'utilisation.

La reproductibilité de notre approche est dans l'ADN du projet. Elle est basée sur des données satellitaires qui sont reproductibles par nature. Ainsi, toutes les activités principales liées au développement de jumeaux numériques visent spécifiquement à atteindre l'interopérabilité et la duplicabilité. Pour garantir la durabilité de nos solutions, celles-ci seront soumises à l'OGC.

Enfin, sous la bannière de la science ouverte et des données ouvertes, la grande majorité des produits, outils et modèles utilisés dans ce projet seront mis à disposition gratuitement. À terme, cela devrait permettre à des personnes extérieures au projet d'utiliser nos solutions pour leurs propres territoires et problèmes. 

Références

• Olusegun A. Dada et al., 2023, “Future socioeconomic development along the West African coast forms a larger hazard than sea level rise”, https://www.nature.com/articles/s43247-023-00807-4.pdf

• Bergsma, E.W.J., Almar, R., Rolland, A., Binet, R., Brodie, K. and Bak, A.S., 2021. Coastal morphology from space: a showcase of monitoring the topography-bathymetry continuum. Remote Sensing of Environment. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112469

• Delvit, J. M., Brunet, P. M., Lassalle, P., Lallement, D., & Baillarin, S. (2023). Towards a local, dated and thematic digital twins factory (No. EGU23-13921). Copernicus Meetings.

• Najar, M. A., Benshila, R., Bennioui, Y. E., Thoumyre, G., Almar, R., Bergsma, E. W., ... & Wilson, D. G. (2022). Coastal bathymetry estimation from Sentinel-2 satellite imagery: Comparing deep learning and physics-based approaches. Remote Sensing, 14(5), 1196.

• Erwin W.J. Bergsma, Adrien N. Klotz, Stéphanie Artigues, Marcan Graffin, Anna Prenowitz, Jean-Marc Delvit and Rafael Almar, Shoreliner: A sub-pixel coastal waterline extraction method for multi-spectral satellite optical imagery, 2023, submitted to MDPI remote sensing

• Thomas Allen, et al. IGARSS 2023, A digital twin to link flood models, sensors, and Earth Observation for coastal resilience in Hampton Roads, Virginia, U.S.A.

• J. Le Moigne, M.M. Little, R.A. Morris, N.C. Oza, K.J. Ranson, H. Riris, L.J. Rogers, and B.D. Smith, 2023, “Earth System Digital Twin (ESDT) Architecture Framework”,

• E. W. J. Bergsma ,A. N. Klotz, S. Artigues, M. Graffin, A. Prenowitz, J.-M. Delvit and R. Almar, Shoreliner: A Sub-Pixel Coastal Waterline Extraction Pipeline for Multi-Spectral Satellite Optical Imagery

Projet(s) lié(s)

• SCO LITTOSCOPE
• SCO EO4Intertopo