Développement et application de produits multisatellitaires validés et calibrés pour la surveillance opérationnelle des lagunes côtières optiquement complexes

Development and application of validated and calibrated multi-satellite products for operational monitoring of optically complex coastal lagoons

• Auteur / Autrice : Samuel Martin
• Direction : David Doxaran
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Mer
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie de Villefranche (Alpes-Maritimes ; 2001-....)

Mots clés

Mots clés libres

Lagunes côtières

Couleur de l'eau

Télédétection satellitaire

Propriétés optiques

Écologie des écosystèmes côtiers

Eutrophisation

Coastal lagoons

Ocean color

Remote sensing

Optical propreties

Coastal ecocystems

Eutrophication

Résumé

Les lagunes côtières telles que l'étang de Berre ou l'étang de Thau sont des écosystèmes sensibles, souvent soumis à de multiples pressions anthropiques (aquaculture, tourisme, rejets d'eaux usées, centrales électriques, etc.). Leur eutrophisation, combinée à des vagues de chaleur de plus en plus fréquentes, peut aboutir à la dégradation écosystémique locale et chronique des lagunes côtières (cf. épisodes de mortalité massives d'animaux marins dans l'étang de Berre et de Thau en 2018 suite à des épisodes d'anoxie intenses). En France, la sensibilité élevée de ces environnements a entraîné la mise en place de programmes de suivi de la qualité des eaux, souvent basés sur une acquisition de mesures in-situ. Ce type de programme est coûteux en temps et en argent. Ces lagunes pourraient dorénavant bénéficier d'observations satellitaires permettant le suivi de paramètres optiques et biogéochimiques liés à la qualité des eaux (chlorophylle-a, turbidité, concentration en matière en suspension, température). Cependant, les algorithmes existants, développés essentiellement pour l'océan ouvert, atteignent leur limite lorsqu'ils sont appliqués aux lagunes côtières, qui sont des milieux souvent optiquement très complexes (contamination de la couleur par le fond, diversité et concentrations extrêmes de particules algales et non-algales, panaches d'eaux turbides). L'objectif principal de ce projet doctoral est donc de développer des algorithmes de télédétection couleur de l'eau originaux adaptés pour le suivi de la qualité des eaux de lagunes côtières optiquement complexes, avec l'étang de Berre et l'étang de Thau comme sites d'étude privilégiés. Ces algorithmes d'inversion se baseront sur des données satellitaires multispectrales (Sentinel 2-MSI et Sentinel 3-OLCI) et hyperspectrales (PRISMA, PACE) et aboutiront à des produits satellitaires permettant notamment le suivi de la concentration de la chlorophylle-a, de la turbidité, de la concentration en matière en suspension et de la température. D'autres produits permettant de détecter la décoloration de l'eau associée au développement d'efflorescences algales toxiques et de panaches sulfurés seront développés. Les réseaux HYPERNETS et HYPERVAL, capteurs autonomes de paramètres optiques (HYPERNETS) et biogéochimiques (HYPERVAL), seront exploités dans l'étang de Berre pour le développement, la calibration et la validation des produits. Parallèlement, des données mensuelles de mesures in-situ seront également utilisées pour leur validation. Les algorithmes de télédétection développés et validés localement pourront par la suite être adaptés à d'autres lagunes côtières (p. ex. étang de l'Or, Mar Menor, lagune de Bizerte, lagunes côtières africaines).

Coastal lagoons such as the Berre or the Thau lagoons are sensitive ecosystems, often subject to multiple anthropogenic pressures (aquaculture, tourism, wastewater discharges, hydroelectric power plants, etc.). Eutrophication process, combined with increasingly frequent heat waves, can lead to local and chronic ecosystem degradation of the coastal lagoons (episodes of mass mortality of marine animals in the Berre and Thau lagoons in 2018 following intense anoxic episodes). In France, the high sensitivity of these environments has led to the implementation of water quality monitoring programmes, often based on the acquisition of in-situ measurements. This type of programme is expensive and time-consuming. These lagoons could now benefit from satellite observations allowing the monitoring of optical and biogeochemical parameters related to water quality (chlorophyll-a, turbidity, suspended matter concentration, temperature). However, existing algorithms, developed originally for the open ocean, reach their limit when applied to coastal lagoons, which are often optically very complex environments (colour contamination by the sea-bottom, diversity and extreme concentrations of algal and non-algal particles, turbid water plumes). The main objective of this PhD project is therefore to develop original water colour algorithms adapted for the monitoring of optically complex coastal lagoons, with the Etang de Berre and the Etang de Thau as the preferred study sites. These inversion algorithms will be based on multispectral (Sentinel 2-MSI and Sentinel 3-OLCI) and hyperspectral (PRISMA, PACE) satellite data and will result in satellite products that will notably allow monitoring of chlorophyll-a concentration, turbidity, suspended matter concentration and temperature. Other products to detect water discoloration associated with the development of toxic algal blooms and sulphur plumes will be developed. The HYPERNETS and HYPERVAL networks, cost-effective and ''new generation'' autonomous sensors collecting optical (HYPERNETS) and biogeochemical (HYPERVAL) data, will be used in the Berre lagoon for the development, calibration and validation of the satellite products. In parallel, monthly in-situ measurement data will also be used for their validation. The remote sensing algorithms developed and validated locally will be then be adapted to other coastal lagoons (e.g. Etang de l'Or, Mar Menor, Bizerte lagoon, African coastal lagoons).