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Suivi spatio-temporel de la couverture neigeuse dans le haut atlas de marrakech à  l'aide des images spot-vegetation (période 1998-2005)

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par Abdelghani Boudhar
Université Abdelmalek Essaadi - DEA 2006
  

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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.

RESUME

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.

ABSTRACT

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.

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