Télédétection SAR appliquée au suivi spatio-temporel de la ligne de neige sur les glaciers Himalayens

Stage M2 5 mois (20 semaines) de février à juin 2023

Problématique :
Les glaciers de montagne sont des indicateurs clés de l’impact du changement climatique sur notre environnement (IPCC, 2022). L’évolution des lignes de neige à la surface des glaciers est nécessaire pour estimer leur bilan de masse à l’échelle régionale (Rabatel et al., 2005) qui est ensuite utilisé en modélisation hydro-climatique. De plus, la délimitation entre glace propre-glace couverte-végétation est nécessaire pour quantifier l’expansion des débris supra-glaciaires (cf. Xie et al., 2020) et pour évaluer les tendances futures telles que la colonisation végétale des langues couverts de débris et/ou leur transition vers des glaciers rocheux (Racoviteanu et al., 2022). Cependant, le suivi multi-temporel de ces surfaces est limité pour les régions de haute altitude difficiles d’accès et reste un défi en télédétection optique (Racoviteanu et al., 2019 ; Rastner et al., 2019) dans les régions très ennuagées sous l’influence de la mousson, tel que l’Est de l’Himalaya. D’où le recours à la télédétection radar (SAR).

Contexte :
La télédétection SAR présente un net avantage sur l’optique, car ces images radar sont indépendantes de la couverture nuageuse et des conditions atmosphériques (smog etc.). De plus, la bonne résolution spatio-temporelle des acquisitions (par ex. Sentinel-1 à 5 jours, 10 m) permet le suivi en continu de la fluctuation des surfaces à l’échelle mensuelle. Jusqu’à présent, les archives de la télédétection SAR restaient peu exploitées pour les surfaces englacées de montagne. Les données disponibles existent depuis la fin des années 90, mais on utilisera essentiellement celles de Sentinel-1 (ESA) 2014 – présent. Ce stage s’inscrit dans un projet France-Népal, le Laboratoire Mixte international Water-Himal, piloté par l’IRD et l’Université de Katmandou :
https://lab.ird.fr/collaboration/aVJFZkklMkZlWGNkNSUyRjZtbFp4RlNqckRPZk5yZzQzcHZPc0UyaFoyRnJPeXZLQ2U5a1A1cHlWck0lMkY1WVcwMkdNTWtYMzd1dGRKSmclMkYyaCUyRmJLQzQlMkJ6cXclM0QlM0Q/show
. Le stage aura lieu à Grenoble à l’Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE), équipe C2H : https://www.ige-grenoble.fr/-Climat-Cryosphere-Hydrosphere-C2H-

Objectifs et méthodes :
Dans ce stage, les images SAR seront utilisées dans le but d’améliorer les méthodes de séparation des surfaces neige/glace/débris et leurs limites sur plusieurs sites d’étude : régions du Khumbu au Népal et du Chandra Bhaga en Inde. Les données SAR utilisées sont en bande-C (5 Ghz) et mode SLC (signal de phase conservé). Une mise à niveau bibliographique sera faite en pré-requis et une initiation SAR sera donnée au début du stage. La chaîne de traitement proposée repose sur des outils de seuillage radiométrique d’images (méthode Nagler and Rott, 2000 ; Nagler et al., 2016) et de ratios de polarisation (Dedieu et al., 2012 ; Dedieu et al., 2018) dans le but de détecter et cartographier : (i) la limite neige/glace, (ii) les différents types de neige (sèche/humide), et (iii) la date de début de fonte du stock neigeux. Une autre chaîne de traitement basée sur une analyse texturale du signal (méthode Haralick et al., 1973) permettra de quantifier l’expansion des débris. Les prétraitements d’images seront réalisés avec la toolbox « SNAP » de l’ESA et orthorectification avec le MNT HMA (8 m) sur les zones d’application. Un suivi des résultats sera effectué par les spécialistes de terrain. Les attendus à l’issue du stage reposent sur des sorties cartographiques et statistiques des thèmes étudiés. Une publication scientifique des résultats est prévue à l’issue du stage.

Compétences requises :
Connaissance et utilisation des outils géomatique (QGIS) et télédétection. Un bon niveau de programmation en Python est requis pour l’automatisation des traitements SIG, analyses d’images, et sorties statistiques. Un intérêt pour les applications géosciences en haute montagne (Himalaya) est souhaité.

Prérequis : bibliographie sur les applications radar et glaciologie (cf. références ci-dessous). Une mise à niveau en imagerie radar sera faite au début du stage.

Encadrement, dates, et rémunération :
Jean-Pierre Dedieu, Chargé de Recherche CNRS, pour le volet application SAR
Adina Racoviteanu, Chargée de Recherche IRD, pour le volet application glaciologique

Dates du stage : 5 mois (20 semaines) de février à juin 2023.
Gratification de stage sur la base de l’indice annuel de la Fonction Publique (582 €/mois en 2022).

Références bibliographiques :
Dedieu, J.P., De Farias, G.B., Castaings, T., Allain-Bailhache, S., Pottier, E., Durand, Y., et al. (2012). Interpretation of a RADARSAT-2 fully polarimetric time-series for snow cover studies in an Alpine context – first results. Canadian Journal of Remote Sensing 38(3), 336-351. doi : 10.5589/m12-027.
Dedieu, J.P., Negrello, C., Jacobi, H.W., Duguay, Y., Boike, J., Bernard, E., et al. (2018). "Improvement of snow physical parameters retrieval using SAR data in the Arctic (Svalbard)", in : ISSW. 04-2_232 (Innsbruck), 303-307.
Haralick, R.M., K.Shanmugam, and Dinstein, I. (1973). Textural features for image classification. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics SMC-3, 610 - 621.
Nagler, T., and Rott, H. (2000). Retrieval of wet snow by means of multitemporal SAR data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 38(2), 754-765. doi : 10.1109/36.842004.
Nagler, T., Rott, H., Ripper, E., Bippus, G., and Hetzenecker, M. (2016). Advancements for Snowmelt Monitoring by Means of Sentinel-1 SAR. Remote Sensing 8(4). doi : 10.3390/rs8040348.
Rabatel, A., Dedieu, J.P., and Vincent, C. (2005). Using remote-sensing data to determine equilibrium-line altitude and mass-balance time series : validation on three French glaciers, 1994-2002. J Glaciol 51(175), 539-546.
Racoviteanu, A.E., Nicholson, L., Glasser, N.F., Miles, E., Harrison, S., and Reynolds, J.M. (2022). Debris-covered glacier systems and associated glacial lake outburst flood hazards : challenges and prospects. Journal of the Geological Society 179(3), jgs2021-2084. doi : 10.1144/jgs2021-084.
Racoviteanu, A.E., Rittger, K., and Armstrong, R. (2019). An Automated Approach for Estimating Snowline Altitudes in the Karakoram and Eastern Himalaya From Remote Sensing. Frontiers in Earth Science 7(220). doi : 10.3389/feart.2019.00220.
Rastner, P., Prinz, R., Notarnicola, C., Nicholson, L., Sailer, R., Schwaizer, G., et al. (2019). On the Automated Mapping of Snow Cover on Glaciers and Calculation of Snow Line Altitudes from Multi-Temporal Landsat Data.
Xie, F., Liu, S., Wu, K., Zhu, Y., Gao, Y., Qi, M., et al. (2020). Upward Expansion of Supra-Glacial Debris Cover in the Hunza Valley, Karakoram, during 1990 ∼ 2019. Frontiers in Earth Science 8(308). doi : 10.3389/feart.2020.00308.