# Coupler les données satellitaires aux données de terrain pour comprendre les dynamiques des socio-hydrosystèmes à différents niveaux d'organisation

Mathis Messager, Isabelle Domaizon, Alain Dupuy, Agathe Euzen, Gwenaël Imfeld, Simon Munier, Hervé Squividant, Thibault Datry

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Mathis Messager, Isabelle Domaizon, Alain Dupuy, Agathe Euzen, Gwenaël Imfeld, et al.. Coupler les données satellitaires aux données de terrain pour comprendre les dynamiques des socio-hydrosystèmes à différents niveaux d'organisation. 2026. hal-05457388

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# Coupler les données satellitaires aux données de terrain pour comprendre les dynamiques des socio-hydrosystèmes à différents niveaux d'organisation

**Auteur collectif** : Interdéfis OneWater – Eau Bien Commun

**Ont particulièrement participé** : Mathis MESSAGER, Isabelle DOMAIZON, Alain DUPUY, Agathe EUZEN, Gwenaël IMFELD, Simon MUNIER, Hervé SQUIVIDANT et Thibault DATRY

Comprendre les dynamiques des socio-hydrosystèmes, à toutes les échelles, nécessite de mobiliser une grande diversité de données qui intègrent des paramètres variés et de natures différentes, qu'elles soient physiques, géophysiques, biotiques ou abiotiques, mais aussi anthropiques (occupation des sols, aménagement des territoires, usages, etc.). Dans un contexte de développement accru des observations spatiales, comme les missions SWOT (Surface Water and Ocean Topography) et TRISHNA (Thermal infraRed Imaging Satellite for High-resolution Natural resource Assessment), cette note discute de l'importance du couplage des données satellitaires avec des données in situ pour appréhender, de manière globale et intégrée, la dynamique des socio-hydrosystèmes. La mobilisation de données complémentaires à plusieurs échelles spatiales et temporelles est encouragée dans le cadre du programme national OneWater - Eau bien commun. Combiner données satellitaires haute résolution, observations in situ et modélisation pour appréhender le fonctionnement des socio-hydrosystèmes devrait permettre de mieux anticiper les effets des changements globaux sur les écosystèmes continentaux et de guider les décisions d'aménagement et de gestion des ressources en eau.

L'observation spatiale est un outil en fort développement pour l'étude des socio-hydrosystèmes. Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) (Altenau et al. 2021), mis en orbite le 16 décembre 2022, emporte à 891 km d'altitude un altimètre capable de surveiller les fleuves et grands lacs de la planète. Basé sur un radar interférométrique large fauchée (KaRIn), il permet d'effectuer des mesures le long d'une fauchée large de 120 km alors que les radars altimétriques actuels sont limités à une bande de quelques kilomètres de large à la verticale du satellite. Cette large trace au sol permet d'accéder au champ spatialisé des niveaux d'eau des fleuves de largeur supérieure à 100 m, ainsi que des lacs et zones d'inondation de surface supérieure à 250 m x 250 m, avec une précision décimétrique, et de quantifier les pentes avec une précision de l'ordre 1,7 cm/km (après moyennage sur une surface en eau > 1 km²). Couplées à des modèles de géoïde de précision et à des modèles numériques de terrain précis, les données de la mission SWOT vont ainsi permettre d'améliorer de manière significative les modèles hydrodynamiques fluviaux menant, selon des méthodes à fiabiliser, à des estimations des débits (Altenau et al. 2021). Elles permettent également de déterminer les variations temporelles des masses d'eau dans les socio-hydrosystèmes de surface (lacs, réservoirs et zones humides) et sur les dynamiques d'écoulements. Pour ordre de grandeur, on estime à plus de 20 millions de lacs et réservoirs dans le monde, dont 55 000 en France métropolitaine, qui ont une superficie supérieure à 1 ha (Verpoorter et al. 2014). La mission TRISHNA (Thermal infraRed Imaging Satellite for High-resolution Natural resource Assessment) (Lagouarde et al. 2018) a pour but d'observer la surface terrestre dans le domaine thermique, la température étant un indicateur du bilan d'énergie des surfaces terrestres : parcelles agricoles, prairies et forêts, milieux urbains ou encore sur la neige et sur la glace. Ces

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mesures peuvent fournir de nombreuses informations telles que le stress hydrique de la végétation et l'évapotranspiration associée. Les images satellitaires de température permettent d'appréhender les structures de mélange de l'eau des lacs, des fleuves, de leurs estuaires et de l'océan.

La mission TRISHNA, quant à elle, propose une résolution de 60 mètres avec plusieurs mesures par semaine, ce qui devrait permettre de comprendre l'évolution locale des phénomènes biologiques (stress hydrique, transpiration), physiques (évaporation, sublimation, zones de panache), climatiques (observation globale sur la durée) en lien avec le cycle de l'eau. Finalement, les observations obtenues grâce à TRISHNA pourront apporter des éléments pour mieux comprendre l'évolution des milieux et des territoires et venir en appui à la décision et au développement de politiques agricoles, de la gestion des ressources hydriques, de l'aménagement du territoire par exemple, dans un contexte de changement climatique.

En complément de ces deux missions satellitaires dédiées en partie à l'hydrologie et dans lesquelles la France est fortement impliquée, un grand nombre d'autres missions, dont les missions européennes Sentinel du programme Copernicus, sont de plus en plus utilisées en hydrologie, par exemple pour le suivi de la ressource en eau de surface (suivi des lacs et des grandes rivières), le suivi des inondations (Gosset et al. 2023), le suivi des changements d'occupation du sol, l'estimation de l'évapotranspiration, de l'humidité des sols (Fassoni-Andrade et al. 2021). En effet, la diversité des capteurs, des résolutions spectrales, spatiales et temporelles ouvre de grandes opportunités pour estimer, grâce aux images satellitaires, un certain nombre de variables climatiques essentielles dont certaines concernent l'hydrosphère (https://gcos.wmo.int/). Couplées à des approches de modélisation numériques, ces données permettent d'améliorer le suivi et la prédiction de la dynamique des processus hydrologiques et hydrodynamiques. Ainsi, les images satellitaires peuvent permettre des avancées importantes dans la cartographie et l'étude des socio-hydrosystèmes, comme l'observation de larges étendues ne disposant pas de station de jaugeage de débit, l'amélioration de la représentation des flux verticaux d'eau et d'énergie entre l'atmosphère, la végétation et le sol dans les modèles de climat (Getirana et al., 2024), processus qui restent aujourd'hui mal compris.

**Toutefois, un certain nombre de limites et d'obstacles restent associées à ces avancées majeures.** Globalement, les données satellitaires doivent être systématiquement croisées avec des mesures de terrain (capteurs, stations, piézomètres, carottages, etc.) pour valider, affiner et contextualiser les observations.

D'une part, **la résolution spatiale des masses d'eau observables reste limitée**. Ainsi, seuls 1.5% du linéaire des cours d'eau de France métropolitaine (BD Topo) sont visibles (https://www.swordexplorer.com/), ce qui se résume aux grands fleuves et leurs affluents majeurs. De manière générale, et particulièrement en France métropolitaine, ces grands systèmes sont très souvent suivis par des mesures hydrologiques, des suivis de température et biologiques (Krabbenhoft et al. 2022). Concernant les lacs, une majorité des masses d'eau sont inférieures à la taille minimum de suivi de 250x250 m, notamment celles ayant des intérêts pour l'agriculture (Mady et al. 2020, Malerba et al. 2021). Par exemple, on estime à 3 millions le nombre de petites masses d'eau < 100 000 m² opérationnelles dans les régions semi-aride (Mady et al. 2020) et 1.8 millions de retenues agricoles en Australie ont une superficie entre 100 et 100 000 m² (taille moyenne de 1000 m²) (Malerba et al. 2021). Or, les petits cours d'eau et petites masses d'eau lentiques qui ne sont pas observables par satellite représentent un enjeu

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fondamental pour la compréhension, la conservation et la restauration des écosystèmes aquatiques (Finn et al. 2011, Wohl et al. 2017, Colvin et al. 2021, Lane et al. 2023).

D'autre part, la **résolution temporelle des images collectées reste faible** par rapport aux cinétiques des phénomènes et milieux à investiguer. Par exemple, une partie conséquente du Rhône n'a été observée qu'une fois depuis les 2 années de collectes (https://www.swordexplorer.com/). Même si cela va s'améliorer au fils du temps, cela limite la capacité à détecter et étudier les évènements climatiques extrêmes et leurs conséquences, même sur certains grands fleuves (Frasson et al. 2019).

D'un point de vue **hydrogéologique**, les eaux souterraines représentent plus de 98 % de l'eau douce libre et disponible sur Terre, mais restent difficilement observables par télédétection satellitaire. A ce jour, sont disponibles des produits d'humidité des sols qui évaluent la quantité d'eau dans les premiers centimètres du sol avec des résolutions spatiales allant des quelques centaines de mètres à quelques kilomètres, ainsi que les données des satellites GRACE et GRACE-FO qui estiment les variations de volume des eaux de surface et des eaux souterraines de façon intégrée à des résolutions spatiales de plusieurs centaines de km. Cela explique en partie pourquoi les eaux souterraines sont parfois exclues du cycle de l'eau dans les représentations hydrologiques mises en avant (https://swot.jpl.nasa.gov/science/hydrology/) alors que leur contribution est essentielle à l'ensemble des compartiments continentaux du grand cycle de l'eau. Elles constituent notamment à certaines périodes du grand cycle de l'eau comme l'étiage, l'unique ressource naturelle qui participe aux débits des cours d'eau.

Par ailleurs, la **grande majorité des composantes biotiques (organismes et processus)** des masses d'eau et leurs dynamiques reste invisible depuis l'espace. Ainsi, pour avoir une réelle connaissance des milieux aquatiques et prendre en compte cette dimension essentielle à la gestion quantitative (e.g. débits environnementaux) ou qualitative (e.g. états écologiques), en Europe ou à l'échelle internationale, cela nécessite d'intégrer des données issues de suivi et de mesures de terrain à des échelles plus fines et spécifiques aux territoires ; elles sont acquises par des études in-situ.

D'un point de vue **FAIR Data**, le couplage des données issues de l'in-situ et de l'observation satellite met en relation des données issues de communautés dont les pratiques sont différentes quant à l'interopérabilité. Les pratiques promues à l'international dans l'observation 'eau' in-situ visent à utiliser des sémantiques conformes au standard OGC/ISO Observations, measurements and samples (ISO 19156:2023) ou W3C SSN/SOSA Ces standards internationaux sont transversaux, non spécifiques à l'eau et avec une description sémantisée des méthodes de mesures, des propriétés observées, etc. Ils sont fortement réutilisés au niveau mondial dans de nombreux domaines. D'un autre côté, les pratiques issues de l'observation satellitaire partent sur des approches plus légères sur ces aspects (ex : catalogues STAC, API de coverage, simple partage d'images géoréférencées). Approches plus légères qui limitent leur découverte, accès et réutilisation en dehors de leur silo informationnel d'origine. Même si certains projets de recherche ont cherché à mettre en correspondance les données d'observation spatiale vers les standards internationaux OGC ou W3C mentionnés (https://hal.science/hal-01839542/document), ces efforts restent isolés et n'ont pas souvent atteint les systèmes en production. Des travaux sur ces aspects sont prévus dans le cadre de l'un des projets ciblés (PC8) du PEPR OneWater Eau Bien Commun, via les équipes FAIR du PC8, et celles du pôle THEIA de l'Infrastructure de Recherche Nationale DataTerra.

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Enfin, malgré les bénéfices de la télédétection satellitaire, **le coût environnemental** de ces outils n'est pas négligeable et reste peu documenté. Si des sociétés privées se permettent d'envoyer des centaines de satellites dans l'espace chaque année, les coûts environnementaux associant production, lancement et maintenance des satellites et outils embarqués, mais aussi le coût de stockage et de manipulation des images produites n'est pas neutre.

## Un couplage nécessaire pour une approche globale

L'imagerie satellite est un outil incontournable pour l'étude des milieux d'eau douce, des biomes et de leur gouvernance à large échelle, dans les endroits difficilement accessibles, ainsi que là où les moyens humains ou financiers manquent. Coupler les outils satellitaires à des observations et études de terrain reste fondamental, tant pour comprendre les socio-hydrosystèmes que pour les gérer à toutes les échelles. C'est notamment ce que de nombreux travaux mettent en évidence. Ainsi, plusieurs études sur les lacs combinent les données satellites et les données collectées *in situ* pour des étapes d'étalonnage ou de validation, ou pour obtenir des informations complémentaires (e.g. Piccolroaz et al. 2020, Calamita et al. 2024, Irani Rahaghi et al., 2024). Ce couplage constitue un élément essentiel des propositions de cadre de suivi de la santé des rivières à l'échelle mondiale (Kuehne et al., 2023), de prévisions de crue (Hostache et al. 2018, Di Mauro et al. 2022) et plus généralement pour le suivi de presque tous les objectifs du Cadre Mondial de la biodiversité (Cavender-Bares et al. 2022). Ce couplage est également nécessaire pour donner sens aux données satellitaires, quelles que soient les avancées futures des technologies de télédétection. Même pour le suivi du débit par la mission SWOT, des données de terrains sont nécessaires pour calibrer et valider les instruments de mesures embarqués à bord des satellites afin d'améliorer la qualité de ses estimations en réduisant leurs biais et incertitudes (Gleason et Durand, 2020; Revel et al. 2021).

L'un des enjeux du programme OneWater – Eau Bien Commun est de s'appuyer sur la diversité et la complémentarité des systèmes d'observations, méthodologies et types de données pour appréhender l'eau de façon globale, systémique et intégrée et venir en appui aux acteurs dans les territoires. Le croisement des données satellitaires et de terrain alimente des plateformes de modélisation ouvertes et évolutives, avec un double objectif : mieux comprendre les dynamiques passées et présentes des socio-hydrosystèmes et prédire leurs trajectoires futures. Il s'agit par conséquent de développer et de soutenir des recherches originales, pluridisciplinaires et complémentaires, couplant les différentes approches, données, systèmes d'informations au sein des différents projets et à travers ses différentes actions. Elles doivent permettre de mieux comprendre la dynamique et l'évolution des socio-hydrosystèmes afin de mieux la partager et la gérer dans un contexte de changement global et de tensions sur les ressources.

## Références citées.

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Cavender-Bares, J., Schneider, F. D., Santos, M. J., Armstrong, A., Carnaval, A., Dahlin, K. M., Fatoyinbo, L., Hurtt, G. C., Schimel, D., Townsend, P. A., Ustin, S. L., Wang, Z., & Wilson, A. M. (2022). Integrating remote sensing with ecology and evolution to advance biodiversity conservation. Nature Ecology & Evolution, 6(5), 506–519. https://doi.org/10.1038/s41559-022-01702-5

Colvin, S. A. R., Sullivan, S. M. P., Shirey, P. D., Colvin, R. W., Winemiller, K. O., Hughes, R. M., Fausch, K. D., Infante, D. M., Olden, J. D., Bestgen, K. R., Danehy, R. J., & Eby, L. (2019). Headwater streams and wetlands are critical for sustaining fish, fisheries, and ecosystem services. Fisheries, 44(2), 73–91. https://doi.org/10.1002/fsh.10229

Fassoni-Andrade, A. C., Fleischmann, A. S., Papa, F., Paiva, R. C. D. d., Wongchuig, S., Melack, J. M., et al. (2021). Amazon hydrology from space: Scientific advances and future challenges. Reviews of Geophysics, 59, e2020RG000728. https://doi.org/10.1029/2020RG000728

Finn, D. S., Bonada, N., Múrria, C., & Hughes, J. M. (2011). Small but mighty: headwaters are vital to stream network biodiversity at two levels of organization. Journal of the North American Benthological Society, 30(4), 963-980. https://doi.org/10.1899/11-012.1

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Getirana, A., S. Kumar, P. Bates, A. Boone, D. P. Lettenmaier, S. Munier, 2024. The SWOT mission will reshape our understanding of the global terrestrial water cycle. Nature Water, 2(12), 1139-1142. https://doi.org/10.1029/2021WR030054

Gleason, C. J., & Durand, M. T. (2020). Remote Sensing of River Discharge: A Review and a Framing for the Discipline. Remote Sensing, 12(7), Article 7. https://doi.org/10.3390/rs12071107

Gosset, M., P A Dibi-Anoh, G. Schumann, R. Hostache, A. Paris, E.-P Zahiri, M. Kacou, L. Gal, Hydrometeorological Extreme Events in Africa: The Role of Satellite Observations for Monitoring Pluvial and Fluvial Flood Risk. Surv Geophys 44:197–223, 2023, https://doi.org/10.1007/s10712-022-09749-6.

Hostache R., M. Chini, L. Giustarini, J. Neal, D. Kavetski, M. Wood, G. Corato, R.M. Pelich and P. Matgen, Near-real-time assimilation of SAR derived flood maps for improving flood forecasts, Water Resources Research, 54(8):5516-5535, 2018, https://doi.org/10.1029/2017WR022205.

Irani Rahaghi, A., Odermatt, D., Anneville, O., Sepúlveda Steiner, O., Reiss, R.S., Amadori, M., Toffolon, M., Jacquet, S., Harmel, T., Werther, M., Soulignac, F., Dambrine, E., Jézéquel, D., Hatté, C., Tran-Khac, V., Rasconi, S., Rimet, F., Bouffard, D. (2024) Combined Earth observations reveal the sequence of conditions leading to a large algal bloom in Lake Geneva, Communications Earth & Environment, 5(1), 229 (12 pp.), https://doi.org/10.1038/s43247-024-01351-5

Krabbenhoft, C. A., Allen, G. H., Lin, P., Godsey, S. E., Burrows, R., DelVecchia, A., Fritz, K. M., Shanafield, M., Burgin, A. J., Zimmer, M., Datry, T., Dodds, W. K., Jones, C. N., Mimms, M., Franklin, C., Hammond, J. C., Zipper, S. C., Ward, A. S., Costigan, K. H., Beck, H., & Olden, J. D. (2022). Assessing placement bias of the global river gauge network. Nature Sustainability, 5, 586–592. https://doi.org/10.1038/s41893-022-00873-0

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Kuehne, L. M., Dickens, C., Tickner, D., Messager, M. L., Olden, J. D., O'Brien, G., Lehner, B., & Eriyagama, N. (2023). The future of global river health monitoring. PLOS Water, 2(9), e0000101.
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Lagouarde, J. P., Bhattacharya, B. K., Crebassol, P., Gamet, P., Babu, S. S., Boulet, G., ... & Ramakrishnan, R. (2018). The Indian-French Trishna mission: Earth observation in the thermal infrared with high spatio-temporal resolution. In IGARSS 2018-2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (pp. 4078-4081). IEEE.
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Lane, C. R., Creed, I. F., Golden, H. E., Leibowitz, S. G., Mushet, D. M., Rains, M. C., Wu, Q., D'Amico, E., Alexander, L. C., Ali, G. A., Basu, N. B., Bennett, M. G., Christensen, J. R., Cohen, M. J., Covino, T. P., DeVries, B., Hill, R. A., Jencső, K., Lang, M. W., ... Lehnherr, I., and others. 2018. The world's largest high Arctic lake responds rapidly to climate warming. Nat. Commun. 9: 1–9.
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