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Notions fondamentales de télédétection

5.6.1 Type de glace et sa concentration

Contexte général
Les bateaux naviguant dans les mers polaires (nord et sud) rencontrent souvent des obstacles formés par une banquise et des masses de glace. Les brise-glace ont été conçus pour faciliter la navigation dans ces régions, mais les pilotes des bateaux doivent connaître la route la plus praticable parmi les glaces. Il est important de connaître l'étendue du champ de glace, quel type de glace est présent, ainsi que la concentration et la distribution de chaque type. Cette information est importante aussi pour l'exploration et les activités de construction au large, et pour la planification du développement côtier.

La glace n'est pas que de la glace!
La glace de mer n'est pas une matière uniforme et homogène. Ce qui semble être une seule couverture de glace peut varier en rugosité, en force, en salinité et en épaisseur. Les banquises et les masses de glace sont un ensemble de fragments disparates de différents types de glace, traversés de chenaux et de fissures dynamiques. La glace est habituellement définie par son âge : soit la glace nouvelle, de première année et de plusieurs années. La glace nouvelle est lisse et relativement mince (5 à 30 cm), et offre le moins de résistance aux brise-glace. La glace de première année est plus vieille et plus épaisse ( 30 à 200 cm), et peut représenter un danger pour tous les navires, même les brise-glace. Quand cette glace est déformée en champs de blocs et de crêtes, elle devient impraticable. La glace qui survit jusqu'à une deuxième année ou plus, devient plus épaisse (plus de 2 m) et de salinité réduite, ce qui augmente sa résistance. Cette glace est très dangereuse pour les navires et les constructions au large. Les cartes de glace distribuées à ceux qui travaillent dans un environnement maritime affecté par la présence de glace, illustrent les types de glace et leurs concentrations.

Pourquoi la télédétection?
Il est plus facile d'observer les conditions de glace à partir du sol, mais cette méthode ne permet pas de déterminer l'étendue et la distribution de la glace. La télédétection par les capteurs aériens et satellitaires fournit cette information importante. Les régions couvertes de glace sont facilement cartographiées à partir d'une image qui, lorsqu'elle est géoréférencée, constitue une source d'information utile. La technologie de télédétection peut produire assez d'information pour qu'un analyste puisse identifier le type de glace et en déduire l'épaisseur. Des cartes comportant cette information peuvent être créées et distribuées à ceux qui en ont besoin.

Les radars actifs sont d'excellents systèmes pour observer les conditions de glace, car l'énergie micro-onde et la géométrie d'acquisition permettent de mesurer des caractéristiques internes et de surface. La rétrodiffusion est influencée par les propriétés diélectriques de la glace (qui dépendent de la salinité et de la température de la glace), par les facteurs de surface (rugosité et quantité de neige), par la géométrie interne et la microstructure. C'est la texture de surface qui contribue le plus à la rétrodiffusion radar et elle est utilisée pour établir l'âge et l'épaisseur de la glace. La glace nouvelle produit une faible rétrodiffusion et paraît plutôt foncée sur une image à cause de la réflexion spéculaire de l'énergie incidente sur une surface lisse. La réflexion de la glace de première année peut varier grandement selon le degré de rugosité causée par les crêtes et les collisions. La glace de plusieurs années produit une forte rétrodiffusion en raison de la réflexion diffuse causée par son taux de salinité inférieur et sa structure poreuse.

Les capteurs de faible résolution spatiale, comme le NOAA-AVHRR (résolution = 1 km), produisent une excellente vue d'ensemble de l'étendue des banquises si les conditions atmosphériques le permettent.

Les capteurs à micro-ondes passifs jouent aussi un rôle dans les applications à la glace de mer. Les objets (et les humains...!) émettent de petites quantités de rayonnement micro-onde qui peuvent être détectées par ces capteurs. La glace de mer et l'eau émettent des quantités très différentes de rayonnement micro-onde. Il est donc facile de délimiter l'interface entre les deux. Le SSM/I à bord de la navette spatiale a recueilli des données de cette façon. Le désavantage majeur de ces capteurs est leur faible résolution spatiale (plus de 25 km), qui s'avère beaucoup trop grossière pour la navigation dans les glaces.

Exigences des données
La glace océanique est présente dans les régions de latitude élevée : dans l'Arctique et l'Antarctique. Mais la glace recouvre également les voies primaires de transport maritime et lacustre dans les pays nordiques, particulièrement le Canada, la Russie, le Japon, le nord de l'Europe et les pays scandinaves. Les régions de latitude élevée reçoivent peu de rayonnement solaire durant l'hiver quand la glace est à son maximum. Ce manque d'illumination a nui à l'efficacité de la télédétection, jusqu'à l'arrivée des capteurs radars qui, par leur capacité d'acquérir des images le jour et la nuit et dans toutes les conditions météorologiques, s'avèrent les capteurs idéaux pour la cartographie de la concentration et des types de glace.

Pour fournir l'information pouvant faciliter la navigation, l'acquisition des données doit se faire fréquemment et le traitement et la distribution des données doivent se faire dans un court délai après leur acquisition. Les données à haute résolution, qui couvrent entre 1 et 50 km², servent à la navigation, tandis que les images à faible résolution (100 à 2000 km²) sont plus utiles pour la planification à l'échelle régionale. Pour la navigation, la validité de cette information est de courte durée. Néanmoins, ces données ont une valeur à long terme, car elles augmentent nos connaissances de la dynamique du climat et de la glace comme indicateurs des changements climatiques mondiaux.

Les paramètres orbitaux et le capteur RSO de RADARSAT ont été conçus pour répondre aux exigences des applications de la glace. RADARSAT survole l'Arctique une fois par jour. Des systèmes de traitement ont été développés afin de transmettre les données directement des installations de traitement aux navires qui en ont besoin et ce, en moins de quatre heures. Les capteurs radars aéroportés sont utiles, car ils peuvent cibler des régions spécifiques et fournir des images à très haute résolution, ce que ne peuvent faire les plates-formes satellitaires commerciales. Le radar aéroporté est plus dispendieux, mais permet de cibler une région spécifique, ce qui est important pour obtenir les informations indispensables à la navigation dans la glace dynamique. L'hiver est la saison idéale pour l'acquisition des scènes radars pour la classification de la glace. Les conditions printanières de fonte et d'humidité réduisent le contraste entre les différents types de glace, ce qui rend l'extraction de l'information plus difficile.

De futurs outils de télédétection sont prévus afin de fournir des mesures détaillées sur l'étendue de la glace de mer.