Monitoring river forms using very high resolution remote sensing. Application to restoration programmes in the lower Ain and Upper Rhône valleys (Chautagne)
Suivi des formes fluviales par télédétection à très haute résolution. Application aux programmes de restauration de la basse vallée de l'Ain et du Haut-Rhône (Chautagne)
Résumé
Over the last twenty years, many physical and ecological river restoration projects have been undertaken. Their aim is to mitigate the damage caused by the developments carried out mainly during the 20th century, which have profoundly altered the way in which catchment areas are occupied and the transfer of flows (Chapter 1). The monitoring of river forms has been studied as part of these restoration programmes, mainly on the basis of field measurements. With the development of high-resolution imagery acquired from platforms controlled by operators, new methodological challenges are emerging for the morphological monitoring of restored rivers. Remote sensing imagery was used in this thesis because of its great potential, given recent technological advances in terms of resolution and acquisition frequency (Chapter 2).
So, in order to improve our knowledge of river environments and their dynamics, the current challenge is to increase the resolution of the images in order to reconstruct the geometry of smaller rivers and to detect temporal changes with a shorter time step. To meet these requirements, we have used a drone, a light vector producing very high resolution images (chapter 3). We developed protocols for acquiring and using the images and analysed the potential and limitations of this new tool. Its capabilities were also compared with those of other existing platforms.
Based on the acquisitions produced, 2D and 3D reconstruction tests were carried out to characterise the land cover, granulometry, topography and bathymetry of the corridor or channel (chapter 3). Among the treatments applied, we reconstructed the terrestrial and aquatic vegetation using pixel-by-pixel and object-oriented classifications based on the complexity and interweaving of the facies covered. Pebble bank sediments were reconstructed using spatial auto-correlation (2D semi-variance). The tests we carried out using missions at two different altitudes revealed a better correlation (R² of 0.98) for the low altitude flight, but were unable to reveal any coherent spatial structures. 3D reconstructions of the topography of land and water surfaces were carried out using photogrammetry and an empirical bathymetric model. Despite the altimetric accuracy of the DTMs produced (from 5 to 20 cm), the photogrammetric approach proved complex to implement on a large scale because few stereoscopic pairs could be obtained.
Based on bathymetric reconstructions of channels and oxbows, we were able to observe that the models produced highly variable results (R² from 0.59 to 0.98) because they proved to be sensitive to the contexts in which the images were acquired and the physical conditions of the environments studied. The use of these processes enabled us to establish an initial diagnosis of the operations carried out on the Ain (combating the sediment deficit by artificial recharging), and on the Upper Rhône (facilitating flows and recovering sediments, combating invasive species and improving the general functioning of the river annexes) (chapter 4).
Monitoring of recharge on the Ain revealed that some of the sediment reintroduced (22500 m3) into the channel was remobilised during floods (Q1.5) over distances of between 230 and 380 m. We were able to observe that only the sectors immediately downstream of the reintroduction sites were affected.
DGPS monitoring of sediment masses on a pebble bank maintained annually by grubbing revealed very little change in its topography. The maps of vegetation cover produced from drone images mainly highlighted the strong proliferation of Japanese knotweed at the expense of local species. This observation shows that the grubbing methods applied to the pebble bank do not, in their current state, make it possible to limit the vegetation of the surfaces. In order to assess the lifespan of a restored lône on the Haut-Rhône, bathymetric reconstructions revealed the existence of a landfall process and maps of aquatic vegetation showed seasonal colonisation of the water body.
The investigations we carried out on the Ain and Chautagne rivers enabled us to identify a number of indicators that could be extracted from the images and monitored to assess the effect of future restoration projects.
Au cours des vingt dernières années, de nombreuses actions de restauration physique ou écologique des cours d’eau ont été entreprises. Elles visent à atténuer les dégradations occasionnées par les aménagements réalisés principalement durant le 20e siècle qui ont profondément modifié le mode d’occupation des bassins versants et le transfert des flux (chapitre 1). Le suivi des formes fluviales a été étudié dans le cadre de ces programmes de restauration principalement à partir de mesures de terrain. Avec le développement de l’imagerie à haute résolution acquise à partir de plates-formes maîtrisées par les opérateurs, de nouveaux enjeux méthodologiques émergent pour le suivi morphologique des rivières restaurées. L’imagerie de télédétection a ainsi été mise en œuvre dans le cadre de cette thèse car elle présente de grandes potentialités compte-tenu des avancées technologiques récentes en termes de résolution et de fréquence d’acquisitions (chapitre 2).
Ainsi, afin d’approfondir la connaissance des milieux fluviaux et de leur dynamique, l’enjeu actuel est d’accroître la résolution des images pour reconstruire la géométrie de rivières de plus petites tailles et de détecter les changements temporels avec un pas de temps plus court. Pour répondre à ces exigences, nous avons utilisé un drone, vecteur léger produisant des images à très haute résolution (chapitre 3). Nous avons développé des protocoles pour acquérir et exploiter les images et nous avons analysé les potentialités et les limites de ce nouvel outil. Ses capacités ont été également comparées à celles d’autres plates-formes existantes.
A partir des acquisitions produites, des tests de restitution en 2D et en 3D ont été menés pour caractériser l’occupation du sol, la granulométrie, la topographie et la bathymétrie du corridor ou du chenal (chapitre 3). Parmi les traitements appliqués, nous avons restitué la végétation terrestre et aquatique à partir de classifications pixel à pixel et orientées objet en fonction de la complexité et de l’imbrication des faciès abordés. La restitution des sédiments de bancs de galets a été effectuée par auto-corrélation spatiale (semi variance 2D). Les tests que nous avons menés à partir de missions réalisées à deux altitudes différentes ont révélé une meilleure corrélation (R² à 0,98) pour le vol à basse altitude mais sans pouvoir faire apparaître de structures spatiales cohérentes. Les restitutions en 3D de la topographie des surfaces émergées et immergées ont été menées par photogrammétrie et par modèle bathymétrique empirique. Malgré la précision altimétrique des MNT produits (de 5 à 20 cm), l’approche par photogrammétrie s’est révélée complexe à mettre en œuvre à grande échelle car peu de couples stéréoscopiques ont pu être obtenus. A partir des restitutions bathymétriques de chenaux et de bras morts, nous avons pu constater que les modèles ont produit des résultats très variables (R² de 0,59 à 0,98) car ils se sont révélés sensibles aux contextes d’acquisition des images et aux conditions physiques des milieux étudiés. La mise en œuvre de ces traitements nous a permis d’établir un premier diagnostic des opérations réalisées sur l’Ain (lutte contre le déficit sédimentaire à partir de recharges artificielles), et sur le Haut-Rhône (facilitation des écoulements et reprise des sédiments, lutte contre les espèces invasives et amélioration du fonctionnement général des annexes fluviales) (chapitre 4).
Le suivi de la recharge sur l’Ain a révélé qu’une partie des sédiments réintroduits (22500 m3) dans le chenal a été remobilisée pendant les crues (Q1,5) et sur des distances comprises entre 230 et 380 m. Nous avons pu observer que seuls les secteurs à l’aval immédiat des sites de réintroduction ont été affectés par celle-ci.
Le suivi des masses sédimentaires par DGPS d’un banc de galets entretenu annuellement par essartage a révélé une très faible modification de sa topographie. Les cartes de recouvrement végétal produites à partir des images drone ont principalement mis en évidence la forte prolifération de la renouée du Japon aux dépens des espèces locales. Ce constat démontre que les modalités d’essartage appliquées sur le banc de galets ne permettent pas, en l’état, de limiter la végétalisation des surfaces. Afin d’évaluer la durée de vie d’une lône restaurée sur le Haut-Rhône, les restitutions bathymétriques ont mis en évidence l’existence d’un processus d’atterrissement et les cartes de végétation aquatique ont montré une colonisation saisonnière du plan d’eau.
Les investigations que nous avons menées sur l’Ain et la Chautagne nous ont permis d’identifier un certain nombre d’indicateurs pouvant être extraits des images et faire l’objet d’un suivi permettant d’évaluer l’effet de futures restaurations.
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