A repeatable change detection approach to map extreme storm-related damages caused by intense surface runoff based on optical and SAR remote sensing: Evidence from three case studies in the South of France. - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Année : 2021

A repeatable change detection approach to map extreme storm-related damages caused by intense surface runoff based on optical and SAR remote sensing: Evidence from three case studies in the South of France.

Une approche reproductible de la détection des changements pour cartographier les dommages liés aux tempêtes extrêmes causées par un ruissellement de surface intense, basée sur la télédétection optique et SAR : Témoignages de trois études de cas dans le sud de la France.

Résumé

Most flood hazards are induced either by river overflowing or intense overland flow following heavy rainfall, causing land surface damages under many forms. Until now, fine-scale detection of damages caused by intense rainwater runoff beyond the direct vicinity of major waterways has been scarcely explored using satellite remote sensing. In this work, three extreme storms in the Aude and Alpes-Maritimes departments in the South of France were investigated based on ground truths and very high resolution optical imagery (Pléiades satellite, IGN orthophotos). Plot delineation and land use information were combined to high revisit frequency and high resolution optical (Sentinel-2) and SAR (Sentinel-1) open-source data to test a simple automatic and replicable change detection method to locate damaged plots using supervised classification. Based on a unique training sample from the Aude floods of October 2018, combinations of plot-based spectral indicators allowed reaching overall detection accuracies greater than 85% on independent validation samples for all three events. A simple land use inter-class demeaning pre-processing used to account for land-specific seasonal variations improved event and site repeatability by lowering false detection rates down to a maximum of 13%. The benefits of introducing SWIR channel in addition to visible and near-infrared indices were limited to a few percentage points. SAR-derived proxies of soil moisture and roughness in weakly vegetated areas were consistent with the presence of degradations, with VV being the most sensitive polarization. However, classification accuracy was not significantly increased with Sentinel-1 data as compared to the exclusive use of Sentinel-2. Additional tests revealed that should the closest available optical images be rather distant in time because of persistent cloud cover, the method is reasonably robust as long as stable ground conditions were observed before the event. The need for images close in time was however emphasized through cross-site training. Indeed, efficient replicability from one site to another relied on using unaffected learning plots with slightly more inherent variability in time variations of spectral indices compared to the test site. Beyond the investigation of three case studies, this work demonstrates the performance and repeatability potential of a new probabilistic change detection method to expose various kinds of extreme rainfall-related disturbances, in particular those occurring far from the main hydrographic network. Should spatially accurate rainfall products be available, comprehensive mapping of intense stormwater runoff hazards using this original plot-based approach will then allow improving the understanding of overland flow generation mechanisms in hydrological models.
La plupart des risques d'inondation sont induits soit par le débordement d'un cours d'eau, soit par un écoulement de surface intense à la suite de fortes précipitations, causant des dommages à la surface terrestre sous de nombreuses formes. Jusqu'à présent, la détection à fine échelle des dommages causés par le ruissellement intense des eaux de pluie au-delà du voisinage direct des principaux cours d'eau a été peu explorée à l'aide de la télédétection par satellite. Dans ce travail, trois orages extrêmes dans les départements de l'Aude et des Alpes-Maritimes dans le sud de la France ont été étudiés à partir de vérités de terrain et d'images optiques à très haute résolution (satellite Pléiades, orthophotos IGN). Les informations relatives à la délimitation des parcelles et à l'occupation des sols ont été combinées à des données optiques (Sentinel-2) et SAR (Sentinel-1) à haute fréquence de revisite et à haute résolution en source ouverte afin de tester une méthode de détection des changements simple, automatique et reproductible pour localiser les parcelles endommagées en utilisant la classification supervisée. Sur la base d'un échantillon d'entraînement unique provenant des inondations de l'Aude d'octobre 2018, des combinaisons d'indicateurs spectraux basés sur les parcelles ont permis d'atteindre des précisions de détection globales supérieures à 85% sur des échantillons de validation indépendants pour les trois événements. Un simple prétraitement de démêlage interclasse de l'utilisation des terres utilisé pour tenir compte des variations saisonnières spécifiques aux terres a amélioré la répétabilité des événements et des sites en abaissant les taux de fausse détection jusqu'à un maximum de 13 %. Les avantages de l'introduction du canal SWIR en plus des indices visibles et proches infrarouges se sont limités à quelques points de pourcentage. Les indicateurs dérivés du SAR de l'humidité et de la rugosité du sol dans les zones faiblement végétalisées étaient cohérents avec la présence de dégradations, la polarisation VV étant la plus sensible. Cependant, la précision de la classification n'a pas augmenté de manière significative avec les données Sentinel-1 par rapport à l'utilisation exclusive de Sentinel-2. Des tests supplémentaires ont révélé que si les images optiques disponibles les plus proches sont assez éloignées dans le temps en raison d'une couverture nuageuse persistante, la méthode est raisonnablement robuste tant que des conditions de sol stables ont été observées avant l'événement. La nécessité de disposer d'images proches dans le temps a toutefois été soulignée par une formation intersites. En effet, une reproductibilité efficace d'un site à l'autre reposait sur l'utilisation de parcelles d'apprentissage non affectées dont la variabilité inhérente des variations temporelles des indices spectraux était légèrement supérieure à celle du site de test. Au-delà de l'étude de trois cas, ce travail démontre le potentiel de performance et de répétabilité d'une nouvelle méthode probabiliste de détection des changements pour exposer divers types de perturbations extrêmes liées aux précipitations, en particulier celles qui se produisent loin du réseau hydrographique principal. Si des produits pluviométriques précis dans l'espace sont disponibles, la cartographie complète des risques de ruissellement intense des eaux pluviales à l'aide de cette approche originale basée sur les parcelles permettra alors d'améliorer la compréhension des mécanismes de génération des écoulements de surface dans les modèles hydrologiques.
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Citer

Arnaud Cerbelaud, Laure Roupioz, Gwendoline Blanchet, Pascal Breil, Xavier Briottet. A repeatable change detection approach to map extreme storm-related damages caused by intense surface runoff based on optical and SAR remote sensing: Evidence from three case studies in the South of France.. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2021, 182, pp.153 - 175. ⟨10.1016/j.isprsjprs.2021.10.013⟩. ⟨hal-03969018⟩
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