La vue de l'espace - et ce qu'elle nous apprend

En orbite à 700 kilomètres d'altitude, les satellites de l'Agence spatiale européenne (ESA) transmettent des signaux radar vers la Terre. Ceux-ci sont diffusés par la surface de la planète et renvoyés vers le satellite, ce qui permet d'obtenir des images du terrain même lorsque le ciel est couvert. Pour l'instant, Konrad Schindler et son équipe s'intéressent aux images de l'Ukraine. «Les satellites survolent le pays tous les deux jours, ce qui nous donne une sorte de vidéo au ralenti», explique Konrad Schindler, directeur de l'Institut de géodésie et de photogrammétrie de l'ETH Zurich. «Si le signal touche un tas de décombres là où se trouvaient autrefois des bâtiments intacts, il rebondit sous une forme différente». En effet, les surfaces lisses réfléchissent mieux les ondes radio que les surfaces rugueuses.

Il ne faut pas croire que l'œil nu puisse comprendre ce flux d'images en libre accès. C'est le travail d'un système de surveillance automatique qui exploite la puissance de l'intelligence artificielle. «Le système utilise des statistiques pour identifier des modèles dans les données», explique Konrad Schindler. Il s'agit d'un exemple d'apprentissage automatique, dans lequel un système d'IA est entraîné avec des images de référence qui montrent clairement, par exemple, la différence entre un bâtiment détruit et un autre encore intact.

Ces données de référence ont été fournies par UNOSAT, le Centre satellitaire des Nations unies. Des expertes et experts y examinent minutieusement des images à haute résolution provenant de sources commerciales afin d'identifier les dommages causés aux bâtiments et de documenter ainsi les crimes de guerre tels que le bombardement d'infrastructures civiles. «Notre système de surveillance n'est certainement pas conçu pour remplacer ces personnes», précise Konrad Schindler. «Mais sa capacité à couvrir de vastes zones leur donne des indications utiles sur les endroits à examiner de plus près.»

Cartes pour les organisations d'aide

La cartographie des dommages de guerre est l'un des deux projets sur lesquels les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont collaboré avec le Comité international de la Croix-Rouge (CICR). «Le second projet visait à répondre à une question apparemment très simple : où sont les gens ?» explique Konrad Schindler. Lorsque le CICR lance des opérations de secours ou des campagnes de vaccination à la suite de catastrophes naturelles, il a besoin de données sur la densité de la population. Dans les pays moins développés, ces données font souvent défaut. C'est alors que la Croix-Rouge se rabat sur les cartes démographiques que le groupe de Konrad Schindler crée à partir de données satellitaires.

Les scientifiques de l'ETH Zurich utilisent ce puissant cocktail d'observation satellitaire et d'apprentissage automatique dans un grand nombre de domaines. En collaboration avec la start-up suisse ExoLabs, par exemple, ils et elles ont mis au point un système qui fournit une évaluation plus rapide et plus précise de l'enneigement que les sources conventionnelles. Les scientifiques ont commencé par alimenter le système avec des estimations de l'épaisseur de la neige en Suisse basées sur des images satellites et des cartes d'élévation numériques. En comparant ces données avec des données précises recueillies par des avions et des stations météorologiques au sol, le système a appris à améliorer les estimations basées sur les satellites. Il fournit désormais des cartes quotidiennes de l'épaisseur de la neige, un service qui sera bientôt lancé sur une base commerciale.

Une carte mondiale de la hauteur des arbres a déjà été mise à disposition gratuitement. Également basée sur des données satellitaires, elle est principalement utilisée à des fins environnementales. «Il est évident que l'on ne peut pas voir le bas d'un arbre depuis l'espace, mais le signal réfléchi contient un contenu détaillé, en particulier dans le domaine de l'infrarouge, qui permet d'obtenir de nombreuses informations sur la végétation», explique Konrad Schindler. En utilisant les données de référence d'un scanner laser à bord de la station spatiale internationale (ISS), un programme informatique a appris à déduire la hauteur des arbres en fonction des schémas d'éclairage de la zone observée. Une impulsion laser rebondissant sur la cime d'un arbre met un peu moins de temps à revenir à l'ISS qu'une impulsion réfléchie par le sol. Cette différence est suffisante pour calculer la hauteur de la végétation locale.

Système d'alerte précoce pour les forêts

«La cartographie mondiale de la hauteur de la canopée fournit également des informations intéressantes sur l'âge de la végétation», explique Verena Griess, professeure de gestion des ressources forestières et directrice de l'Institut des écosystèmes terrestres de l'ETH Zurich. Elle et son équipe utilisent les données satellitaires pour en savoir plus sur la santé des arbres. «Le changement climatique nous a propulsés dans une ère de changements rapides», explique Verena Griess. «Cela s'applique également à nos forêts, où les problèmes causés par les ravageurs, les chablis, les incendies et la sécheresse sont de plus en plus fréquents.» À l'aide de données satellitaires, les chercheurs et chercheuses envisagent de mettre en place un système d'alerte précoce qui nous signalera les forêts en difficulté avant même que les dégâts ne soient visibles à l'œil nu. Ce système pourrait également être utilisé pour détecter les premiers signes d'incendies de forêt dans les régions peu peuplées, ou pour montrer où des mesures correctives sont nécessaires en Suisse pour garantir la protection contre les risques naturels que la sylviculture offre. Les données satellitaires pourraient également permettre d'identifier les zones qui se prêtent à l'extraction du bois ou qui doivent être préservées en raison de leur grande biodiversité. «Notre objectif est de faire en sorte que la bonne décision soit prise pour chaque endroit», explique Verena Griess.

Les scientifiques travaillent actuellement sur un modèle capable d'identifier automatiquement les espèces d'arbres à partir d'images satellite. Entraîné à partir de données provenant d'endroits où l'on sait que des espèces telles que le hêtre, l'épicéa ou le mélèze poussent, le modèle apprend progressivement à identifier les modèles correspondants dans les images satellite. Grâce à des capteurs hyperspectraux, les satellites peuvent également recueillir des informations invisibles à l'œil nu sur la santé des arbres. Il s'agit notamment de mesurer la concentration de certaines substances dans les feuilles et de surveiller tout changement susceptible d'indiquer les premiers stades d'une infestation de parasites.

Les images satellites en deux dimensions peuvent également être enrichies de données 3D provenant de scanners laser embarqués à bord de satellites, d'avions ou de drones, ou situés au sol. L'ETH Zurich a récemment inauguré son supercalculateur Alps, qui permettra d'accélérer l'analyse des données et d'améliorer l'entraînement des modèles d'IA. «Cette technologie ajoute encore une corde à notre arc, aux côtés de nos étudiantes et étudiants exceptionnels et de l'excellente collaboration entre les chaires universitaires et les autres institutions membres du Domaine des EPF», déclare Verena Griess. «La Suisse dispose aujourd'hui d'une véritable richesse d'expertise dans ce domaine, concentrée à un degré que l'on ne retrouve nulle part ailleurs.»

Réutilisation de la technologie GPS

La santé des arbres forestiers peut également être étudiée à l'aide des signaux émis par les satellites GPS. Lorsqu'un récepteur GPS est placé sous un arbre et un autre à une certaine distance, la différence entre les signaux reçus permet de calculer la quantité de biomasse contenue dans l'arbre. «C'est incroyable ce que l'on peut faire avec une technologie qui a été développée pour quelque chose de complètement différent - dans ce cas, la navigation», déclare Benedikt Soja, professeur de géodésie spatiale.

En collaboration avec MétéoSuisse, Benedikt Soja et son équipe ont installé des récepteurs GPS peu coûteux dans plusieurs stations météorologiques situées dans toute la Suisse. Ils et elles mesurent le niveau de vapeur d'eau dans l'atmosphère en détectant le retard correspondant dans la propagation des signaux radio transmis par les satellites. Ces données sont ensuite utilisées pour calculer l'humidité au-dessus d'une station météorologique et améliorer ainsi les prévisions de pluie.

L'analyse de ces données sur une longue période permet également d'obtenir des informations sur le changement climatique. Une atmosphère plus chaude absorbe plus d'humidité, c'est-à-dire plus de vapeur d'eau. «Cela intensifie le changement climatique, car la vapeur d'eau est également un gaz à effet de serre - en fait, le plus abondant de tous», explique Benedikt Soja. «Il est donc très facile de déterminer l'impact local du changement climatique sur l'atmosphère». Les mesures GPS montrent qu'en moyenne, certaines régions sont devenues plus humides et d'autres plus sèches.

Les scientifiques utilisent une autre technique pour suivre la fonte des calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique. Deux satellites volant en tandem mesurent le champ de gravité de la Terre, qui varie en fonction de la masse présente à un endroit donné. «Cela signifie que nous pouvons mesurer tout changement de cette masse depuis l'espace», explique Benedikt Soja. Ces données peuvent être affinées à l'aide d'autres satellites qui mesurent l'altitude. «Les régions polaires sont le théâtre d'une fonte massive des glaces. Nous perdons des centaines de gigatonnes de glace chaque année, soit l'équivalent d'un gigantesque cube de 3000 mètres de haut de la taille de la ville de Zurich, ce qui entraîne une hausse du niveau des mers», explique Benedikt Soja. «L'observation par satellite est le meilleur moyen de suivre l'impact du changement climatique sur les calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland.»