Surveillance des écosystèmes dépendant des eaux souterraines à l’aide de l’imagerie radar à synthèse d’ouverture (SAR)

AUSTRALIE

SAR

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PERSONNE EN CHARGE DE LA PRATIQUE INNOVANTE :

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Les écosystèmes dépendants des eaux souterraines (GDE pour « Groundwater Dependant Ecosystems ») sont des environnements très sensibles qui fournissent plusieurs services allant de l’atténuation des événements extrêmes à des fins récréatives. Ces écosystèmes peuvent être fortement affectés par les activités humaines telles que les prélèvements ou la contamination des eaux souterraines. Identifier correctement les GDE et leurs relations avec l’environnement est fondamental pour surveiller les impacts environnementaux afin de parvenir à une gestion intégrée efficace des ressources en eau.

La présente fiche d’information étudiera l’utilisation de l’imagerie radar à synthèse d’ouverture (SAR) du satellite Sentinel-1A dans l’identification à distance des GDE dans deux zones d’étude australiennes (Castellazzy et al., 2019). Les auteurs de la technique ont présenté des résultats acceptables par rapport à l’Australian GDE Atlas précédemment développé qui est une base de données GDE à l’échelle continentale basée sur des travaux de terrain et de la littérature. D’autres développements sont attendus dans ce domaine avec les dernières avancées dans les méthodes d’acquisition d’images basées sur le SAR avec une résolution accrue et des coûts d’assemblage réduits associés à une puissance de calcul améliorée. Ce type d’information a fourni de bons résultats pour différentes applications, de la foresterie à la surveillance côtière, même dans les régions sujettes à la formation de nuages qui ne permettent finalement pas d’observer les variations de la surface de la Terre. Un étalonnage précis de la technique supplémentaire peut permettre une application dans d’autres régions et l’acquisition continue à couverture élevée d’images SAR

Entité responsable

L’utilisation du radar à synthèse d’ouverture (SAR) est aujourd’hui relativement répandue. Dans l’étude de cas présentée dans cette fiche d’information, l’entité qui a soutenu l’utilisation de cette méthode pour la détection des écosystèmes dépendants des eaux souterraines (GDE) est l’Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO), l’agence scientifique nationale australienne fondée en 1949. Cette agence gouvernementale est divisée en huit domaines de recherche/unités d’affaires, qui comprennent la Terre et l’Eau. C’est dans la dernière unité que la recherche liée aux eaux souterraines est développée.

Le groupe de gestion des eaux souterraines cherche à étudier et à évaluer les ressources en eaux souterraines et à développer des technologies adaptées. Cette équipe multidisciplinaire a développé des travaux dans les domaines suivants :

  • Adaptation des techniques de télédétection à la résolution des problèmes de gestion des eaux souterraines. • L’analyse de données utilisant le « big data » et l’apprentissage automatique. 
  • Modélisation des écoulements souterrains et intégration des aspects environnementaux et sociaux dans les solutions de gestion des eaux souterraines. 
  • Évaluer la faisabilité des méthodes d’amélioration des ressources en eaux souterraines telles que la recharge maitrisée des aquifères.

En ce qui concerne les GDE, le CSIRO, par l’intermédiaire du Bureau de météorologie (Fig. 1), construit une image complète et fiable des ressources en eau de l’Australie pour soutenir la politique et la planification – l’Atlas GDE.

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) (left) and Australian Bureau of Meteorology (BOM) (right) logos
Fig. 1 – Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) à gauche et les logos du Bureau australien de météorologie (BOM) à droite

Il rassemble et gère les données et informations sur l’eau dans le cadre de son rôle et de ses responsabilités en matière d’information sur l’eau en vertu de la loi sur l’eau de 2007. L’Atlas GDE a été initialement développé avec un financement de la Commission nationale de l’eau et un soutien important des agences de l’eau des États et des territoires. L’Atlas GDE est maintenant maintenu par le Bureau de météorologie et mis à jour avec de nouvelles données des agences de l’eau des États et des territoires (Doody et al., 2017).

GDE Atlas a été construit en combinant des GDE déjà identifiés, la littérature disponible, des couches géospatiales et des données de télédétection en utilisant des technologies SIG robustes (Merz, 2012). Il représente l’inventaire le plus exhaustif des GDE qui ait été réalisé à l’échelle continentale (Pérez Hoyos et al., 2016). Cette application Web permet de visualiser, d’analyser et de télécharger des informations GDE pour un domaine d’intérêt sans logiciel spécialisé. Les données de cette plateforme ont été utilisées pour valider l’approche basée sur le SAR pour définir les GDE.

Explication détaillée

Les écosystèmes dépendants des eaux souterraines (GDE) sont ceux qui nécessitent un accès aux eaux souterraines à un certain stade de leur cycle de vie afin de maintenir leur structure et leur fonction (Dabovic et al., 2019). Ceux-ci comprennent (1) les écosystèmes terrestres qui dépendent de manière saisonnière des eaux souterraines, (2) les écosystèmes aquatiques et riverains dépendant des débits de base des eaux souterraines, en particulier pendant les saisons sèches, (3) les écosystèmes des grottes, (4) les zones humides dépendantes des eaux souterraines et (5) les écosystèmes estuariens et les écosystèmes marins côtiers qui dépendent du déversement des eaux souterraines (Murray et al., 2003 ; Eamus et Froend, 2006).

Les GDE offrent de nombreuses fonctions écologiques et socio-économiques – biodiversité, atténuation des inondations, prévention de l’érosion, pêche, foresterie, agriculture, loisirs et tourisme.

Location of Sites and footprints of the 90 Sentinel-1 scenes composed of three spatial subsets
Fig. 2 – Localisation des sites et empreintes des 90 scènes Sentinel-1 composées de trois sous-ensembles spatiaux (SUB) (adapté de Castellazzi et al., 2019)

Un entretien réussi ne peut être réalisé qu’en comprenant la distribution des GDE tout en évaluant les besoins en eau dans les plans de gestion (Doody, et al., 2017). Dans de nombreuses régions d’Australie, les ressources en eaux souterraines subissent une pression croissante due à des activités telles que l’agriculture, l’exploitation minière, les développements urbains et commerciaux. Les GDE peuvent être dégradés par la modification des régimes d’écoulement et la salinisation ou la pollution des eaux souterraines à la suite de ces activités (Kuginis et al., 2016). La détection GDE peut être un processus difficile et long mais les méthodes de détection à distance participent à accélérer ce processus.

Le radar à synthèse d’ouverture est une source d’information de capteur spatial à haute résolution qui permet l’observation de la Terre dans différentes conditions météorologiques (Moreira, 2007). Il est utilisé dans un large éventail d’applications allant de la surveillance de l’environnement aux utilisations de sécurité et de reconnaissance.

L’antenne active SAR envoie une onde électromagnétique (EM) vers la Terre et la réponse mesurée est la force du signal qui rebondit vers le satellite le long du même plan angulaire. Cela produit une ou deux images « à polarisation similaire » : bandes horizontale-horizontale (HH) et/ou verticale-verticale (VV). Certains capteurs peuvent également enregistrer le signal renvoyé selon un plan angulaire perpendiculaire, produisant des images « à polarisation croisée » : bandes horizontale-verticale (HV) ou verticale-horizontale (VH). Les systèmes SAR d’acquisition globale et automatique comme Sentinel-1, utilisés dans l’étude présentée, sont à double polarisation, acquérant simultanément les bandes VV et VH (Castellazzy et al. 2019)

InSAR est formé par des signaux radar interférents provenant de deux antennes spatialement ou temporellement séparées. Un interférogramme est créé en co-enregistrant deux images SAR et en calculant la différence entre leurs valeurs de phase correspondantes pixel par pixel. La modification de l’interférogramme est causée par cinq effets : (1) différences dans les orbites des satellites lorsque les deux images SAR ont été acquises, (2) topographie du paysage, (3) déformation du sol, (4) retards de propagation atmosphérique et (5) bruits systématiques et environnementaux (Lu et al., 2007).

Castellazzi et al. (2019) ont proposé un indice dérivé des données d’observation SAR (SARGDE) pour capturer la dépendance de la végétation aux eaux souterraines pendant les périodes sèches. Cette analyse est basée sur la condition qu’en raison de la capacité des GDE à compléter les besoins en eau naturels en utilisant les eaux souterraines pendant les périodes de déficit hydrique, la végétation devrait avoir une canopée permanente sur de plus longues périodes de temps par rapport à la végétation non associée aux GDE. Cela aboutit à l’hypothèse que les proportions des mécanismes de diffusion volumétrique, du sol et à double rebond devraient être relativement stables dans le temps (Fig. 3).

Simplified SAR signal scattering mechanisms in vegetation (a) 1, canopy-only direct scattering;
Fig. 3 – Mécanismes simplifiés de diffusion du signal SAR dans la végétation (a) 1, diffusion directe uniquement dans la canopée ; 2, diffusion à double rebond sol-tronc ou tronc-sol; et 3, diffusion uniquement par le sol, (b) diffusion volumétrique (adapté de Castellazzi et al., 2019)

Quatre-vingt-dix images larges interférométriques Sentinel-1A ont été utilisées, acquises en 2017. Chaque image est composée de 30 acquisitions SAR consécutives – une image tous les douze jours pour chacun des trois sous-ensembles de données dans les deux zones d’études (Fig. 2).

Toutes les informations extraites de l’imagerie SAR sont structurées en piles, où chaque pixel de chaque acquisition SAR est projeté sur la même empreinte au sol, formant une matrice de données 3D [Espace] x [Espace] x [Temps], appelée cube de données. Les images ont été traitées à l’aide du logiciel SARSCAPE. Les matrices de cohérence, obtenues en comparant la phase de deux bandes polarisées de deux acquisitions ultérieures, ont été calculées à l’aide d’une grille matricielle régulière avec une résolution d’environ 30 m. Tous les cubes de données ont été analysés pour générer ces matrices de cohérence et ensuite normalisés (valeur moyenne = 10, écart type = 1), facilitant l’interprétation en répartissant les valeurs sur un domaine dans lequel les statistiques offrent une pondération égale comme indice final.

Pour aider à explorer d’éventuels modèles spatiaux et temporels variables dans les cubes de données, une technique d’apprentissage automatique a été utilisée pour réduire la série chronologique en une carte 2D – Cartographie topographique générative (GTM) qui considère des ensembles de données structurés non linéaires. Les résultats générés sont comparés à l’Atlas GDE australien pour comparer la cohérence des zones marquées GDE (Fig. 4). Cela a permis aux auteurs de comprendre que dans les plaines inondables (forte possibilité d’occurrence de GDE), les schémas saisonniers sont moins prononcés que dans les zones environnantes, comme principalement déduit, indiquant la persistance de la végétation tout au long de l’année. Il est possible de relier les GDE avec une faible cohérence InSAR avec des changements saisonniers limités de ce paramètre (végétation dense stable avec une diffusion accrue associée en raison du mouvement des branches et des feuilles).

L’indice SARGDE pour la détection GDE est défini en utilisant les statistiques d’ensembles de données normalisés qui incluent la moyenne annuelle et l’écart type de la cohérence InSAR (σ_cc, μ_cc) et la moyenne annuelle du cube de données d’intensité VH (σ_vh). Elle s’exprime par l’équation suivante :

Simplified SAR signal scattering mechanisms in vegetation (a) 1, canopy-only direct scattering;

Dans ce cas, l’intensité VH fait référence aux bandes verticales-horizontales générées à partir d’images « à polarisation croisée » à partir de signaux renvoyés le long de plans perpendiculaires. SARGDEv1 est similaire à environ 90 % à l’Atlas GDE sur une comparaison pixel par pixel (Fig. 5)

Low InSAR coherence in floodplains
Fig. 4 – Faible cohérence InSAR dans les plaines inondables (les contours noirs sont des GDE identifiés dans l’atlas GDE, la différence de couleur signifie la différence entre les séries chronologiques de cohérence) (adapté de Castellazzi et al., 2019)
Comparison between GDE Atlas and generated index map
Fig. 5 – Comparaison entre l’Atlas GDE et la carte d’index générée (adapté de Castellazzi et al., 2019)

Cadre institutionnel

La gestion de l’eau est un enjeu fondamental en Australie. Alors que des mesures législatives ont été prises depuis la fin du XIXe siècle pour rendre les cours d’eau protégés par les autorités de l’eau, ce n’est que dans les années 1980 que les actions de gestion de l’eau ont commencé à considérer d’autres masses d’eau et ont commencé à prendre en considération les procédures d’attribution de l’eau couplées à des considérations environnementales (et sociales) ; ces objectifs jetant les bases d’une économie de l’eau. Dans les années 1990, le coût incrémental de l’eau, l’augmentation de la demande et l’apparition de problèmes environnementaux poussent les institutions publiques à adopter des modes de gestion alternatifs et à modérer les conflits entre acteurs (Tisdell et al., 2002).

Doody et al. (2017) ont noté que depuis le début de la réforme de l’eau en 1994, l’environnement a été reconnu comme un utilisateur légitime de l’eau. La priorité a été donnée aux utilisations environnementales de l’eau et, dans le cas des GDE, les allocations d’eau devaient être clairement définies pour maintenir les écosystèmes riverains, terrestres, humides, marins et souterrains qui dépendent des eaux souterraines. L’identification et la cartographie des GDE ont été désignées comme un investissement essentiel pour atteindre les objectifs de la réforme de l’eau.

L’acquisition d’informations sur l’eau est primordiale pour une planification durable de l’eau, le commerce de l’eau et en particulier la gestion environnementale (Doolan et al., 2016).

Cadre géographique

L’Australie montre une grande variabilité climatique avec des preuves évidentes de sécheresses récurrentes suivies d’inondations extrêmes. Des précipitations très irrégulières et une évapotranspiration élevée créent un défi accru dans la gestion des ressources en eau, en particulier pour les eaux de surface. L’autorité du bassin Murray-Darling représentait environ 30 % de l’eau utilisée sur le continent et était dans de nombreuses régions la seule source d’eau fiable (Dabovic et al., 2019).

La construction du GDE Atlas a conclu que 34% du paysage australien contient potentiellement des GDE dont 5% sont classés à fort potentiel GDE (Doody et al., 2017). L’utilisation du SAR pour la détection de GDE a été testée dans deux sites d’étude contrastés en Australie : un sur Victoria et l’Australie du Sud et un sur le Territoire du Nord (Fig. 2). Le Site 1 (région du Mont Gambier) correspond à un système aquifère karstique et le Site 2 (région de Wildman-Kakadu) correspond à une plaine inondable côtière de mousson à des prairies semi-arides intérieures (Castellazzi et al., 2019)

historique

Le premier système SAR spatial a été lancé en 1978 et a été utilisé dans un large éventail d’applications (Moreira, 2007). L’acquisition de satellites SAR à l’échelle mondiale a ouvert la porte à des applications potentielles dans la surveillance GDE. L’acquisition automatisée et globale du SAR a commencé en 2014 avec le lancement du satellite Sentinel-1A, suivi de son satellite jumeau synchrone Sentinel-1B en 2016 (Castellazzy et al., 2019).

En ce qui concerne les GDE, en 1994, le Conseil des gouvernements australiens (COAG) a approuvé des réformes pour évoluer vers une industrie de l’eau durable qui comprenait des allocations pour l’environnement et une plus grande responsabilité environnementale des développements des ressources en eau. En 1996, les Principes nationaux pour l’approvisionnement en eau des écosystèmes ont été signés pour fournir une base pour la prise en compte des besoins écologiques en eau (EWR) dans le cadre des décisions d’allocation de l’eau par les gestionnaires des ressources en eau. L’EWR devrait être basée sur les meilleures informations scientifiques disponibles. Pour les GDE, les eaux souterraines sont considérées en termes de débit, de niveau, de pression et de qualité requis par un écosystème, et sont à étudier dans le cadre d’une recherche scientifique stratégique. L’EWR contribue, avec l’évaluation socio-économique et les demandes de consommation d’eau, au développement d’approvisionnements écologiques en eau (AEP) dans le cadre des plans de gestion de l’eau. Les PEE sont un outil de gestion utilisé pour atteindre des objectifs écologiques souvent exprimés en termes de cible à maintenir, restaurer ou réhabiliter (Richarson, et al., 2011).

Preuve des avantages de la mise en œuvre

L’identification des GDE nécessite souvent des informations spécifiques au site étudié sur divers indicateurs tels que l’utilisation de l’eau par les plantes et la profondeur des eaux souterraines. Recueillir ces données à l’échelle régionale, est peu pratique et d’un coût prohibitif (Kuginis et al., 2016). Les inventaires GDE basés sur le terrain ne sont pas adaptés pour les cartes à l’échelle de l’État, régionales, nationales ou mondiales, ils demandent beaucoup de travail et ne représentent qu’une vision à un temps donnée. L’utilisation de la télédétection améliore considérablement l’acquisition de données et est une technique rentable (Pérez Hoyos et al., 2016).

Se référant spécifiquement au SAR, par rapport à l’imagerie des plates-formes multispectrales, disponible depuis le début des années 1970, le SAR offre l’avantage d’une capacité de détection mondiale jour et nuit et d’une insensibilité à la couverture nuageuse, ce qui rend les données SAR particulièrement adaptées à la surveillance des changements à la surface de la Terre. (Castellazzy et al., 2019). La technique présentée – indice SARGDE – offre un suivi annuel amélioré, avec une haute résolution, et même sous des zones nuageuses. Il est également relativement indépendant de l’utilisateur, car il ne nécessite qu’un traitement SAR de routine.

De telles méthodes couplées à des outils déjà existants (GDE Atlas) garantissent que des données cohérentes sont disponibles pour fournir la base de décisions mieux informées.

Potentiel de réplicabilité dans la région Sudoe

L’identification des GDE est particulièrement pertinente dans les régions du sud de l’Europe, sujettes aux phénomènes de pénurie et dans lesquelles ces écosystèmes peuvent jouer un rôle important dans l’atténuation des événements extrêmes. La protection des GDE terrestres est imposée par la directive-cadre sur l’eau (DCE) de l’Union européenne et les États membres sont tenus de prévenir les dommages (Rohde et al., 2017). Les réseaux de surveillance des masses d’eau de surface et souterraines jouent un rôle important et l’identification des écosystèmes peut bénéficier de manière significative des informations acquises depuis l’espace.

Concernant les mises en œuvre possibles de SARGDE en dehors des territoires dans lesquels il a été testé, les auteurs notent que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour l’adapter à la végétation non australienne. L’indice manquait de tests pour la capacité de surveiller temporellement les GDE impactés par le pompage des eaux souterraines et d’être comparé aux données acquises par les réseaux de surveillance in situ (Castellazzi, et al, 2019).

Des projets européens tels que SAR2CUBE cherchent à définir des prototypes pour intégrer les données SAR dans les chaînes de traitement quotidiennes et réduire la barrière d’entrée de gamme des produits dérivés d’InSAR en fournissant des données prêtes à l’analyse (ARD) spécifiquement définies pour atteindre l’efficacité et la flexibilité. Cela peut augmenter considérablement la base d’utilisateurs et dans la gamme des applications SAR sur les territoires européens.

Perspectives d’avenir

Moreira (2007) a signalé qu’au moment de la publication, la demande accrue pour cette technologie a poussé plusieurs pays à se projeter et à lancer plus de 20 systèmes SAR spatiaux. D’autres auteurs ont également noté (Lu et al., 2007) que les applications prometteuses d’InSAR peuvent conduire à des percées scientifiques. Ces avancées sont basées sur des images SAR à plus grande longueur d’onde, des capteurs SAR entièrement polarisés pour une meilleure caractérisation de la végétation et des caractéristiques du sol, et la diminution des retards atmosphériques InSAR qui augmentent la précision de la technologie. On note également que les progrès de la fouille de données (datamining), avec des techniques multi-temporelles et multidimensionnelles, peuvent permettre, par exemple, de cartographier des déformations de la surface du sol variant dans le temps (naturelles ou causées par des actions humaines) en améliorant les mesures de déformation.

L’innovation dans les procédures de surveillance, que les scientifiques considèrent comme une étape nécessaire (Carvalho et al., 2019), peut impliquer l’intégration de technologies telles que InSAR dans la surveillance en temps réel avec une plus grande couverture spatiale à des coûts réduits. À titre d’exemple, l’utilisation de données satellitaires pour la surveillance de l’état des masses d’eau dans le cadre de la DCE de l’UE a encouragé plusieurs projets basés sur le programme Copernicus de l’Agence spatiale européenne, cherchant à faciliter la prise de décision dans la gestion des ressources en eau, par un apprentissage automatique presque en temps quasi réel 

Les progrès de la technologie peuvent aider à son application. Le développement d’une version miniaturisée des satellites SAR, par des initiatives privées et publiques, devrait réduire le coût de la technologie et ouvrir la voie à des constellations de satellites SAR qui peuvent augmenter la couverture mondiale.

Points clés de la méthode innovante

  • L’imagerie SAR peut être moins coûteuse et prendre moins de temps si on la compare aux inventaires GDE basés sur le terrain.
  • L’index développé a généré de bons résultats par rapport à la cartographie GDE existante avec ~90 % de similitudes.
  • La technique de mise en œuvre est assez simple mais nécessite l’utilisation de logiciels commerciaux de manipulation d’images.
  • Comme il est lié à la bande, des tests sont toujours nécessaires si l’indice doit être appliqué dans d’autres régions, avec un type de végétation différent.
  • D’autres progrès sont attendus avec le développement de systèmes SAR plus rentables qui auront une résolution et des capacités d’acquisition accrues.

Remerciements

Cette pratique innovante a été dérivée de la suggestion initiale de Teresa Melo de la recherche et de l’innovation en génie civil pour la durabilité (CERIS) – Instituto Superior Técnico (IST) – Lisbonne, puis ajustée à la suite des discussions PPA et LNEC.

References

Carvalho, L., Mackay, E.B., Cardoso, A.C., Baattrup-Pedersen, A., Birk, S., Blackstock, K.L., Borics, G., Borja, A., Feld, C.K., Ferreira, M.T., Globevnik, L., Grizzetti, B., Hendry, S., Hering, D., Kelly, M., Langaas, S., Meissner, K., Panagopoulos, Y., Penning, E., Rouillard, J., Sabater, S., Schmedtje, U., Spears, B.M., Venohr, M., van de Bund, W., Solheim, A.L., 2019. Protecting and restoring Europe’s waters: An analysis of the future development needs of the Water Framework Directive. Science of The Total Environment 658, 1228–1238. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.12.255 

Castellazzi, P., Doody, T., Peeters, L., 2019. Towards monitoring groundwaterdependent ecosystems using synthetic aperture radar imagery. Hydrological Processes 33, 3239–3250. https://doi.org/10.1002/hyp.13570 

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Doody, T.M., Barron, O.V., Dowsley, K., Emelyanova, I., Fawcett, J., Overton, I.C., Pritchard, J.L., Van Dijk, A.I.J.M., Warren, G., 2017. Continental mapping of groundwater-dependent ecosystems: A methodological framework to integrate diverse data and expert opinion. Journal of Hydrology: Regional Studies 10, 61–81. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2017.01.003 

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Eamus, D., Froend, R., 2006. Groundwater-dependent ecosystems: the where, what and why of GDEs. Aust. J. Bot. 54, 91. https://doi.org/10.1071/BT06029 

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INTERNET REFERENCES:

Australian Groundwater Dependent Ecosystems Atlas Info Sheet (http://www.bom.gov.au/water/about/publications/document/BOM_GDE_Atlas_info_sheet_WEB.pdf) 

SARSCAPE software description (https://www.sarmap.ch/index.php/software/sarscape/) 

SAR2CUBE project webpage (https://eo4society.esa.int/projects/sar2cube/)

Other sources:

https://spacenews.com/spacety-releases-first-sar-images/ 

Participating entities:

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) (https://www.csiro.au/)

Australian Bureau of Meteorology (http://www.bom.gov.au/) 

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