ARTICLE
Dans un contexte de rareté de la ressource hydrique et de concurrence
entre centre urbain et milieu rural, constituer un inventaire des plans
d'eau et suivre leur évolution au cours du temps sont des préalables
indispensables pour une gestion rationnelle de l'eau. La télédétection
appuyée par des moyens informatiques relativement modestes a permis
l'évaluation et le suivi des plans d'eau de surface dans le bassin
de Loumbila au Burkina Faso.« Chaque année, des centaines
de villages sahéliens et soudaniens attendent anxieusement la pluie.
Lorsqu'elle survient, au bout d'une longue impatience, elle s'enfuit à
peine tombée (...) [2]. » Les villes également ne sont
pas épargnées et vivent dramatiquement la pénurie
d'eau [3]. Des villes comme Ouagadougou, qui ne sont traversées
par aucun cours d'eau pérenne et qui dépendent essentiellement
des eaux de ruissellement collectées dans des barrages, vivent
à l'instar des villages « la peur de l'eau ». Ainsi,
malgré une politique de construction de nombreux barrages, entreprise
depuis la grande sécheresse de 1973-1974 (1 114 recensés
en 1996 par la Direction de l'inventaire des ressources hydrauliques),
la crise de pénurie d'eau a touché son comble dans la capitale,
Ouagadougou, pendant les mois d'avril et juin 1998. Ceci a contraint les
autorités du pays à recourir, d'une part, à la technique
des pluies provoquées, pour permettre le remplissage des barrages
servant à l'alimentation de la capitale et, d'autre part, à
la construction d'un nouveau barrage (celui de Ziga) pour augmenter la
capacité d'emmagasinage des eaux.
Dans un tel contexte de rareté des ressources hydriques, tenir
et mettre à jour un inventaire des plans d'eau et évaluer
régulièrement les quantités disponibles dans les
réservoirs constituent un préalable indispensable à
une gestion rationnelle.
C'est dans cette problématique que s'inscrit cet article [1].
Par suivi et évaluation on comprend l'acquisition permanente
de connaissances sur les plans d'eau et la détermination des valeurs
de certaines de leurs caractéristiques. La télédétection
et un système d'information géographique sont utilisés.
L'objectif global de ce travail est de :
- mettre en place une méthode opérationnelle d'identification,
de reconnaissance, d'inventaire, de cartographie et d'évaluation
des plans d'eau de surface à partir d'images satellitaires ;
- concevoir un SIG sur la dynamique des plans d'eau de surface.
Il s'agit en fait de permettre le recensement des points d'eau pour
assurer leur surveillance et de montrer qu'il existe une compétition
entre les petits points d'eau disséminés sur l'ensemble
du bassin versant et les grands devant assurer l'alimentation en eau des
grandes villes comme Ouagadougou.
On admet que :
- tous les plans d'eau réagissent de la même manière
face aux radiations électromagnétiques (en d'autres termes,
leurs signatures spectrales sont quasi identiques) et que la signature
spectrale des plans d'eau est différente de celle des autres surfaces
du paysage ;
- il semble possible d'extraire des images de tous les plans d'eau de
surface. La signature spectrale servirait alors de moyen d'identification,
de reconnaissance et d'inventaire. Comme les enregistrements se font par
pixels de dimensions connues, on utilisera ces derniers pour définir
les caractéristiques géométriques des plans d'eau
inventoriés.
Présentation du site
Le bassin de Loumbila est situé au centre du Burkina Faso, entre
1°18'36" et 1°54'43" de longitude ouest, et 12°25'30" et
12°49'4" de latitude nord (figure 1). Le bassin de Loumbila
est parmi les régions rurales les plus peuplées du Burkina
Faso ; il est, de plus, proche de Ouagadougou, le plus important centre
urbain du pays. On comptait, dans ce bassin, 814 104 habitants en 1996,
répartis dans quatre provinces, 22 départements et communes,
qui vivent des eaux du bassin versant de Loumbila [4].
D'une superficie d'environ 2 000 km2, il s'étend sur
les provinces du Kadiogo, de l'Oubritenga, du Boulkiemdé et du
Kourwéogo. Il est situé entre les isohyètes 700 mm
et 1 000 mm [5]. La saisonnalité climatique est marquée
par une pluviométrie à deux saisons clairement tranchées.
La première, sèche, s'étale d'octobre à mars
; la seconde, pluvieuse et chaude, de mai à octobre. La température
moyenne annuelle, calculée sur la période de 1961 à
1990, est de 28,2 °C. Pour la même période, les températures
moyennes mensuelles présentent deux maxima. Le premier situé
au mois d'avril est de 32,5 °C et le second, au mois d'octobre, s'élève
à 29 °C. Les températures les plus basses sont atteintes
en janvier (24,6 °C) en août (26,4 °C) et sont toujours
supérieures à 18 °C. La répartition de l'ETP,
comme celle des températures, est bimodale. Les maxima d'ETP interviennent
dans la troisième décade de mars (75,4 mm) puis dans la
troisième décade d'octobre (63,4 mm), tandis que leurs minima
sont relevés pendant la première décade d'août
(34,1 mm) et la deuxième décade de novembre.
Matériel et méthodes
Le matériel suivant a été utilisé pour réaliser
cette étude.
* Trois images HRV de SPOT XI et XS dont les caractéristiques
sont données dans le tableau.
* Trois bases de données ont été réalisées
: la première nommée « inventaire 96 », en 1996,
par la Direction de l'inventaire des ressources hydrauliques, la deuxième
du nom de « retenue » en 1993, par la même institution,
la troisième appelée « Bndb200 » réalisée
à partir des cartes de l'IGN au 1/20 000 de 1984.
* Un ordinateur de type Pentium sous environnement Windows NT avec les
logiciels suivants : ERDAS Imagine version 8.3.1 pour le traitement des
images satellitaires ; ARC-VIEWS version 3.0a pour les traitements cartographiques
; Microsoft EXCEL version 7.0 pour le traitement des données tabulaires
et graphiques.
* Un GPS (Global Position System) Silva Compas XL1000 et un appareil
photo CANON ESO 500N/500N QD ont servi respectivement à la mesure
des coordonnées et à la prise de vues sur le terrain.
La méthode fondée essentiellement sur le traitement des
images, s'articule autour de trois points principaux :
- le traitement, l'analyse et l'interprétation des images ;
- l'évaluation des surfaces d'eau ;
- la vérification et la validation des résultats sur le
terrain.
Quatre profils spectraux ont été réalisés
sur chaque image et recoupent les barrages de Loumbila, de Donsé,
de Morin et Ouaga III. L'objectif de ces profils est d'étudier
la signature des surfaces d'eau par rapport aux autres surfaces du paysage.
Résultats
L'analyse des signatures a permis de montrer la variabilité spatio-temporelle
du comportement spectral des plans d'eau. Elle a également mis
en relief une homogénéité relative des signatures
des plans d'eau dans les différents canaux. Cette homogénéité
est plus marquée dans le proche et le moyen infrarouge où
les surfaces d'eau ont une absorption beaucoup plus élevée
que les surfaces environnantes, même si les valeurs de réflectance
ne sont pas strictement les mêmes dans toutes les images. Partant
de ces conclusions, on peut déduire que :
- il est théoriquement possible d'extraire, de toutes les images,
toutes les surfaces qui ont la même signature que les plans d'eau,
à travers une classification consistant à regrouper les
valeurs de réflectance en classe, en fonction de critères
préétablis ;
- cette classification devrait se faire, image par image, de façon
à respecter la variabilité spatio-temporelle de la signature
spectrale de plans d'eau mis en exergue dans cette analyse ;
- enfin, les résultats de l'analyse de signature imposent à
considérer les bandes 3 et 4 comme canaux préférentiels
pour l'extraction des plans d'eau.
Les classifications supervisée et non supervisée ont permis
de générer onze couvertures cartographiques pouvant servir
de charpente à un SIG. Il ressort clairement qu'il n'y a aucune
confusion possible entre les surfaces d'eau et les autres surfaces (figure
2). Ceci est démontré par les deux images d'avril 1998
et d'octobre 1998 où sont matérialisés les états
de surface conditionnant le ruissellement dont les principaux sont : les
cultures et les sols nus, la végétation et l'habitat. Les
cartes des plans d'eau, générées à partir
de classifications, sont en implantation zonale (représentation
surfacique des phénomènes utilisée en cartographie).
Ce type d'implantation recourant à une représentation du
phénomène sur la totalité de l'espace géographique
qu'il couvre, il est alors possible d'envisager le suivi des plans d'eau
en considérant, d'une part, la surface totale d'eau par simple
planimétrie et, d'autre part, le nombre de plans d'eau sur une
période donnée. Les deux types de suivi ont été
appliqués sur deux périodes et deux espaces différents
: un suivi inter-annuel pour l'évolution du nombre de plans d'eau
sur la période allant de 1986 à 1998 sur la surface commune
aux images XI271098 et XS011286 ; un suivi intra-annuel (du 3 avril au
27 octobre 1998) pour l'évolution de la superficie des plans d'eau
et couvrant la surface commune aux images XI271098 et XI030498.
Le nombre de plans d'eau est passé de 21 en 1986 sur une superficie
de 1 342,31 km2, à 37 en 1998, soit une augmentation
de 76,2 %. Ce qui correspond à environ quatre nouveaux plans tous
les 3 ans.
L'évolution des superficies des plans d'eau, entre avril et octobre
sur le bassin de Loumbila, est marquée par une diminution de 87,6
%, avec 258,5 ha sur 1 plan d'eau en avril, contre 2 094 ha répartis
sur 32 plans d'eau en octobre. C'est donc un seul plan d'eau qui résiste
à l'assèchement saisonnier.
Sur l'ensemble de la zone couverte par les images d'avril et d'octobre,
la diminution de la superficie des plans d'eau est de 87,4 %, avec 3 495,1
ha répartis en 65 plans d'eau, contre 438,5 ha repartis en 5 plans
d'eau. Ce qui revient à dire que 7,7 % des plans résistent
à la sécheresse.
Ce type de suivi peut être appliqué, plan d'eau par plan
d'eau. Dans le cas du barrage de Loumbila par exemple, la superficie couverte
par l'eau était de 1 375,3 ha en octobre 1998. En avril de la même
année, cette superficie était de 258,5 ha. La réduction
du plan d'eau du barrage de Loumbila entre la fin de la saison des pluies
(octobre) et la fin de la saison sèche (avril) est de 81,2 %.
Discussion
Pour vérifier les résultats des classifications, un échantillon
de 52 points a été visité pour contrôler sur
le terrain les classifications. Ces contrôles ont permis de relever
un taux d'omission de 7,7 % (ce qui signifie qu'avec la classification,
on n'a pas pu identifier tous les plans d'eau) ; mais aussi un taux de
confusion nul (qui signifie que tous les plans d'eau identifiés
par la classification existent). Ces 7,7 % d'omission correspondent à
des plans d'eau à fort couvert végétal, soit 4 sur
52. Ce problème d'omission est courant en télédétection
; il est signalé par de nombreux auteurs [6-10].
Cette vérification a permis également de se rendre compte
que les bases de données existantes comportaient des fautes de
positionnement : 10 plans d'eau ont été repérés
comme mal localisés par les coordonnées des bases de données.
Ces dernières comportent aussi des informations dépassées
: certains plans d'eau signalés dans les bases n'existent plus,
soit parce qu'ils sont détruits (barrages de Kamboinsé II,
de Golmido, de Larweogo), soit parce qu'ils sont envasés (celui
de Dawanégomdé).
Pour ce qui est de la précision de la méthode, elle concerne
aussi bien la localisation des plans d'eau que leur étendue. La
précision de la localisation des éléments, dans un
système de coordonnées, est d'une aussi grande importance
que la superficie minimale qu'ils doivent avoir pour être pris en
compte par la méthode. La précision maximale de la localisation
ne peut être meilleure à la résolution spatiale de
l'image et on estime que la précision est de l'ordre de 2 à
3 pixels pour les cartes obtenues à partir d'image HRV de SPOT,
soit environ 50 m [6]. Cette précision dépend de celle des
sources cartographiques ou des outils d'acquisition des coordonnées
des points de calage (GPS), le plus important n'étant pas la précision
en tant que telle, mais la connaissance de l'erreur à laquelle
on doit s'attendre. Dans ce document, la précision des éléments
doit être perçue à deux niveaux : sur les bases de
données et des couvertures cartographiques qu'elles ont permis
de générer, et la précision des points dont les coordonnées
ont été acquises avec le GPS SILVA XL 1000, dont la précision
est de 300 m au minimum.
Pour être détectables à partir d'images HRV de SPOT
[6], les plans d'eau doivent avoir au moins une superficie supérieure
à celle de 4 pixels contigus, soit un carré de 0,16 ha,
d'où un seuil minimal de détectabilité de 0,25 ha.
Une étude antérieure [7] fixait la limite à 0,5 ha.
En fait, après le traitement des images, la superficie minimale
détectée est de 192 m2. Une sous-estimation de
la superficie des plans d'eau, de l'ordre de 70 %, due aux effets de bordure
pouvait intervenir dans le cas d'une interprétation visuelle [8].
En majorant la superficie minimale détectée de 70 % on atteindrait
donc 280 m2. Mais, compte tenu du fait que nous n'avons effectué
aucune mesure de superficie sur le terrain, nous retiendrons le seuil
de 0,5 ha [7] parce qu'elle est la plus proche de la superficie la plus
petite identifiée par la classification.
Ces précautions d'ordre géométrique étant
prises, elles affranchissent des incertitudes liées à la
localisation et à la superficie minimale que doit avoir un plan
d'eau pour être détectable. Il reste cependant des dispositions
d'ordre spectrale à prendre en compte pour faciliter l'extraction
des surfaces d'eau. Ainsi, le proche et le moyen infrarouge sont les bandes
indiquées pour l'identification et l'extraction des plans d'eau.
L'analyse de signature spectrale a montré que l'eau a une forte
absorption d'énergie dans ces longueurs d'onde, ce qui facilite
sa discrimination par rapport aux autres surfaces. Cela est en conformité
avec de nombreuses publications scientifiques antérieures [5-7,
10-16].
La classification dirigée est la plus appropriée pour
l'identification des plans d'eau. Elle offre une plus grande marge de
manœuvre à l'opérateur qui peut l'appliquer, dès
lors qu'il connaît quelques surfaces d'eau de référence
ou dès qu'il peut identifier, par interprétation visuelle,
des surfaces d'eau avec un minimum de certitude. Quant à la classification
non dirigée, en réduisant le nombre de classes, elle peut
faciliter l'interprétation et aider à mieux délimiter
les aires d'entraînements devant servir à la classification
dirigée.
Enfin, les grandes différences observées entre octobre
et avril s'expliquent par le régime hydrologique des cours d'eau
de la zone d'étude, qui est tropical à un seul maximum.
La très forte évaporation est responsable de la baisse des
volumes d'eau jusqu'à 80 à 95 % [8]. Les effets combinés
de la forte évaporation et de la multiplication des réservoirs
d'eau implantés dans le bassin versant expliquent aisément
les problèmes de pénurie d'eau de la capitale Ouagadougou.
CONCLUSION
De cette étude méthodologique qui a été réalisée
sur le site du bassin de Loumbila, au Burkina Faso, on retiendra que :
- les plans d'eau de surfaces ont des signatures spectrales différentes
de celles des autres surfaces terrestres ;
- la particularité spectrale des plans d'eau s'exprime mieux
dans le proche et le moyen infrarouge ;
- on peut élaborer, à partir des images HRV de SPOT, des
cartes de plans d'eau de surfaces par classification et s'en servir comme
charpente de SIG sur les plans d'eau ;
- il est possible de suivre dans le temps, à partir de ces images,
l'évolution du nombre de plans d'eau de surface ainsi que des superficies
qu'ils couvrent dans un espace donné.
Cette méthode, appliquée au bassin de Loumbila au Burkina
Faso, a permis de mettre en évidence 438,56 ha de superficie d'eau,
répartis en 5 plans d'eau le 3 avril 1998 ; 3 495,15 ha de surface
d'eau, répartis en 65 plans d'eau le 27 octobre 1998. Ce qui correspond
à une diminution de 87,4 % des superficies des plans d'eau entre
octobre (fin de saison de pluies) et avril (saison sèche). On a
pu ainsi déterminer le pourcentage de réservoirs disposant
encore d'eau au mois d'avril. Il est de 7,7 % sur l'ensemble de la zone
couverte par les images d'octobre et d'avril 1998.
Sur le barrage de Loumbila, la diminution de la superficie du plan d'eau
est de 81,2 % entre la fin de la saison des pluies et la fin de la saison
sèche.
L'application de cette méthode a permis de mettre également
en exergue l'augmentation du nombre de plans d'eau de surface, de 21 en
1986 à 37 en 1998 sur une superficie de 1 342,31 km2.
L'évaluation de la méthode a mis en évidence un
taux d'omission de 6 %, correspondant aux plans d'eau couverts par la
végétation. De plus, l'analyse de la matrice de confusion
a montré la possibilité de confusion des surfaces d'eau
avec d'autres surfaces. Elle a également permis d'observer que,
malgré le fait que les signatures spectrales des surfaces d'eau
se distinguent des autres surfaces à plus de 98 %, elles n'ont
pas strictement la même signature.
Aussi, nos suggestions vont-elles dans le sens de l'amélioration
de cette méthode, de façon à mettre au point une
technique éprouvée permettant de contourner efficacement
le problème de détection des plans d'eau lié à
la présence d'une végétation importante. Des études
méthodologiques devraient également se faire en vue de déterminer
la superficie minimale à partir de laquelle un plan d'eau peut
être détecté avec les images HRV de SPOT. Enfin, la
recherche peut également se faire dans le sens de l'étude
de la qualité des eaux de surfaces, en raison de la diversité
de signature de plans d'eau.
Mais au-delà des limites observées, l'intérêt
de la mise au point d'un tel outil revêt une importance capitale.
En effet, il a permis d'appréhender les problèmes qui se
posent à la satisfaction des besoins en eau d'une grande ville
comme Ouagadougou. Ces problèmes identifiés par le suivi
interannuel et intra-annuel des plans d'eau dans le bassin de Loumbila
se résument à une forte évaporation (7,7 % des plans
d'eau résistent à la sécheresse) mais surtout à
leur multiplication.
Le présent article est une synthèse d'une étude
réalisée dans le cadre d'un DESS au CRESA de la Faculté
d'agronomie de l'Université Abdou-Moumouni de Niamey [1] et qui
s'intègre dans un projet conjoint DIRH, Centre régional
AGRHYMET. L'étude a bénéficié de l'appui financier
de la
Coopération française.
REFERENCES
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de surface par télédétection dans le bassin de Loumbila
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Étude de faisabilité, rapport de synthèse, document
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Volume 1. Principes et méthodes. AUPELF-UREF. Les Presses de l'université
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ou jardin naturelle ? Extension rizicole et devenir d'une zone humide
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