Pour faire face à la surchauffe urbaine qui impacte des territoires toujours plus nombreux, l’objectif du projet de recherche DIAMS est d’évaluer l’apport de l’imagerie satellite infrarouge thermique pour la simulation des microclimats urbains afin d’évaluer la surchauffe urbaine.
En plus des canicules liées au changement climatique, les villes connaissent des épisodes de surchauffe pendant l’été, du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain (des températures plus élevées en ville qu’en périphérie, en particulier la nuit, en raison de la configuration urbaine). Les collectivités ont besoin d’outils pour identifier les actions à mener, tant à court terme qu’à long terme. Cependant, faute de moyens permettant de définir précisément les températures de l’air, il est encore difficile de réaliser des diagnostics fins du phénomène d’îlots de chaleur.
Exploiter les images infrarouge thermique et la modélisation climatique pour prévoir les zones à risque
TRISHNA vue d’artiste. Copyright CNES/ISRO/ADS
Pour répondre aux enjeux de confort climatique des habitants, qui seront plus marqués dans les prochaines années, le projet de recherche partenarial DIAMS, financé par l'ANR et coordonné par le Cerema [1] vise à définir et tester des méthodes adaptées aux milieux urbains pour exploiter les données satellite, afin de connaître précisément et à grande échelle les températures des surfaces et de l’air.
Les résultats attendus permettront par exemple d’adapter davantage l’aménagement de la ville à ces enjeux, de prioriser les actions à mener, de favoriser la cohérence entre les interventions menées dans les différents quartiers. Les outils développés dans le projet apporteront aussi un appui à la gestion de crise lors d’épisodes de forte chaleur, en localisant les bâtiments exposés à la surchauffe quelques jours à l’avance.
Par ailleurs, ce projet s’inscrit dans le contexte de l’arrivée prochaine de nouvelles données spatiales du satellite Franco–Indien TRISHNA incluant des images infrarouges thermiques (IRT) et dont le lancement est prévu en 2025. Les prises de vue seront aussi plus régulières avec des passages des satellites tous les 2 à 3 jours, et plus précises (50 m).
Le projet DIAMS a pour but d’aider les villes à réaliser un diagnostic de la surchauffe urbaine en utilisant le potentiel de l’imagerie infrarouge thermique fournie par les satellites. Il s’agit aussi d’explorer les usages "en temps réel" permis par ces données.
L’enjeu est de définir des méthodes pour obtenir à partir de ces images les températures de surface et de l’air à l’échelle des quartiers, et pour prévoir à l’horizon de 2 à 3 jours des conditions de surchauffe d’un quartier lors d’un épisode de chaleur.
Vue satellite de Lyon avec Sentinel 2
Le projet DIAMS permettra de mettre au point des méthodes et outils pour :
Estimer la température de surface (LST) en milieux urbains complexes à la résolution de 50-60 m ;
Utiliser conjointement la donnée IRT et la modélisation microclimatique pour estimer les températures d’air, ce qui permettra de mieux statuer sur la surchauffe urbaine et les conditions de confort thermique;
Estimer les températures prévisibles à quelques jours à partir des données IRT.
De plus, le projet fournira des jeux de données préparés comme première base de cas d'études standardisés (Benchmarks) permettant à d’autres modélisateurs de valider et comparer leurs outils de microclimatologie urbaine.
De nombreux enjeux en termes d’exploitation des images satellites IRT
Le projet est structuré autour de 5 axes de recherche destinés à résoudre plusieurs verrous scientifiques relatifs au traitement et à l’exploitation des données satellite:
A. Bouissou TERRA
Le volet EXPE pour sélectionner et préparer les données expérimentales dont dispose le consortium sur les températures de différentes surfaces urbaines (toits, sols, façades, stations de métro, intérieur de bâtiments), des températures d’air, ou des images aéroportées ou mesures Lidar. Cette étape permettra aussi de choisir les données les plus adaptées pour alimenter les travaux des autres volets du projet.
Le volet MODE pour qualifier les modèles développés ou utilisés par le consortium sur la base des jeux de données sélectionnés dans le volet EXPE. Les résultats des modèles de simulation microclimatique à l’échelle quartier seront comparés entre eux et avec les données expérimentales sélectionnées dans différents cas d’étude. Dans ce volet, les modèles seront préparés pour un forçage des températures de surface en utilisant les températures obtenues à partir des images satellite, en alternative à leur calcul.
Le volet IRT pour mettre en place les méthodes d’exploitation des images IRT urbaines. Deux contributions majeures sont visées : d’une part l’adaptation de la méthode d’estimation de la température de surface (LST) à partir des images satellite aux particularités du milieu urbain (en identifiant les facteurs induisant des erreurs comme les matériaux, la composition des façades de bâtiments, leur orientation…), d’autre part l’impact sur les calculs de température de l’air de l’utilisation de ces LST estimées en conditions aux limites des modèles microclimatiques sera analysé en fonction de la résolution spatiale et temporelle de la donnée satellite. Les méthodes développées à cette étape doivent permettre d’identifier les quartiers les plus sensibles aux surchauffes urbaines.
Dans le volet PREVI, il s’agit de montrer la faisabilité de produire un outil de prévision à court terme des zones chaudes ou fraîches à l’échelle du quartier en période de canicule, à partir des données IRT satellitaire à fine résolution spatiale et temporelle et de prévisions météorologiques. Cet outil vise à identifier les logements et espaces extérieurs sensibles et les zones plus fraîches. Comme on ne connaît pas précisément la composition, et notamment les matériaux de chaque quartier, ce volet s’appuiera notamment sur le deep learning pour construire un métamodèle à partir des données IRT antérieures de ces quartiers qui permettra ensuite, à partir des prévisions futures, d’évaluer le risque de surchauffe. Deux approches seront testées puis comparées avec des jeux de données réels de référence et avec une vague de chaleur réelle afin d’obtenir la modélisation la plus fidèle :
l’utilisation directe du modèle microclimatique avec les paramètres identifiés à l’échelle du quartier,
le métamodèle du quartier qui pourra être initialisé à partir des températures de surface.
Le volet APPLI met en application des développements réalisés dans les volet IRT et PREVI afin de valider la possibilité d’utiliser en bureau d’études les outils mis en place par l’illustration sur des cas concrets.
D’autres aspects du projet seront la validation et l’amélioration potentielle des modèles microclimatiques existants, et la création de jeux de données de validation pour les modèles microclimatiques, lesquels seront mis à disposition de la communauté scientifique.
Le Cerema est impliqué à plusieurs niveaux dans le projet DIAMS, notamment :
La coordination du projet, avec l’organisation des rendez-vous entre les partenaires et la diffusion des rendus et résultats auprès des collectivités qui sont demandeuses de tels outils, de la recherche et des acteurs publics et privés intéressés
Acteur principal du développement de l’outil Solene-microclimat qui bénéficiera de nouvelles étapes de validation et qui, à la fin du projet, pourra intégrer des images satellite pour mieux estimer les températures de l’air dans les quartiers.
[1] Les partenaires du projet sont l’équipe Bâtiments Performants dans leur Environnement du Cerema, le Cethil (Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon), ICube (laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie), l’ONERA (centre de recherche français du secteur aéronautique, spatial et défense) et KERMAP une PME innovante spécialisée dans le traitement d’images satellite.
