Un ensemble de données bathymétriques en ligne aidera les décideurs à gérer les ressources en eau.
Les lacs et les réservoirs ont une profonde influence sur les fonctions des écosystèmes, les niveaux de débit des cours d’eau locaux et le mouvement de l’eau dans les paysages. Mais les gestionnaires de l’eau sont souvent dans l’ignorance lorsqu’il s’agit de la topographie de subsurface, qui affecte l’écologie, le volume, la température et le taux d’évaporation d’un plan d’eau, ainsi que les débits entrants et sortants.
Une équipe de scientifiques a mis au point des techniques d’intelligence artificielle pour créer un ensemble de données accessibles au public sur la topographie sous-marine, ou bathymétrie, de plus de 1,4 million de lacs intérieurs et de réservoirs dans le monde. Ces informations peuvent permettre aux gestionnaires de l’eau et aux autres décideurs de mieux anticiper des problèmes allant de la disponibilité de l’eau pour les villes et les exploitations agricoles aux changements écologiques dans les zones humides.
“Cet ensemble de données donne aux modélisateurs de lacs et aux écologistes une représentation plus réaliste d’un plan d’eau”, a déclaré Bahram Khazaei, qui a dirigé la création de la base de données en tant que chercheur postdoctoral au National Center for Atmospheric Research (NCAR). “Afin de mieux comprendre la dynamique des systèmes aquatiques et les propriétés des ressources en eau douce, nous devons en savoir plus sur les caractéristiques géophysiques de ce qui se trouve sous la surface.”
L’ensemble de données bathymétriques des lacs du monde, ou GLOBathy, est accessible à l’adresse suivante en ligne.
Cartes bathymétriques pour une sélection de lacs dans le jeu de données GLOBathy. Crédit : NCAR/UCAR
Estimation de la bathymétrie par apprentissage automatique
La majeure partie de l’eau douce accessible de la surface de la Terre est stockée dans plus de 100 millions de lacs et de réservoirs. Toute modification de leurs volumes ou de leurs débits peut affecter à la fois la disponibilité et la qualité de l’eau, avec des répercussions considérables sur les populations et les écosystèmes. Afin de mieux comprendre les changements potentiels des masses d’eau, les scientifiques ont besoin de modèles informatiques capables de représenter avec précision leurs caractéristiques physiques.
M. Khazaei, qui travaille désormais pour le service océanique national de la NOAA, s’est intéressé à la création d’un ensemble de données bathymétriques lorsqu’il travaillait sur le modèle national de l’eau de la NOAA, qui fournit des prévisions détaillées du débit des cours d’eau à travers les États-Unis. Comme il se concentrait sur l’amélioration des simulations des niveaux d’eau dans les rivières et les cours d’eau, il avait besoin de plus d’informations sur les caractéristiques géophysiques des lacs et des réservoirs. Les chercheurs ont utilisé les progrès des systèmes d’information géographique (SIG), du LiDAR aéroporté et d’autres technologies pour cartographier la topographie sous-marine de milliers de lacs et de réservoirs, mais il leur manque la capacité de déterminer la bathymétrie de millions d’autres.
Pour estimer la bathymétrie d’autres lacs et réservoirs, Khazaei et ses collaborateurs se sont tournés vers un ensemble de données complet connu sous le nom de HydroLAKES. Ils ont ainsi obtenu une liste exhaustive des caractéristiques géophysiques de plus de 1,4 million de plans d’eau dans le monde, notamment la longueur des rives, la surface, le volume, le bassin versant, l’altitude, etc.
Ils ont ensuite développé une technique d’apprentissage automatique, appelée forêt aléatoire, qui est efficace pour classer les données afin d’établir des relations entre ces caractéristiques géophysiques des plans d’eau. Ils ont estimé la profondeur maximale et la bathymétrie de tous les lacs et réservoirs de l’ensemble de données en utilisant ces relations, accompagnées de techniques SIG.
Pour valider le jeu de données, les scientifiques se sont tournés vers des jeux de données de lacs dans lesquels la profondeur maximale avait été mesurée, ainsi que vers des observations bathymétriques au sol de masses d’eau dans différentes régions et présentant un large éventail de caractéristiques physiques. Les résultats ont montré que GLOBathy a réussi à estimer la bathymétrie et à reproduire les modèles de variabilité de la profondeur “raisonnablement bien”, selon l’article.
GLOBathy fournit également des estimations des relations tête-espace-volume, dérivées de ses cartes bathymétriques. Ces relations, qui indiquent la disponibilité de l’eau et la surface dans différents niveaux de profondeur des masses d’eau, fournissent des informations essentielles qui peuvent être utilisées pour améliorer les analyses du bilan hydrique et mieux comprendre les cycles hydrologiques à l’échelle locale, régionale et mondiale. GLOBathy offre également aux géophysiciens une plus grande souplesse dans la modélisation des systèmes aquatiques, car il complète plusieurs ensembles de données existants sur les masses d’eau intérieures.
“Pour la première fois, nous disposons d’informations détaillées sur la profondeur et la bathymétrie de tous ces plans d’eau dans le monde”, a déclaré Khazaei. “Cela ne remplace pas les mesures au sol, mais nous donne des informations essentielles sur de nombreux lacs et réservoirs dont les eaux souterraines sont plus profondes que les eaux souterraines.la topographie n’a jamais été cartographiée à ce point.”
Référence : “GLOBathy, the global lakes bathymetry dataset” par Bahram Khazaei, Laura K. Read, Matthew Casali, Kevin M. Sampson et David N. Yates, 3 février 2022, Données scientifiques.
DOI: 10.1038/s41597-022-01132-9
Le travail a été financé par la NOAA, et les résultats ont été publiés dans un numéro récent de Données scientifiques. Le NCAR est parrainé par la National Science Foundation.
