CLS, filiale du CNES  et de la CNP, est une société à mission internationale, pionnière dans la fourniture de solutions d'observation et de surveillance de la Terre depuis 1986.

Sa vision est d'imaginer et de déployer des solutions innovantes pour comprendre, protéger notre Planète et gérer durablement ses ressources.

Opérateur historique des balises Argos, CLS, avec plus de 1200 collaborateurs dans le monde, sur près de 41 sites dans 20 pays et un chiffre d’affaires annuel de près de 220 millions d’euros en 2025, figure parmi les spécialistes des services satellitaires en utilisant les technologies spatiales les plus avancées, couplées au génie logiciel et à la data-sciences.

L’entreprise œuvre dans 5 secteurs d’activités stratégiques :

• la gestion durable des pêches,
• la surveillance environnementale et le climat,
• la sécurité maritime,
• la mobilité,
• les énergies et infrastructures.

L’entreprise fournit notamment des services satellitaires basés sur :

• la localisation et la collecte de données environnementales (200 000 balises sont traitées chaque mois, bouées dérivantes, balises équipant des animaux, flottes de pêche ou encore de commerce, etc.),
• l’observation des océans et des eaux continentales (plus de 20 instruments, embarqués à bord de satellites, livrent quotidiennement des informations à CLS sur les mers et les océans du globe),
• et la surveillance des activités terrestres et maritimes (près de 20 000 images radar et optique et plusieurs centaines d’heures de vol effectuées par des drones sont traitées et analysées chaque année).

 

1.Contexte et enjeux

Le suivi des eaux continentales (rivières, lacs, réservoirs) est un enjeu majeur pour la compréhension du cycle de l'eau, la gestion de la ressource et l'adaptation au changement climatique. L'altimétrie spatiale (Sentinel-3, Sentinel-6, SWOT, ICESat-2…) permet aujourd'hui de suivre avec une précision croissante la hauteur de la surface de l'eau des cours d'eau et des plans d'eau, y compris dans des régions peu ou pas instrumentées. Elle donne également accès, par croisement avec des masques d'occupation du sol, au surface moyenne des plans d’eau.

Ce que ces missions ne mesurent en revanche pas directement, c'est la bathymétrie ; c'est-à-dire la profondeur et la forme du fond du lit des rivières et des lacs. Or cette information est indispensable pour convertir des hauteurs d'eau en grandeurs hydrologiquement utiles :

• pour les rivières, la géométrie du lit (largeur, profondeur, pente) est nécessaire pour relier hauteur d'eau et débit, via une loi hydraulique (Manning-Strickler, géométrie hydraulique, modèles 1D) ;
• pour les lacs et réservoirs, la relation hauteur–surface–volume (courbe hypsométrique) est nécessaire pour convertir des variations de niveau et d'étendue en variations de volume stocké.

C'est précisément la limite actuelle du produit Lake Water Storage Change (LSC) de l'initiative européenne ESA Climate Change Initiative — Lakes (Lakes_cci), qui fournit à l'échelle globale les variations de niveau (LWL) et d'étendue (LWE) de plus de 2000 plans d'eau depuis 1992. En l'absence de bathymétrie connue pour la grande majorité des lacs du monde, les approches actuellement mises en œuvre (courbes hypsométriques construites de façon automatique, inpainting de modèles numériques de terrain sous la surface en eau) ne permettent d'estimer que des variations relatives de volume, et non un volume absolu ou une capacité de stockage totale. Combler ce manque de bathymétrie représenterait donc une avancée significative pour ce produit ECV (Essential Climate Variable), en particulier à l'approche des les futures missions next-generation, qui démultiplient la couverture spatiale des observations de niveau et d'étendue mais souffre de la même limite bathymétrique.

Le satellite ICESat-2 (NASA, lancé en 2018), équipé de l'instrument lidar photon-comptage à laser vert (532 nm) ATLAS, offre une opportunité originale pour combler ce manque : la longueur d'onde verte pénètre, dans une certaine mesure, la colonne d'eau et permet — dans des conditions de turbidité favorables — de détecter des photons réfléchis par le fond. Cette propriété est déjà exploitée de façon opérationnelle en zone côtière avec le nouveau produit ATL24 (bathymétrie côtière et proche-côtière, publié par la NASA/NSIDC), mais son extension aux rivières et aux lacs continentaux reste un sujet de recherche ouvert, encore peu développé et peu validé à ce jour.

2. Positionnement scientifique

Les principaux produits ICESat-2 mobilisables sont :

Produit	Contenu	Intérêt pour le stage
ATL03	Nuage de photons géolocalisés, résolution le long de la trace ~0,7 m	Donnée brute permettant d'isoler les photons de fond (bathymétrie) et de surface
ATL08	Hauteurs de végétation et de sol	Utile pour filtrer les faux positifs en berge / zone riveraine
ATL13	Hauteur de surface des eaux continentales (lacs, réservoirs, rivières, estuaires), et une estimation grossière de la profondeur au fond « lorsque les données le permettent »	Référence de hauteur de surface, pente longitudinale
ATL24	Bathymétrie le long de la trace, corrigée de la réfraction, avec classification par modèle d'ensemble (apprentissage automatique)	Méthodologie de référence, mais actuellement restreinte au domaine côtier/océanique

Des travaux précurseurs ont déjà exploré des pistes proches de celles de ce stage : calibration de modèles hydrauliques à partir des hauteurs d'eau ICESat-2 pour en déduire un débit sans bathymétrie mesurée in situ (Coppo Frias et al., 2023, Hydrology and Earth System Sciences) ; contrainte du débit par la bathymétrie et la pente extraites d'ICESat-2 (Sneeuw et al., EGU 2022) ; développement d'une couche globale d'indice de réfraction de l'eau pour la correction bathymétrique lidar (Dietrich & Parrish, 2025, Earth and Space Science). Du côté des lacs, les travaux du consortium Lakes_cci (EGU 2023) explorent la construction automatique de courbes hypsométriques et l'inpainting de MNT, mais sans encore mobiliser les photons de fond d'ICESat-2 comme source de bathymétrie directe.

Ce stage se positionne donc à l'intersection de ces approches : il s'agit d'adapter et d'évaluer, sur les rivières et les lacs, une chaîne d'extraction bathymétrique inspirée de la méthodologie ATL24, puis d'en exploiter les résultats pour deux applications hydrologiques concrètes.

3. Objectifs du stage

1. Rivières : Extraire, à partir des photons ATL03, des profils bathymétriques en travers des cours d'eau, les combiner à la pente de la ligne d'eau (ATL13/ATL03) pour alimenter une loi hydraulique (Manning-Strickler ou géométrie hydraulique à la station) et produire une estimation de débit.
2. Lacs : Extraire les points bathymétriques disponibles sur un panel de lacs, construire ou affiner leur courbe hypsométrique (relation surface–hauteur–volume), et la combiner aux séries temporelles de niveau 3 (Altimétrie Radar, Lakes_cci) pour produire une estimation de volume absolu et de ses variations, directement comparable — et potentiellement intégrable — au produit Lake Water Storage Change du Lakes_cci.
3. Évaluer la robustesse et les limites de l'approche (turbidité, largeur des cours d'eau, densité de traces, saisonnalité) sur un panel de sites contrastés, et formuler des recommandations pour un passage à l'échelle globale.

4. Verrous scientifiques et techniques

• Pénétration limitée du signal lidar en eaux turbides, très variable selon les milieux continentaux (contrairement aux eaux côtières généralement plus favorables) ;
• Séparation des photons « fond » des photons de bruit (bruit solaire, végétation riveraine, diffusion multiple), en particulier pour des cours d'eau étroits proches de la résolution le long de la trace ;
• Échantillonnage spatio-temporel contraint (cycle de répétitivité de 91 jours, faible nombre de survols exploitables par objet hydrologique) ;
• Passage d'un profil ponctuel le long de la trace à une bathymétrie ou une courbe hypsométrique représentative de l'ensemble du lac ou du bief  (stratégies d'interpolation, éventuelle complémentarité avec un MNT, des données SAR ou de la bathymétrie satellite optique) ;

5. Résultats attendus / livrables

• Une chaîne de traitement documentée permettant d'extraire des profils bathymétriques ICESat-2 sur rivières et lacs ;
• Des estimations de débit (rivières) et de volume de stockage (lacs) sur le panel de sites retenu, avec évaluation par comparaison à des données de référence ;
• Une analyse des conditions de validité de la méthode (turbidité, largeur, profondeur) et des recommandations pour une application à plus grande échelle ;
• Un rapport de stage et, si les résultats le permettent, une contribution à une conférence ou à un article scientifique.

• Étudiant(e) en M2 ou dernière année d'école d'ingénieur, spécialité télédétection, hydrologie, géosciences, physique appliquée ou traitement du signal/des données environnementales ;
• Maîtrise de Python (numpy, pandas, xarray) et de bibliothèques de traitement géospatial (GDAL/rasterio, geopandas) ;
• Des connaissances en hydraulique/hydrologie et/ou en traitement de données lidar/altimétriques seront appréciées mais ne sont pas indispensables ;
• Goût pour le travail interdisciplinaire (télédétection × hydrologie), autonomie, rigueur et curiosité scientifique.

Enfin si vous êtes force de proposition, et que votre motivation est sans faille, alors n’hésitez plus, et rejoignez-nous !

 

Références indicatives

• Neumann, T. A. et al. (2021). The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 mission: A global geolocated photon product derived from the Advanced Topographic Laser Altimeter System. Remote Sensing of Environment.
• Jasinski, M. F. et al. (2021). ATL13: Inland Water Surface Height, ICESat-2 ATBD, NASA.
• Parrish, C. E. et al. (2019). Validation of ICESat-2 ATLAS Bathymetry and Analysis of ATLAS's Bathymetric Mapping Performance. Remote Sensing.
• Parrish, C., Magruder, L., Perry, J., Swinski, J.P., Holwill, M., Kief, K., Corcoran, F. (2025). ATL24: A New Global ICESat-2 Bathymetric Data Product. US Hydro Conference.
• Dietrich, J. T., & Parrish, C. E. (2025). Development and Analysis of a Global Refractive Index of Water Data Layer for Spaceborne and Airborne Bathymetric Lidar. Earth and Space Science.
• Coppo Frias, M. et al. (2023). River hydraulic modelling with ICESat-2 land and water surface elevation. Hydrology and Earth System Sciences, 27, 1011.
• Sneeuw, N., Wang, B., Bao, J., Ke, S., & Tourian, M. (2022). Constraining river streamflow determination using bathymetry and slope from ICESat-2 satellite altimetry. EGU General Assembly 2022, EGU22-7475.
• ESA Lakes_cci consortium (2023). Towards a Lake Storage Change product: hypsometric curves and DEM inpainting approaches. EGU General Assembly 2023, EGU23-5527.
• Documentation NSIDC / NASA Earthdata — produits ATL03, ATL13, ATL24 (nsidc.org/data, earthdata.nasa.gov).