Développement d'un modèle physique pour la réponse radar cohérente et polarimétrique de la végétation sahélienne, application à l'estimation de paramètres biophysiques PDF Download
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Un modèle cohérent de diffusion est développé en aide à la compréhension de la réponse radar de la végétation sahélienne. Cette végétation est principalement composée de ligneux et des herbacées annuelles. Dans ce modèle, le générateur de la végétation prend en compte la morphologie des ligneux et des herbacées. Le houppier des ligneux est très irrégulier mais il peut être représenté comme contenu dans un volume cylindrique ou ellipsoïdal dépendant de la forme du ligneux. C'est ainsi, que l'onde électromagnétique n'est atténuée que lorsque celle-ci traverse le volume. Par ailleurs, le générateur représente les herbacées comme un ensemble de tiges cylindriques et de feuilles en forme de lames à section transversale en " V ". La statistique du coefficient de rétrodiffusion est obtenue à partir d'une simulation Monte Carlo sur plusieurs réalisations. La précision des simulations est vérifiée en comparant avec des données satellite en bande C et polarisation HH. Les simulations sont, dans la plupart de cas, proches aux mesures. Après avoir vérifié la précision du modèle, celui-ci est implémenté dans un algorithme d'inversion de paramètres végétaux. Afin de réduire le temps de calcul du modèle cohérent, nous construisons un modèle simplifié basé sur les droits de régression linéaires des résultats issus du modèle direct. Les paramètres sensibles de la végétation sahélienne sont l'humidité du sol, la densité des herbacées et l'humidité des herbacées. L'estimation de ces trois paramètres montre un bon accord avec les données terrain lorsqu'on utilise les mesures en bande C et polarisation HH.
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Un modèle cohérent de diffusion est développé en aide à la compréhension de la réponse radar de la végétation sahélienne. Cette végétation est principalement composée de ligneux et des herbacées annuelles. Dans ce modèle, le générateur de la végétation prend en compte la morphologie des ligneux et des herbacées. Le houppier des ligneux est très irrégulier mais il peut être représenté comme contenu dans un volume cylindrique ou ellipsoïdal dépendant de la forme du ligneux. C'est ainsi, que l'onde électromagnétique n'est atténuée que lorsque celle-ci traverse le volume. Par ailleurs, le générateur représente les herbacées comme un ensemble de tiges cylindriques et de feuilles en forme de lames à section transversale en " V ". La statistique du coefficient de rétrodiffusion est obtenue à partir d'une simulation Monte Carlo sur plusieurs réalisations. La précision des simulations est vérifiée en comparant avec des données satellite en bande C et polarisation HH. Les simulations sont, dans la plupart de cas, proches aux mesures. Après avoir vérifié la précision du modèle, celui-ci est implémenté dans un algorithme d'inversion de paramètres végétaux. Afin de réduire le temps de calcul du modèle cohérent, nous construisons un modèle simplifié basé sur les droits de régression linéaires des résultats issus du modèle direct. Les paramètres sensibles de la végétation sahélienne sont l'humidité du sol, la densité des herbacées et l'humidité des herbacées. L'estimation de ces trois paramètres montre un bon accord avec les données terrain lorsqu'on utilise les mesures en bande C et polarisation HH.
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Un mod le coh rent de diffusion est d velopp en aide la compr hension de la r ponse radar de la v g tation sah lienne. Cette v g tation est principalement compos e de ligneux et des herbac es annuelles. Le g n rateur de la v g tation prend en compte la morphologie des ligneux et des herbac es. Le houppier des ligneux est repr sent comme contenu dans un volume cylindrique ou ellipso dal d pendant de la forme du ligneux. Par ailleurs, le g n rateur repr sente les herbac es comme un ensemble de tiges cylindriques et de feuilles en forme de lames section transversale en "V." La statistique du coefficient de r trodiffusion est obtenue partir d'une simulation Monte Carlo sur plusieurs r alisations. La pr cision des simulations est v rifi e en comparant avec des donn es satellite en bande C et polarisation HH. Les simulations sont proches aux mesures. C'est ainsi que le mod le a t introduit dans un algorithme d'inversion de param tres v g taux. Les param tres sensibles de cette v g tation sont l'humidit du sol, la densit des herbac es et l'humidit des herbac es. L'estimation de ces trois param tres montre un bon accord avec les donn es terrain.
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Les travaux de thèse s'inscrivent au sein du chantier Sud-Ouest, dont le principal objectif est de contribuer à la compréhension et à la modélisation du fonctionnement des surfaces continentales à l'échelle du paysage. Ces travaux visent à améliorer les capacités de suivi et d'analyses de surfaces fortement anthropisées : les agrosystèmes. A la fois acteurs et spectateurs vis-à-vis du changement climatique, ces surfaces sont également dédiées à la production alimentaire. La problématique vise donc à concilier durabilité des ressources et niveau de production suffisant, en identifiant des outils comme la télédétection utiles à la prise de décision à des échelles allant de la parcelle au territoire. Dans ce contexte, les radars à synthèse d'ouverture (RSO) embarqués au sein de satellites, présentent le double avantage d'être sensibles à différents paramètres des surfaces continentales (en lien avec le sol, ou la végétation), et la capacité d'observation par condition nuageuse (à l'inverse des capteurs opérant dans le visible). Depuis les années 90, différentes études basées sur des images acquises avec la technologie RSO ont montré l'intérêt des données micro-ondes pour le suivi des surfaces continentales. Ces dernières années, l'émergence de missions satellites dans les bandes de fréquence X et L vient enrichir les possibilités d'étude autrefois limitées à la seule bande C. Ces couples capteurs-satellites fournissent aujourd'hui des produits à haute résolution spatiale (allant jusqu'au mètre), avec des possibilités de revisite hebdomadaire, critères nécessaires pour le suivi des zones hétérogènes, associées à de fortes dynamiques temporelles. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse visent à établir la complémentarité entre les données radars (TerraSAR-X, Radarsat-2 et Alos, dans les bandes spectrales X, C et L) et optiques (Formosat-2, Spot-4/5) acquises par satellites pour le suivi des agrosytèmes. Ils s'articulent autour de trois axes complémentaires : - Le premier consiste en la mise en oeuvre d'une campagne expérimentale basée sur l'acquisition d'un jeu de données (satellitaire et de terrain), nécessaire au développement de nouvelles approches pour l'analyse du paysage. La zone suivie, caractérisée par une forte anthropisation, est située à 50 km au sud-ouest de Toulouse. Les images satellitaires regroupent trois séries temporelles radar (bandes X, C et L), auxquelles s'ajoutent des acquisitions réalisées dans l'optique (Formosat-2, Spot-4/5). Avec un total d'une centaine d'images acquises dans les hyperfréquences, la zone commune aux différentes scènes couvre une surface de 10×10 km2. Conjointement, les protocoles de mesures de terrain ont permis de considérer de manière indépendante les deux éléments clés de la surface : le sol et la culture. En complément des stations météorologiques installées dans le cadre du chantier, des mesures qualitatives et quantitatives ont été réalisés de manière synchrone avec les acquisitions satellites, sur un total de 387 parcelles. Cinq cultures sont principalement étudiées : blé, colza, tournesol, mais et soja. - Les signatures temporelles de chacune des cultures sont ensuite établies à chaque longueur d'onde d'acquisition satellitaire (optique et radar) à travers une approche originale de normalisation angulaire des signaux radar (combinaison de l'information radar et optique). Les résultats obtenus durant le cycle phénologique des cultures d'hiver (blé et colza) et d'été (maïs, soja et tournesol) montrent clairement la complémentarité des approches multi-capteurs, et la spécificité des signaux radars (en lien avec les états de polarisations et les fréquences considérées). Deux paramètres biophysiques relatifs à la végétation sont enfin estimés (LAI et hauteur), les données micro-ondes montrant à la fois une importante sensibilité et de bonnes performances. - La modélisation électromagnétique sur sol nu a tout d'abord permis d'évaluer différents formalismes, à savoir : les modèles de Dubois et d'Oh (1992 et 2004) ayant comme caractéristiques communes une description simplifiée des processus. Ils sont confrontés à un modèle reposant sur des bases physiques, le modèle IEM (Integral Equation Model). L'application des modèles dans les différentes bandes spectrales (X, C et L), montre des résultats très hétérogènes, les meilleures performances étant obtenue en bande X, avec le modèle d'Oh 1992. Par la suite, l'amélioration des modèles tire parti de l'analyse des résidus (vis-à-vis des variables d'entrée), afin de réduire la dispersion observée. Les modèles testés sont optimisés et validés selon une approche de type résidus. Une forte amélioration est observée pour la plupart des modèles. Les résultats mettent en évidence l'intérêt des données multi-capteurs pour le suivi des surfaces dédiées à l'agriculture. Dans un futur proche, les missions spatiales telles que Tandem-X, Sentinel-1/-2, Radarsat Constellation ou Alos-2 devraient pérenniser l'accès à ces données, et préciser ainsi les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse.
Author: Sandrine Daniel Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Ce travail porte sur la faisabilité d'estimer l'humidité de différents types de sols agricoles cultivés à l’aide de données SAR polarimétriques acquises en bande L par le radar aéroporté du centre aérospatial allemand, E-SAR. Différents modèles électromagnétiques sont étudiés afin de simuler le comportement de la rétrodiffusion des ondes par les sols nus et recouverts de végétation, et de déterminer l'influence de l'humidité du sol sur la réponse du radar. Par ailleurs, les sols agricoles labourés sont modélisés en utilisant une structure périodique pour la géométrie de la surface afin de comprendre leur comportement électromagnétique particulier. Les méthodes d'inversion classiques sont démontrées non valides pour les sols périodiques. Ainsi, une nouvelle méthode d'inversion de l’humidité basée sur le paramètre polarimétrique alpha 1 est développée et appliquée sur des images radar contenant des sols nus. Différentes cartes d'humidité sont ainsi obtenues. De plus, une méthode basée sur une décomposition temps-fréquence du signal radar permet de détecter ces champs non-stationnaires. Une dernière étude est menée avec des images multi-dates sur des champs recouverts de végétation. Afin de déterminer la faisabilité d'estimer l'humidité de ces sols agricoles, une identification des différents types de végétations est nécessaire. Ainsi, une classification basée sur la méthode des machines à vecteur support et sur l'analyse du comportement des paramètres polarimétriques est développée. Les cartes de végétation résultantes permettent de suivre l'évolution temporelle des cultures.
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Un des buts de la télédétection est de faire des mesures non intrusives d'environnements naturels. Dans le cadre d'une application à la végétation, l'objectif est de retrouver les paramètres biophysiques d'une forêt à partir des mesures. Pour cela il est possible d'utiliser des modèles électromagnétiques pour simuler les paramètres polarimétriques mesurés. Cette étude détaille donc la constitution d'un modèle polarimétrique incohérent de végétation et son utilisation couplée à celle d'un modèle cohérent. Ces modèles s'appuient sur des mesures in-situ de la forêt fournies par l'INRA. Les résultats des simulations sont comparés à des mesures faites en chambre anéchoïque et à des images du capteur SAR polarimétrique RAMSES de l'ONERA acquises en bande P durant la campagne PYLA-2001. Cela pose les jalons de l'étude des relations directes entre les paramètres polarimétriques et les paramètres biophysiques, relations qui doivent ensuite être inversées.
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Les travaux présentés portent sur l'estimation quantitative des précipitations en Afrique de l'Ouest par télédétection active. Il s'agit plus précisément de tester l'apport d'un radar polarimétrique opérant à une fréquence atténuée (10 Ghz, bande X), pour produire des champs de pluie à haute résolution dans une région caractérisée par des précipitations intenses d'origine convective. Le contexte particulier de ces travaux est le programme de validation de la mission satellitaire Megha-Tropiques grâce auquel 2 campagnes de terrain ont permis de déployer un radar polarimétrique bande X au Sahel, au Niger en 2010 puis au Burkina Faso en 2012 et 2013. Un jeu de données radar et pluviographique conséquent, constitué de près de 200 évènements pluvieux a été analysé. Une gamme d'estimateurs radar polarimétriques a été présentée, puis chacun d'eux a été évalué sur la base de comparaisons avec les pluviographes. Une batterie de tests statistiques classiques et l'analyse des distributions fréquentielles d'intensités ont permis de comparer les performances de ces estimateurs. Les performances ont été évaluées sur une gamme d'échelles spatio-temporelles et les problèmes liés à la représentativité spatiale des pluviographes ont été analysés. Au-delà de l'évaluation "ponctuelle" des estimateurs, basée sur des comparaisons directes entre un pluviographe et un pixel radar, on a développé des méthodes originales pour comparer entre eux les champs haute résolution issus du radar et de l'interpolation des pluviographes. En s'inspirant de méthodes héritées de l'évaluation de modèles numériques les structures des champs ont été comparées en autorisant une tolérance spatiale. Ceci permet d'avoir une évaluation pertinente des champs pour des utilisations subséquentes en hydrologie ou pour la validation satellitaire. Ce travail a confirmé et étendu à la zone sahélienne certains des résultats précédents sur les performances de différents estimateurs radar en Afrique de l'Ouest ; il met en avant les très bonnes performances de l'estimation s'appuyant sur le saut de phase différentiel (KDP), et dans une moindre mesure l'estimateur basé sur l'atténuation spécifique (AH). Cette thèse confirme l'intérêt du radar bande X polarimétrique pour l'estimation quantitative des précipitations et l'analyse des systèmes précipitants en zone tropicale. Ce type de radar relativement compact et peu couteux pourrait être appliqué à la surveillance des risques hydrométéorologiques dans les zones urbaines ou le suivi de bassins particuliers (zone équipée de barrage ou haut de bassin montagneux par exemple).
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Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'amélioration de la caractérisation de l'occupation du sol à partir d'observations de télédétection de natures très différentes : le radar polarimétrique et les images optiques multispectrales. Le radar polarimétrique permet la détermination de mécanismes de rétrodiffusion provenant de théorèmes de décomposition de l'information polarimétrique utiles à la classification des types d'occupation du sol. Cependant ces décompositions sont peu compréhensibles lorsque que plu- sieurs classes thématiques co-existent dans des proportions très variables au sein des cellules de résolution radar. Le problème est d'autant plus important que le speckle inhérent à l'imagerie radar nécessite l'estimation de ces paramètres sur des voisinages locaux. Nous nous interrogeons alors sur la capacité des données optiques multispectrales sensiblement plus résolues spatialement que le radar polarimétrique à améliorer la compréhension des mécanismes radar. Pour répondre à cette question, nous mettons en place une méthode de démélange des images radar polarimétrique par séparation thématique de sources. L'image optique peut être considérée comme un paramètre de réglage du radar fournissant une vue du mélange. L'idée générale est donc de commencer par un démélange thématique (décomposer l'information radar sur les types d'occupation du sol) avant de réaliser les décompositions polarimétriques (identifier des mécanismes de rétrodiffusion).Dans ce travail nous proposons d'utiliser un modèle linéaire et présentons un algorithme pour réaliser le démélange thématique. Nous déterminons ensuite la capacité de l'algorithme de démé- lange à reconstruire le signal radar observé. Enfin nous évaluons si l'information radar démélangée contient de l'information thématique pertinente. Cette évaluation est réalisée sur des données simulées que nous avons générées et sur des données Radarsat-2 complètement polarimétriques pour un cas d'application de mélange sol nu/forêt. Les résultats montrent que, malgré le speckle, la reconstruction est valable. Il est toujours possible d'estimer localement des bases thématiques permettant de décomposer l'information radar polarimétrique puis de reconstruire le signal observé. Cet algorithme de démélange permet aussi d'assimiler de l'information portée par les images optiques. L'évaluation de la pertinence thématique des bases de la décomposition est plus problématique. Les expériences sur des données simulées montrent que celles-ci représentent bien l'information thématique souhaitée, mais que cette bonne estimation est dépendante de la nature des types thématiques et de leurs proportions de mélange. Cette méthode nécessite donc des études complémentaires sur l'utilisation de méthodes d'estimation plus robustes aux statistiques des images radar. Son application à des images radar de longueur d'onde plus longue pourrait permettre, par exemple, une meilleure estimation du volume de végétation dans le contexte de forêts ouvertes.
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L'objectif de ce travail de thèse a été dévaluer le potentiel de la technique PollnSAR pour l'extraction des paramètres physiques de la forêt et la transposition de ce type d'analyse aux conditions spatiales. Des travaux antérieurs ont montré que cette technique était efficace pour l'estimation de la hauteur des arbres, qui peut être reliée à la biomasse aérienne par une relation allométrique, à partir de données acquises en bande L. La première partie de ces travaux a porté sur le développement de procédures d'inversions aux fréquences extrêmes du spectre généralement utilisé pour l'étude des surfaces naturelles, la bande X et la bande P, dans le contexte de données acquises par le système aéroporté RAMSES sur des forêts de pins. Ensuite, l'influence des paramètres système qui déffèrent le plus de l'aéroporté au satellitaire, la résolution et le rapport Signal à Bruit, est quantifiée sur la robustesse et la précision de l'inversion en bandes X, L et P afin d'en déterminer les limitations en conditions spatiales.
Author: Alejandro Monsivais Huertero
Author: Alejandro Monsivais Huertero
Author: Alejandro Monsivais-Huertero
Author: Rémy Fieuzal
Author: Sandrine Daniel
Author: Cyril Dahon
Author: Modeste Huberson Ahiba Kacou
Author: Sébastien Giordano
Author: Franck Garestier