Utilisation des données hyperspectrales du capteur IASI pour la restitution des paramètres thermo-optiques des surfaces terrestres PDF Download

Author: Nicolas Albalat
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Author: Anaïs Vincensini
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Le sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge), développé conjointement par le CNES et EUMETSAT à bord du satellite européen Metop, permet, entre autres, le sondage de la température, de l'humidité ainsi que la restitution de paramètres de surface. Bien que l'on tire le meilleur parti de ces données sur la mer, leur utilisation est encore limitée au-dessus des terres dans le contexte de la prévision numérique du temps, à cause de l'incertitude plus grande sur l'émissivité et la température de surface (Ts). Ces erreurs se répercutent sur la qualité des simulations de transfert radiatif et empêche l'utilisation de ces mesures dans les modèles de prévision numérique du temps. Seuls les canaux non sensibles à la surface terrestre sont assimilés de façon opérationnelle, limitant ainsi le potentiel de sondage aux couches atmosphériques les plus élevées. Cette thèse a pour but l'amélioration de la description des paramètres de surface dans le modèle global ARPEGE de Météo-France en vue de l'assimilation des données du sondeur IASI sur les continents. Nous avons d'abord cherché à améliorer la modélisation de la surface (émissivité et Ts) sur les continents dans le modèle ARPEGE. Pour cela, différents atlas d'émissivité ont été intégrés dans ce modèle : l'un a été calculé à partir des données MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) par l'Université du Wisconsin et le second a été construit à partir des produits IASI de niveau 2 (L2) développés par EUMETSAT. La Ts a ensuite été restituée à partir de canaux de surface IASI en profitant d'une meilleure connaissance de l'émissivité de surface donnée par ces atlas. Ces Ts ont été évaluées par comparaison avec les produits MODIS de la NASA et les produits IASI L2 d'EUMETSAT. Ces comparaisons nous ont permis de sélectionner une combinaison de canaux qui fournit les meilleures estimations de Ts. L'utilisation d'une modélisation de surface réaliste a contribué à l'amélioration de la qualité des simulations de transfert radiatif pour les canaux sensibles à la surface. Les radiances IASI sensibles à la surface ont alors pu être assimilées sur les continents dans le modèle ARPEGE en ciel clair et en utilisant la paramétrisation de surface définie précédemment. Les impacts sur la qualité des analyses et des prévisions ont été étudiés. La prise en compte d'une émissivité et d'une Ts précises a permis d'augmenter significativement le nombre d'observations assimilées. Les principales améliorations concernent les prévisions de géopotentiel et de température pour des pressions inférieures à 400~hPa (en dehors des tropiques). Enfin, dans un cadre plus spécifique et climatologique, nous nous sommes intéressés à la validation de l'utilisation des données IASI en Antarctique durant la campagne Concordiasi. Cette étude a permis d'améliorer les profils inversés de température et de vapeur d'eau par comparaison avec les profils provenant du modèle. L'amélioration est particulièrement importante pour la température de surface. Dans ce cadre, les Ts restituées dans cette thèse ont été comparées à Concordia et au Pôle Sud avec des mesures in-situ et se sont révélées particulièrement précises à Concordia.

Author: Olivier Samain
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Pages : 190

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Ce travail porte sur l'amélioration de la restitution de variables biophysiques de surface, tels l'albédo, l'indice foliaire ou la fraction de végétation, en combinant des données satellitaires provenant de différents capteurs optiques à grand champ comme VEGETATION, MERIS, AVHRR, ou POLDER. La fusion multi-capteurs nécessite l'application d'une normalisation spectrale destinée à compenser les réponses spectrales des différents capteurs, dont le principe est validé à l'aide de mesures hyperspectrales aéroportées et des données issues des capteurs MERIS et VEGETATION. Le fusion de jeux de données de résolutions spatiales différentes repose sur l'utilisation d'un filtre de Kalman pour la désagrégation des mesures à basse résolution. Ce dernier permet en outre une fourniture continue dans le temps des variables de surface, à la différence des méthodes classiques de régression qui sont pénalisées par l'absence de données en période nuageuse.

Author: Nicolas Baghdadi
Publisher: ISTE Group
ISBN: 178405156X
Category : Agriculture
Languages : fr
Pages : 366

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Cet ouvrage décrit les principes physiques des techniques fondamentales de la télédétection optique utilisées dans l’observation des surfaces continentales. Premier volume d’une série de six ouvrages, Observation des surfaces continentales par télédétection optique présente les bases des systèmes optiques et lidars : instrumentation, physique de la mesure, méthodes de traitement et d’analyse de données. L’estimation de modèles numériques de terrain à partir d’images optiques et de données lidars est également exposée.

Author: Guillaume Fontanilles
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Languages : fr
Pages : 281

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La compréhension de notre environnement nécessite l'étude de phénomènes radiatifs à l'interface surface - atmosphère. Ces échanges d'énergie sont analysés à différents niveaux d'échelle suivant la résolution spatiale du capteur. Cette thèse traite du domaine spectral infrarouge (3-14pm) et s'intéresse aux milieux urbains caractérisés par une forte variabilité spatiale. L'objectif est de caractériser les propriétés optiques (réflectance et émissivité) et les températures de surface à partir de mesures directionnelles et spectrales. Pour cela, une première étape a consisté à modéliser le signal en décrivant chacune de ses composantes radiatives. Un modèle de transfert radiatif, TITAN, a donc été développé. Ce modèle permet également de quantifier les effets directionnels de chacune des composantes du signal. Il a été validé par intercomparaison avec d'autres codes de transfert radiatifs. La suite des travaux s'est portée sur l'analyse de l'agrégation lors d'un changement d'échelle spatiale afin de relier les paramètres de surface définis localement aux valeurs équivalentes déduites des mesures capteurs. Une analyse phénoménologique du modèle d'agrégation a été réalisée à l'aide de plans d'expérience afin d'étudier l'influence de chaque facteur d'entrée du modèle sur les paramètres équivalents. Enfin, la dernière étape s'est attachée à inverser le modèle d'agrégation, i.e. à désagréger, dans le but de retrouver les paramètres intrinsèques des surfaces à partir de données hyperspectrales multi-angulaires. Du fait de la non linéarité de nos équations d'agrégation, notre méthode de désagrégation est basée sur la méthode des moindres carrés optimisée par l'algorithme de Gauss-Newton. Une analyse de sensibilité a permis de fixer les contraintes et les conditions d'applications de notre méthode, comme par exemple la nécessité de connaître la répartition des surfaces avec une précision de 1m. Ainsi, les résultats de ces travaux pourront être utilisés dans les études des îlots de chaleur urbains pour une meilleure estimation des températures de surface.

Author: François Faijan
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Le sondeur hyperspectral infrarouge IASI, dont le premier modèle vole depuis 2006 sur le satellite défilant météorologique Metop-A, a déjà conduit a des retombées scientifiques très spectaculaires, en prévision météorologie et pour l'étude de la composition atmosphérique et du climat. Les mesures du sondeurs sont toutefois largement sous exploitées en grande partie du a la présence des nuages dans l'atmosphère. Ces derniers interagissent avec le rayonnement incident de façon hautement non-linéaire rendant le traitement de la mesure du sondeur bien plus complexe, voire parfois rédhibitoire pour accéder depuis l'espace aux propriétés des couches atmosphériques situées au-dessus du nuage, mais également en dessous dans le cas de semi-transparence. Cependant, au vue de la quantité d'informations potentielles qu'offre les sondeurs, la communauté scientifique s'intéresse de près a l'exploitation des radiances nuageuse, c'est dans ce cadre que s'inscrivent les travaux de recherche de cette thèse. Nous proposons d'étudier deux schémas nuageux radicalement différents : la clarification nuageuse et un schéma permettant de simuler la radiance nuageuse en utilisant les propriétés optique et microphysique des nuages. La première de ces méthodes, initiée par Smith et al. (1968), permet sous certaines conditions, de faire abstraction du nuage dans le pixel IASI. La méthode est basée sur l'algorithme du logiciel Scenes Heterogenes du CNES. Apres une première étape de validation, les performances de la méthode sont évaluées a travers la quantité d'information indépendante qu'offre la clarification par rapport a une chaine de traitement des radiances nuageuses mise en place au CMS. Les résultats sont favorables à la méthode testée permettant de traiter les couches atmosphériques situées sous le nuage, possédant donc une quantité plus importante. Cependant la clarification repose a la fois sur une hypothèse forte d'homogénéité atmosphérique et ne s'applique qu'à 15% des situations nuageuses. La seconde méthode est une simulation de la radiance nuageuse par des modèles de transfert radiatif rapides utilisant les propriétés optique et microphysique du nuage. Cette méthode présente l'avantage majeur d'utiliser les mêmes profils nuageux que ceux produits par les modèles de prévision numérique, laissant entrevoir l'assimilation de ces profils à partir de la mesure IASI. Cependant, l'utilisation de ces modèles de transfert radiatif rapide dans le cadre d'une assimilation de données n'en est encore qu'à ces prémices, très peu d'études ont été menées sur ce sujet. Nous proposons une étude en trois étapes permettant une utilisation en opérationnel de ces modèles de transfert radiatif. La première étape est une compréhension des modèles et de leur validité en réalisant quelques études de cas s'appuyant sur la campagne de mesures de Lindenberg. Ensuite, dans le cadre de la campagne ConcordIasi, une statistique est réalisée mettant en place des filtrage pour sélectionner uniquement les profils nuageux cohérent avec l'observation IASI. La dernière étape est une application en global, les statistiques révèlent une nette amélioration des écarts a l'ébauche grâce aux filtres, passant de 8K a 2K. Nous proposons tout au long de l'étude une discussion sur les modèles utilises (RTTOV et HISCRTM), leurs points forts et leurs défaillances. Enfin l'ultime étape, permet d'évaluer les performances des profils nuageux issus des modèles de prévision numérique.