Techniques de modélisations par télédétection













Utilisation de l'observation spatiale pour l'estimation de l'état hydrique des sols et de la modélisation hydraulique

Modélisation du fonctionnement et observation satellitaire de la végétation sahélienne






















UTILISATION DE L'OBSERVATION SPATIALE POUR L'ESTIMATION DE L'ETAT HYDRIQUE DES SOLS ET DE LA MODELISATION HYDROLOGIQUE

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Objectif : intégrer des données de télédétection pour estimer l'état hydrique des sols en vue de l'assimiler dans un modèle simulant les ressources en eaux superficielles.

Résumé : une bonne modélisation de des bassins versants ne saurait se passer d'une bonne connaissance de l'état hydrique des sols et de son évolution dans le temps. Celui-ci est directement relié au degré de saturation du sol, qui commande de nombreux phénomènes de transferts et d'écoulements. Le sol est découpé en couche superficielle et couche racinaire. L'information sur l'humidité dans la zone superficielle est fournie par la télédétection, tandis que par la thermographie infrarouge, on remonte à la l'évapotranspiration des plantes, donc à l'état hydrique de la zone racinaire. Le présent projet est réalisé par l'Agence Spatiale Européenne. Il se propose précisément une utilisation jumelée de ces deux méthodes en vue d'estimer l'état hydrique de bassins versants, à l'aide de l'observation spatiale, pour assimiler cette donnée fondamentale dans un modèle hydrologique.

Méthode : testée sur le bassin Adour, il a été mis en évidence que la connaissance de l'humidité permettait de réinitialiser le réservoir de surface hydrologique et ainsi, de mieux simuler les débits. Les données satellitaires sont issues du radar d'ERS.1 . On utilise également des données dans le visible et l'infrarouge thermique. On en déduit alors l'évolution de l'état hydrique des bassins versants agricoles sous étude. L'estimation hydrique de l'état du sol par télédétection est obtenue par inversion d'un modèle sol/végétation/atmosphère. Des capteurs en infrarouge thermique mesurent la température de surface. En adjoignant les renseignements météorologiques (vents, humidité de l'air, température de l'air, pluies), on accède à l'état hydrique de la couche racinaire. Après avoir obtenu la température de surface et l'humidité du sol, on peut séparer la transpiration des plantes et l'évaporation du sol. Ceci conduit à une amélioration des bilans. Il a donc été construit le modèle GRHUM. Les différents phénomènes pris en compte sont ainsi modélisés :
· le sol ne reçoit pas toute l'eau, une partie est inévitablement perdue. Le rapport entre les deux quantités dépend directement de la saturation du sol.
· le sol est divisé en deux parties : la couche superficielle est concernée par l 'évaporation, alors que la couche racinaire subit la transpiration de la végétation.
· l'eau de la couche de surface peut s'infiltrer dans la couche en profondeur, selon son degré d'humidité.
· le sol produit globalement un flux d'eau, qui est acheminé vers l'extérieur, avec la pluie qui n'y pénètre pas.
Ainsi bâti, ce modèle pluie - débit simule les humidités des couches de terre et les débits. Le but est donc de le faire assimiler et de tenir compte de l'état hydrique du sol, tel qu'il est issu de l'observation spatiale.


Site :
Le choix géographique a porté sur l'un des 35 bassins versants de Bretagne centrale, utilisés pour l'étalonnage d'ERS.1 et pour tester le modèle hydrologique. Le bassin agricole de Naizin fait 12 km², il reçoit en moyenne 711 mm d'eau de pluie par an, le taux annuel d'évapo- transpiration étant de 330 mm. Les autres bassins seront utilisés ultérieurement pour la validation de la démarche.

Base de données :

DONNEES ERS.1
Les données radar ont été recueillies sur la période janvier 1992 - mars 1994. Seule une partie de ces images a été traitée : ce sont celles de la phase B et celles de la phase C, on en tire notamment les coefficients moyens de rétrodiffusion des 35 bassins.
Phase B : Janvier 1992 - mars 1992           **cycle à 3 jours de répétitivité*
Phase C : Mars 1993 - Déc. 1993               **cycle à 35 jours de répétitivité*
Phase D : Janvier 1994 - mars 1994           **cycle à 3 jours de répétitivité*

DONNEES TERRAIN
Un dispositif a été mis en place pour tester la capacité d 'ERS.1 à estimer l'humidité de surface. On utilise pour cela des mesures de sondes ainsi que des dispositifs de mesures d'humidité du sol. Il a également été utilisé des échantillons de plantes fréquemment rencontrées dans cette zone, pour faire des prélèvements et mesurer l'humidité par gravimétrie. Les données de pluie et de débits ont été quant à elles fournies par Météo - France et le Ministère de l'Environnement.

Exploitation des résultats :
CONFRONTATION AUX OBSERVATIONS SATELLITES
Dans les premiers mois de 1992, le signal radar suit bien les variations d'humidités enregistrées par les sondes (en février, baisse nette de l'humidité du sol, probablement à cause du gel de celui-ci). Dans la phase C, on distingue deux périodes :

Manifestement, la forte densité de végétation altère la fiabilité des observations spatiale de l'état hydrique du sol.

Il est donc indispensable de pallier les déficiences que provoque l'accroissement de la végétation sur les observations satellitaire. Une possibilité est de corriger ces mesures en recueillant les images optiques des satellites NOAA.

CARTOGRAPHIE DE L'ETAT HYDRIQUE DES BASSINS ETUDIES
Etant données les limitations ressenties par l'observation satellite en période été - automne, on ne pourra concevoir d'exploiter les résultats qu'en période de faible végétation. On construit la cartographie d'humidité de la région sous l'hypothèse que la relation d'étalonnage appliquée au bassin de Naizin peut être étendue aux 34 autres bassins adjacents. Les informations proviennent des radars sont les signaux sont transformés en teneurs en eaux superficielles. Pour ce faire, on s'appuie sur un Système d'Information Géographique. Cependant, des incertitudes non négligeables surviennent et il est relativement difficile de vérifier l'exactitude des infos satellites.

RESULTATS CONCRETS DU MODELE HYDOROLOGIQUE
Testée sur Naizin, GRHUM requiert pour son fonctionnement le calage des paramètres. Sur l'année 1992, les débits simulés représentent très bien les débits observés en pratique. Les humidités simulées restent, elles, proches de signaux satellites tant que le couvert végétal est faible.

conclusion: Deux conclusions sont à formuler pour les deux points sur lesquels notre étude a porté.    Pour ce qui est des indications satellites, des données de plus de deux ans ont montré la bonne corrélation entre les signaux et les humidités mesurées, hors période sèche. En période de forte végétation, on peut recourir à la correction des mesures par d'autres valeurs NDVI.
   En ce qui concerne le code sous étude : on cherche à valider GRHUM, conçu à l'origine pour simuler les débits des couches racinaire et superficielle du sol, en intégrant l'état hydrique de ce sol. Les bassins bretons ont servi de terrain d'expérience pour cette démarche. Là encore, la période à faible végétation est très bien simulée. On remarque au passage le bon accord des débits simulés et des observations radar de la région.

Perspectives:
Les résultats obtenus jusqu'à présent dans la simulation de l'état hydrique du sol par télédétection et le modèle sont jugés largement satisfaisants. La télédétection s'avère être un outil utilisable et La continuation du travail consisterait à intégrer les données satellitaires comme entrée du modèle GRHUM. Hors période estivale, la bonne estimation des humidités par le radar, et le bon fonctionnement du modèle sont prometteurs à la vue de la qualité des sorties du code : débits de la couche racinaire et superficielle du sol.

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MODELISATION DU FONCTIONNEMENT ET OBSERVATION SATELLITAIRE DE LA VEGETATION SAHELIENNE

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Résumé : Bien que préalablement validé sur deux régions, ce projet s'attache à confirmer l'efficacité du modèle qui simule, dans une zone du Sahel, l'évolution de la végétation dans le temps, selon les saisons. Pour améliorer la qualité des simulations et les contrôler, on étudie ensuite la possibilité d'incorporer des données satellitaire. Ce sont les données du capteur infra - rouge de NOAA / AVHRR. Elles viendraient s'ajouter aux mesures pluviométriques que le modèle nécessite en entrée. Celles-ci sont recueillies sur le terrain, au Niger, pendant l'expérience HapexSahel (1992). Une fois la simulation optimisée, les résultats vont être utilisés pour faire des calculs de refléctances des paysages et leur évolution saisonnière.

Méthode : L'approche utilisée dans le modèle est basée sur des relations d'optique, permettant notamment de relier les mesures de réflectivités (captées par télédétection) aux modèles décrivant la végétation. Il couvre uniquement les phénomènes se produisant sur la couche prédominante de la végétation, c'est-à-dire, celle qui dépend directement de l'eau qui y accède. Il prend en compte, en outre, les phénomènes d'échange d'eau sol/atmosphère (évaporation dans le sol, transpiration des plantes, la photosynthèse, la respiration et la sénescence).
· Les flux de l'eau dans le sol : dépendent des pluies, des apports souterrains en eau.
· L'évaporation de l'eau du sol : fonction de l'humidité dans la couche superficielle du sol. Cette coche est le siège de 75% des demandes des plantes, d'épaisseur de 30 cm. Les échanges entre différentes couches sont également modélisés. Le sol est considéré comme sableux, faiblement nuancé avec de l'argile.
· La transpiration des plantes et photosynthèse : Il s'agit là de phénomènes extrêmement liés. Pour faire le calcul, on introduit la notion de potentiel foliaire. On affecte au sol le potentiel cs et à la plante le potentiel c1 . c1 permet notamment de tenir compte de la fermeture des stomates, qui diminue la photosynthèse. Dès qu'une déperdition d'eau survient à la suite de la transpiration, la plante le compense par de l'absorption. Ainsi, par un processus itératif, on calcule c1. Les données de base de ce modèle ont donc été recueillies en 1992. Il s'agit principalement de températures, humidités, vents, et rayonnement.

On avait envisagé, dans un deuxième temps de d'utiliser les sorties du code pour faire des calculs de réflectances. En réalité, nous nous aiderons d'autres résultats, issus des modèles de réflectances du sol et de la végétation. Comme déjà démontré dans de nombreuses expériences (notamment dans le projet vu précédemment), la végétation a une influence considérable sur les signaux satellites déterminant, entre autres, l'état hydrique du sol. Le modèle ici considère que la végétation n'est que partiellement recouvrante, de sorte à ne pas trop gêner les enregistrements satellite. On tient compte de la végétation sèche et verte. On procède en assimilant le sol en le découpant en parties optiquement homogènes, et dont on connaît les propriétés. La propriété du sol est déduite en pondérant ces valeurs par les surfaces des différents composants. La méthode utilisée pour calculer les réflectances est la méthode SAIL. Les entrées sont 2 indices reliés à la végétation : le LAI et le LAD. C'est d'ailleurs le modèle STEP qui fournit l'évolution de ces paramètres.

Résultats :
1. Le modèle STEP La pluie tombée entre juin et septembre est assez bien répartie sur les mois d'été. Dès que la période de forte végétation arrive, la couche superficielle du sol voit son humidité augmenter. Le modèle simule la biomasse verte et sèche. Les résultats sont présentés sur la figure ci-après, ils sont jugés satisfaisants.

2. Les réflectances : On recueille les données satellitaires dans une base de données. Par une transformation géométrique, elles sont ramenées à l'échelle de la cartographie. On effectue également une correction sur les sites simulés. Elle consiste à éliminer certaines signaux jugés erronés : · Ceux provenant d'une région couverte par un nuage · Ceux enregistrés d'une zone vue dans des conditions trop mauvaises : zénithal solaire > 60° ou visée > 40°

Les résultats décrivent l'évolution observée et simulée du NDVI en fonction du temps.

Il en ressort une différence sensible entre les signaux observés et les valeurs simulées par le code, notamment à partir du jour julien 250. Il y aurait un écart de 20 jours entre les maxima des deux courbes, celui de la télédétection arriverait en premier. Comme la fiabilité du code est relativement établie, ce résultat suggère que les signaux radar transmettent de mauvais renseignements. En particulier, ils amèneraient à une importante sous-estimation de la biomasse.

Pour interpréter les différences entre les profils simulés et observés, on s'appuiera sur le tracé suivant, donnant la réflectance en fonction du temps, prises sur deux canaux de la région.

On notera principalement les points suivants :

Conclusion : Deux bases de données météorologiques et satellitaires ont servi d'assise pour tester/contrôler le fonctionnement/résultats d'un modèle préalablement validé sur deux régions de l'Hapex-Sahel. Par la suite, un modèle de réflectance est adjoint. Il permet de simuler les réflectances et le suivi de la végétation, en vue de les comparer aux apports télédétection. Le lancement du code STEP conduit à des résultats confirmant sa validité. Par contre, des différences non négligeables surviennent entre les sorties radar et les simulation au niveau des réflectances. Une analyse qualitative grossière conclut à la l'intervention de plusieurs facteurs à la fois : mauvaises corrections atmosphériques et modélisation quelque peu "simpliste" de l'évolution de la végétation, notamment à la fin des pluies. Cependant, et même si on envisage de critiquer le code, on peut considérer qu'il est relativement fiable.

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