HYDROSPHÈRE Apports de la télédétection

Hydrosphère: la partie de la Terre occupée par l’eau 74% de la surface terrestre c’est de l’eau dont: 97% sont des océans salins 97% sont des océans salins 2.2% se trouve dans les calottes glaciaires permanentes 2.2% se trouve dans les calottes glaciaires permanentes 0.02% les eaux douces continentales (ruisseaux, rivières, lacs, réservoirs etc.) 0.02% les eaux douces continentales (ruisseaux, rivières, lacs, réservoirs etc.) Le reste se trouve dans: Le reste se trouve dans: - les aquifères souterrains (0.6%), - dans l’atmosphère sous la forme de la vapeur d’eau (0.001%) Répartition de l’eau sur la Terre

Spectre et Hydrosphère  Le proche UV: cas spécifiques (nappes de pétrole)  Le visible: la seule fenêtre atmosphérique où des informations intéressantes peuvent être obtenues sur un volume d’eau et même dans certains cas sur le fond (capacité de pénétration);  Infrarouge réfléchi: intérêt pour la caractérisation de la végétation aquatique flottante ou émergeante car la pénétration se limite à quelques cm; différencier les plans d’eau des terres  Infrarouge thermique: température de l’eau; résurgences-courants; détection des panaches d’eau chaude; un certain potentiel pour l’humidité des sols  Micro-ondes mode passif: température de l’eau; potentiel pour l’humidité des sols, salinité de l’eau  Micro-ondes mode actif: topographie des océans et indirectement du fond; vents; détection des nappes de pétrole

Partie optique du spectre: Rayonnement solaire

La luminance au capteur, (L t ), est la somme des luminances dus à: L p = réflexion atmosphérique L s = réflexion de surface L v = réflexion volumique L b = réflexion du fond La luminance au capteur, (L t ), est la somme des luminances dus à: L p = réflexion atmosphérique L s = réflexion de surface L v = réflexion volumique L b = réflexion du fond Luminance au capteur (transmission sans pertes par absorption gazeuse et diffusion atmosphérique) (transmission sans pertes par absorption gazeuse)

La réflexion volumique  études de qualité d’eau La luminance volumique est d’intérêt pour nous car la seule à pouvoir transmettre de l’information sur les composants de l’eau. Elle est fonction des propriétés optiques (absorption, diffusion) de l’eau pure (w), des matières minérales en suspension (MS), de la chlorophylle a (Chl) ainsi que des matières organiques dissoutes (MOD) : L v  f [w , MS , Chl , MOD  ]. La luminance volumique est d’intérêt pour nous car la seule à pouvoir transmettre de l’information sur les composants de l’eau. Elle est fonction des propriétés optiques (absorption, diffusion) de l’eau pure (w), des matières minérales en suspension (MS), de la chlorophylle a (Chl) ainsi que des matières organiques dissoutes (MOD) : L v  f [w , MS , Chl , MOD  ].

Propriétés optiques de l’eau pure: atténuation du rayonnement solaire dans un volume d’eau par absorption et diffusion

Mesures spectro-radiométriques in situ d’une eau claire avec différentes concentrations des sédiments en suspension argileux ou silteux: Le pic de réflectance se déplace vers les longues longueurs d’onde comme les concentrations deviennent fortes. Mesures spectro-radiométriques in situ d’une eau claire avec différentes concentrations des sédiments en suspension argileux ou silteux: Le pic de réflectance se déplace vers les longues longueurs d’onde comme les concentrations deviennent fortes. argileargile siltsilt Impact des sédiments en suspension

Impact de la chlorophylle/algues Marée rouge pyrophytes (dinoflagellés) Percent Reflectance Chlorophylle a: Forte absorption entre 400 et 500 nm et aux alentours de 675 nm Réflectance d’eau chargée d’algues selon diverses concentrations des sédiments en suspension (entre 0 et 500 mg/l)

Impact des matières organiques dissoutes

Influence du fond Transmission du rayonnement solaire dans un volume d’eau Simulation des signatures spectrales d’une eau côtière à deux profondeurs (1 et 2 m) avec différents types de fond et différents teneurs en chlorophylle, matières minérales et matières organiques dissoutes (chlorophylle en mg/m 3 ; matières en suspension et organiques en gr/m 3 ); C1 : chl. 2.0; min. 2.0, org. 0.75/ C2: chl. 5.0; min. 5.0; org. 1.5/ C3 : chl.10.00; min10.00; org. 3.00

Capacité de pénétration dans l’eau: exemples Image TM août 1989 TM1(bleu): bleu TM2(vert): vert TM3(rouge): rouge

1. Capacité de pénétration dans l’eau: exemples TM1 TM2 TM3

Capacité de pénétration dans l’eau: exemples Image ASTER Juin 2001 VISNIR1 (vert): bleu VISNIR2 (rouge): vert VISNIR3(PIR): rouge

Capacité de pénétration dans l’eau: exemples VISNIR1 VISNIR3 VISNIR2

Sédiments en suspension – herbiers aquatiques (Richelieu)

Influence de la réflexion de surface: peu variable selon la longueur d’onde Réflexion spéculaire du rayonnement du firmament faible  modélisable (équations de Fresnel) Réflexion spéculaire du rayonnement solaire direct dépendant de la force/direction du vent de la position du soleil et du capteur  modélisable (probabiliste) Vagues capillaires

Modélisation et inversion: exemple chlorophylle dans les eaux CASE 1  faible concentration de sédiments (océans) Chlorophylle a  élément utilisé comme proxi « raisonable » du composant organique dans les eaux naturelles complexes Inférence le plus par une équation du type : L( 1 ), L( 2 ) x, y constantes empiriques et L( 1 ), L( 2 ) sont les luminances volumiques dans certaines bandes spectrales

Exemples des modèles empiriques

Chlorophylle a (g/m 3 ) estimée à partir d’images du satellite SeaWiFS (moyenne trimestrielle) Une journée spécifique

Cartographie à grande échelle  hyperspectral

LiDAR  bathymétrie (souvent en combinaison avec le Sonar)

Infrarouge thermique

Worldwide Sea-surface Temperature (SST) Map Derived From NOAA-14 AVHRR Data Worldwide Sea-surface Temperature (SST) Map Derived From NOAA-14 AVHRR Data Three-day composite of thermal infrared data centered on March 4, Each pixel was allocated the highest surface temperature that occurred during the three days.

Reynolds Monthly Sea-surface Temperature (˚C) Maps Derived from In situ Buoy and Remotely Sensed Data Reynolds Monthly Sea-surface Temperature (˚C) Maps Derived from In situ Buoy and Remotely Sensed Data Normal December, 1990 Normal December, 1990 La Nina December, 1988 La Nina December, 1988 El Nino December, 1997 El Nino December, 1997

Grande échelle: Un capteur en infrarouge thermique peut détecter les panaches thermiques à cause de leur contraste thermique avec l’eau environnante. émissaire Baie à protéger Est que le panache thermique peut causer de dommages à la baie? -Mouvement de la marée - Une hausse de la température de l’eau à l’intérieur de la Baie > 1 0 C n’est pas tolérable Marée ascendante Marée basse Marée descendante Marée haute 8:00 h 5:59 h 14:20 h 10:59 h Thermographies prises par le capteur aéroporté DEADALUS en hiver (deux jours consécutives) Centrale thermique

LE RADAR La détection des nappes de pétrole (eaux marines) Le pétrole déversé, empêche la formation des vagues capillaires et crée ainsi une surface lisse pour les ondes radar comparativement à l’eau libre environnante plus agitée et donc plus rétrodiffuse; Conclusion : détection possible sous des conditions des vents particuliers selon l’épaisseur de la nappe: 3-4 m/sec pour les nappes fines, environ 10m/sec pour les nappes épaisses; Confusions possibles proche des côtes (zones abritées); Confusions aussi entre déversements et « fuites » naturelles du pétrole des fonds marins exemples

Image SAR ERS-1 d’un champ pétrolifère en Mer du Nord acquise en juillet Les spots brillants représentent les plates-formes et les bateaux; les traits sombres possiblement des nappes de pétrole Différents patrons observés des nappes de pétrole sur des images ERS

RADARSAT-1 (les couleurs sont artificielles…pseudo-couleurs) Image acquise quelques jours après qu’un super- tanker ait échoué sur les côtes rocheuses du sud de l’Angleterre (février 1996); près de tonnes de pétrole brute (léger) ont été déversées A… la masse principale restante de la nappe; B… parties de côtes non affectées par la nappe C …courants marins D… la nappe commence à se désagréger E… la ville de Milfort Haven F… la raffinerie; destination du tanker

Image RADARSAT-1

RADARSAT-2 Applications Development at CCRS Improved Ocean Wave Measurement using Dual-Polarization SAR data HH VV CV-580 C-band SAR HH and VV Polarizations Grand Banks of Newfoundland Interlook cross-section of HH image Interlook cross-section of VV image Multiple polarization channels provide varied views of the same ocean wave field, leading to improved ocean wave retrieval.

RADARSAT-2 Applications Development at CCRS Wind Retrieval from Polarimetric SAR Ocean Images

HYDROLOGIE Comprendre les mécanismes des écoulements Fournir des informations pour l’aménagement des rivières et du territoire Protéger les populations contre inondation et sécheresse Gérer le potentiel des ressources en eau

Malaisie Les images RADAR offrent un grand potentiel pour suivre l’évolution des inondations contrairement aux images optiques où la couverture nuageuse obstrue la visibilité de la surface terrestre

Extended High 3 - Dec Extended High 4 - Jan Fine 3 - Jan Région de Machang Région de Kota Baharu Région de Pasir Mas © LBGI/ASC 1999 cliquez Suivi du régime hydrique Les moussons en Malaisie

Régression des inondations durant la mousson Région de Kota Baharu (Malaisie) Régions inondées le 12 décembre 98 Niveau des eaux le 5 janvier 99 © LBGI/ASC 1999

Régression des inondations durant la mousson Région de Pasir Mas (Malaisie) Régions inondées le 12 décembre 98 Niveau des eaux le 5 janvier 99 © LBGI/ASC 1999

Régression des inondations durant la mousson Région de Machang (Malaisie) Régions inondées le 12 décembre 98 Niveau des eaux le 5 janvier 99 Niveau normal des eaux le 8 janvier © LBGI/ASC 1999