HYDROSPHÈREApports 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• 2.2% se trouve dans les calottes glaciaires permanentes• 0.02% les eaux douces continentales (ruisseaux, rivières, lacs, réservoirs etc.) • 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, (Lt), est la somme des luminances dus à:

Lp = réflexion atmosphérique

Ls = réflexion de surface

Lv = réflexion volumique

Lb = réflexion du fond

La luminance au capteur, (Lt), est la somme des luminances dus à:

Lp = réflexion atmosphérique

Ls = réflexion de surface

Lv = réflexion volumique

Lb = 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) :

Lv ( )=l f [w( )l , MS( )l , Chl( )l , MOD( )l ].

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) :

Lv ( )=l f [w( )l , MS( )l , Chl( )l , MOD( )l ].

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

siltsilt400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Wavelength (nm)

Perc

ent R

efle

ctan

ce

50

100

150 200

250

clear water

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 9000

Wavelength (nm)

2

4

6

8

10

12

14

Perc

ent R

efle

ctan

ce

300

1,000 mg/l

1,000 mg/l

600

clear water

50

100

150

200 250 300 350

400

450 500 550

a.

b.

Clayey soil

Silty soil

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 9000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Wavelength (nm)

Perc

ent R

efle

ctan

ce

50

100

150 200

250

clear water

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 9000

Wavelength (nm)

2

4

6

8

10

12

14

Perc

ent R

efle

ctan

ce

300

1,000 mg/l

1,000 mg/l

600

clear water

50

100

150

200 250 300 350

400

450 500 550

a.

b.

Clayey soil

Silty soil

Impact des sédiments en suspension

Impact de la chlorophylle/algues

Marée rouge pyrophytes (dinoflagellés)

400 500 600 700 800 9000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Wavelength (nm)

Perc

ent R

efle

ctan

ce

clear water

5

10

15

20

25

Perc

ent R

efle

ctan

ce

a.

algae-laden water

400 500 600 700 800 9000

Wavelength (nm)

b.

500 mg/l

0 mg/l

Algae-Laden Water with Various Suspended Sediment Concentrations

Perc

ent

Ref

lect

ance

Perc

ent

Ref

lect

ance

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

Longueur d'onde (m)

Den

sité

op

tiq

ue

Tra

nsm

itta

nce

(%

)

Distillée

Océanique

Côtière

de Baie

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/m3; matières en suspension et organiques en gr/m3); 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

TM2TM3

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 :

y

L

LxChl

2

1

x, y constantes empiriques et L(l1), L(l2) sont les luminances volumiques dans certaines bandes spectrales

Exemples des modèles empiriques

Chlorophylle a (g/m3) 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, 1999. Each pixel was allocated the highest surface temperature that occurred during the three days.

Three-day composite of thermal infrared data centered on March 4, 1999. 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 > 10 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 RADARLa 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 1994. 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 65000-70000 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 CCRSImproved Ocean Wave Measurement using

Dual-Polarization SAR dataHH VV

CV-580 C-band SARHH 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 CCRSWind 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

MalaisieLes 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 29 1998

Extended High 4 - Jan 05 99

Fine 3 - Jan 08 99

1

2

3

1

2

3

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 moussonRégion de Kota Baharu (Malaisie)

1998-12-29

1999-01-05

Régions inondées le 12 décembre 98

Niveau deseaux le 5 janvier 99

© LBGI/ASC 1999

Régression des inondations durant la moussonRégion de Pasir Mas (Malaisie)

1998-12-29

1999-01-05

Régions inondées le 12 décembre 98

Niveau deseaux le 5 janvier 99

© LBGI/ASC 1999

Régression des inondations durant la mousson

Région de Machang (Malaisie)Régions inondées le 12 décembre 98

Niveau deseaux le 5 janvier 99

Niveau normal deseaux le 8 janvier 99

1998-12-29

1999-01-05

1999-01-08 © LBGI/ASC 1999