Etude de la rétrodiffusion altimétrique pour la caractérisation des surfaces et de l'humidité des sols en Afrique de l'Ouest

Study of the altimetry backscattering coefficient for the characterization of surfaces and soil moisture over west africa

• Auteur / Autrice : Christophe Fatras
• Direction : Frédéric Frappart, Eric Mougin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique et télédétection spatiale
• Date : Soutenance le 09/07/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse - ONERA - The French Aerospace Lab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Afrique occidentale

Hydrologie

Humidité du sol

Radioaltimètres

Mots clés libres

Radar

Altimétrie

Humidité du sol

Afrique de l'Ouest

Sols

SWOT

Satellite

Modélisation

Radar

Altimetry

Soil moisture

West Africa

Soils

SWOT

Satellite

Modelization

Résumé

Le satellite altimétrique interférométrique SWOT, dont le lancement est prévu pour 2020, devrait pour la première fois permettre une couverture globale en quelques jours d'un radar proche-nadir en utilisant la bande de fréquence Ka. Or, l'utilisation d'une telle bande de fréquence est encore mal documentée pour l'hydrologie continentale. En particulier, le contraste du coefficient de rétrodiffusion sur les sols et sur les surfaces en eau pour des angles de visée nadir et proche nadir est une problématique majeure. C'est ce qui fait l'objet de ces travaux de thèse. Dans un premier temps, l'étude de la variation des coefficients de rétrodiffusion en provenance d'altimètres en bandes C et Ku et de diffusiomètres utilisant les mêmes bandes de fréquence sur l'Afrique de l'Ouest a montré qu'il existe un lien quantifiable entre l'humidité du sol et le coefficient de rétrodiffusion. En région semi-aride ce lien se manifeste via une hausse des coefficients de rétrodiffusions durant la saison humide par rapport à la saison sèche. L'analyse avec des données annexes d'humidité du sol et de précipitations a pu également montrer que le radar nadir détecte plus précisément les changements d'humidité du sol par rapport à la diffusiométrie radar à visée latérale. Dans le but de mieux comprendre la rétrodiffusion en bande Ka, très peu documentée, deux campagnes de mesures radar ont été réalisées, l'une sur des surfaces en eau à rugosité contrôlée, l'autre sur un terrain contrôlé en rugosité et humidité du sol. En parallèle, un programme de simulation de la rétrodiffusion altimétrique a été développé pour pouvoir analyser les effets d'un faible nombre de variables sur des sols réalistes, dans le but de simuler les variations du coefficient de rétrodiffusion. Ces mesures et ces simulations ont ensuite pu être comparées aux séries temporelles issues du satellite altimétrique AltiKa, fonctionnant en bande Ka et lancé en février 2013, sur différents sites représentatifs des régions bio-climatiques d'Afrique de l'Ouest. Il en ressort que la bande Ka présente une forte sensibilité aux changements d'humidité du sol. Il est également montré que les coefficients de rétrodiffusion en provenance d'AltiKa sur les sols et sur l'eau peuvent être similaires au nadir.

The radar altimetry interferometry satellite SWOT, which is to be launched in 2020, should provide for the first time a global coverage of a close-to-nadir radar altimeter in a few days using the Ka-band. Yet, the use of such a frequency band for continental hydrology is still poorly documented. In particular, the contrast of the backscattering coefficient over soils and over water bodies for nadir and close-to-nadir angles is a major issue. This is the reason for this work. First, the study of the backscattering coefficients from C- and Ku- band altimeters and scatterometers over West Africa has shown that there is a link between the surface soil moistureand the backscattering coefficient. In semi-arid regions, this link is seen through a rise of the backscattering coefficients during the rainy season compared to the dry season. The analysis with ancillary data such as the surface soil moisture and the precipitation estimations has also shown that nadir-looking radars detect more precisely the changes in surface soil moisture compared to side-looking radars. Still with the purpose to better understand the Ka-band surface scattering, poorly documented, two measurement campaigns were led, on the one hand over water surface with controlled roughness, on the other hand over bare soils with monitored roughness and surface soil moisture. In parallel, an altimetry backscattering simulation program has been developed to analyze the effect of a low number of variables on realistic grounds, with the aim of simulating the backscattering coefficient variations. These measurements and simulations were then compared with time series from the satellite altimeter AltiKa, which has been launched in 2013 and works at Ka-band, over different sites representaing the bioclimatic areas of West Africa. It led to a high sensitivity of the Ka-band to changes in the surface soil moisture. It has also been shown that backscattering coefficients at nadir-looking angle from AltiKa over grounds and over water bodies can be similar.