Utilisation des techniques de télédétection pour mesurer la topographie des zones intertidales littorales dans le cadre de la mission SWOT

Monitoring the topography of intertidal environments using remote sensing techniques in the framework of SWOT mission

• Auteur / Autrice : Edward Salameh
• Direction : Benoît Laignel, Frédéric Frappart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphodynamique continentale et côtière (Caen ; 1996-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Frappart, Bruno Castelle, Christophe Delacourt, Anne Lifermann, Edward Anthony, Imen Turki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Castelle, Christophe Delacourt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Veys, Baie des (France)

Arcachon, Bassin d' (France)

Zone intertidale

Radars spatiaux

Radar à antenne synthétique

Télédétection en sciences de la Terre

Mots clés libres

Topographie

Intertidale

Télédétection

Radar à synthèse d'ouverture

Multispectrale

Altimétrie satellitaire

Swot

Arcachon

Baie des Veys

Topography

Intertidal

Remote sensing

Synthetic aperture radar

Multispectral

Satellite radar altimetry

Swot

Arcachon

Veys Bay

Résumé

En lien avec les activités humaines et l’élévation du niveau de la mer dans le cadre du changement climatique, les zones intertidales sont soumises à de fortes pressions. La topographie de ces environnements est ainsi en évolution permanente. Le suivi de la topographie est fondamental pour la modélisation hydrodynamique et morphodynamique des systèmes côtiers. Ce suivi fait face à des importantes difficultés, surtout sur le plan logistique, vu la localisation des zones intertidales entre les limites des plus hautes et des plus basses marées. La télédétection spatiale est une des meilleures approches pour assurer des mesures topographiques intertidales à jour dans l’espace et dans le temps. Cette thèse porte ainsi sur l’utilisation de la télédétection spatiale pour le suivi de la topographie des zones intertidales par des capteurs radar (altimétrie et Radar àSynthèse d’Ouverture (RSO)) et multispectrales. L’objectif principal est d’explorer, de développer ou d’améliorer des méthodes dédiées à la cartographie de la topographie intertidale, et d’étudier également la capacité de la future mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography; première mission altimétrique à fournir des élévations au sein d’une fauchée au moyen de la technique d’interférométrie SAR (RSO)) à cartographier la topographie de ces zones. Les méthodologies développées et utilisées dans cette thèse ont été appliquées à deux baies intertidales situées sur la façade Atlantique de la côte française : Le Bassin d’Arcachon et la Baie des Veys. Nous avons d’abord montré que les améliorations techniques des nouvelles missionssatellitaires permettaient, pour la première fois, à l’altimétrie satellitaire de fournir des profils topographiques intertidaux le long des traces des altimètres. Deuxièmement, nous avons introduit une approche améliorée de la méthode de la ligne d’eau (méthode la plus courante pour la cartographie de la topographie intertidale) qui sert à générer des Modèles Numériques d’Élévation (MNEs) intertidaux à l’aide des images satellitaires (RSO et multispectrales). Grâce à cette nouvelle approche, la détection des lignes d’eau et leurs post-traitements sont maintenant plus rapides, plus efficaces et quasi-automatiques. Nous avons également mis en évidence la capacité de SWOT à générer des MNEs intertidaux précis en utilisant la méthode de la ligne d’eau. Les méthodologies développées et utilisées au cours de cette thèse sont capables de mesurer régulièrement latopographie dans les zones intertidales et permettre la détection des changements topographiques dans ces environnements et proposer des bilans morpho-sédimentaires. Ainsi, les deux zones intertidales étudiées sont en érosion sur la période de 2016 à 2018 avec des pertes en volume de 1,12 × 106 m3 et 0,70 × 106 m3 pour le bassin d’Arcachon et la baie des Veys respectivement. Ces informations sont utiles et nécessaires pour plusieurs applications scientifiques (par exemple, le bilan sédimentaire, la modélisation hydrodynamique), mais aussi pour les autorités et les acteurs du littoral dans le but de la mise en oeuvre des politiques d’utilisation et de protection de ces environnements.

Intertidal flats provide essential services including protection against storm surges and coastal flooding.These environments are characterized by a continuous redistribution of sediments and topographic changes.They are under increasing pressure due to anthropogenic activities and sea level rise. The continuous monitoring of their topography is fundamental for hydrodynamic and morphodynamic modeling of coastal systems. Intertidal flats are among the most logistically challenging coastal landforms for ground-based and airborne-based topography monitoring. Spaceborne-based monitoring is the only viable and the mostcost-effective approach capable of providing regularly intertidal topography maps. Recent developments in radar (altimetry and Synthetic Aperture Radar (SAR)) and optical technologies, bring new types of data and enhanced capacities for monitoring intertidal environments. This PhD dissertation investigates the use of spaceborne-based methods for monitoring the topography in intertidal areas using radar altimetry, SAR, and multispectral satellite observations. The main objective is to explore, develop, or enhance methods dedicated for intertidal topography mapping. Being a part of the preparation phase of the future SWOT (Surface Water and Ocean Topography) radar altimetry mission, first mission to operate in wide-swath SAR interferometrymode, this PhD dissertation also investigates the capability of SWOT to map intertidal topography. Methodologies developed or/and used in this thesis were applied to two intertidal environments located on the French Coast: The Arcachon Bay and the Bay of Veys. We showed, for the first time, that recent advancements in technologies enabled satellite radar altimetry to extract intertidal topography profiles along the altimeters ground tracks. Second, we introduced an improved and quasi-automatic approach for the use of the waterline method (most common method for intertidal topography mapping) to derive intertidalDigital Elevation Models (DEMs). The changes include faster, more efficient and quasi-automatic detection and post-processing of waterlines. We also brought to light the ability of SWOT to generate highly accurate intertidal DEMs using the waterline method. The methodologies used here allow the generation of intertidal topography measurements regularly, that with careful usage, can be used for detecting topographic changes in intertidal environments. We showed that the two study areas eroded during 2016-2018, losing 1,12 × 106 m3 and 0,70 × 106 m3 for the Arcachon Bay and the Bay of Veys respectively. Updated DEMs provide useful and needed information for several scientific applications (e.g., sediment balance, hydrodynamic modelling), but also for authorities and stakeholders for coastal management and implementation of ecosystem protectionpolicies.