Modélisation 3D du transfert radiatif avec polarisation pour l'étude des surfaces terrestres par télédétection
Auteur / Autrice : | Yingjie Wang |
Direction : | Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry, Adrien Deschamps |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Surfaces et interfaces continentales, hydrologie |
Date : | Soutenance le 30/09/2022 |
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 : Centre d'études spatiales de la biosphère (Toulouse ; 2001-....) |
Jury : | Président / Présidente : Stéphane Jacquemoud |
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry, Adrien Deschamps, Abdelaziz Kallel, Zbynĕk Malenovský, Tiangang Yin | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Jacquemoud |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
La connaissance du fonctionnement des surfaces terrestres, comme le bilan énergétique, les cycles du carbone et de l'eau et la dynamique des écosystèmes, est essentielle pour mieux interpréter, prévoir et atténuer l'impact des changements globaux. Elle nécessite d'observer notre Planète à différentes échelles de temps et d'espace que seule la télédétection permet de par sa capacité d'observations radiométriques systématiques et synoptiques. Ces dernières sont transformées en paramètres de surface (e.g., température, biomasse végétale, etc.) utilisés en entrée des modèles de processus (e.g., évapotranspiration) ou bien assimilées dans ces derniers. Comprendre l'interaction du rayonnement dans les surfaces terrestres et l'atmosphère est essentiel à deux niveaux : interpréter le signal de télédétection en tant qu'information sur les surfaces terrestres observées, et modéliser les processus du fonctionnement des surfaces terrestres où le rayonnement intervient. Ceci explique le développement de modèles de transfert radiatif (MTR) qui simulent le bilan radiatif et les mesures de télédétection. Les premiers MTRs 3D datent des années 1980. Ils simulaient uniquement des mécanismes radiatifs assez simples dans des représentations très schématiques des surfaces terrestres (e.g., milieu turbide, primitive géométrique). Depuis, leur précision et leurs performances ont été énormément améliorées pour répondre au besoin croissant d'informations précises sur les surfaces terrestres et aux progrès en instrumentation de télédétection. A ce jour, deux types d'améliorations sont particulièrement nécessaires : 1. Modélisation plus précise et efficace du transfert radiatif (TR) avec réflexion spéculaire de surface, diffusion polarisée et émission atmosphériques, etc. 2. Représentation des surfaces terrestres à différents degrés de réalisme et échelles spatiales. DART est l'un des MTRs 3D les plus précis et les plus complets (dart.omp.eu). Il simule le bilan radiatif et les observations de télédétection des paysages urbains et naturels, avec relief et atmosphère, de l'ultraviolet à l'infrarouge thermique. Sa version initiale de 1992, appelée DART-FT, utilise la méthode des ordonnées discrètes pour le suivi des rayons selon un nombre fini de directions dans une représentation voxélisée du paysage. DART-FT a été validé avec d'autres modèles et des mesures terrain et de télédétection. Cependant, il ne peut simuler les mesures de télédétection avec la précision désormais attendue, du fait de son mode de représentation des paysages, de l'absence de certains mécanismes radiatifs et de l'algorithme de suivi des rayons. Durant cette thèse, en collaboration avec l'équipe DART, j'ai conçu et implanté dans DART le nouveau mode de TR vectoriel DART-Lux qui permet de bénéficier des dernières avancées en infographie. Ainsi, j'ai exprimé le problème du TR en une intégrale multidimensionnelle, résolue avec une méthode Monte Carlo bi-directionnelle très efficace. Cette méthode calcule tout trajet "Source de lumière - Capteur" en combinant un sous-trajet issu des sources de lumière et un sous trajet issu du capteur. La contribution de ces trajets à l'intégrale est estimée par l'échantillonnage préférentiel multiple. Il en résulte une simulation précise et efficace des mesures de télédétection polarimétrique de paysages réalistes à l'échelle kilométrique avec une atmosphère "plan-parallèle", et tous les mécanismes physiques majeurs (diffusion anisotrope, émission thermique, fluorescence chlorophyllienne induite par le soleil, etc.). DART-Lux améliore l'efficacité informatique (i.e., temps de calcul, volume mémoire) de DART-FT d'un facteur souvent supérieur à 100 pour de grands paysages 3D complexes. Il ouvre de nouvelles perspectives pour modéliser le fonctionnement des surfaces terrestres, et pour préparer des missions satellitaires d'observation de la Terre comme les missions TRISHNA (CNES et ISRO), LSTM et Sentinel-2 nouvelle génération (ESA), et CHANGE (NASA).