Imagerie spectrale satellitaire pour l'observation des émissions anthropiques de gaz atmosphérique à haute résolution spatiale

Satellite spectral imaging for the observation of anthropogenic atmospheric gas emissions at high spatial resolution

• Auteur / Autrice : Nicolas Nesme
• Direction : Pierre-Yves Foucher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe d'accueil doctoral Physique spatiale et instrumentation (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Jury : Président / Présidente : Yannick Deville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Yves Foucher, François-Marie Bréon, Sébastien Payan, Martine De Mazière, Olivier Lezeaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François-Marie Bréon, Sébastien Payan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz à effet de serre

Spectroscopie à haute résolution

Spectres infrarouges

Atmosphère

Télédétection

Mots clés libres

Télédétection

Swir

Atmosphère

Haute résolution

Emission de gaz

Remote sensing

Swir

Gas emission

High resolution

Atmosphere

Résumé

Les émissions anthropiques de gaz à effet de serre, notamment du méthane, sont au cœur d’enjeux énergétiques, sociétaux et environnementaux. L’observation satellite de ces sources ponctuelles a longtemps été limitée par la résolution spatiale des sondeurs atmosphériques. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un contexte satellitaire qui voit l’émergence d’imageurs satellitaires spectraux permettant de résoudre spatialement les points d’émissions. Ces imageurs hyperspectraux ont montré un réel potentiel notamment pour la cartographie de la concentration de panaches de méthane pour des observations aéroportées. En ce sens deux pistes principales d’analyses ont pu être proposée dans la littérature : (i) des méthodes rapides s’appuyant sur l’information spatiale mais qui impliquent une linéarisation de l’expression de la transmission, fonction de la concentration, et donc des biais éventuels de quantification, (ii) des méthodes non linéaires itératives, se basant sur des outils complets de transfert radiatif et couteuses en temps de calcul pour des images contenant un grand nombre de pixels.Au cours de cette thèse, une méthode hybride nommée ISBR-OE (In-Scene Background Radiance – Optimal Estimation) a été élaborée. Elle a été développée pour s’affranchir des biais des méthodes linéaires par une méthode itérative mais en déterminant les composantes radiatives de la scène sans calculs radiatifs couteux en temps. Elle offre de plus l’avantage de maîtriser les incertitudes a posteriori. Elle fournit en premier lieu des concentrations intégrées sur le chemin optique, utilisées ensuite pour estimer le débit de la source. Cette estimation repose sur la quantification de la masse sur une étendue spatiale donnée mais nécessite aussi une information sur la vitesse de déplacement associée à cette masse ou vitesse du vent effectif du panache.En ce sens, l’outil de traitement d’images hyperspectrales CELINE (Characterization of Effluent Leakages in INdustrial Environment) incluant ISBR-OE, a été développé. A partir d’une image en luminance (niveau 1), il permet de restituer une carte de concentrations (niveau 2) et le débit de la source (niveau 4). Cet outil a été appliqué et validé sur des données synthétiques, puis appliqué sur des données réelles aéroportées et satellitaires. Il s’agit en particulier de données aéroportées HySpex acquises lors d’une expérimentation terrain à débit contrôlé en méthane de l’ordre de 75 g/s. Des données aéroportées AVIRIS associées à différentes sources bien documentées en Californie ont également été utilisées. Cet outil a enfin été appliqué sur des données de l’imageur hyperspectral satellitaire PRISMA lancé en 2019 qui, avec une résolution spatiale décamétrique et une résolution spectrale de 10 nm, a ouvert la voie à un suivi régulier et à grande échelle des émissions de méthane. Nous nous sommes penchés plus particulièrement sur une industrie au Turkménistan avec quatre points sources et avons proposé une analyse temporelle entre 2020 et 2021. Sur cette période, nous avons estimé des débits variant entre 350 et 4500 g/s en fonction des points sources et de la période d’acquisition.Nous avons posé les bases d’une analyse multi-temporelle. Elle se base sur l’utilisation conjointe de plusieurs images dans le processus d’inversion dans l’optique d’améliorer la sensibilité de la détection en réduisant l’incertitude sur la connaissance des réflectances de surfaces. Les premiers résultats montrent une amélioration des performances de détection mais le temps de revisite s’est avéré trop long pour améliorer la quantification (au mieux deux acquisitions par mois). L’arrivée récente de nouveaux imageurs satellitaires et les futurs projets de constellations devraient permettre de réduire le temps de revisite hyperspectral. Associés aux sondeurs dont la résolution spatiale tend à décroitre, ces nouveaux produits ouvrent la voie au suivi des sources ponctuelles de méthane sur toute la surface du globe.

Anthropogenic emissions of greenhouse gases, particularly methane, are at the heart of energy, societal and environmental issues. Satellite observation of these point sources has long been limited by the spatial resolution of atmospheric sounders. This thesis work is part of a satellite context that is seeing the emergence of spectral satellite imagers that can spatially resolve emission points. These hyperspectral imagers have shown a real potential for mapping the concentration of methane plumes for airborne observations. In this sense, two main approaches of analysis have been proposed in the literature: (i) fast methods based on spatial information but which imply a linearization of the expression of the transmission, function of the concentration, and thus of the possible biases of quantification, (ii) iterative non-linear methods, based on complete radiative transfer tools and costly in computation time for images containing a large number of pixelsDuring this thesis, a hybrid method named ISBR-OE (In-Scene Background Radiance - Optimal Estimation) was developed. It was developed to overcome the biases of linear methods by using an iterative method but determining the radiative components of the scene without time-consuming radiative calculations. It also offers the advantage of controlling the a posteriori uncertainties. It first provides integrated concentrations on the optical path, which are then used to estimate the source rate. This estimation is based on the quantification of the mass over a given spatial extent but also requires information on the displacement velocity associated with this mass or the effective wind speed of the plume.In this sense, the hyperspectral image processing tool CELINE (Characterization of Effluent Leakages in INdustrial Environment), including ISBR-OE, was developed. From a luminance image (level 1), it allows the retrieval of a concentration map (level 2) and the flow rate of the source (level 4). This tool was applied and validated on synthetic data, then applied on real airborne and satellite data. In particular, this involves HySpex airborne data acquired during a field experiment with a controlled methane flow of the order of 75 g/s. AVIRIS airborne data associated with various well-documented sources in California were also used. Finally, this tool was applied to data from the PRISMA satellite hyperspectral imager launched in 2019, which, with a spatial resolution of 30 m and a spectral resolution of 10 nm, has paved the way for regular, large-scale monitoring of methane emissions. We focused on an industry in Turkmenistan with four source points and proposed a temporal analysis between 2020 and 2021. Over this period, we estimated flow rates varying between 350 and 4500 g/s depending on the source points and the acquisition period.We have laid the foundations for a multi-temporal analysis. This approach is based on the joint use of several images in the inversion process with a view to improving the sensitivity of the detection by reducing the uncertainty in the knowledge of surface reflectances. The first results show an improvement in detection performance, but the revisit time proved too long to improve quantification (at best two acquisitions per month). The recent arrival of new satellite imagers and future constellation projects should make it possible to reduce the hyperspectral revisit time. Combined with sounders, whose spatial resolution is tending to decrease, these new products open up the possibility of monitoring point sources of methane over the entire surface of the globe.