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Theses Year : 1998

Retrieval of forest biomass from spaceborne synthetic aperture radar data: on the coupling of an architectural plants model with an electromagnetic model

Estimation de paramètres de la ressource forestière par télédétection radar à synthèse d'ouverture : apport du couplage d'un modèle architectural de plantes avec un modèle de diffusion électromagnétique

Abstract

Mapping forest parameters such as aerial biomass is important for sustainable forest monitoring, and highiight forest ecosystems functioning. To this aim, SAR data offer good potentialities due to their use day and night independently of cloud cover. Cross polarized HV low frequency (P- and L-band) backscatter showed good sensitivity to forest biomass up to 200-300 m3[ha. Most of past studies were realized over “simple” forest medium (homogeneous coniferous plantations over flat terrain) and demonstrated that additionai works are needed to take into account architectural tree properties and topographic effects on forest SAR backscatter. Towards the use of various SAR in various forest conditions, a better understanding of the bio-physical link between SAR backscatter and forest parameters is needed by using a theoretical electromagnetic modeiling approach. However, a reajistic and complete canopy architectural description for ail scatterers (trunk, branches, needles or leaves) as a function of growth stage is lacking. An alternative is to deveiop a new approach using the architectural plant model cailed AMAP developed by CIRAD to derive input parameters to theoretical modeis. The first goal of this thesis cailed “direct problem” is to improve the interpretation of wave niatter interaction, using a coupling approach of the vector radative transfer model developed by MIT!CESBIO with the AMAP model. The second goal cailed “inverse problem” is to obtain biomass map using SAR data, AMAP or driving AMAP by parameters obtained using SAR data or other sources through a GIS. In ail cases, effects of terrain siope must be addressed and removed using a SAR post-processing chain developed at LCT. The forested area under study is mainly composed of homogeneous forest stands of Austrian pine plantations located in the central part of Lozère departement (south of France) which offer a large range of topographic situations. Various spaceborne SAR data (ERS, JERS and SIR-C) have been acquired over the test site. A GIS-based methodology was developed towards the analysis of radar backscatter for different growth stages and topographics situations. On the other hand, the forest canopy description based on the AMAP model was implemented into a new interface called AMAP2SAR. Highest sensitivity of corrected backscatter with forest parameters related to aboveground biomass was achieved at L-HV (55°) for bole volume up to 150 m3/ha. Sensitivity was found similar to the flat terrain case, after applying specific radiometric corrections using a semi empirical angular correction model. Moreover, modeling resuits indicates the need to take into account the vertical variability within the canopy by using the AMAP model wich was lacking before. Else, the AMAP2SAR flexibility providing information on any part of the canopy appear to be a powerful tool to interpret forest SAR backscatter. Thus, the link between L-HV backscatter and primary branches density and diameter, wich are correlated through allometric equations to forest classical parameters such as trunk density and basal area and thus with bole volume (m3/ha) was explicited. Also, the modelling approach helped us to refine and validate the semi empirical angular correction model. Finaily, forest parameters inversion using SAR data, AMAP, or their coupling through a GIS are presented. Results show the potentialities and limits in using such coupled tools and leaded us to discuss the potentials of these biomass retrieval methods.
La possibilité de spatialiser certains paramètres forestiers comme la biomasse sur pied représente un enjeu significatif pour la gestion raisonnée de la ressource forestière, et une meffleure compréhension du fonctionnement des écosystèmes forestiers. A cette fin, l’imagerie par radar à synthèse d’ouverture (RSO), en plus de son utilisation tout temps, a montré ces dernières années de bonnes potentialités par la sensibilité de la rétrodiffusion basses fréquences (P et L) en polarisation croisée (HV) aux paramètres de la masse ligneuse, jusqu’à des volumes de l’ordre de 200-300 m3fha. Ces études, réalisées sur des milieux forestiers simples (essentiellement plantations de résineux) ont démontré dans une certaine mesure que l’architecture de l’arbre ainsi que la topographie sont des paramètres importants à prendre en compte, nécessitant toutefois des études complémentaires. Plus globalement, la généralisation à des conditions forestières variées, nécessite une meilleure compréhension du lien biophysique entre l’écho radar et les paramètres recherchés, lien perturbé par la topographie, grâce à une approche de modélisation de la diffusion électromagnétique des ondes par le couvert. Toutefois, ce type d’approche bute sur l’absence de description précise du milieu forestier en termes géométrique et architectural des diffuseurs élémentaires (feuilles, branches, troncs). Ainsi, les récents modèles architecturaux de croissance des plantes du type AMAP (Atelier de Modélisation de l’Architecture des Plantes du CIRAD) s’avèrent intéressants à cette fin. Le premier objectif, de type problème direct, vise à affiner la compréhension du lien physique entre la rétrodiffusion radar et les paramètres forestiers, à l’aide d’une démarche originale de couplage du modèle AMAP avec le modèle de transfert radiatif vectoriel du MIT/CESBIO. Un deuxième objectif, de type problème inverse, est d’évaluer la faisabilité d’estimation spatialisée de paramètres forestiers à l’aide de données RSO seules ou en synergie avec le modèle AMAP, intégrés dans un SIG. Dans les deux cas, les perturbations dues au relief sont abordées explicitement, et nécessite la mise en oeuvre et la validation de post-traitements développés récemment au LCT. L’étude est menée sur un site forestier “simple” de parcelles monospécifiques équiennes de pin noir d’Autriche, localisé en Lozère et situé dans différentes configurations topographiques où des données RSO variées (ERS, JERS et surtout SIR-C) ont été acquises. La méthodologie est basée sur un SIG permettant la mise en correspondance des données expérimentales (RSO, MNT, paramètres forestiers). Elle intègre également le développement et le calage du modèle AMAP pour le pin noir, et d’une nouvelle interface dénommé AMAP2SAR, permettant d’accéder à une caractérisation architecturale réaliste du couvert forestier. Les résultats en bande L et en particulier en polarisation HV montrent une bonne sensibilité aux paramètres forestiers de la masse ligneuse, pour des volumes de fûts jusqu’à 150 m3fha. Cette sensibilité est très similaire à celle observée auparavant en terrain plat, après l’application d’une phase de correction des perturbations radiométriques dûs au relief, impliquant le développement d’un modèle semi-empirique de correction angulaire. Par la suite, la modélisation de la rétrodiffusion prenant en compte la variabilité verticale dans le couvert grâce à AMAP a montré les faiblesses de l’hypothèse d’homogénéité verticale utilisée jusqu’à maintenant par les modèles électromagnétiques. Ceci a permis de mieux mettre en évidence le lien de la rétrodiffusion de volume dominante pour la configuration L-HV avec la densité et le diamètre des branches primaires, paramètres bien corrélés allométriquement à des paramètres plus classiques du couvert comme la densité et la section des fûts, et donc du volume à l’hectare des fûts. L’impact topographique a également été modélisé ce qui a permis de valider le modèle semi-empirique de correction angulaire précité. Finalement, des résultats d’inversion de paramètres forestiers à partir des données radar, du modèle AMAP ou des deux couplés dans un SIG sont présentés. L’ensemble de ces résultats permet de cerner les limites de ce type d’approche et de discuter des perspectives d’applications et des travaux à mener à cette fin.
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tel-02152966 , version 1 (11-06-2019)

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Cite

Thierry Castel. Retrieval of forest biomass from spaceborne synthetic aperture radar data: on the coupling of an architectural plants model with an electromagnetic model. Silviculture, forestry. Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts, 1998. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02152966⟩
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