Analyse et caractérisation par télédétection des eaux de surfaces continentales pour l'étude des flux de matières : apport de l'analyse hyperspectrale et de la modélisation bio-optique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Analysis and characterisation by remote sensing of the continental surface waters for the study of suspended matter transformation : improvement by the use of hyperspectral analysis and bio-optical modelling

Analyse et caractérisation par télédétection des eaux de surfaces continentales pour l'étude des flux de matières : apport de l'analyse hyperspectrale et de la modélisation bio-optique

Résumé

Monitoring the phytoplankton concentrations and the suspended sediment concentrations (SSC) by the use of remote sensing tools was studied for years by the « water color » scientific community, especially in open oceans and in coastal areas. Contrastingly, the use of satellite products to follow the transfer of suspended particulate matter (SPM) within inland waters was poorly achieved. Since 2003, the National Observation Service HYBAM collect water samples and perform radiometric measurements in the entire Amazon basin, in order to retrieve the SSC and estimate the optical response of the sediment load at various stations. This dataset allowed to establish consistent relationships between apparent optical properties (AOPs) and SSC, and an operational monitoring of SSC by remote sensing was instituted. However a part of these relationships remains not fully understood, and this variability was not explained yet. To better understand this variability among large river basins, we performed a detailed analysis of the optically active components of the suspended sediments, in terms of mineralogical determination and estimation of particle size distribution (PSD). A method of SPM characterization into 15 distinct mineralogies was developed using dispersive energy X-ray spectroscopy measured with scanning electron microscopes and analysed with machine learning tools (PAM, randomForest). Measurements showed a great spatial and temporal consistency on the Solimões River and the singularity of the Madeira River (Brazil). A modeling procedure induced the simulations of the optical properties as functions of the characteristics of mineralogy and grain size of the suspended sediments. Those simulations allowed to highlight the important contributions of the imaginary part n’ of the refractive index of the particles and of the proportion of small particles (less than 10 µm diameter) in the absorption and backscattering capacities of the middle. The physical and chemical characteristics of the suspended material explained the variability observed in the Amazon River basin between two different periods of the hydrological cycle. Notably, our results showed that the hysteresis observed on the Rrs-SSC relationship of the Madeira River at infra-red wavelengths can be explained by the seasonal changes in grain size and mineralogy, and particularly a decrease of n’ values and a shift towards finer particles in rising water stage. A comparative study was realized on the Bagré reservoir (Burkina Faso) in the Volta River basin, where the SSC were defined as spatially and temporally highly contrasted. Measurements of AOPs were realized and water samples were collected and analysed in August 2015, covering large ranges of values. This study allowed an evaluation of various satellite sensors performance (Spot5 (Take5), Landsat 8 OLI, Sentinel-2 MSI), to quantify the SSC from mono-band or multi-bands algorithms. This analysis lies on in situ measurements and on bio-optical modeling procedure locally calibrated. The use of the band ratio Near Infra-Red / Red (such as Rrs850/Rrs670) was found as the most reliable in high SSC estimation (> 100 mg.l-1) from satellite reflectances.
La thématique « couleur de l’eau » permet de suivre les flux de matières en suspension (MES) à travers les outils de télédétection depuis de nombreuses années en milieux océaniques et côtiers. L’étude de ces flux en milieu continental est beaucoup plus récente et a été peu appliquée aux cours d’eau des grands bassins versants du monde où les transferts en matière particulaire d’origine sédimentaire sont extrêmement importants. Cependant, au sein du bassin amazonien, la base de données du Service National d’Observation HYBAM a permis de mettre en évidence des relations fortes entre les propriétés optiques apparentes (AOPs) des eaux de surface et les concentrations en MES, de sorte qu’un suivi satellitaire opérationnel de ces concentrations a été mis en place. Malgré tout, une partie de la variabilité de ces relations entre AOPs et concentrations demeure encore inexpliquée. Pour mieux comprendre cette variabilité au sein des grands bassins versants, une caractérisation détaillée des MES en termes de granulométrie et de minéralogie a été réalisée dans le cadre de cette thèse lors de campagnes d’échantillonnages sur le terrain. Une méthode de caractérisation des MES en 15 groupes minéralogiques a été mise au point sur la base des spectres d’énergie dispersive des particules mesurés par microscope électronique à balayage et analysés par des outils statistiques d’apprentissage automatisé (PAM et randomForest). Les mesures ont souligné la grande stabilité spatio-temporelle des minéralogies observées sur le fleuve Solimões et la singularité du fleuve Madeira (Brésil). Les données récoltées ont également permis de déterminer la distribution granulométrique des MES et de calibrer les paramètres d’un modèle optique, dont la partie imaginaire n’ de l’indice de réfraction des particules en suspension. Les pentes granulométriques et le paramètre n’ agissent de façon conséquente sur les capacités d’absorption et de rétrodiffusion des eaux amazoniennes, notamment dans les domaines rouge et infra-rouge du spectre de la lumière, pouvant ainsi infléchir la relation entre AOPs et concentrations en MES en fonction de la période du cycle hydrologique. Nos résultats ont également montré que l’hystérésis de la relation saisonnière Rrs-MES sur le fleuve Madeira dans le proche infra-rouge s’explique par les variations saisonnières de composition minéralogique et de granulométrie, en particulier par une diminution de n’ et une population plus importante de particules fines en montée de crue. Une étude comparative a ensuite été réalisée sur le lac de Bagré (Burkina Faso) dans le bassin de la Volta. Elle a permis d’évaluer les performances de différents capteurs satellitaires (Spot-5 (Take5), Landsat-8 OLI, Sentinel-2 MSI) pour quantifier les MES à partir d’algorithmes mono-bande ou multi-bandes. Cette analyse repose sur les paramètres mesurés in situ et sur une modélisation bio-optique calibrée sur le site. Le rapport de bande Proche Infra-rouge sur Rouge (comme le ratio Rrs850/Rrs670) s’est avéré le meilleur pour estimer les fortes concentrations en MES (supérieurs à 100 mg.l-1) à partir des réflectances.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03120089 , version 1 (25-01-2021)

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  • HAL Id : tel-03120089 , version 1

Citer

Sylvain Pinet. Analyse et caractérisation par télédétection des eaux de surfaces continentales pour l'étude des flux de matières : apport de l'analyse hyperspectrale et de la modélisation bio-optique. Hydrologie. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2017. Français. ⟨NNT : 2017TOU30124⟩. ⟨tel-03120089⟩
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