Étude comparative d’indices de végétation radar à plusieurs fréquences et de l’indice de végétation optique (NDVI) pour le suivi de la croissance des cultures

De nos jours, la télédétection contribue énormément dans le domaine de l’agriculture. La possibilité d’acquisition des mesures en tout temps et la non sensibilité aux perturbations atmosphériques sont des avantages reconnus à la télédétection radar. Cette étude a pour objectif d’effectuer une analyse comparative des indices radar, à savoir l’indice de végétation radar (RVI) et l’indice de végétation radar à double polarisation (IVRDvv) dans trois fréquences (L, C et X) et de l’indice de végétation par différence normalisée (NDVI) utilisé en télédétection multispectrale optique dans un contexte de suivi de la croissance des cultures de blé, de canola, de maïs et de soja. Pour y parvenir, ces indices de végétation radar (RVI et IVRDvv) calculés à plusieurs fréquences et l’indice optique (NDVI) sont utilisés pour effectuer un suivi temporel de la croissance de ces quatre cultures. D’une part, l’efficacité des indices de végétation radar à traduire la quantité de la biomasse végétale disponible est analysée en déterminant l’indice et la fréquence les mieux adaptés au suivi de la croissance de chaque type de culture. D’autre part, la corrélation des indices de végétation radar (RVI et IVRDvv) et le NDVI par rapport à la quantité de la biomasse végétale est utilisée pour apprécier l’usage de ces indices de végétation radar comme alternative à l’utilisation du NDVI dans un contexte de suivi de la croissance des cultures de blé, de canola, de maïs et de soja. Les indices radar RVI (indice de végétation radar) et IVRDvv (indice de végétation radar à double polarisation) ont été calculés sur la base d’images acquises sur les sites des campagnes de terrain SMAP Validation Experiment 2012 (SMAPVEX12) et SMAP Validation Experiment 2016 in Manitoba (SMAPVEX16-MB) situés au Sud du Manitoba. Les données de biomasse végétale ainsi que l’indice de surface foliaire (LAI) ont été recueillis directement sur le terrain durant ces deux campagnes. Les données radar en bande L proviennent de la campagne SMAPVEX12, elles sont acquises par un Uninhabited Aerial Vehicule Synthetic Aperture Radar UAVSAR; celles utilisées en bande C et X ont été acquises durant la campagne SMAPVEX16-MB par les satellites Radarsat-2 et TerraSAR-X, respectivement. Les données optiques proviennent des images de Sentinelle-2. Le suivi de la croissance des cultures de blé, de canola, de maïs et de soja sur une base temporelle a permis de remarquer l’inefficacité de la bande L à évaluer la croissance des plantes. Le coefficient de rétrodiffusion dans cette bande est contrôlé par les paramètres de surface et particulièrement l’humidité du sol plutôt que la biomasse végétale. Les indices de végétation radar en bandes C et X ont présenté de bons résultats qui traduisent l’évolution de la quantité de la biomasse végétale disponible; la bande X étant toutefois beaucoup mieux corrélée à la biomasse végétale. Pour le blé, la quantité de biomasse végétale est mieux corrélée à l’IVRDvv en bande X (R = 0,9) que le NDVI (R = 0,7). De même, pour la culture de canola, la quantité de la biomasse disponible est légèrement mieux corrélée à l’IVRDvv en bande X (R =0,96) qu’au NDVI (R=0,9). D’autre part, le RVI et l’IVRDvv en bande C pour les cultures de maïs et de soja a montré des fortes corrélations avec le NDVI (R = 0,9). Ces résultats montrent que dans un contexte de suivi de la croissance des végétaux, les indices de végétation radar en bande C et X sont une alternative à l’indice de végétation par différence normalisée utilisé en télédétection optique

Earth remote sensing with SMOS, Aquarius and SMAP missions

The first three of a series of new generation satellites operating at L-band microwave frequencies have been launch in the last decade. L-band is particularly sensitive to the presence of water content in the scene under observation, being considered the optimal bandwidth for measuring the Earth's global surface soil moisture (SM) over land and sea surface salinity (SSS) over oceans. Monitoring these two essential climate variables is needed to further improve our understanding of the Earth's water and energy cycles. Additionally, remote sensing at L-band has been proved useful for monitoring the stability in ice sheets and measuring sea ice thickness. The ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, 2009-2017) is the first mission specifically launched to monitor SM and SSS. It carries on-board a novel synthetic aperture radiometer with multi-angular and full-polarization capabilities. NASA's Aquarius (2011-2015) was the second mission, devoted to SSS monitoring with a combined real aperture radiometer/scatterometer system that allows correcting for sea surface roughness. NASA's Soil Moisture Active Passive (SMAP, 2015-2018) is the second mission dedicated to measure SM. It carries on-board a real aperture full-polarimetric radiometer and a synthetic aperture radar (SAR) for enhanced spatial resolution and freeze/thaw detection. This Ph.D. Thesis is focused on analyzing the geophysical information that can be obtained from L-band SMOS, Aquarius and SMAP observations. The research activities are structured as follows: -Inter-comparison of radiometer brightness temperatures at selected targets. A novel methodology to measure the consistency between SMOS and Aquarius radiometric data over the entire dynamic range of observations (land, ice and ocean) is proposed. It allows detecting spatial/temporal differences or biases without latitudinal limitations neither cross-overs. This is a necessary step to combine observations from different instruments in a long term dataset for environmental, meteorological, hydrological or climatological studies. -Ice thickness effects on passive remote sensing of Antarctic continental ice. The relationship between Antarctic ice thickness spatial variations and changes detected by SMOS and Aquarius measurements is explored. The emissivity of Antarctica is analyzed to disentangle the role of the geophysical contributions (snow layers at different depths and subglacial lakes) to the observed signal. The stability of the L-band signal in the East Antarctic Plateau, calibration/validation site for microwave satellite missions, is assessed. -Microwave/optical synergy for multi-scale soil moisture sensing. The relationship of SM and land surface temperature (LST) dynamics is evaluated to better understand the fundamental SM-LST link through evapotranspiration and thermal inertia physical processes. A new approach to measure the critical soil moisture from time-series of spaceborne SM and LST is proposed. The synergistic use of SMOS SM and remotely sensed LST for refining SM disaggregation algorithms is also analyzed. -Comparison of passive and active microwave vegetation parameters. Recent research has shown that microwave vegetation opacity, sensitive to biomass and water content, and albedo, related to canopy structure, can be retrieved from passive L-band observations. The relationships between these two parameters and radar-derived vegetation descriptors have been explored using airborne observations from the SMAP Validation Experiment 2012 (SMAPVEX12). The obtained relations could allow for improved SM retrievals in active-passive systems, and also to estimate the vegetation properties at high resolution using SAR observations. The Ph.D. Thesis has been developed within the activities of the Barcelona Expert Centre (BEC). The presented results contribute to the use of L-band remote sensing in different scientific disciplines such as climate, cryosphere, hydrology and ecology.Els primers tres d'una sèrie de satèl·lits de nova generació funcionant a la banda L han sigut llançats a l'última dècada. La banda L es molt sensible a la presència d'aigua a l'escena observada, sent considerada òptima per mesurar la humitat del sòl (SM) i la salinitat del mar (SSS) de manera global a la superfície de la Terra. Monitoritzar aquestes dues variables climàtiques essencials es necessari per millorar el nostre coneixement dels cicles de l'aigua i l'energia. La teledetecció a banda L també ha sigut útil per monitoritzar l'estabilitat de les capes de gel i mesurar el gruix de gel marí. La missió Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, 2009-2017) de l'ESA és la primera específicament llançada per monitoritzar SM i SSS. Porta un nou radiòmetre d'apertura sintètica amb capacitat multiangular i polarització completa. La missió Aquarius (2011-2015) de la NASA va ser la segona, dedicada a monitoritzar SSS amb un sistema de radiòmetre/escateròmetre d’apertura real que permet corregir la rugositat de la superfície del mar. La missió Soil Moisture Active Passive (SMAP, 2015-2018) de la NASA és la segona dedicada a mesurar SM. Porta un radiòmetre d'apertura real i polarització completa i un radar d'apertura sintètica (SAR) per una millor resolució espaial i detecció de congelació/descongelació. Aquesta tesi està enfocada en analitzar la informació geofísica que pot obtenir-se de les observacions a banda L d'SMOS, Aquarius i SMAP. La seva investigació està estructurada com: -Intercomparació de temperatures de brillantor en zones seleccionades. Es proposa un nou mètode per mesurar la consistència entre les dades radiomètriques d'SMOS i Aquarius sobre el rang dinàmic complet d'observacions (terra, gel, oceà). Això permet detectar diferències espaials/temporals o biaixos sense limitacions latitudinals ni creuaments. Aquest pas es necessari per combinar observacions de diferents instruments en un llarg conjunt de dades per estudis mediambientals, hidrològics o climatològics. -Efecte de gruix de gel en teledetecció de gel continental a l'Antàrtida. S'explora la relació entre les variacions espaials del gruix de gel antàrtic i els canvis detectats a les mesures d'SMOS i Aquarius. L'emissivitat de l'Antàrtida es analitzada per discernir el rol de les contribucions geofísiques (capes de gel a diferents profunditats i llacs subglacials) al senyal observat. S'avalua l'estabilitat del senyal a banda L sobre la zona est de l'altiplà antàrtic, lloc per calibratge/validació de satèl·lits de microones. -Sinèrgia de microones/òptic per teledetecció de SM multiescala. S'avalua la correlació entre la SM i la temperatura de la superfície del sòl (LST) per entendre millor la relació SM-LST a través de processos físics d'evapotranspiració i inèrcia tèrmica. Es proposa un nou mètode per mesurar la humitat crítica utilitzant sèries temporals de SM i LST de satèl·lit. S'analitza l'ús de la SM de SMOS amb la LST de teledetecció per refinar algorismes de desagregació de SM. -Comparació de paràmetres passius i actius de microones relatius a la vegetació. Recent investigació ha mostrat que l'opacitat, sensible a la biomassa i el contingut d'aigua, i l'albedo, relacionat amb l'estructura, poden ser recuperats d'observacions passives a banda L. S'exploren les relacions entre aquests dos paràmetres i estimadors de vegetació derivats de radar utilitzant les observacions d'avió de l'experiment de validació d'SMAP 2012 (SMAPVEX12). Les relacions obtingudes podrien permetre millors recuperacions de SM en sistemes actius/passius i estimar les propietats de la vegetació a alta resolució utilitzant mesures de SAR. La tesi s'ha desenvolupat dins les activitats del Barcelona Expert Centre (BEC). Els resultats presentats contribueixen a l'ús de la banda L a diferents disciplines científiques com la climatologia, la criosfera, la hidrologia i l'ecologia

Apports des données radar à haute répétitivité et à haute résolution du capteur Sentinel-1 pour la caractérisation de l'état hydrique des surfaces agricoles dans les régions sud-méditerranéennes

Le suivi de l'irrigation est un enjeu important pour l'optimisation de l'irrigation. L'humidité superficielle (SSM) est une variable clé pour la gestion de l'irrigation. De plus, la détection précoce du stress hydrique peut contribuer à une utilisation optimale de l'eau agricole. Les données radar en bande C ont montré un grand potentiel pour le suivi des conditions hydriques du sol et de la végétation. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif général d'évaluer les potentialités des données radar bande C pour suivre le fonctionnement hydrique des céréales irriguées. Nos objectifs spécifiques sont : (1) développer une nouvelle approche pour l'inversion de la SSM en utilisant uniquement les données radar ; (2) proposer une méthodologie pour l'estimation des quantités et des dates d'irrigation à l'échelle de la parcelle sur la base de ces nouveaux produits de SSM ; (3) étudier les potentialités de la réponse radar bande C pour le suivi du fonctionnement physiologique et, in fine, la détection du stress hydrique. En préliminaire à l'inversion, les séries temporelles de données Sentinel-1, notamment le coefficient de rétrodiffusion (sigma^0), le rapport de polarisation (PR) et la cohérence interférométrique (rho) sont interprétées à l'aide de données expérimentales collectées sur des parcelles de blé irriguées au Maroc. Les résultats montrent que rho et PR sont fortement liés au développement de la végétation alors que la dynamique de sigma^0 suit les variations de SSM pendant les premiers stades de croissance du blé. En outre, les changements drastiques de la géométrie du couvert associés à la phase d'épiaison ont un fort impact sur sigma^0. Les résultats montrent que le modèle Water Cloud (WCM) est capable de reproduire le cycle saisonnier de Sentinel-1. Grâce à une configuration multicouche du modèle Karam, le 2ème cycle est attribué à la diffusion de volume au sein de la couche des épis. Dans un 2ème temps, une nouvelle approche basée sur l'inversion du WCM pour estimer la SSM a été proposée en utilisant uniquement les données radar Sentinel-1. Dans ce but, les descripteurs de la végétation : la biomasse aérienne (AGB) et le contenu en eau de la végétation ont été estimés à partir de rho et PR. Les meilleurs résultats d'inversion de SSM sont obtenus en utilisant la relation entre rho_VV et l'AGB (R = 0.82 et RMSE = 0.05 m3/m3). Les produits SSM sont assimilés dans la FAO-56 par une technique de filtrage particulaire pour estimer les dates et les quantités d'irrigation. Premièrement, des expériences jumelles sont conçues pour évaluer l'impact de certains paramètres de l'approche. La méthode est ensuite évaluée en utilisant des mesures in situ de SSM avec 3 temps de revisite différents (3, 6 et 12 jours). Enfin, les produits de SSM Sentinel-1 dérivés par l'approche rho_VV-AGB sont utilisés. L'utilisation de données in situ permet d'obtenir de bons résultats. Avec une observation tous les 6 jours, les quantités saisonnières sont inversés avec R > 0.98 et RMSE 0.98 and RMSE < 32 mm. Similarly, over the flood-irrigated fields, more than 70% of the events are correctly detected. Using the SSM products derived from Sentinel-1, the statistics are still acceptable. For the drip-irrigated fields, the 15-day cumulative amounts are estimated with R = 0.64 and RMSE = 28.7 mm; metrics close to those obtained using in situ data (R = 0.74 and RMSE = 24.8 mm). Finally, the last part is devoted to the preliminary analysis of in situ radar acquisition by the C-band antennas installed on a wheat field in Morocco. The analysis of the fully polarimetric acquisitions (sigma^0 and rho) with a time step of 15 min reveals the existence of a diurnal cycle of rho whose amplitude evolves with the development of the canopy. The drop in rho at dawn is concomitant with the increase in evapotranspiration. In contrast, the lowest coherence values at the end of the afternoon are rather related to wind peaks