Synergie optique - micro-ondes pour l'estimation du flux de chaleur sensible d'une steppe semi-aride

Abstract

[Departement_IRSTEA]GT [TR1_IRSTEA]GMA1-Fonctionnement hydrologique des bassins et des réseaux hydrographiquesInternational audienceThis study reports the first results of the Walnut Gulch' 92 experiment concerning the combined use of radar backscattering (ERS-1) and thermal infrared (Landsat TM) data to estimate surface sensible heat flux. The purpose is to use the radar-thermal synergy to retrieve both vegetation and soil temperatures required by a two-layer type model. The first step investigates the potential use of ERS-1 SAR images for surface soil moisture monitoring of the watershed using five calibrated images acquired during the year 1992 (dry to wet conditions). Results show that despite the typical low level of biomass of semi-arid rangeland, an attenuation of the soil backscatter (up to 2 dB) can occur during the rainy season mainly due to the vegetation characteristics. A statistical relationship is then used to retrieve the volumetric surface soil moisture from ERS-1 backscattering (sensitivity of 0.23 dB / % moisture) with a resulting root mean square error (RMSE) of 1.3% of soil moisture. In a second step a semi-empirical approach based on energy balance relates soil temperature Ts to this estimated surface soil moisture with an accuracy of 1.3 °C. Vegetation temperature is then deduced from both Ts and Landsat TM composite temperature Tr in order to estimate sensible heat flux according to the two-layer model. To extend the validation data set, additional Ts and Tr values are also obtained from ground soil moisture measurements and thermal aircraft flights respectively. The overall low RMSE of 35 W/m² obtained between ground and remote sensible heat flux confirms the potentiality of radar/thermal synergy over semi-arid sparse vegetation for energy fluxes estimate.Nous étudions ici comment l'utilisation combinée de données radar (ERS-1) et infrarouge thermique (Landsat TM) permet d'estimer le flux de chaleur sensible sur le bassin versant de Walnut Gulch (Arizona) en 1992. L'objectif est d'utiliser la synergie radar-thermique pour retrouver les températures du sol et de la végétation requises par un modèle de flux à deux couches. Nous analysons dans un premier temps les potentialités des images radar d'ERS-1 pour suivre l'humidité du sol du bassin versant à partir de 5 images radar calibrées acquises pendant l'année 1992. Bien que cette steppe semi-aride soit caractérisée par une végétation peu développée, une atténuation importante de la rétrodiffusion du sol par la végétation a été observée pendant la saison humide (jusqu'à 2 dB). Une relation empirique est alors calibrée pour retrouver l'humidité de surface du sol (sensibilité de 0.23 dB / % d'humidité) avec un écart-type résiduel de 1.3% d'humidité. La température de surface du sol Ts est ensuite déduite de l'humidité de surface par une approche semi-empirique basée sur le bilan d'énergie avec une précision de 1.3°C. La température de la végétation est alors obtenue en combinant l'estimation de Ts et la température composite Tr mesurée par Landsat TM, ce qui permet finalement l'estimation du flux de chaleur sensible par le modèle à deux couches. Des données issues de prélèvements au sol (humidité de surface) et de vols avions (thermique) sont également utilisées pour accroitre le jeu de données. Le flux de chaleur sensible estimé par cette approche multi-capteur montre un bon accord avec les mesures effectuées sur le terrain (écart-type résiduel de 35 W.m-2)