Humidité du sol et télédétection

Transcription

1 Humidité du sol et télédétection L humidité du sol : en quoi est ce important? La connaissance de l'humidité du sol est un élément clé pour : (1) suivre et comprendre la croissance de la végétation. point de flétrissement capacité au champ (2) pouvoir améliorer la prévision des caractéristiques de ruissellement (modélisation) dont dépendent les risques d'inondation ainsi que la gestion des ressources en eau (3) L humidité du sol est aussi un paramètre d alerte pour la désertification L'humidité du sol joue un rôle important dans le maintien de la vie sur la Terre, sa première "utilisation" est de permettre la croissance de la végétation. Elle conditionne également la mise en place du peuplement végétal (germination des semences, émergence, implantation du système racinaire, etc.). Son évaluation est donc importante en hydrologie et en agronomie, et constitue un paramètre d'alerte pour la désertification. la valeur du point de flétrissement de la végétation présente sur le sol (les plantes extraient l'eau du sol, cette extraction est possible jusqu'à une certaine valeur limite de la teneur en eau du sol; les racines doivent vaincre la force qui retient l'eau et qui augmente avec le départ de l'eau; au delà d'une certaine valeur, la plante ne peut plus vaincre la tension et satisfaire son besoin, elle flétrit. Le point de flétrissement d'une plante varie d'une espèce à l'autre. Le volume d'eau disponible pour les plantes est appelé "réserve utile") et de la capacité au champ (volume maximal d'eau qu'un sol peut retenir). En fait, l'eau stockée dans le sol a de nombreuses autres fonctions. Par exemple, elle contrôle la partition des précipitations entre les eaux de ruissellement et d'infiltration. L infiltration signifie généralement la reconstitution de la nappe aquifère, tandis que les eaux de ruissellement vont recharger d autres réservoirs tout en dégradant les sols par lessivage et l'érosion. Lorsqu'ils sont saturés, les sols favorisent la transformation de fortes précipitations en inondations Par conséquent Mieux connaître les transferts de masse et de chaleur entre la Terre et l'atmosphère Améliorer les prévisions météorologiques L humidité de surface du sol conditionne les échanges avec l'atmosphère par l'intermédiaire du bilan d'énergie à la surface du sol (très différent sur une surface sèche ou sur une surface humide), elle est importante en raison de son impact sur l'évaporation du sol et de sa transpiration. Ce qui conditionne les transferts de masse et de chaleur entre la Terre et l'atmosphère. La connaissance de l'humidité du sol est donc très utile dans les modèles de prévision météo via des modèles de circulation générale. Enfin, une surveillance continue de l'humidité du sol sur une grande échelle, et sur de longues périodes de temps, donne un aperçu des modifications éventuelles du climat.

2 L'humidité du sol est généralement exprimée en unités gravimétriques (g/cm3) ou unités volumétriques (m3/m3). Cependant, l'humidité du sol est un terme très vague et il est important de le définir. La définition la plus commune de ce terme est la quantité totale d'eau présente dans la zone insaturée. Pour des raisons pratiques, cette humidité est souvent séparée en deux composantes, l'humidité du sol de surface, correspondant aux premiers centimètres (5 cm en général), et l'humidité de la zone racinaire du sol (deuxième réservoir). Ce qui existe la surveillance mondiale de l'humidité des sols ne peut s appuyer que sur des approches utilisant la télédétection depuis l espace Pour atteindre les objectifs de gestion des risques mentionnés ci-dessus, il est nécessaire d'avoir accès à des estimations de l'humidité du sol. À l'échelle locale et à un moment donné, cela est relativement facile avec un échantillonnage gravimétrique. Cependant, pour avoir des mesures représentatives d'une grande surface, la procédure est déjà complexe car elle implique une stratégie d'échantillonnage dédiée. En outre, comme ces mesures sont très consommatrices de temps, la couverture régionale, sans parler de celle à l échelle mondiale est hors de question. Il est bien sur possible d utiliser des sondes automatiques, ce qui élargit le champ d action, mais cette approche ne peut être utilisée que pour des sites très bien équipés, ce qui nécessite des soins et une maintenance assez lourde. Enfin, ces systèmes ne sont pas exempts de problèmes et d inexactitudes. Télédétection de l'humidité du sol, les principales approches Pas possible dans le domaine optique dans l infrarouge thermiqu, ddes effets «cutanés» imposent de connaître les forçages Un grand nombre de méthodes de télédétection ont été testées. Pour l'humidité de surface du sol, les premières se sont appuyées sur le domaine optique (courtes longueurs d ondes) et sur le fait que les sols deviennent foncés lorsqu'ils sont humides. Évidemment, en raison des effets atmosphériques et de la présence de nuages, ainsi que la couverture végétale (effets de masquage), cette approche est vouée à l'échec dans la plupart des cas. Une approche plus prometteuse est liée aux effets de la chaleur latente. Les sols humides présentent une plus grande inertie thermique et sont plus «refroidissants» que les sols secs. Ces propriétés ont conduit à divers essais (suivi de l inertie thermique, mesure du réchauffement dans la matinée, mesure de l'amplitude de la température de surface, etc ) en vue d évaluer l'humidité du sol de façon indirecte. Toutes ces approches se sont avérées quelque peu décevantes en raison de facteurs inhérent à la télédétection optique (les effets atmosphériques, le masque des nuages, l opacité de la couverture végétale), mais aussi par le fait que (1) les sondes dans l'infrarouge thermique ne prennent en compte que «la peau» des sols et (2) que ces «effets cutanés» sont largement dominés par des échanges avec l'atmosphère. Par conséquent, pour déduire l'humidité du sol à partir de telles mesures, il faut connaître exactement les forçages (par exemple, le vent va considérablement modifier la température apparente d'un sol humide).

3 Le domaine micro-onde permet de travailler dans toutes les conditions météorologiques et même la nuit Comme les systèmes micro-ondes mesurent la constante diélectrique des sols, qui est directement liée à la teneur en eau, les recherches se sont rapidement portées sur l'évaluation de l'humidité du sol avec le radar, les diffusiomètres ou bien des radiomètres. Ces systèmes offrent, lorsqu ils sont utilisés à basse fréquence, l'avantage supplémentaire : - d'être opérationnels dans toutes les conditions météorologiques (les mesures ne sont pas beaucoup affectées par l'atmosphère et les nuages) - et d être capables de pénétrer la végétation, et de fonctionner pendant la nuit. Enfin, dans le soucis d'être exhaustif, une nouvelle approche, s'appuyant sur des mesures du champ de gravité de l'espace, indiquerait les changements de la colonne d'eau avec une résolution spatiale de 500 km ou davantage. Lorsqu'elle est appliquée, cette méthode montre que le champ de gravité évolue dans plusieurs domaines, mais sa relation avec le stockage de l'eau doit encore être clairement démontré et validé (Han et al. 2005). Micro-ondes : un outil de surveillance de l'humidité du sol: état actuel Pourtant les SAR n ont jamais été utilisés en routine - fréquence temporelle trop faible - effets de speckle - sensibilité élevée à la distribution géométrie des éléments diffusants L approche la plus répandue repose sur l'utilisation de radars à synthèse d'ouverture(sar). Ces systèmes permettent des mesures par tous les temps avec une résolution spatiale fine (dizaines de mètres). Toutefois, ils sont contraints, comme la plupart des systèmes à haute résolution, par l'obligation de fonctionner à une fréquence temporelle assez faible (c'est-àdire, 35 jours pour le satellite européen ERS-1, lancé en 1991), ce qui n'est pas vraiment compatible avec des exigences hydrologique ou bien par l utilisation des modèles de prévisions météorologiques. La caractéristique la plus indésirable du SAR est liée à la nature cohérente du signal à cause de la conception du système lui-même. En conséquence, les images SAR sont soumises à de fortes et rapides variations du signal : effets de "speckle" ainsi qu à une sensibilité élevée à la distribution géométrie des éléments diffusants (feuilles, troncs, surface du sol, etc) de la surface. La diffusion peut être due à la couverture végétale (distribution de l'eau dans la canopée) ou à la surface du sol (diffusion des surface lorsqu'elles sont mouillées, et diffusion de volume lorsque l onde pénètre à l'intérieur resté sec et est rediffusée à une plus grande profondeur). La conséquence directe de ces perturbations est que le signal est au moins autant sensible à la rugosité de la surface qu à son l'humidité (voir aussi Wigneron et al. 1999). Ces effets sont aussi tributaires de la fréquence utilisée. Toutes ces difficultés inhérente à l instrument peuvent expliquer pourquoi, bien que plusieurs vols SAR aient été entrepris depuis 1977, ils n ont jamais été utilisé ni dans un mode standard et de routine, ni pour fournir des cartes de l'humidité du sol. Pour éviter les perturbations de rugosité et de la végétation, une approche reposant sur la détection des changements a été utilisées avec un succès relatif (Moran et al. 2002).

4 plusieurs auteurs produisent régulièrement des cartes de l'humidité des sols avec un diffusiomètre dans de nombreuses régions du globe, mais surtout dans des zone arides et semi-arides. Les sondeurs microondes passifs permettent de déduire l'humidité du sol, mais dans une bande : -protégée - sensible à l'humidité du sol lorsque l'atmosphère est transparente et que la végétation joue un rôle limité sensibilité 1 K Dans la bande L, la résolution spatiale est proportionnelle au diamètre de l'antenne ce qui est un défi technique très important Toutefois, la couverture temporelle est encore souvent un problème. L'utilisation de diffusiomètres offre un compromis intéressant. La résolution spatiale est beaucoup plus grossière (des dizaines de kilomètres), mais avec une plus large fauchée permettant raisonnablement d obtenir une couverture tous les 4-6 jours en moyenne. De plus Il offre l avantage d'être beaucoup moins soumis au speckle (en moyenne). L'effet de la végétation est dans ce cas encore significative et correspond en gros à la réponse de la bande C (ERS-1), cette bande est la fréquence la plus basse actuellement disponible pour les diffusiomètres en orbite. Ainsi, la plupart des résultats intéressants ont été obtenus sur les zones arides et semi-arides où la végétation et l'humidité des sols sont de toute façon très fortement corrélés. L'influence de la rugosité de surface est également importante et il est préférable d opérer en utilisant la détection des changements. La dernière possibilité dans le domaine micro-ondes est d utiliser des radiomètres. La technique est ancienne et bien maîtrisée, de nombreux capteurs s'appuient sur des sondeurs micro-ondes passifs. Pour en déduire l'humidité du sol, ces systèmes offrent le meilleur compromis s ils sont utilisés dans les basses fréquences, comme cela a été démontré au début des années 1970 avec la très courte mission Skylab. Toutefois, pour être efficace, il faut travailler dans une bande protégée pour éviter les fréquences radio indésirables (RFI) et les émissions humaines ; cette bande doit aussi être sensible à l'humidité du sol lorsque l'atmosphère est transparente et que la végétation joue un rôle limité. Dans la bande L, les émissivités peuvent varier de près de 0,5 pour un sol très humide à près de 1 pour un très sec, ce qui correspond à une fourchette de K en termes de température de brillance. Pour un instrument typique, la sensibilité est généralement de l'ordre de 1 K, ce qui donne un équivalent de niveaux d'humidité du sol discernables. Comme les températures émises ne sont pas mesurées de façon cohérente, la rugosité de surface et la structure de la végétation jouent un rôle réduit par rapport à un système actif. Donc, on se demande pourquoi la bande L n a pas été utilisée largement avant lorsqu il a été prouvé qu elle était la plus efficace pendant les campagnes de mesure terrain et aéroportées (Schmugge et al. 1988). La raison est liée à une limitation inhérente: la résolution spatiale est proportionnelle au diamètre de l'antenne et inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Pour une longueur d'onde de 21 cm, parvenir à 40-km de résolution à une altitude de 750 km, nécessite une antenne d'environ 8 m de diamètre, ce qui est un très important défi technique. Ainsi, les recherches se sont poursuivies avec fréquence plus élevée, comme sur le Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR, exploité entre 1978 et 1987, 6,6 GHz; Kerr et Njoku 1990), le capteur spectral Microwave Imager (SSM / I, une série de satellites disponible à partir de 1987, 19 GHz) et maintenant de l'advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR, exploité régulièrement depuis 2002, 6,8 GHz; Njoku et Li 1999). Même si la fréquence n'était pas adaptée, de bons résultats ont été obtenus avec SMMR et AMSR-E (Njoku et Li 1999). Les limitations sont principalement liés au fait que la végétation devient rapidement opaque à ces fréquences et aux fréquences supérieures, ce qui signifie que le signal du sol (c'est-à-dire, l'humidité du sol) n'est plus

5 discernable. Par ailleurs, la fréquence n'est pas protégée et ce qui est lié, peut être polluée par des fréquences radio indésirables ; de plus la mesure sur un seul angle rend difficile, dans plusieurs cas, la séparation entre les contributions de la végétation et des sols sur le signal Le pas en avant Comment surmonter la question de la taille de l antenne? Les premiers essais ne sont pas satisfaisants Vers une antenne à plusieurs dimensions Proposition de SMOS et sélection à l ESA dans le cadre de l'earth Explorer Opportunity Mission (1998). Considérant la nécessité de faire des mesures de la bande L, plusieurs approches ont été testées pour surmonter la question de la taille de l antenne. Le premier a été lancé au début des années 1990 avec l'idée d'appliquer les techniques de la radio-astronomie (très grands tableaux et très grands interféromètres de référence) à la télédétection de la Terre. Le concept une-dimension, Electronically Scanned Thinned Array Radiometer (ESTAR) a été mis en œuvre dans une version aéroportée et a prouvé sa capacité à remplir les exigences (Le Vigne et al. 1994). Il s'agit d'un système déployable dans l'espace comme un ensemble de long bâtons parallèle offrant une résolution spatiale acceptable, mais au prix d une sensibilité réduite. En parallèle, une autre approche utilise une antenne gonflable (ou un parapluie déployable) à été étudiée au Jet Propulsion Laboratory (JPL) au Etats-Unis. Ces deux concepts ont été proposés à plusieurs reprises aux agences spatiales sans succès. Le concept semble être complexe à déployer et à terme offre un éventail trop limité de mesures (un seul angle et une seule fréquence). En 1991, un petit groupe de scientifiques et d experts en antennes a commencé à travailler pour l'agence spatiale européenne (ESA) sur le développement d'un instrument similaire, mais un travail en deux dimensions (Goutoule et al. 1996). Le concept a été nommée microwave imaging radiometer with aperture synthesis (MIRAS), un prototype a été construit et exploités (Bayle et al. 2002). Dès lors, le concept a évolué vers un instrument de mesure qui a été proposé à l'esa (Kerr 1998), sous le nom de Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) Mission. La mission a été sélectionnée et est actuellement en cours. Il s'agit d'un projet de l'esa conduit avec des contributions de la France et l'espagne. SMOS est prévu pour un lancement en 2009, dans un avenir très proche (Kerr et al. 2001). De façon similaire, une proposition de mission a été soumise à la National Aeronautics and Space Administration (NASA) aux Etats-Unis :Hydrospheric Mission (Hydros; Entekhabi et al. 2004). Cette mission s'est appuyée sur une antenne déployable pouvant tourner, celle-ci est reliée à la fois à un radiomètre et à un diffusiomètre.

6 Spécifications de l instrument SMOS SMOS est un instrument en forme de Y constitué de 69 antennes élémentaires régulièrement espacées le long des bras, fournissant à chaque étape d'intégration, une image complète de la surface de la Terre (environ km) à (1) 2 polarisations ou (2) en polarisation totale (Kerr et al. 2001). La résolution spatiale moyenne au sol est de 43 km et le globe est entièrement traduit en images deux fois (orbites ascendante et descendante) tous les 3 jours à 6 AM et 6 PM heure solaire locale. Comme le satellite se déplace en orbite, tout point de la surface est traduit en image sous plusieurs angles, fournissant ainsi la signature angulaire du pixel. La beauté du concept est ainsi qu'une résolution spatiale raisonnable est obtenue; toutefois, cela se fait au prix d'une sensibilité réduite. De plus, les pixels sont souvent considérés sous des angles et des polarisations différentes. L'information angulaire est ensuite utilisée pour séparer les différentes contributions (sol-végétation) du signal (Wigneron et al. 2000). Humidité du sol de la zone racinaire L approche directe avec des fréquences basses permet d atteindre la couche en profondeur mais est pénalisée par la résolution spatiale L'approche indirecte s appuie sur des techniques d'assimilation La principale objection faite à la télédétection de l'humidité du sol est que la mesure directe ne concerne que la couche en surface.. Par exemple, pour la bande X, les seuls premiers mm sont sondés. Pour la bande L, 4-5 cm sont sondés en moyenne (en fonction des caractéristiques et de l'état selon les sols. Comme il est toutefois nécessaire de connaître la valeur totale disponible d'eau dans la zone non saturée, une approche directe a été envisagée avec des fréquences encore plus basses (longueurs d'onde de plusieurs mètres) de manière à atteindre des couches plus profondes. Cela pose de gros problèmes en termes de résolution spatiale (quelques centaines de km) et d effets ionosphériques. Ainsi, cette option n'est pas retenue à l heure actuelle. L'approche indirecte peut être, soit d'utiliser les modifications de la gravité (à condition que la méthode soit correctement validée et qu une résolution spatiale grossière (centaines de km) soit acceptable, soit de s'appuyer sur des techniques d'assimilation. Ces dernières utilisent des modèles pour déduire l'humidité du sol de la zone racinaire en utilisant des mesures régulière de la surface ainsi que des conditions de forçage. L approche «assimilation» a été validée en utilisant des simulations ainsi que des données de terrain. La véritable limitation porte sur les possibilités des modèles ainsi que sur la qualité des données d'entrée. Expression de besoin Il faut améliorer la résolution spatiale et maintenir une fréquence d échantillonnage temporelle élevée Dans cette quête d'information détaillée sur l'humidité du sol, de nombreuses exigences en matière de données ne sont que partiellement remplies. Par exemple, la zone non saturée n est que partiellement sondée lorsque nous utilisons les méthodes actuellement disponibles. Certains besoins, notamment en hydrologie, ne peuvent être satisfaits qu en améliorant la résolution spatiale, mais toujours avec une fréquence d'échantillonnage temporelle élevée. Depuis l'espace, ce n'est pas simple,

7 la désagrégation : utiliser de l'information externe pour redistribuer l'humidité moyenne de la zone dans le pixel mais l approche la plus prometteuse est sans doute d'utiliser de l'information externe pour redistribuer l'humidité moyenne de la zone dans le pixel: ce que l'on appelle la désagrégation. Plusieurs études ont récemment démontré la faisabilité de cette approche avec les données SMOS (Pellenq et al. 2003; Merlin et al. 2006), désormais la validation avec des vraies données pourra être bientôt effectuée. Mises en garde Des questions se posent encore. Lorsque les vraies données SMOS seront diffusées : - il sera possible de les aborder - des problèmes inattendus peuvent se révéler quelques problèmes «attendus» : La surface couverte par l eau libre dans le pixel l eau contenue dans la végétation et interceptée par la canopée la topographie Ce n'est pas notre intention de dire ici que tout est résolu de façon satisfaisante. Il ya encore un certain nombre de questions qui devront faire l objet d études avant qu un produit «humidité du sol» à l échelle mondiale soit distribué en routine. Ainsi les interférences radio (RFI) peuvent être un problème, en particulier si la protection est réduite à l'avenir, c est un vrai sujet de préoccupation. Les problèmes sont actuellement étudiés, ils sont bien identifiés et référencées dans la littérature, mais, évidemment aussi longtemps que les données réelles (SMOS ou autres) ne seront pas diffusées, des conclusions définitives et / ou des solutions ne seront pas disponibles et certains problèmes inattendus peuvent apparaitre. Actuellement, les problèmes sont bien documentés. Tout d'abord, la limitation la plus strictes est l hétérogénéité du pixel parce que ses composantes peuvent présenter de différences de comportement très importantes. La surface couverte par l'eau libre dans le pixel, par exemple, doit être connue (avec une précision supérieure à 2%) pour atteindre la précision globale de 4% du volume de l'humidité du sol, les surfaces et les masses d'eau peuvent être variables en fonction de la saison ou de la météo. Deuxièmement, la végétation n'est pas totalement opaque à la bande L, et lorsque la quantité d eau intégrée est supérieure à 4-5 kg / m2, extraire les valeurs d'humidité du sol sera une démarche difficile et approximative. Ainsi, la forêt aura un impact sur le signal. On peut noter à ce niveau que des études récentes ont montré que le principal contributeur dans la bande L est une forêt dont les branches des arbres ne sortent pas aussi rapidement que les feuilles, d'où la réduction de l effet saisonnier (Ferrazzoli et al. 2002). De plus, les feuilles mortes des arbres sur le sol peuvent se comporter comme un corps noir et masquer efficacement le signal du sol. Au cours des événements pluvieux, l'interception de l'eau par la canopée peut augmenter artificiellement la teneur en eau apparente de la végétation. Troisièmement, la topographie va entraîner une modification de comportement angulaire, alors que, quatrièmement, la neige et les sols

8 la neige, le givre, la glace présente sur les sols gelés vont induire différents signaux qui, s'ils ne sont pas pris en compte, vont produire des estimations erronées. Cinquièmement, les zones urbaines, les roches et autres surfaces dures ne sont pas pleinement connues en matière d émissivité. Enfin, et en général, une bonne estimation des valeurs d 'humidité du sol demandera une connaissance a priori de la surface et de son état, la qualité de l'estimation sera lié à la qualité des données d'entrée (Kerr et al. 2005). Il doit également être a noté que des systèmes comme SMOS apporteront des aspects spécifiques et complexes tels que la reconstruction d'image (Anterrieu 2004), ce qui est toujours un défi. Conclusion et perspectives SMOS : un concept novateur Qui sera amélioré Vers un SMOS à plus haute résolution spatiale Plusieurs pistes sont à l étude Un challenge technique en voie de réussite Un instrument très attendu Après de nombreuses tentatives infructueuses, une mission spatiale pour mesurer l'humidité des sols est maintenant sur le départ. Les informations actuellement disponibles nous rendent confiants : un successeur opérationnel de SMOS est actuellement à l'étude. Néanmoins, SMOS en répondant à certaines questions, ne satisfait pas encore à tous les besoins des scientifiques en matière de données, les études doivent donc se poursuivre. Le plus important, est probablement d améliorer la résolution spatiale de SMOS. Le concept actuel est proche de l'optimum, augmenter la longueur des bras améliorerait la résolution spatiale mais dégraderait la sensibilité de manière significative au point que l instrument ne présenterait plus aucune utilité. Ainsi, d'autres techniques telles que l utilisation de la désagrégation, devront être développées. Pour être plus efficace, un futur SMOS pourrait tirer profit de deux types d approche : soit être multi-fréquences, soit d être couplé avec un système actif. Il est prévu que ces solutions soient testées à l'aide de capteurs existants : Advanced Diffusiomètre (ASCAT) et AMSR-E) lorsque SMOS sera en fonctionnement. Une autre approche pour améliorer la résolution spatiale pourrait être d'utiliser des antennes encore plus grande si un jour il est possible de les déployer de manière efficace dans l'espace. Dans ce cas, pour résoudre les ambiguïtés et améliorer la système, il sera probablement nécessaire d ajouter de nouvelles fréquences, tout en conservant une source active. Cette démarche permettrait également de faire un pas en direction de la cryosphère, un autre élément clé du bilan de l eau et de l énergie à l échelle de la planète. Il a été indiqué dans la proposition SMOS que le concept fournirait un nouveau type de capteur, ouvrirait un champ de mesure totalement original et ouvrirait ainsi la voie pour le suivi opérationnel de l'eau dans les sols, fournissant ainsi un outil très attendu rendant possible la gestion des ressources en eau et le suivi du cycle de l'eau à l échelle globale.

9