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Automatisation de la production de cartes de champ de vent à partir de données RADARSAT-2 en région Côtière: cas de l'Île-du-Prince-Édouard.

Ratsimbazafy, Tahiana (2014). Automatisation de la production de cartes de champ de vent à partir de données RADARSAT-2 en région Côtière: cas de l'Île-du-Prince-Édouard. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 160 p.

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Résumé

L'application du Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) dans l'estimation de l'énergie éolienne est une technologie prometteuse pour l'industrie éolienne actuellement en pleine expansion. La taille de la largeur de fauchée des images RSO pouvant atteindre jusqu'à 500km permet d'obtenir des cartes de champ de vent en mer avec une résolution spatiale de 400m. Des procédures opérationnelles ont déjà été mises en place par Environnement Canada pour la cartographie du champ de vent en mer loin des zones côtières. Pour cette étude, une attention particulière est accordée aux zones maritimes côtières, là où la profondeur de la mer est moins importante (≤30m) et accessible aux industries de construction de parc éolien. L'Î1e-du-Prince-Édouard a été choisie comme zone d'étude. La direction du vent estimée par les algorithmes de calcul basés sur les stries de vent observables sur les images RSO de la surface de l'océan contient deux possibilités quant à l'orientation du sens de déplacement du vent. Cette incertitude sur l'orientation est appelée « ambiguïté 180° ». À part cette ambiguïté, la forme géométrique du fond marin dans les régions côtières ainsi que la profondeur de la mer affectent les formes de vagues locales et par conséquent le coefficient de rétrodiffusion du signal radar qui permet d'estimer la vitesse du vent local. Ce mémoire a deux objectifs principaux: 1) développer une approche pour éliminer l'ambiguïté 1800 sans avoir à utiliser de l'information extérieure à l'image; et 2) évaluer l'effet de la bathymétrie sous-marine sur l'estimation du vent par l'approche RSO et sur la vitesse moyenne à long terme simulée par le modèle météorologique MS Micro. Pour réaliser les objectifs cités précédemment, vingt-huit scènes RADARSAT-2 composées de dix-huit scènes Standard quad-polarisation et dix ScanSAR-Étroites ont été acquises auprès de « MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd» via le programme SOAR-Education de l'Agence Spatiale Canadienne. Des enregistrements d'un mât météorologique (aux 10 minutes) ont été acquis auprès de « Wind Energy Institute of Canada (WEICan) ». D'autres enregistrements horaires ont été téléchargés sur le site web d'Environnement Canada. Les données sur la profondeur de la mer locale ont été obtenues auprès du Service Hydrique du Canada (SHC). Une carte de la vitesse moyenne à long terme (1957-2000) simulée avec le modèle météorologique microéchelle (MS Micro) a été acquise auprès de l'équipe de recherche de la Chaire K.C- Irving en développement durable de l'Université de Moncton. Une nouvelle méthode pour l'élimination de l'ambiguïté 180° sur la direction du vent est présentée pour la réalisation du premier objectif. Elle permet d'optimiser la production de cartes de vent en mer en réduisant le nombre de données nécessaires dans les calculs. Les directions ont été déterminées avec l'algorithme des Gradients Locaux (GL) sur les images acquises en copolarisation HH. L'ambiguïté est éliminée en faisant une comparaison des phases du signal rétrodiffusé avec une phase de référence. Les résultats obtenus montrent que les phases de référence ФVV- HH et ФVV-HV sont les meilleures retenues pour éliminer l'ambiguïté 180° lorsqu'elles sont comparées à ФHV et ФHH respectivement. Les directions du vent extraites avec GL et corrigées de l'ambiguïté 180° avec la nouvelle approche proposée dans cette étude ont été estimés avec une RMSE de 20,5° et un biais 1,88° lorsque comparé aux enregistrements du mât météorologique de North Cape. Le modèle CMOD5 combiné avec le ratio de polarisation de Hwang et al. (2010b) a été utilisé pour le calcul des vitesses. Un RMSE 2,40 m/s et un biais de -1,62 m/s ont été observés lors de la validation des échantillons de vitesses prises à 25 km au nord-ouest de North Cape. Pour la réalisation du deuxième objectif, les effets de la variation de la bathymétrie sur la rétrodiffusion radar (vitesse) ont été analysés le long de quelques profils linéaires situés à l'ouest et à l'est de North Cape et proches de West Point. Des cartes de vents RSO à 200 m de résolution ont été réalisées avec les images RADARSAT -2 acquises. Les vitesses de vents RSO et MS Micro ainsi que la profondeur de la mer locale ont été extraites le long de différents profils. Les résultats ont montré que les vitesses RSO calculées sont sous-estimées lorsque la profondeur diminue brusquement dans les dix premiers kilomètres de la côte. Une profondeur de la mer de 15m à 20 m a été considérée comme seuil à partir duquel les vitesses RSO calculées sont comparables à celles calculées en mer loin de la côte (≥15 km). Les vitesses de vent calculées avec la version de MS Micro utilisée dans cette étude ne sont pas valides dans les régions à l'intérieur d'une distance de 10 km de la ligne de la côte. Ceci a été considéré comme l'effet du changement brusque de la rugosité de la surface sur le comportement de la version du modèle MS Micro utilisé sur la transition terre-mer.

Abstract

Application of Synthetic Aperture Radar (SAR) in the estimation of wind energy is a promising technology in the development of wind industry. The large size of the SAR swath, up to 500 km, can provide offshore wind field maps at about 400 m of spatial resolution. Operational procedures have been made by Environment Canada for mapping offshore wind fields. For this study, a particular attention is pa id to the shallow sea on coastal areas (depth ≤ 30 m) which are accessible to industries for installing a wind park. The Prince-Edward-Island has been chosen as study area. Estimation of wind direction from algorithms based on wind streaks in SAR images of the ocean occasions two uncertainty possibilities regarding the orientation of the wind flow. This uncertainty on the direction is ca lied "180 ° ambiguity". In other hand, the geometric shape of the bathymetry in coastal areas and sea depth affect the physical properties of local waves and consequently the radar backscattering coefficient which is related to the local wind speed measurements. The two main objectives of this study are: 1) remove the 180° ambiguity in the extracted wind directions without using ancillary data; and 2) assess the effect of bathymetry on SAR wind speed estimation and on the long term wind speed average simulated by the meteorological model MS Micro. To achieve the goals previously mentioned, twenty-eight RADARSAT-2 scenes composed of eighteen Standard Quad-polarization and ten ScanSAR-Narrow were acquired from "MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd" via the SOAR-Educational program of the Canadian Space Agency. Records from meteorological mast (10 minutes averaged values) were acquired from "Wind Energy Institute of Canada (WEICan)". Other hourly records were downloaded from the web site of Environment Canada. The local sea depth was obtained from the Canadian Hydrographie Service (CHS). A map of the long term (1957-2000) wind speed average simulated with the meteorological microscale model (MS Micro) has been acquired from the Chair K. –C-Irving Chair in Sustainable Development research team of the University of Moncton. A new method for the elimination of the 180° ambiguity on the wind directions is presented for the achievement of the first objective. It allows optimizing the existing wind map production by reducing the number of required inputs. Wind directions have been determined by the Local Gradients (LG) algorithm on images acquired in co polarisation HH. The ambiguities were eliminated by comparing the phases of the backscattered signal with a reference phase. The obtained results show that the reference phase ФVV-HH and ФVV-HV are the best for removing the 180° ambiguity when they are compared to ФHV and ФHH respectively. The wind directions from the LG and corrected from the ambiguity with our new approach are estimated with an RMSE of 20.5° and a bias 1.88° with respect to the data recorded at the meteorological mast of North Cape. The geophysical model CMOD5 combined with the Hwang polarization ratio has been used for the calculation of wind velocities. A RMSE of 2.40 m/s and a bias -1.62 m/s were observed during the validation of the wind speed samples taken at 25 km at north-west of North Cape from the meteorological mast data records. For the achievement of the second objective, the effects of the variation of the bathymetry on the radar backscattered (sigma nought) signal were analyzed along few linear profiles oriented from northwest to southeast at North Cape and from west to east at West-Point coastline. Wind maps with a spatial resolution of 200 m have been carried out with the acquired RADARSAT -2 images. The SAR wind speeds related to sigma nought and MS Micro as well as depth of the local sea have been extracted along the different profiles. The results have shown that the calculated SAR wind speeds are under-estimated when the sea depth abruptly decreased in the first ten kilometers of the coast. A sea depth varying between 15m to 20 m has been considered as threshold in calculation of wind speeds near the shore to be comparable to those calculated offshore (≥15 km). The wind speeds calculated with the version of MS Micro used in this study are not valid in the regions within a distance of 10 km from the shoreline. This has been considered as the effect of the impulsive change in the roughness of the land-sea transition surface on the behavior of the version MS Micro model used.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Bernier, Monique
Mots-clés libres: radar à synthèse d'ouverture; champs de vent; ambiguïté 180°; bathymétrie; région côtière
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 23 sept. 2014 20:50
Dernière modification: 17 mars 2016 15:41
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2377

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