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Cartographie régionale de l’humidité des sols en milieu semi-aride avec l’utilisation d’images satellitaires.

Filion, Rébecca (2015). Cartographie régionale de l’humidité des sols en milieu semi-aride avec l’utilisation d’images satellitaires. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 246 p.

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Résumé

L'île de la Sardaigne a un climat semi-aride et est sujette à de fréquentes et longues sécheresses, pouvant même être aggravées par les changements climatiques (Chessa & Delitala, 2014; Motroni & Canu, 2005). L’échantillonnage régulier de l’humidité de surface du sol est une des données d’entrée principale pour la modélisation hydrologique (Camporese et al., 2009; Niu et al., 2014a; Sulis et al., 2011). Obtenir des valeurs d’humidité fréquentes et régulières à partir de campagnes de terrain relève du défi. L’apport de la télédétection, afin d’obtenir de l’information précise couvrant une surface plus grande, est donc primordiale. Le but de ce projet de doctorat est de mettre à profit le potentiel des images radar et LANDSAT pour générer des cartes d'humidité du sol fiables afin de soutenir la gestion des ressources en eau et la pratique de l’agriculture dans les régions méditerranéennes, particulièrement durant la période sèche. Pour ce faire, une analyse spatiale et temporelle à l’échelle locale et régionale de l’humidité des sols de la plaine du Campidano a été faite à l’aide de la télédétection, de données météorologiques et de données pédologiques. Cette étude est basée sur des campagnes de terrain approfondies qui ont été effectuées de 2005 à 2009 sur une ferme expérimentale, l'Azienda San Michele, qui appartient à l'organisme de recherche agricole régional AGRIS (AGRIS, 2014). Cette ferme est située entre les villes d’Ussana et de Donori, dans la partie centre-sud de la plaine agricole du Campidano, la zone la plus fertile et productive de l'île. Un total de douze champs nus ont été échantillonnés pour obtenir les valeurs d’humidité et de rugosité de surface. L'imagerie radar regroupe 61 images ENVISAT ASAR (polarisation simple HH et VV, bande C) et 11 images RADARSAT-2 (polarimétriques, bande C) acquises de 2003 à 2009. En plus, 23 images LANDSAT 5, couvrant la zone d’étude, ont été acquises de 2003 à 2009. A l’échelle locale, le signal de rétrodiffusion des images radar ENVISAT ASAR en polarisation VV et en mode descendant, a permis d’établir un modèle empirique pour l’estimation de l’humidité des sols nus (ayant des valeurs d’humidité entre 5 et 30%), réalisé à partir d’une relation linéaire ayant un coefficient de détermination (R²) de 0,85. La robustesse du modèle a été évaluée avec la méthode de la validation croisée pour la base de données ENVISAT ASAR, permettant d’obtenir un R² de 0,76 et une pente significative de 0,9 (biais de 0,3% et RMSE de 2,7%). Le modèle a ensuite été testé avec un ensemble de données différentes, soit les images RADARSAT-2, et la validation a permis d’obtenir un R² de 0,52 (biais de 0,6% et RMSE de 3%) et une pente significative de 0,7. Les images LANDSAT 5 ont aussi été utilisées pour l’estimation des valeurs d’humidité à l’échelle locale. Dans le cas de ce type d’image, c’est avec la pente du TVX (indice de température/végétation), réalisée à partir de la pente entre l’indice normalisé de la végétation (NDVI) et de la température de surface (LST), que la relation linéaire avec les données d’humidité mesurées a été développée. Les résultats présentent une équation linéaire avec un R² de 0,81 (biais de +1,3% et RMSE de 5%). Les deux modèles empiriques (radar et LANDSAT) développés à l’échelle locale ont ensuite été appliqués à l’échelle régionale. Les cartes d’humidité estimées ont été analysées en fonction des zones pédologiques homogènes de la plaine du Campidano. Les variations d’humidité estimée durant la saison sèche démontrent que le radar est sensible aux faibles variations d’humidité de la surface du sol en fonction de la perméabilité des sols, même durant la période très sèche d’une région au climat semi-aride (valeurs-p <0,01, fiabilité à 99%). De plus, à l’intérieur de ces zones homogènes en perméabilité, les inclusions pédologiques majeures ayant des caractéristiques de drainage différentes de la zone à laquelle elles appartiennent ont pu être identifiées. À la fois à l’échelle locale et à l’échelle régionale (analyse multi-temporelle et spatiale), les images radar ont permis d’obtenir de meilleurs résultats. L’estimation de l’humidité du sol à partir des valeurs de pente de TVX en région semi-aride semble être une technique prometteuse, mais une base de données constituée d’images acquises durant des saisons à la fois sèches et humides (permettant d’obtenir une gamme plus variée de valeurs de NDVI) et constituée de plus de données in situ correspondantes (afin de développer un modèle empirique plus robuste), permettrait de valider les résultats obtenus, d’améliorer la technique et d’obtenir une plus grande gamme de valeurs d’humidité estimées. L’estimation de l’humidité de surface et la cartographie régionale des propriétés de drainage des sols de la plaine du Campidano produites à partir d'images radar et LANDSAT dans le cadre de ce doctorat suggèrent un potentiel d’intégration des résultats dans les modèles hydrologiques et possiblement une base de données GIS développée récemment pour la Sardaigne (Vacca et al., 2014). Ces méthodes pourraient encore être validées à l’aide de données terrain collectées dans différentes zones pédologiques, et une plus grande base de données radar et optique/thermique. Toutefois, elle peut d’ores et déjà contribuer à la gestion intégrée des ressources en eau par bassin versant, de même qu’à la prise de décisions opérationnelles (quantité d’eau pour irrigation, zone d’irrigation, choix des types de culture, cycle des cultures, etc.), plus particulièrement pour des régions agricoles situées dans des zones critiques semi-arides pouvant faire face à des sécheresses longues et répétées, comme celles situées dans la plaine du Campidano de la Sardaigne.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Bernier, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse: Paniconi, Claudio
Mots-clés libres: climat semi-aride; ENVISAT ASAR; humidité des sols; qualité de drainage des sols; LANDSAT 5; pédologie; plaine du Campidano; radar; RADARSAT-2; Sardaigne; sols nus; télédétection; TVX.
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 mars 2016 21:17
Dernière modification: 29 mars 2016 21:17
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3348

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