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Exploitation des images RADARSAT-2 polarimétriques et TerraSAR-X multipolarisations pour la cartographie des paramètres du couvert nival et de la végétation en milieu subarctique.

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Duguay, Yannick (2017). Exploitation des images RADARSAT-2 polarimétriques et TerraSAR-X multipolarisations pour la cartographie des paramètres du couvert nival et de la végétation en milieu subarctique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 236 p.

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Résumé

Les environnements subarctiques subissent de nombreux changements depuis les dernières décennies du aux changements climatiques observées aux hautes latitudes. L’une des conséquences de ce réchauffement est l’expansion de la végétation arbustive aux dépens de la toundra arctique. Les arbustes affectent également la distribution spatiale du couvert nival en captant la neige soufflée par le vent, qui vient les protéger des rigueurs hivernales et favorise leur croissance. Le suivi de la végétation et de la neige est généralement effectué à l’aide de mesures in situ ou par imagerie satellitaire dans le spectre optique. La télédétection Radar à Synthèse d’Ouverture (RSO) présente de nombreux avantages, dont la possibilité d’acquérir des données sous n’importe quelle condition météorologique ou d’éclairement ainsi que la capacité de pénétrer la végétation et la neige pour fournir une information sur la structure verticale de celles-ci. Toutefois, peu d’études se sont attardées sur la caractérisation de la végétation arbustive à l’aide de l’imagerie RSO et cette dernière n’est généralement pas prise en compte dans les études portant sur le couvert nival. L’objectif de mes recherches doctorales était donc d’évaluer le potentiel des données RSO pour l’estimation et la cartographie des caractéristiques du couvert nival et de la végétation en milieu subarctique. Pour ce faire, des données polarimétriques RADARSAT-2 et des données multipolarisées TerraSAR-X ont été acquises aux environs du village d’Umiujaq (56,55°N, 76,55°O) situé sur la côte est de la Baie d’Hudson, à la limite septentrionale des arbres. Un premier sous-objectif consistait à évaluer l’effet de la hauteur des arbustes et du pourcentage du sol couvert par ceux-ci sur la rétrodiffusion RSO dans les différentes bandes de fréquences et polarisations. Les résultats ont démontré que la hauteur et la couverture des arbustes ont un effet significatif sur la rétrodiffusion radar, mais que cette sensibilité tend à diminuer lorsque le pourcentage de couverture atteint 20% et que la hauteur moyenne pondérée des arbustes dépasse environ 1 mètre. Ces résultats varient toutefois en fonction de la fréquence, de la polarisation et de l’angle d’incidence, la polarisation croisée (HV) étant généralement la plus sensible. Les résultats ont également démontré que le signal RSO demeure significativement affecté par la hauteur de la végétation lorsque celle-ci est recouverte de neige en hiver. Le second objectif des travaux de thèse visait à cartographier les types de couverts végétaux retrouvés en milieux subarctiques avec un intérêt particulier pour la distinction entre différents types de couverts arbustifs. L’utilisation d’un algorithme de classification supervisé de type machine à vecteurs de support (SVM) en combinaison avec des données pleinement polarimétriques a permis d’accomplir une classification avec une précision globale de 90%. Cette précision a été obtenue en combinant deux images polarimétriques acquises soit à des angles d’incidence différents, soit à des saisons différentes (automne et hiver). Cette méthode a entre autres permis la distinction entre un couvert d’arbustes épars, un couvert d’arbustes bas (< 1m) et d’arbustes hauts (> 1m). Ces classifications ont ensuite été utilisées pour segmenter le territoire dans le cadre du troisième objectif de la thèse portant sur l’évaluation des caractéristiques du couvert nival à l’aide de données RSO. Dans le cadre de ce troisième objectif, une analyse empirique a été menée afin de comparer la relation entre les paramètres polarimétriques issus des données RSO et la hauteur du couvert de neige. L’utilisation des classifications a permis d’étudier l’effet du type de couvert végétal sur cette relation empirique. Les résultats ont démontré une grande variabilité entre les classes. Les meilleures corrélations entre la hauteur de neige et les paramètres polarimétriques ont été obtenus pour les couverts végétaux les plus hauts. Toutefois une analyse plus poussée des données a démontré que les images acquises à l’automne généraient des corrélations similaires. Il est donc fort possible que les relations observées étaient plutôt dues à des corrélations indirectes du fait que le signal RSO soit corrélé avec la hauteur de végétation et que cette dernière soit corrélée avec la profondeur de neige. Des études plus approfondies sont donc nécessaires afin de voir s’il est possible de récupérer les caractéristiques du couvert nival à partir de données RSO en présence de végétation arbustive. Par contre, les résultats obtenus pour la caractérisation de la végétation arbustive à l’aide de données RSO ouvrent des possibilités intéressantes pour le suivi des environnements subarctiques. Considérant les nouvelles missions satellitaires utilisant la technologie RSO, tels que les satellites Sentinel- 1 du programme Copernicus de l’ESA, les satellites TerraSAR-X et COSMO-SkyMed opérant en bande X ainsi que la future constellation RADARSAT, un suivi plus complet de ces environnements sensibles pourra être assuré.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Bernier, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse: Dominé, Florent
Mots-clés libres: télédétection; subarctique; radar à synthèse d’ouverture; neige; RADARSAT-2; TerraSAR-X; polarimétrie.
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 10 mai 2018 15:11
Dernière modification: 10 mai 2018 15:11
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6939

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