Water quality monitoring and simulation in coastal waters by modelling and remote sensing
Suivi et simulation de la qualité de l'eau en milieu littoral par télédétection et modélisation
Résumé
This work contributes to the concern about sustainable development and integrated coastal zone management, with the overall objective of improving methods for remote sensing monitoring of coastal waters. We develop a set of tools and methods for monitoring and simulation of environmental conditions in the coastal zone, based on integration of remote sensing data, numerical modelling of the radiative transfer in the atmosphere-ocean system and in situ measurements. We focus on case II waters and we propose ad hoc robust and innovative solutions for operational applications. An analysis of operational requirement for EO-derived bio-geophysical data allows us to draw up a comparative and critical overview of historical methods of radiative transfer, and to stress their capability from an operational perspective. The needs for high spatial-resolution quantitative information on the nearshore coastal zone is emphasized, as well as robust methods requiring no or few a priori knowledge, which would be easily transferable from one site to another. A detailed analysis of radiative transfer processes in turbid shallow-waters allows us to identify major optical processes, for which ad hoc parameterizations are required in order to achieve a satisfactory optical modelling of these media. A set of tools and methods is developed and integrated in prototype software for remote-sensing and optical modelling analysis of shallow-waters. It includes different forward optical models, and image processing functionalities, matching operational needs. Methods robustness is evaluated through sensitivity analyses. The compatibility with the upcoming very high-resolution spacebome ocean-color sensors (MERIS, NEMO-COIS) has been a key constraint to the present developments. An optimal exploitation of the prototype will be achieved through its integration into a Marine Information System.
Notre travail s'intègre dans la tendance actuelle concernant le développement durable et la gestion intégrée des zones côtières. Plus précisément, nous nous sommes intéressés aux besoins de la communauté opérationnelle dépendante du littoral, et au développement et à l'évaluation de méthodologies ad hoc. Nous proposons un ensemble de procédures et d'outils de suivi et de simulation d'environnements littoraux, reposant sur l'utilisation conjointe de données de télédétection, de modèles numériques du transfert radiatif dans la mer et l'atmosphère et éventuellement de mesures in situ, permettant de dériver des informations pertinentes sur la distribution spatiale des propriétés optiques dans les eaux du cas II. Nous montrons que des méthodes robustes de traitement des images à haute résolution spatiale, facilement transposables d'un site à l'autre, sont au coeur du besoin pour un meilleur suivi du domaine littoral par télédétection. Nous dressons un panorama comparatif et critique des méthodes historiques et précisons le cadre opérationnel de leur application. Une analyse détaillée du transfert radiatif dans les eaux littorales turbides permet d'identifier les processus optiques prépondérants et dont la prise en compte est nécessaire à une modélisation satisfaisante de ces environnements. Nous proposons des approches innovantes reposant sur des solutions au problème inverse appliqué à l'optique marine. Ces procédures et méthodes sont intégrées dans un outil logiciel dédié, incluant différents modèles de simulation du transfert radiatif dans les eaux côtières, et un ensemble d'outils de traitement d'image de la couleur de la mer, adaptés au contexte de travail d'un utilisateur opérationnel. La robustesse des méthodes développées est évaluée au travers d'analyses de sensibilité. Cette approche nous a permis de prendre en compte les caractéristiques des capteurs futurs ayant un fort potentiel pour l'étude des zones côtières (MERIS, NEMO-COIS). L'intégration du prototype dans un Système d'Information Marin fournira à terme les conditions d'exploitation optimale de l'outil.