Estimation de la biomasse forestière et caractérisation de la structure verticale des peuplements de conifères par radar VHF et radar sondeurs aéroportés

Résumé : Les préoccupations liées à l'estimation et au suivi de la ressource forestière se sont considérablement accrues ces dernières années, notamment afin de surveiller et de prévoir l'impact d'une pression anthropique croissante sur les écosystèmes forestiers. Ces efforts nécessitent une meilleure caractérisation des couverts forestiers. La télédétection micro-ondes active (télédétection " radar ") apparaît comme un outil adapté à ces préoccupations, par la sensibilité des ondes radar aux caractéristiques biophysiques des couverts. Pourtant, l'inversion de variables d'intérêts descriptives des couverts, à partir des capteurs radar spatiaux actuels, reste limitée. Cette thèse se propose de poursuivre les travaux menés dans le domaine de la télédétection radar appliquée à l'étude des forêts, en étudiant le potentiel de nouveaux capteurs radar aéroportés présentant des configurations originales. Une approche complète est mise en oeuvre, allant de l'analyse expérimentale, supportée par l'interprétation de modèles de diffusion électromagnétique des couverts forestiers, jusqu'au développement d'algorithmes d'inversions semi-empiriques. Les sites test sont deux plantations monospécifiques, de pin maritime et de pin noir d'Autriche, pour lesquelles de nombreuses données terrain sont disponibles, et intégrées dans un SIG pour la seconde forêt. Le premier capteur étudié est un diffusiomètre héliporté non-imageur, HUTSCAT, qui sonde le couvert à deux longueurs d'onde (bande X : 2,1 cm et bande C : 5,6 cm) et génère des profils verticaux de rétrodiffusion à une résolution verticale de 68 cm. Le second capteur, CASABAS, est un système imageur aéroporté SAR, travaillant aux fréquences VHF (20-90 MHz, longueurs d'onde de 3 à 15 mètres). Pour l'interprétation des données, deux types de modèles de diffusion électromagnétique sont utilisés : un modèle de transfert radiatif (RT) reposant sur une formulation énergétique où seule l'intensité du signal est simulée, et un modèle cohérent, simulant la propagation du champ électrique (amplitude et phase de l'onde). Ces modèles nécessitent une description géométrique précise du couvert, difficile à obtenir par des mesures terrain, d'autant plus nécessaire lorsque l'on désire modéliser des données haute résolution. Cette description fine est fournie par le modèle architectural AMAP (Atelier de Modélisation Architectural de Plantes du CIRAD). Les résultats expérimentaux obtenus avec HUTSCAT montrent que l'on peut estimer la hauteur des arbres avec une précision absolue de l'ordre du mètre. De ces estimations, d'autres variables d'intérêt peuvent être également obtenues : volume de bois sur pied, indice de fertilité local. Le coefficient de rétrodiffusion mesuré par CARABAS montre une forte sensibilité aux variables du couvert sans saturation sur des gammes de volume de bois sur pied allant jusqu'à 900 m3/ha. Le signal est fortement corrélé aux caractéristiques géométriques des fûts (diamètre, hauteur et volume) et les relations en fonction du volume de bois sur pied sont très proches entre les deux sites. Une forte dépendance du signal à la topographie est observée. Pour une inversion du signal en terrain accidenté, une correction semi-empirique de cet effet serait nécessaire. L'interprétation des profils verticaux fournis par HUTSCAT nécessite l'utilisation d'un modèle capable de prendre en compte la variabilité verticale du couvert. Le modèle RT, couplé à AMAP, s'avère approprié car il décrit les houppiers par une superposition de couches horizontales infinies. Les résultats de simulations montrent cependant la faiblesse de l'hypothèse des couches infinies, pour de faibles incidences, et une correction prenant en compte la forme des houppiers est introduite, pour reproduire correctement les profils expérimentaux. Le modèle montre que les aiguilles sont les principaux diffuseurs. Ces simulations prouvent qu'aux longueurs d'onde centimétriques toutes les parties du houppier contribuent à la réponse finale mesurée par le capteur. A partir de ces conclusions, un algorithme d'inversion visant à estimer la répartition de la biomasse foliaire à l'intérieur des houppiers est proposé et validé grâce à des mesures terrain. L'étude des données CARABAS nécessite d'utiliser le modèle cohérent afin de prendre en compte les interactions cohérentes entre les différents mécanismes de diffusion (réflexions bistatiques sol-végétation). Pour les deux espèces de conifères étudiées, le tronc est le principal diffuseur et les branches ne contribuent que faiblement. La sensibilité observée du signal à la topographie est expliquée par la chute de la réflexion dihédrale tronc-sol à mesure que la pente locale augmente. Il est conclu que pour des espèces présentant un tronc prédominant en terme de volume par rapport aux autres éléments du couvert, le signal sera fortement corrélé au volume de bois sur pied et peu variable d'une espèce à l'autre. Ces observations démontrent la possibilité de s'affranchir d'une grande partie de la variabilité du milieu et des effets de structure des arbres en utilisant des longueurs d'onde métriques. L'ensemble des résultats prouve l'intérêt et la complémentarité des capteurs haute résolution et travaillant aux deux extrémités du spectre (X et VHF) utilisé en télédétection radar pour l'étude des forêts. Si de telles configurations techniques sont actuellement inenvisageables à bord de satellites, ces données aéroportées peuvent néanmoins s'avérer d'un grand intérêt pour le suivi et une gestion fine de la ressource forestière.
Type de document :
Thèse
Sciences du Vivant [q-bio]. ENGREF (AgroParisTech), 2000. Français
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Soumis le : mardi 19 mars 2002 - 08:00:00
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Document(s) archivé(s) le : vendredi 10 septembre 2010 - 15:11:19

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Jean-Michel Martinez. Estimation de la biomasse forestière et caractérisation de la structure verticale des peuplements de conifères par radar VHF et radar sondeurs aéroportés. Sciences du Vivant [q-bio]. ENGREF (AgroParisTech), 2000. Français. 〈pastel-00000036〉

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