Amélioration des données altimétriques dans la région du Grand Lac des Esclaves à partir d’images Radarsat-2

Résumé : En raison de sa grande étendue, le Nord canadien présente plusieurs défis logistiques pour une exploitation rentable de ses ressources minérales. La TéléCartographie Prédictive (TCP) vise à faciliter la localisation de gisements en produisant des cartes du potentiel géologique. Des données altimétriques sont nécessaires pour générer ces cartes. Or, celles actuellement disponibles au nord du 60e parallèle ne sont pas optimales principalement parce qu’elles sont dérivés de courbes à équidistance variable et avec une valeur au mètre. Parallèlement, il est essentiel de connaître l'exactitude verticale des données altimétriques pour être en mesure de les utiliser adéquatement, en considérant les contraintes liées à son exactitude. Le projet présenté vise à aborder ces deux problématiques afin d'améliorer la qualité des données altimétriques et contribuer à raffiner la cartographie prédictive réalisée par TCP dans le Nord canadien, pour une zone d’étude située au Territoire du Nord-Ouest. Le premier objectif était de produire des points de contrôles permettant une évaluation précise de l'exactitude verticale des données altimétriques. Le second objectif était de produire un modèle altimétrique amélioré pour la zone d'étude. Le mémoire présente d'abord une méthode de filtrage pour des données Global Land and Surface Altimetry Data (GLA14) de la mission ICESat (Ice, Cloud and land Elevation SATellite). Le filtrage est basé sur l'application d'une série d'indicateurs calculés à partir d’informations disponibles dans les données GLA14 et des conditions du terrain. Ces indicateurs permettent d'éliminer les points d'élévation potentiellement contaminés. Les points sont donc filtrés en fonction de la qualité de l’attitude calculée, de la saturation du signal, du bruit d'équipement, des conditions atmosphériques, de la pente et du nombre d'échos. Ensuite, le document décrit une méthode de production de Modèles Numériques de Surfaces (MNS) améliorés, par stéréoradargrammétrie (SRG) avec Radarsat-2 (RS-2). La première partie de la méthodologie adoptée consiste à faire la stéréorestitution des MNS à partir de paires d'images RS-2, sans point de contrôle. L'exactitude des MNS préliminaires ainsi produits est calculée à partir des points de contrôles issus du filtrage des données GLA14 et analysée en fonction des combinaisons d’angles d'incidences utilisées pour la stéréorestitution. Ensuite, des sélections de MNS préliminaires sont assemblées afin de produire 5 MNS couvrant chacun la zone d'étude en totalité. Ces MNS sont analysés afin d'identifier la sélection optimale pour la zone d'intérêt. Les indicateurs sélectionnés pour la méthode de filtrage ont pu être validés comme performant et complémentaires, à l’exception de l’indicateur basé sur le ratio signal/bruit puisqu’il était redondant avec l’indicateur basé sur le gain. Autrement, chaque indicateur a permis de filtrer des points de manière exclusive. La méthode de filtrage a permis de réduire de 19% l'erreur quadratique moyenne sur l'élévation, lorsque que comparée aux Données d'Élévation Numérique du Canada (DNEC). Malgré un taux de rejet de 69% suite au filtrage, la densité initiale des données GLA14 a permis de conserver une distribution spatiale homogène. À partir des 136 MNS préliminaires analysés, aucune combinaison d’angles d’incidences des images RS-2 acquises n’a pu être identifiée comme étant idéale pour la SRG, en raison de la grande variabilité des exactitudes verticales. Par contre, l'analyse a indiqué que les images devraient idéalement être acquises à des températures en dessous de 0°C, pour minimiser les disparités radiométriques entre les scènes. Les résultats ont aussi confirmé que la pente est le principal facteur d’influence sur l’exactitude de MNS produits par SRG. La meilleure exactitude verticale, soit 4 m, a été atteinte par l’assemblage de configurations de même direction de visées. Par contre, les configurations de visées opposées, en plus de produire une exactitude du même ordre (5 m), ont permis de réduire le nombre d’images utilisées de 30%, par rapport au nombre d'images acquises initialement. Par conséquent, l'utilisation d'images de visées opposées pourrait permettre d’augmenter l’efficacité de réalisation de projets de SRG en diminuant la période d’acquisition. Les données altimétriques produites pourraient à leur tour contribuer à améliorer les résultats de la TCP, et augmenter la performance de l’industrie minière canadienne et finalement, améliorer la qualité de vie des citoyens du Nord du Canada.

Modélisation en bandes C et X de la rétrodiffusion de couverts de neige sèche : évaluation de l’apport de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses.

La compréhension et la modélisation de l’interaction de l’onde électromagnétique avec la neige sont très importantes pour l’application des technologies radars à des domaines tels que l’hydrologie et la climatologie. En plus de dépendre des propriétés de la neige, le signal radar mesuré dépendra aussi des caractéristiques du capteur et du sol. La compréhension et la quantification des différents processus de diffusion du signal dans un couvert nival s’effectuent à travers les théories de diffusions de l’onde électromagnétique. La neige, dans certaines conditions, peut être considérée comme un milieu dense lorsque les particules de glace qui la composent y occupent une fraction volumique considérable. Dans un tel milieu, les processus de diffusion par les particules ne se font plus de façon indépendante, mais de façon cohérente. L’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses est une des théories élaborées afin de prendre en compte ces processus de diffusions cohérents. Son apport a été démontré dans de nombreuses études pour des fréquences > 10 GHz où l’épaisseur optique de la neige est importante et où la diffusion de volume est prédominante. Par contre, les capteurs satellitaires radar présentement disponibles utilisent les bandes L (1-2GHz), C (4-8GHz) et X (8-12GHz), à des fréquences principalement en deçà des 10 GHz. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’apport du modèle de diffusion issu de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses (QCA/DMRT) dans la modélisation de couverts de neige sèches en bandes C et X. L’approche utilisée consiste à comparer la modélisation de couverts de neige sèches sous QCA/DMRT à la modélisation indépendante sous l’approximation de Rayleigh. La zone d’étude consiste en deux sites localisés sur des milieux agricoles, près de Lévis au Québec. Au total 9 champs sont échantillonnés sur les deux sites afin d’effectuer la modélisation. Dans un premier temps, une analyse comparative des paramètres du transfert radiatif entre les deux modèles de diffusion a été effectuée. Pour des paramètres de cohésion inférieurs à 0,15 à des fractions volumiques entre 0,1 et 0,3, le modèle QCA/DMRT présentait des différences par rapport à Rayleigh. Un coefficient de cohésion optimal a ensuite été déterminé pour la modélisation d’un couvert nival en bandes C et X. L’optimisation de ce paramètre a permis de conclure qu’un paramètre de cohésion de 0,1 était optimal pour notre jeu de données. Cette très faible valeur de paramètre de cohésion entraîne une augmentation des coefficients de diffusion et d’extinction pour QCA/DMRT ainsi que des différences avec les paramètres de Rayleigh. Puis, une analyse de l’influence des caractéristiques du couvert nival sur les différentes contributions du signal est réalisée pour les 2 bandes C et X. En bande C, le modèle de Rayleigh permettait de considérer la neige comme étant transparente au signal à des angles d’incidence inférieurs à 35°. Vu l’augmentation de l’extinction du signal sous QCA/DMRT, le signal en provenance du sol est atténué d’au moins 5% sur l’ensemble des angles d’incidence, à de faibles fractions volumiques et fortes tailles de grains de neige, nous empêchant ainsi de considérer la transparence de la neige au signal micro-onde sous QCA/DMRT en bande C. En bande X, l’augmentation significative des coefficients de diffusion par rapport à la bande C, ne nous permet plus d’ignorer l’extinction du signal. La part occupée par la rétrodiffusion de volume peut dans certaines conditions, devenir la part prépondérante dans la rétrodiffusion totale. Pour terminer, les résultats de la modélisation de couverts de neige sous QCA/DMRT sont validés à l’aide de données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Les deux modèles présentaient des rétrodiffusions totales semblables qui concordaient bien avec les données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Pour RADARSAT-2, le RMSE du modèle QCA/DMRT est de 2,52 dB en HH et 2,92 dB en VV et pour Rayleigh il est de 2,64 dB en HH et 3,01 dB en VV. Pour ce qui est de TerraSAR-X, le RMSE du modèle QCA/DMRT allait de 1,88 dB en HH à 2,32 dB en VV et de 2,20 dB en HH à 2,71 dB en VV pour Rayleigh. Les valeurs de rétrodiffusion totales des deux modèles sont assez similaires. Par contre, les principales différences entre les deux modèles sont bien évidentes dans la répartition des différentes contributions de cette rétrodiffusion totale.

Analyse des signaux radars polarimétriques en bandes C et L pour le suivi de l'humidité du sol de sites forestiers

Résumé : Dans les couverts forestiers, le suivi de l’humidité du sol permet de prévenir plusieurs désastres tels que la paludification, les incendies et les inondations. Comme ce paramètre est très dynamique dans l’espace et dans le temps, son estimation à grande échelle présente un grand défi, d’où le recours à la télédétection radar. Le capteur radar à synthèse d’ouverture (RSO) est couramment utilisé grâce à sa vaste couverture et sa résolution spatiale élevée. Contrairement aux sols nus et aux zones agricoles, le suivi de l’humidité du sol en zone forestière est très peu étudié à cause de la complexité des processus de diffusion dans ce type de milieu. En effet, la forte atténuation de la contribution du sol par la végétation et la forte contribution de volume issue de la végétation réduisent énormément la sensibilité du signal radar à l’humidité du sol. Des études portées sur des couverts forestiers ont montré que le signal radar en bande C provient principalement de la couche supérieure et sature vite avec la densité de la végétation. Cependant, très peu d’études ont exploré le potentiel des paramètres polarimétriques, dérivés d’un capteur polarimétrique comme RADARSAT-2, pour suivre l’humidité du sol sur les couverts forestiers. L’effet du couvert végétal est moins important avec la bande L en raison de son importante profondeur de pénétration qui permet de mieux informer sur l’humidité du sol. L’objectif principal de ce projet est de suivre l’humidité du sol à partir de données radar entièrement polarimétriques en bandes C et L sur des sites forestiers. Les données utilisées sont celles de la campagne terrain Soil Moisture Active Passive Validation EXperiment 2012 (SMAPVEX12) tenue du 6 juin au 17 juillet 2012 au Manitoba (Canada). Quatre sites forestiers de feuillus ont été échantillonnés. L’espèce majoritaire présente est le peuplier faux-tremble. Les données utilisées incluent des mesures de l’humidité du sol, de la rugosité de surface du sol, des caractéristiques des sites forestiers (arbres, sous-bois, litières…) et des données radar entièrement polarimétriques aéroportées et satellitaires acquises respectivement, en bande L (UAVSAR) à 30˚ et 40˚ et en bande C (RADARSAT-2) entre 20˚ et 30˚. Plusieurs paramètres polarimétriques ont été dérivés des données UAVSAR et RADARSAT-2 : les coefficients de corrélation (ρHHVV, φHHVV, etc); la hauteur du socle; l’entropie (H), l’anisotropie (A) et l’angle alpha extraits de la décomposition de Cloude-Pottier; les puissances de diffusion de surface (Ps), de double bond (Pd) extraites de la décomposition de Freeman-Durden, etc. Des relations entre les données radar (coefficients de rétrodiffusion multifréquences et multipolarisations (linéaires et circulaires) et les paramètres polarimétriques) et l’humidité du sol ont été développées et analysées. Les résultats ont montré que 1) En bande L, plusieurs paramètres optimaux permettent le suivi de l’humidité du sol en zone forestière avec un coefficient de corrélation significatif (p-value < 0,05): σ[indice supérieur 0] linéaire et σ[indice supérieur 0] circulaire (le coefficient de corrélation, r, varie entre 0,60 et 0,96), Ps (r entre 0,59 et 0,84), Pd (r entre 0,6 et 0,82), ρHHHV_30˚, ρVVHV_30˚, φHHHV_30˚ and φHHVV_30˚ (r entre 0,56 et 0,81) alors qu’en bande C, ils sont réduits à φHHHV, φVVHV et φHHVV (r est autour de 0,90). 2) En bande L, les paramètres polarimétriques n’ont pas montré de valeur ajoutée par rapport aux signaux conventionnels multipolarisés d’amplitude, pour le suivi de l’humidité du sol sur les sites forestiers. En revanche, en bande C, certains paramètres polarimétriques ont montré de meilleures relations significatives avec l’humidité du sol que les signaux conventionnels multipolarisés d’amplitude.