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OSUG - Terre Univers Environnement

Caractérisation de la neige par imagerie radar polarimétrique (bande C) dans les Alpes

par Jean Pierre Dedieu - 8 février 2017

Article rédigé par Jean-Pierre Dedieu (CNRS-IGE)

Publication :
cet article résume le chapitre d’un ouvrage récent en télédétection (2016) : Bernier M., Dedieu JP., Dugay Y. « Land Surface Remote Sensing in Continental Hydrology », vol. 4, chap. 5, pp. 139-176. Elsevier Publishing, London, UK. 502 p. ISBN : 9781785481048.

Par la fusion nivale et de l’eau de fonte des glaciers, les rivières et fleuves issus des massifs montagneux contribuent pour près de 40 % des ressources en eau de la population mondiale (agriculture, eau potable, énergie). La télédétection spatiale utilisée pour le suivi de la couverture neigeuse en montagne est essentiellement optique (cartographie), car la trop faible résolution spatiale des micro-ondes passives ( 25 km) ne permet pas d’y restituer les propriétés physiques de la neige (hauteur, équivalent en eau) en raison des fortes variations sur le signal dues au relief local. Il est alors nécessaire de se tourner vers les capteurs actifs, cad les satellites radar à synthèse d’ouverture (SAR). La capacité d’imager la surface terrestre dans n’importe quelle condition d’illumination ou de nébulosité en fait un outil très fiable, surtout pour les régions où la couverture nuageuse pose des problèmes pour les capteurs optiques. De plus, les gammes de longueurs d’onde utilisées par les satellites actuels allant de 3 cm (bande X) à 25 cm (bande L), ont la particularité de traverser le couvert nival, permettant ainsi de recueillir de l’information sur sa structure verticale à échelle régionale (10 à 20 m de résolution au sol).

Principes :
En général, l’expression du signal radar rétrodiffusé pour un sol recouvert de neige est représentée par quatre composantes principales (Fig. 1) :
- la diffusion de surface en provenance du sol ;
- la diffusion de volume provenant du couvert de neige ;
- l’interaction surface-volume entre le couvert de neige et le sol ;
- la diffusion de surface provenant de l’interface air-neige.
L’importance relative de chacune d’entre elles est fonction des caractéristiques du couvert nival, du sol ainsi que du capteur utilisé (longueur d’onde, angle d’incidence). En règle générale plus la fréquence augmente, plus la longueur d’onde s’approche de la taille des particules de neige, ce qui augmente la diffusion et l’atténuation provenant du volume de neige. Par contre, pour toutes les longueurs d’ondes SAR, la présence d’eau liquide à l’interface air/neige absorbe l’onde émise et les applications se limitent à la cartographie du couvert neigeux humide.

Figure 1. Principaux mécanismes de diffusion d’un couvert de neige (d’après Fung, 1994)

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Contraintes dues au relief en zone de montagne :
Les systèmes radars actifs nécessitent des prétraitements radiométriques et géométriques pour les applications en zone de montagne. La spécificité des milieux alpins est donc qu’outre la rugosité de la surface illuminée, les trois composantes du relief (altitude, pente, orientation) impactent sur la cible et doivent être intégrées dans les procédures de traitement pour corriger le signal d’origine. Pour simplifier, on passe d’un mode brut (« slant ») à une projection cartographique au sol (« ground ») en combinant la géométrie d’acquisition SAR vs la géoïde terrestre avec un modèle numérique de terrain (MNT). Ce protocole recrée un angle d’incidence local vs la topographie et restitue une valeur de diffusion de la cible corrigée des effets du relief (Fig. 2).

Figure 2 : Modèle simplifié de géométrie radar pour acquisition en zone de montagne

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Polarimétrie radar :
La polarimétrie radar est l’étude de l’effet d’une cible ou d’un milieu naturel sur l’état de polarisation d’une onde incidente. La polarimétrie vise à interpréter le signal reçu par un capteur radar polarimétrique pour en retirer de l’information sur la structure physique de la cible observée. Dans le cadre de l’étude de la neige, les mécanismes qui nous intéressent sont surtout la diffusion de volume générée par le couvert de neige qui permettrait de mieux caractériser la structure verticale du couvert dans le cas de la neige non humide, ainsi que la diffusion de surface qui sera le mécanisme dominant en présence de neige humide. On applique alors une décomposition polarimétrique du signal de phase. Il en existe plusieurs, mais l’une des plus performantes est celle de Cloude-Pottier (1997). Elle est fondée sur deux paramètres dominants : l’entropie (H) qui est une mesure du caractère aléatoire du signal (cible pure ou distribuée) et l’angle alpha (α) qui indique la nature de la diffusion de la cible (surface simple, double-rebond/multiple ou volume).
La Fig. 3 illustre la réponse de différentes structures de neige mesurées in-situ au passage du satellite. Ces valeurs sont disposées dans la représentation du plan H/α segmenté en huit régions représentant des mécanismes de diffusion distincts. Ainsi, les sites en bas, à gauche, ont une faible entropie et correspondent à une neige homogène froide et sèche. Au contraire, plus on remonte vers la droite, plus l’entropie augmente et exprime une humidité croissante du couvert nival avec interaction des diffusions multiples.

Figure 3 : valeurs moyennes d’entropie (H) et de l’angle Alpha (α) pour des sites de mesure en nivologie extraits d’une image Radarsat-2 d’avril 2011 dans les Alpes françaises.

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Cartographie de l’étendue du couvert nival :
La multiplication des capteurs SAR actuels en bande C (5.3 GHz) et de leur répétitivité temporelle (Sentinel-1, Radarsat-2) fait qu’il est à présent possible de cartographier les couverts neigeux assez régulièrement en période de fusion printanière, et ce sans les contraintes dues à la nébulosité. Une méthode de seuillage simple de la différence entre signal radar acquis dans des conditions de neige humide (σ neige humide) et signal radar acquis dans des conditions de neige sèche (σ neige sèche) ou sans neige, permet avec efficacité de cartographier la neige humide (Nagler, 2002) :

Neige humide si : σ_neige humide - σ_neige sèche ≤-3dB

La Figure 4 illustre ce type d’application. Cette composition colorée des polarisations HH-2VH-VV indique clairement en bleu la neige humide pouvant être cartographiée à l’aide du seuil de Nagler (image binaire) et estimée statistiquement pour sa superficie à date. Concernant la restitution des propriétés physiques de la neige non humide (hauteur, EEN), un prochain article développera plus en profondeur cette application.

Figure 4 : image RADARSAT-2 du 27 mai 2014 (massif des Grandes Rousses, Alpes françaises). © RSI-MDA, MNT 25 m © IGN-France

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Références

CLOUDE S.R., POTTIER E., « An entropy based classification scheme for land applications of polarimetric SAR », IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 35, p. 68-78, doi:10.1109/36.551935, 1997.

DEDIEU J.P., DE FARIAS G.B., CASTAINGS T., ALLAIN-BAILHACHE S., POTTIER E., DURAND Y., BERNIER M., « Interpretation of a RADARSAT-2 fully polarimetric time-series for snow cover studies in an Alpine context - first results », Canadian Journal of Remote Sensing, 38, p. 336-351, doi:10.5589/m12-027, 2012.

DEDIEU J.P., BESIC N., VASILE G., MATHIEU J., DURAND Y., GOTTARDI F., « Dry snow analysis in alpine regions using RADARSAT-2 full polarimetry data. Comparison with in situ measurements », IEEE International Geoscience and Remote Sensing (IGARSS’14), July 13-18, Québec, Canada, p. 3658-3661, 2014.

FUNG A.K., « Microwave scattering and emission models and their applications », Artech house Norwood, MA, 1994.

NAGLER T., ROTT H., « Retrieval of wet snow by means of multitemporal SAR data », IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 38(2), p. 754-765, 2000.