Les campagnes expérimentales aéroportées

Les campagnes expérimentales de mesure de l’anisotropie directionnelle IRT ayant été menées hors du cadre de cette thèse et ayant été largement décrites dans la littérature (Lagouarde et al., 2000 ; Lagouarde et al., 2004), nous n’en rappellerons ici que les principes. Pour la description détaillée des traitements des données, le lecteur se reportera aux deux articles précités.

2.3.1 Protocole d’acquisition des données directionnelles IRT

Le dispositif de base des mesures repose sur l’utilisation d’une caméra IRT (INFRAMETRICS model 760 ou 740) équipée d’un objectif grand angulaire (champ de 75° x 59°) et embarquée à bord d’un petit avion. La caméra est inclinée vers l’arrière d’un angle αAR de sorte que la visée se fait sous des angles zénithaux variant de 37.5 - αAR à

37.5 + αAR sous la trace. Le survol successif aller/retour dans 2 directions opposées au-dessus

d’une zone d’étude permet d’observer celle-ci sous des angles atteignant ±(37.5+αAR) sous

trace. La répétition successive de plusieurs axes de vol décalés en cap permet de multiplier l’échantillonnage en angles azimutaux. Dans la pratique l’exploitation –non seulement de la trace– mais aussi de chacun des points de chaque image acquise permet de documenter la température directionnelle de surface dans toutes les directions azimutales, mais dans des gammes différentes d’angles zénithaux de visée. La combinaison de l’ensemble des images acquises au cours des survols permet ainsi d’accéder aux températures directionnelles sur l’ensemble des directions azimutales et sur une gamme étendue d’angles zénithaux.

Le protocole standard d’acquisition consiste à réaliser 8 survols consécutifs selon 4 axes parcourus aller/retour selon la chronologie suivante :

• les 2 premiers axes (1+1’, fig. 2.11b) correspondent au plan principal du soleil. Le premier axe est parcouru face au soleil.

• 2 axes perpendiculaires suivent immédiatement.

• 4 axes intermédiaires décalés de 45° sont ensuite parcourus, avec un cap légèrement corrigé pour tenir compte de la variation d’azimut solaire.

La durée de l’ensemble est de l’ordre de 20 à 30 minutes selon la taille de la zone d’étude. Les altitudes de vol varient entre 400 et 1000 m environ selon les expériences, la vitesse des avions utilisés (CESSNA 180, PA23) étant fixée autour de 50-70ms-1.

Dans le cas des expériences concernant les milieux forestiers, seule la caméra INFRAMETRICS a été utilisée avec une inclinaison αAR de 20°. Lors des mesures effectuées

au-dessus de Toulouse, le dispositif a été complété par l’embarquement d’une seconde caméra IRT. Celle-ci, une caméra FLIR SC2000 était équipée d’un objectif normal (champ 24x18°) et inclinée de 50° en visée arrière, la caméra INFRAMETRICS étant dans ce cas inclinée de 10°. Ce dispositif a permis d’étendre la gamme des angles zénithaux de visée jusqu’à 60° environ.

Figure 2.11 : (a) : Principe des mesures angulaires. Un point donné au sol est vu sous différents angles lors du passage aller(1) / retour(2) de l’avion sur un axe de vol.

(b) : Protocole de survol de la zone d’étude (voir texte). (1-1’) correspond au plan principal solaire, (2-2’) au plan perpendiculaire.

2.3.2 Traitement des données

L’étalonnage des 2 caméras utilisées a été contrôlé préalablement aux campagnes de mesures aéroportées par visée d’un bain d’eau thermostaté et porté à différentes températures. Les résultats se sont révélés très satisfaisants pour la caméra FLIR SC2000 pour laquelle les écarts par rapport à la calibration du constructeur n’excèdent pas 0.2°C, avec de plus une bonne stabilité dans le temps comme l’a montré la répétition de contrôles à plusieurs mois d’écart. L’étalonnage des caméras INFRAMETRICS M740 et M760 est satisfaisant en terme de pente (corrélation 1:1 avec les températures bain), mais présente en revanche des phénomènes de dérive qui semblent dépendre de leur température interne. Cela n’affecte cependant pas les mesures différentielles. Dans le cas de l’utilisation simultanée des 2 caméras, la zone de chevauchement entre les 2 champs a été utilisée pour intercalibrer les 2 instruments et corriger les données INFRAMETRICS. La résolution des 2 caméras est de 0.1°C et est donc tout à fait adaptée à l’objectif de caractériser des différences de température.

(b)

(a)

L’utilisation d’un objectif grand angulaire impose des précautions particulières. Ce type d’objectif induit des distorsions géométriques (déformations ‘en barrillet’) qui doivent être corrigées pour un calcul précis des angles zénithaux et azimutaux de visée. Ils sont par ailleurs source d’hétérogénéités dans la réponse dans le champ (‘vignettage’ dans les coins des images en particulier) qui sont également corrigées. Le calcul des angles (θv,φv) est

ensuite effectué pour chaque pixel. Le lecteur en trouvera les expressions dans Lagouarde et

al. (2004).

Les corrections atmosphériques sont effectuées à l’aide du modèle LOWTRAN 7 (Kneizys et

al., 1988) et tiennent compte des angles zénithaux de visée.

Le calcul de l’anisotropie directionnelle se fait sur l’ensemble des survols en combinant pour chaque direction l’ensemble de toutes les mesures corrigées de la température nadir moyenne de chaque axe de vol. Ce processus opère ainsi de façon naturelle un lissage spatio-temporel de l’anisotropie du fait de l’acquisition pour chaque direction de visée de séries de données correspondant à des points au sol différents et à des instants différents, du fait du déplacement de l’avion et des survols successifs de plusieurs axes. Le lecteur trouvera tous les détails dans les articles précités.

La précision finale sur l’anisotropie est estimée à ±1.5 °C (Lagouarde et al., 2008). Malgré l’utilisation lors de certaines expériences d’inclinomètres rapides destinés à mesurer le tangage et roulis de l’avion (le lacet n’étant pas mesuré en l’absence d’équipements adaptés), la précision sur les angles θv et φv) reste modeste, de l’ordre de ±3°.

Les résultats en anisotropie sont présentés comme décrit au § 2.2.4. Les rosaces présentent un aspect ‘circulaire’ lorsque seule la caméra INFRAMETRICS équipée de l’objectif grand angulaire est utilisée (fig. 2.12a). Dans le cas d’une utilisation combinée avec la caméra FLIR SC2000, la gamme d’angles θv explorée est plus étendue (jusqu’à 60°), mais la taille réduite

du champ de cette caméra interdit de couvrir toutes les directions azimutales pour les angles zénithaux élevés. Il en résulte un aspect de ‘roue dentée’ clairement visible sur la figure 2.12b.

Figure 2.12 : Représentation de l’anisotropie directionnelle IRT issue de mesures expérimentales dans le cas de l’utilisation d’une caméra INFRAMETRICS seule (a) et combinés avec une caméra FLIR SC2000 (b).

20° 30° 40° 50° 60° 30° 60° 90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° -6 -4 -2 0 2 4 6 (a) (b)

Chapitre 3

MODELISATION DE L’ANISOTROPIE DIRECTIONNELLE

POUR UN COUVERT FORESTIER

3.1 Introduction

Ce chapitre concerne les travaux de simulation de l’anisotropie directionnelle sur un peuplement de pin maritime. L’approche consiste à injecter dans la maquette 3D du peuplement des valeurs de températures élémentaires des aiguilles et de la strate de végétation au sol exposées au soleil ou restées à l’ombre, valeurs fournies par un modèle de simulation des transferts radiatifs et d’énergie entre le sol, le couvert forestier et l’atmosphère.

Une première partie de chapitre est dédiée à la description des données expérimentales incluant le matériel végétal et les mesures réalisées.

L’élaboration de la maquette 3D est ensuite présentée ainsi que sa validation.

Le modèle de transfert utilisé, ici le modèle multi-couches MuSICA, est ensuite sommairement décrit ainsi que les données d’entrée qui lui sont nécessaires. La variabilité des températures issues du modèle est ensuite discutée, et un essai de validation évoqué.

Les résultats de la modélisation sont enfin présentés et les améliorations apportées à la méthode -en particulier la nécessité d’incorporer une approche milieu turbide pour représenter l’impact sur l’anisotropie des effets de micro-échelle des aiguilles- sont analysées et testées par comparaison avec les jeux de données aéroportées disponibles.