Suivant le niveau de description de la végétation dont nous disposons, nous avons mis au point des méthodes pour pouvoir simuler des images SAR. Ces méthodes ont été validées sur des données expérimentales pour les forêts de Mondah au Gabon et d’Ankasa au Ghana.
Dans le cas d’une vérité terraine exhaustive, outre la qualité de la représentation, le problème
est la taille des diffuseurs utilisés pour décrire la forêt. En effet, au vu du modèle électromagnétique que nous utilisons, les cylindres utilisés pour modéliser les arbres doivent
Chapitre 3 : Validation et exploitation de MIPERS NG sur le cas de forêts tropicales.
117 être au moins 5 fois plus longs que leur diamètre. Un deuxième aspect à prendre en compte
est le calcul de l’atténuation d’une telle forêt. On se ramène alors à la modélisation classique
en construisant des grandes catégories de diffuseurs en faisant un compromis entre le nombre de familles de diffuseurs, et donc le niveau de description, et le temps de calcul. A partir de
cette description on peut alors calculer des coefficients d’extinction proches de la réalité.
Dans le cas d’une vérité terrain incomplète, on s’est intéressé à la construction d’un modèle
de description de la végétation à partir de la seule mesure du DBH. Ce modèle permet
d’obtenir la géométrie complète de la forêt et de renseigner les entrées du code de simulation
électromagnétique.
Bien qu’il s’agisse de deux forêts tropicales, on observe des structures géométriques
différentes : la forêt gabonaise a tendance à être composée de gros diffuseurs orientés tandis que la forêt ghanéenne semble être composée de davantage de petits diffuseurs d’orientation aléatoire. Chaque forêt possède une structure différente et la rétrodiffusion évolue en fonction de celle-ci. On note cependant que pour les deux forêts les variations de rétrodiffusion dues aux effets du relief sont plus importantes que celles dues aux variations d’humidité. Dans
l’étude et le suivi de l’humidité du sol et de la végétation de forêt tropicale, il apparaît donc essentiel de pouvoir s’affranchir des effets du relief que ce soit en modélisation ou directement à partir d’images radar pour retrouver les caractères non renseignés.
Cette étude souligne également l’importance de la vérité terrain de proximité pour la
simulation. Les mesures que nous avons effectuées nous ont donné des plages de variations
réalistes d’humidité et nous avons pu étudier les variations de rétrodiffusion observables en
conséquence. De plus, la connaissance de la géométrie de la forêt étudiée est très importante, même si elle est incomplète. Il est en effet possible de trouver des techniques pour compléter cette description géométrique des éléments diffusants. Nous verrons également dans le
chapitre 5 qu’il est possible d’inverser des images SAR aéroportées de telles forêts grâce à la
modélisation radar.
Nous avons exploité notre code de simulation électromagnétique sur des forêts
tropicales sans tenir compte de la présence éventuelle d’hydrocarbures. Nous allons
maintenant nous intéresser dans le chapitre suivant à la détection, la caractérisation et la quantification de suintements d’hydrocarbures ou de déversements en surface.
Chapitre 3 : Validation et exploitation de MIPERS NG sur le cas de forêts tropicales.
Chapitre 4 : Étude de l’influence des hydrocarbures sur la rétrodiffusion radar des surfaces continentales
119
Chapitre 4
Étude de l’influence des hydrocarbures
sur la rétrodiffusion radar des surfaces
continentales
Dans le chapitre 3 nous avons exploité notre code de simulation électromagnétique sur des forêts tropicales sans tenir compte de la présence éventuelle d’hydrocarbures. On
s’intéresse à présent à la détection, la caractérisation et la quantification de suintements d’hydrocarbure (HC) ou de déversements en surface. Dans cette optique on veut se
pencher sur les effets directs et indirects de la présence de HC sur le sol, avec et sans végétation. En effet, le sol est un contributeur important à la diffraction des zones recouvertes de végétation, que ce soit pour le sol direct ou le double rebond et la
technique tomographique permet de l’isoler.
Pour cela, nous allons donc dans un premier temps présenter des mesures de permittivités diélectriques de mélanges entre du sable et différentes huiles, ainsi que sur des zones avec et sans hydrocarbure. Ces mesures nous serviront de base de données pour nos futures simulations. Ensuite, nous exposerons les mesures radar que nous avons effectuées pour étudier les effets directs et indirects de la présence d’hydrocarbure dans le sol. Nous montrerons des mesures de rétrodiffusion radar sur du sable et de la terre après déversement d’hydrocarbures ainsi que des mesures Sentinel-1et de proximité. Pour terminer, nous présenterons nos simulations et analyse de sensibilité en
présence d’hydrocarbures. Nous détaillerons en particulier le cas d’une zone connue
contenant des boues avec des hydrocarbures et celui de la forêt de Mondah en prenant le temps de décomposer les effets sur les différents mécanismes de rétrodiffusion que sont le sol, le double rebond et le volume direct. Sur la zone avec des boues d’hydrocarbures nous avons mis en évidence des différences de croissance de végétation et nous avons voulu étudier leur impact sur la rétrodiffusion en simulation.
Chapitre 4 : Étude de l’influence des hydrocarbures sur la rétrodiffusion radar des surfaces continentales
120
4.1 Introduction ... 120 4.2 Généralités : Signaux radar en présence d’hydrocarbures sur surfaces continentales ... 123 4.2.1 Bibliographie sur les effets des hydrocarbures sur le sol et la végétation .... 123 4.2.2 Les techniques de détections envisageables ... 125 4.2.3 Positionnement de la thèse ... 126 4.2.4 Sites d’étude des effets indirects de la présence d’HC dans le sol ... 126
4.3 Mesure de permittivité de mélanges et de sols en présence d’hydrocarbures .... 129
4.3.1 Introduction ... 129 4.3.2 Mesures des permittivités de mélanges sols/huiles ... 131 4.3.3 Mesures de permittivité en présence de boue contenant des hydrocarbures 133 4.3.4 Conclusion sur les mesures de permittivité en présence d’hydrocarbures ... 135 4.4 Mesures radar des effets directs et indirects de la présence d’hydrocarbures sur ou dans le sol ... 135 4.4.1 Introduction ... 135 4.4.2 Mesure des effets directs sur le signal rétrodiffusé d’un versement contrôlé d’hydrocarbures sur du sable et de la terre ... 136
4.4.3 Mesures Sentinel-1 sur les sites d’étude ... 142 4.4.4 Conclusion sur les mesures radar ... 143 4.5 Simulations et analyse de sensibilité des effets directs et indirects de la présence
d’hydrocarbures sur le sol ... 144
4.5.1 Simulation du signal rétrodiffusé d’un sol recouvert d’hydrocarbures (effets
directs) 144
4.5.2 Simulations électromagnétiques des zones avec et sans HC pour différentes dates de visite (effets indirects) ... 147 4.5.3 Analyse de sensibilité des zones avec et sans hydrocarbures ... 151 4.5.4 Simulation radar de forêts tropicales avec des hydrocarbures sur le sol. Analyse de sensibilité sur la forêt de Mondah. ... 154 4.6 Conclusion et perspectives ... 157
Chapitre 4 : Étude de l’influence des hydrocarbures sur la rétrodiffusion radar des surfaces continentales
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4.1 Introduction
Les hydrocarbures sont aujourd’hui un enjeu majeur pour l’économie et le
développement de notre société. Face à ces enjeux de première importance, il est important de pouvoir trouver de nouvelles sources de pétrole mais également d’assurer la sécurité des exploitations et de son transport d’un point de vue environnemental. C’est dans ce contexte que la télédétection a son rôle à jouer. De par sa capacité de recouvrement et de revisite, elle est utile à des fins de prospection, avec la détection de suintements naturels (Figure 4-1) qui
peut être un indicateur de la présence d’un réservoir de gaz ou de pétrole, mais aussi pour des
problématiques de prévention, avec la surveillance des petites fuites chroniques ou, plus rarement, de déversement majeur dû à un accident pétrolier.
Figure 4-1 : Répartition des suintements naturels connus dans le monde (source : traduction d’une image du rapport d’Etiope).
Pour chaque application, les effets visibles ne seront pas nécessairement les mêmes
étant donné que les quantités d’hydrocarbures mises en jeu et leur interaction avec leur
environnement sont complètement différentes. On distingue ainsi les effets directs des effets indirects. Nous allons donc nous intéresser à ces différents effets pour détecter et caractériser
les hydrocarbures mis en jeu. On regroupe sous le nom d’hydrocarbure des produits aussi
différents que le pétrole brut, le pétrole raffiné, le kérosène, les essences, fuel, gasoil, lubrifiants, huiles à moteurs… Pour simplifier, nous utiliserons les noms génériques
d’hydrocarbure (noté aussi HC) ou d’huile par la suite.
Comme va le détailler le paragraphe suivant, il existe très peu de littérature concernant
la rétrodiffusion Radar des surfaces continentales en présence d’HC (ONSHORE) Par conséquent, l’ensemble des travaux présentés dans ce chapitre a un caractère fortement exploratoire, qu’il s’agisse des expérimentations ou des modélisations à partir de
MIPERS-NG qui trouvent ici tout leur intérêt car des mesures SAR sur de telles scènes dans leur diversité sont difficiles à mettre en place et en tout cas non disponibles pendant ce travail.
Chapitre 4 : Étude de l’influence des hydrocarbures sur la rétrodiffusion radar des surfaces continentales
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Les effets directs pour le radar recouvrent tout ce qui est de l’ordre des suintements
d’huile en surface, naturels ou non, ainsi que des déversements ou fuites sur le sol avec ou
sans végétation. Ces huiles peuvent rester en surface sous forme de nappes ou d’un dépôt plus ou moins épais mais peuvent également se mélanger au sol. Idéalement, le but final est
d’arriver à caractériser le type d’hydrocarbure présent et à le quantifier. Dans cette optique,
nous avons mis au point des mesures de caractérisation de mélanges sol/HC et de rétrodiffusion de sols pour ensuite passer à des scénarios plus complexes par modélisation.
Dans le cas des effets indirects, l’huile n’apparaît pas directement à la surface, mais induit des effets sur la nature du sol et sur la végétation. Sur les sols nus une modification de la permittivité diélectrique peut être observée. La présence d’hydrocarbures peut provoquer une évolution de la végétation . Elle peut influencer la végétation en place en créant du stress ou du renforcement qui se manisfestent par des changements de caractéristiques géométriques et diélectriques et elle peut entraîner un changement des espèces végétales, certaines espèces résistant mieux aux HC. On cherche ainsi à détecter des effets à moyen (>1 semaine) et long termes (> 1 année) d’une fuite, d’un déversement d’HC ou d’un suintement naturel des hydrocarbures dans le sol ou en surface. Pour répondre à cette problématique, nous avons mis en place une analyse multi-temporelle de mesures terrain et d’images Sentinel-1 sur une zone contenant des boues d’hydrocarbures et sur une zone témoin sans hydrocarbures adjacente. Pour rappel, Sentinel-1 est une mission satelittaire effectuant de l'imagerie SAR en bande C. Notre analyse de ces zones inclut un suivi temporel des caractéristiques de la végétation sur les deux sites et des mesures de permittivité en plus de l’analyse des images SAR Sentinel-1.
Nous allons donc, dans un premier temps, présenter des mesures de permittivités diélectriques de mélanges entre du sable et différentes huiles, et sur des zones avec et sans hydrocarbure. Ces mesures nous serviront de base de données pour nos futures simulations. Ensuite, nous exposerons les mesures radar que nous avons effectuées pour étudier les effets
directs et indirects de la présence d’hydrocarbures dans le sol. Nous montrerons des mesures
de rétrodiffusion radar sur du sable et de la terre après déversement d’hydrocarbures ainsi que des mesures satellitaires Sentinel-1. Pour terminer, nous présenterons nos simulations et
analyse de sensibilité en présence d’hydrocarbures, à la fois sur les effets directs sur le sol et
sur les effets indirects sur la végétation. Nous détaillerons en particulier le cas d’un site contenant des boues avec des hydrocarbures et celui de la forêt de Mondah en prenant le temps de décomposer les effets sur les différents mécanismes de rétrodiffusion que sont le sol direct, le double rebond et le volume. Sur les sites étudiés nous avons mis en évidence des différences de croissance de végétation et nous avons voulu étudier leur impact sur la rétrodiffusion en simulation en utilisant le code développé au chapitre 2.
Chapitre 4 : Étude de l’influence des hydrocarbures sur la rétrodiffusion radar des surfaces continentales
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