Cette thèse contribue à la valorisation de la télédétection des eaux reposant sur les continents (lacs, rivières), à partir d'observations altimétriques. Plusieurs satellites altimétriques ont été lancés dans le passé pour mesurer des élévations de zones en eau. Citons principalement les missions ERS-1 (1991), TOPEX/POSEIDON (1992), ERS-2 (1995), JASON-1 (2001), ENVISAT (2002), JASON-2 (2008) et SARAL/AltiKa (2013) (Biancamaria et al. 2010, Santos da Silva et al. 2010). Ces satellites sont défilants et fournissent des informations altimétriques à l'échelle globale. Leurs principales limitations sont leur long temps de revisite (entre 10 et 30 jours, Biancamaria et al. 2010) et leur résolution spatiale assez médiocre : les premières missions satellitaires ne permettaient pas d'observer des rivières de moins de 1 km de large. Les satellites plus récents peuvent observer des rivières de quelques centaines de mètres de large (Santos da Silva et al. 2010), mais leur temps de revisite est également long.
Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) dont le lancement est prévu pour l'horizon 2020, est un satellite altimétrique permettant de mesurer l'évolution spatiale et temporelle des élévations d'eau des océans, des lacs, ainsi que des réservoirs et larges rivières sur les surfaces continentales situées entre 78° S et 78° N (Durand et al. 2014, voir aussi
https://swot.jpl.nasa.gov). La durée prévue de la mission est de 3 ans.
7.1. Principe de la mesure
L’instrument principal embarqué par SWOT est le Radar interférométrique KaRIN (Ka
band Radar INterferometer) de bande Ka (fréquence de 35.6 GHz), développé au JPL.
Cet instrument est composé de deux antennes radars, se trouvant de part et d’autre d’un mât de 10 m, qui observent chacune deux fauchées de 50 km de large (distantes de 20 km) de part et d’autre de la verticale du satellite (Figure 12). En observant la même zone sous deux angles différents, on peut à la fois estimer la hauteur et la position de la cible étudiée. Pour des fréquences en bande Ka, l’onde est réfléchie de façon spéculaire par l’eau (l’onde électromagnétique se comporte donc comme la lumière réfléchie par un miroir), c’est pourquoi l’angle de visée des antennes SWOT est faible (de 0.6° à 3.9°), afin de maximiser le signal reçu. Chaque fauchée, de part et d’autre du nadir, a une taille de 50 km et les fauchées sont séparées d’une distance de 20 km. Un altimètre nadir sera également embarqué sur le satellite mais sa précision sera plus faible (son installation est motivée par des besoins océanographiques). SWOT pourra ainsi observer une distance de 120 km dans l’axe perpendiculaire à l’axe d’avancée du satellite. La résolution intrinsèque au sol de l’image SWOT dans l’axe distance
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variera de 10 m (bord extérieur de la fauchée) à 60 m (bord intérieur), et la résolution azimutale (dans l’axe d’avancement du satellite) sera de l’ordre de 6-7 m (Biancamaria et al. 2015).
7.2. Variables observées et erreurs associées
Le temps de revisite dépendra de la latitude considérée. Considérant une orbite de 891 km, il se situera autour de 21 jours au niveau des moyennes latitudes. En regard avec les rivières, les mesures fondamentales de SWOT seront l'élévation de la cote de surface libre, la pente de surface libre, ainsi que la largeur de la rivière. Concernant l'élévation de la surface d'eau, la précision de la mesure dépendra de la surface moyennée. En accord avec la résolution au sol de l'image SWOT décrite dans la précédente sous-section, la surface du pixel brut observé par le satellite sera de l'ordre de quelques centaines de m² (en moyenne 250 m²). L'erreur de mesure associée à ce pixel pourra alors dépasser le mètre. En moyennant l'ensemble des mesures brutes sur une surface de 1 km2 (tronçon d'environ 10 km de longueur en considérant une rivière large de 100 m), l'erreur attendue est de l'ordre de 10 cm (Rodriguez 2015). Plus la surface moyennée est importante, plus l'erreur associée diminue (Fig. 13 ).
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7.3. Variables dérivées et applications
Sur de nombreux bassins versants du globe, on ne dispose actuellement que de mesures ponctuelles de hauteurs d'eau (stations hydrologiques), la plupart des bassins hors zones habitées étant peu ou pas couvertes ; l'acquisition des données satellitaires SWOT devrait permettre de mieux appréhender les variations spatiales et temporelles de ces hauteurs d'eau, et ainsi améliorer les estimations des sources et pertes d'eau via les échanges nappes-rivières. Les échelles d'espace et de temps mises en jeu peuvent être considérées comme « moyennes », SWOT observant des processus physiques s'échelonnant dans une gamme temporelle de 1 jour à une année, et dans un intervalle spatial s'étendant de quelques centaines de m2 à quelques milliers de km2 voire plus, tels que les conséquences des moussons ou encore les variations intra- ou inter-annuelles des stocks d'eau dans le milieu souterrain, les lacs et rivières, ou la neige (Fig. 14).
En plus d'observer des élévations d'eau, SWOT pourra permettre également d'estimer
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des valeurs de débits sur les grandes rivières. En repassant plusieurs fois au dessus d'une zone en eau au cours d'un cycle, le satellite pourra observer des variations d'élévation d'eau, de pente et de largeur (puisque le profil en travers d'une rivière n'est que rarement parfaitement rectangulaire). Plusieurs algorithmes sont en cours de développement pour permettre de calculer des débits à partir des mesures brutes de SWOT (Durand et al. 2010, Durand et al. 2014, Gleason et Smith 2014). Toutes ces observations satellitaires et produits dérivés permettront de couvrir de nombreux bassins hydrologiques non jaugés. Sur les bassins versants où un réseau de stations de jaugeage existe, la combinaison des observations SWOT et des stations hydrologiques permettra une réelle amélioration de la compréhension du cycle de l'eau. SWOT sera la première mission altimétrique à fournir des produits sur des bassins régionaux de taille intermédiaire (50 000 à 200 000 km2), avec une relativement haute fréquence temporelle (de 3 à 10 jours en moyenne) (Pavelsky et al. 2014). A cette échelle, il y a de réels enjeux scientifiques à mieux relier l'observation satellitaire des zones en eau, avec la météorologie et les processus physiques se déroulant sur la surface continentale.