Objectifs

En regardant les diff´erentes m´ethodes qui ont ´et´e d´evelopp´ees depuis les ann´ees 1960 pour

estimer l’´evaporation du sol, aucun consensus n’a ´et´e fait par rapport `a la meilleure approche de

mod´elisation de cette variable `a des ´echelles spatiales int´egr´ees. D’autre part, en tenant compte

des capacit´es de surveillance des quantit´es d´eriv´ees de l’E par des moyens de t´el´ed´etection,

plusieurs ´etudes ont montr´e la possibilit´e de combiner le couvert v´eg´etal d´eriv´e des courtes–ondes,

la LST d´eriv´ee du thermique et la SM d´eriv´ee de micro–ondes afin de partitionner l’ET dans

l’´evaporation du sol et la transpiration des plantes afin de r´ecup´erer avec succ`es l’´evaporation du

sol. Malheureusement, compte tenu de la r´esolution spatiale diff´erente de la SM et des produits

LST, il n’y a actuellement aucun mod`ele quasi–instantan´e de l’E qui combine syst´ematiquement

ces donn´ees.

L’objectif de cette th`ese est d’am´eliorer la repr´esentation spatio–temporelle de l’´evaporation

du sol en d´erivant un mod`ele qui est valable pour une large gamme de sols et de conditions

atmosph´eriques, et qui peut ˆetre coupl´e avec les donn´ees de t´el´ed´etection facilement disponibles.

Ceci est une approche de mod´elisation multi–´echelle bas´ee sur une synergie entre les donn´ees de

t´el´ed´etection et des mod`eles ph´enom´enologiques existants. Trois sites sont utilis´es pour valider

l’approche de mod´elisation d´evelopp´ee dans cette th`ese, tous repr´esentatifs des conditions semi–

arides, situ´es au Mexique, en Espagne et au Maroc.

Dans une premi`ere ´etape, une am´elioration des m´ethodes contextuelles bas´ees sur la

tem-p´erature est recherch´ee. Compte tenu des limitations qui apparaissent lors de la d´erivation des

temp´eratures extrˆemes `a partir des images satellitaires dans des conditions enti`erement s`eches et

enti`erement humides (qu’elles soient ou non pr´esentes `a la r´esolution d’observation), coupl´e `a la

n´ecessit´e d’avoir une zone d’´etude plate et des conditions atmosph´eriques uniformes, un nouveau

mod`ele est d´evelopp´e, afin de limiter l’impact de ces facteurs. Le mod`ele calcule les temp´eratures

extrˆemes ind´ependamment de la r´esolution spatiale des donn´ees LST, en utilisant un mod`ele de

bilan d’´energie forc´ee par des donn´ees m´et´eorologiques disponibles. Une validation en termes de

temp´eratures extrˆemes est effectu´ee au Maroc, au Mexique et en Espagne. L’impact des deux

approches diff´erentes (bas´ees sur les images et bas´ees sur le mod`ele) pour d´eriver les temp´eratures

extrˆemes est ensuite ´evalu´e en terme d’estimations de l’ET sur le site mexicain.

Comme dans un premier temps une ´etude a ´et´e men´ee afin d’am´eliorer les estimations de l’ET

d’un point de vue spatial, dans une seconde ´etape, des tentatives ont ´et´e faites pour caract´eriser le

comportement temporel de l’´evaporation du sol (par l’efficacit´e ´evaporative du sol) pour diff´erents

types de sols. Caract´eriser sa dynamique peut ˆetre une tˆache difficile. Une nouvelle approche

est utilis´ee pour le faire, en utilisant la technique de mod´elisation globale (Mangiarotti et al.,

2012a), qui repose sur la th´eorie des syst`emes dynamiques non lin´eaires. Au lieu de r´esoudre

analytiquement des ´equations diff´erentielles ou discr`etes, elle utilise l’espace de phase afin de

repr´esenter, d’analyser et de comprendre l’´evolution temporelle des comportements observ´es. La

technique est appliqu´ee pour la premi`ere fois `a une s´erie synth´etique de la SEE et elle cherche `a

reproduire le cycle journalier de la SEE.

Dans un troisi`eme temps, le mod`ele du bilan d’´energie d´evelopp´e `a la premi`ere ´etape a ´et´e

introduit dans DISPATCH, et donc un nouvel algorithme, DISPATCH–E, a ´et´e d´evelopp´e. Il

cherche `a caract´eriser `a la fois le comportement temporel et spatial de la SEE, en combinant

les deux approches bas´ees sur la LST et la SM, validant la technique par les estimations de SM

d´esagr´eg´ees. Dans cette partie, une validation indirecte de l’am´elioration des mod`eles de la SEE

est r´ealis´ee en termes de sorties de DISPATCH/DISPATCH–E: les produits SM d´esagr´eg´es sont

compar´es avec des mesuresin situ sur le site espagnol.

Le manuscrit suivant est structur´e en 6 parties:

• Chapitre 2, qui offre une description d´etaill´ee des trois sites, des mesures in situ et des

donn´ees de t´el´ed´etection

• Chapitre 3, qui pr´esente les modifications apport´ees `a un mod`ele de l’´evapotranspiration

bas´e sur la temp´erature et des validations des r´esultats en termes d’estimations de l’ET

• Chapitre 4, qui pr´esente la technique de mod´elisation globale appliqu´ee `a une s´erie d’efficacit´e

d’´evaporation du sol, dans le but de caract´eriser son comportement dans le temps

• Chapitre 5, qui pr´esente une m´ethode am´elior´ee de la d´esagr´egation des donn´ees d’humidit´e

du sol, bas´ee sur l’´evaporation, et les r´esultats de la validation en termes de produits SM

d´esagr´eg´ees

• Chapitre 6, qui offre des conclusions g´en´erales et perspectives d’avenir

• Annexe, o`u des articles suppl´ementaires dont j’ai contribu´e en tant que co–auteure peuvent

ˆetre trouv´es

Cette th`ese de doctorat joue un rˆole central dans le projet ANR JC MIXMOD–E, projet qui a

commenc´e en 2013 et sera termin´e en 2017. Le but de ce projet est d’am´eliorer la repr´esentation

spatio–temporelle de l’E `a des ´echelles multiples en d´erivant un nouveau mod`ele avec des capacit´es

solides de r´egionalisation `a partir de donn´ees facilement disponibles, tout en d´eveloppant le

premier algorithme d´edi´e au suivi de l’E `a des r´esolutions multiples `a partir de la t´el´ed´etection.

Il vise `a d´evelopper une approche de mod´elisation multi–´echelle bas´ee sur la synergie entre la

t´el´ed´etection, les approches m´ecanistes et math´ematiques, en utilisant des mesures issues des

stations ou des campagnes de terrain et des donn´ees de t´el´ed´etection multi–capteur.

Une collaboration importante `a mentionner a ´et´e r´ealis´ee avec le projet REC (Root zone soil

moisture Estimates at the daily and agricultural parcel scales for Crop irrigation management

and water use impact - a multi–sensor remote sensing approach). C’est un projet europ´een

H2020, qui a commenc´e en 2015 et sera termin´e en 2019. C’est une collaboration entre trois

institutions: CESBIO (Centre d’Etudes Spatiales de la Biosph`ere) Toulouse, isardSAT Barcelona

et Universit´e Cadi Ayyad de Marrakech. Le projet vise `a d´evelopper un nouvel algorithme

op´erationnel innovant qui permettrait i) d’obtenir des estimations journali`eres de l’humidit´e

du sol en zone racinaire `a l’´echelle du champ et ii) d’´evaluer quantitativement les diff´erentes

composantes du bilan d’eau `a l’´echelle du champ en utilisant des donn´ees de t´el´ed´etection multi–

capteur facilement disponibles. Le projet combinera les donn´ees actives SAR de Sentinel–1

avec les donn´ees d´esagr´eg´ees de DISPATCH afin de d´eriver la SM `a des r´esolutions temporelles

et spatiales ´elev´ees. Mon rˆole principal au sein de ce projet est d’am´eliorer l’algorithme de

DISPATCH. J’ai pass´e un total de 11 mois `a isardSAT Barcelone et 1 mois `a l’Universit´e Cadi

Ayyad de Marrakech dans le cadre d’une mission longue dur´ee d’un an pour ce projet.

Chapter 2

DATA

Contents

2.1 Introduction . . . . 29

2.2 Sites andin situ data description . . . . 30

2.2.1 Yaqui site . . . . 30

2.2.2 Haouz plain (R3 perimeter) . . . . 31

2.2.3 Urgell site . . . . 35

2.3 Spatial data . . . . 36

2.3.1 Optical data . . . . 37

2.3.2 Microwave data . . . . 38

2.3.3 SAFRAN data . . . . 39

2.3.4 DEM data . . . . 40

2.3.5 Data pre–processing . . . . 40

2.4 Conclusion . . . . 42

2.1 Introduction

The modeling approaches developed in this thesis have been tested over three sites, reflective

of the same climatic conditions: semi–arid areas, where irrigation is also present. Although ET

and SM estimates were validated over different sites, the common point between all three sites is

reflected by the analysis of extreme soil temperatures. Using three different study sites allowed

for an independent assessment of the methodology for computing extreme soil temperatures using

an energy balance model over semi–arid areas.

The three areas used as validation sites are:

• the Yaqui valley situated in the Sonora State (north–west Mexico), used for the comparison

of extreme soil temperatures issued using either satellite data or the energy balance model.

It also serves for the validation of evapotranspiration (ET) estimates;

• the R3 perimeter situated in the Haouz plain (central Morocco), used for the validation of

extreme soil temperatures estimated using the energy balance model within situ

measure-ments;

• the Urgell region located in Catalonia (north–east Spain), used for the comparison of

extreme soil temperatures estimated using satellite data or the energy balance model.

It also serves for the validation of disaggregated soil moisture (SM) products with in situ

measurements.

Different data have been used as an input to the different models present in this study. In

particular, remote sensing data have been used to i) derive ET estimates from a contextual

temperature–based model, and ii) disaggregate SMOS SM using a soil evaporative efficiency

(SEE) method and a similar contextual ET model. Meteorological data available over three

study sites have been used in order to force an energy balance model. In situ measurements

collected during different field campaigns were used as validation data of either ET, extreme

temperatures (T

ext

), or SM products.

A detailed description of the study sites, along with the remote sensing and meteorological

data used (including data pre–processing) is offered below.

Dans le document Mixed modeling and multi-resolution remote sensing of soil evaporation (Page 45-49)