3.2.1. Objectifs
Après avoir mené une étude de sensibilité radar sur les paramètres biophysiques variables à court terme, nous allons nous intéresser aux paramètres structuraux des forêts tels que la biomasse, la hauteur de la forêt, la densité d’arbres ou la présence de sous bois, mais aussi à certains paramètres géophysiques comme la pente du sol. Beaucoup de travail a été fait en imagerie radar haute résolution en bande P [Sandberg et al., 2009 ; Dubois-Fernandez et al., 2012] ainsi qu'en bande L [Shimada et al., 2008]. Cependant, de nombreuses interrogations demeurent sur la distribution verticale des diffuseurs, information qui reste hors de portée pour les techniques polarimétriques interférométriques [Garestier et al., 2005]. La tomographie SAR aéroportée permet d’obtenir un profil vertical de rétrodiffusion et présente des résultats prometteurs [Tebaldini, 2009 ; Huang et al., 2011 ; Tebaldini et al., 2011], mais la faible résolution verticale obtenue (liée au cout important des mesures répétées) ne permet pas d'isoler clairement la contribution du volume de celle du sol, d’estimer les profils d'extinction ou de finement déterminer les mécanismes qui conduisent aux valeurs de coefficients de rétrodiffusion. Ainsi, de nombreuses questions demeurent sur les mécanismes de rétrodiffusion de la forêt, sur leur répartition géométrique et leur contribution dans la réponse radar en fonction de la polarisation.
Il est possible d’apporter des réponses à ces questions grâce à l'imagerie verticale haute résolution qui permet, entre autre, la séparation spatiale entre le sol, en ce qui concerne sa contribution directe et le double rebond d'une part, et la rétrodiffusion du volume d'autre part.
3.2.2. Méthode
Pour atteindre cet objectif, des mesures radar ponctuelles ont été spécifiquement effectuées dans une forêt mono-espèce, constituée de parcelles homogènes couvrant le spectre des paramètres biophysiques et géophysiques attendus, avec un système radar que nous avons développé et qui permet des acquisitions de tomographie verticale haute résolution. L’expérimentation présentée ici ainsi que les résultats obtenus sont présentés en détail dans la [Publication 5].
Le choix de la forêt s'est porté sur la forêt de Mende en Lozère, constituée de pins noirs d'Autriche et gérée par l'ONF. L’instrumentation mise en œuvre est relativement similaire à celle utilisée pour l’expérimentation TropiScat, introduite dans précédemment dans le 2.1, dont le but était l’étude de l'évolution temporelle de la cohérence et du coefficient de rétrodiffusion en bande P sur une parcelle de forêt tropicale à partir de mesures tomographiques verticales effectuées depuis le sommet d’une tour. En contraste avec l’instrument de l’expérimentation TropiScat, qui était fixé sur une tour, ce nouvel instrument est installé sur la nacelle d’un camion-grue. Cette originalité nous permet de déplacer le dispositif et d’effectuer des mesures tomographiques verticales à très haute résolution sur 9 parcelles, dont une imagée à deux dates, qui présentent des caractéristiques variées telles que : la biomasse, la présence de sous-bois, la pente, la répartition des arbres. Les données polarimétriques complètes sont acquises simultanément dans le but de mieux caractériser les différents mécanismes de rétrodiffusion associés au sol, au volume et à l'ensemble de la forêt.La chaîne de traitement des données tomographiques a été mise en place et l'ensemble du système a
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été validé. Les tomogrammes à résolution métrique ont été reconstruits et les profils verticaux ainsi que les contributions en fonction de leur localisation ont été déduits.
3.2.3. Résultats principaux
La faisabilité et l’intérêt d'un système d’imagerie verticale à haute résolution ont été démontrés. Les tomogrammes résultants ouvrent de nombreuses nouvelles perspectives dans l’étude des mécanismes fins de diffusion radar des forêts. L’ensemble des tomogrammes, des profils verticaux et des contributions obtenus sont présentés dans l’[Annexe Mesures tomographiques exhaustives].
En effet, l’analyse des données obtenues montre que les réponses du volume et du sol sont visibles sur les profils verticaux quelles que soient les polarisations. En outre, la rétrodiffusion du sol est élevée, même pour la polarisation croisée ce qui n’est pas un résultat attendu. Ces niveaux importants en HV sont associés à la présence de branches au sol ou de sous-bois, mais peuvent être aussi générés par les irrégularités du sol.
Sur les sites étudiés dans ce travail, le passage d’une parcelle avec pente montante à une parcelle avec pente descendante entraîne une diminution du HV de 2 dB, du VV de 5dB, et du HH de 6 dB. Par contre, avec deux parcelles identiques aux précédentes mais avec un sous-bois dense, le passage de la parcelle avec pente montante à la parcelle avec pente descendante entraîne une baisse du coefficient de rétrodiffusion d’environs 1 dB pour le HH uniquement. Ainsi, nous avons pu voir que les effets de la pente sur les mesures radars se sont variables en fonction du sous-bois : prépondérants quand le sous-bois est clairsemé et moins importants quand il devient plus dense.
Dans le cadre de l'étude basée sur l'analyse des paramètres biophysiques variables à court terme et dont les résultats ont été présentés plus tôt, nous avons pu voir que les variations de constante diélectrique dans les troncs, les branches ou le sol, signant la variation d'humidité à l'intérieur de ceux-ci, entraînaient des variations journalières de coefficient de rétrodiffusion pouvant aller jusqu'à 2 dB, et des variations annuelles de l'ordre de 3 dB. Ici, l'influence des paramètres constitutifs tels que la biomasse, la densité, la hauteur de la forêt, la présence de sous-bois ou la pente, produit des variations du coefficient de rétrodiffusion de l'ordre de 10 dB. On peut donc voir que les paramètres constitutifs ont une influence bien plus importante sur le coefficient de rétrodiffusion radar que les paramètres biophysiques liés à l'humidité interne des arbres.
En outre, nous avons pu voir que l’imagerie tomographique verticale à haute résolution permet de mesurer la rétrodiffusion détaillée du sol, du volume, du rapport volume / sol de manière précise, d’estimer la hauteur de la canopée, de connaitre la présence de sous-bois, et même si cela n'a pas été traité ici, de mesurer l’extinction de la canopée en inversant les profils verticaux de rétrodiffusion mesurés. En termes de relation avec les modèles, la séparation des contributions est une grande avancée car elle permet de comparer les données simulées avec les données mesurées pour différentes contributions et non plus uniquement pour la rétrodiffusion totale. Cette étude ouvre donc la voie à un travail d’amélioration des modèles puisque nous avons observé une réponse du sol qui, contrairement à ce qui était prédit, possède une composante non-négligeable en polarisation croisée, et des effets liés aux pentes qui mériteraient d’être mieux rendus au vu des résultats obtenus.
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L'amélioration de la vitesse de mesure de l'instrument permettrait d'augmenter le nombre de tomogrammes verticaux acquis depuis chaque position du camion. Ainsi, il sera possible d'imager plusieurs fois le même site, d'acquérir des tomogrammes avec des réflecteurs dans la scène afin de pouvoir calibrer les données, et d'imager plus de sites pour permettre une validité de l'analyse des résultats d'un point de vue statistique.
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