Complémentarité des sytèmes radar en bande L et lidar pour l'étude des terrains volcaniques : cas du Piton de la Fournaise

• Auteur / Autrice : Mélanie Arab-Sedze
• Direction : Frédéric Bretar, Essam Heggy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Fournaise, Piton de la (Réunion ; volcan)

Télédétection

Résumé

Cette thèse exploratoire prépare la mission américaine DESDynI (Deformation, Ecosystem Structure and Dynamics of Ice). Pour mieux comprendre et quantifier les sources de décorrélation des signaux radar, nous avons étudié la synergie entre des données interférométriques du capteur ALOS-PALSAR et des mesures LiDAR acquises au-dessus du volcan du Piton de la Fournaise (La Réunion, France) en 2008 et 2009. Nous nous sommes attachés à décrire les facteurs affectant la rétrodiffusion des micro-ondes par plusieurs types de terrains volcaniques : certains sont colonisés par une couverture végétale plus ou moins dense, d'autres sont nus et caractérisés par une grande hétérogénéité de propriétés physiques (coulées de lave a’a, pahoehoe ou pahoehoe « slabby » et lapilli). Les données LiDAR ont permis de construire un modèle numérique de terrain à haute résolution décrivant finement la morphologie du volcan. Nous l'avons utilisé pour soustraire la contribution topographique de la phase interférométrique. La carte des différences altimétriques a été utilisée pour analyser les variations de topographie susceptibles d'expliquer les pertes de cohérence observées au-dessus du cratère Dolomieu entre 2008 et 2009. Nous avons aussi calculé une carte de hauteur de canopée et montré que la cohérence diminuait lorsque cette variable augmentait. Enfin, l’intensité LiDAR a servi à classer les surfaces du fait de leurs signatures spectrales. Elle apporte une information complémentaire sur la nature des terrains, permettant une meilleure évaluation des phénomènes surfaciques et une meilleure compréhension des sources de décorrélation. En parallèle, les propriétés géométriques et physiques des surfaces ont été mesurées in situ en octobre 2011. A partir de photos numériques, nous avons généré des minis modèles numériques de terrain avec une résolution spatiale de 1,2 mm en utilisant un logiciel de photogrammétrie. Nous avons étudié la rugosité de surface des coulées de lave et des lapilli grâce à cinq paramètres statistiques : écart type des hauteurs, longueur de corrélation, paramètre Zs, indice de tortuosité et dimension fractale. Cette analyse nous a aidé à mieux comprendre les interactions entre les ondes et ces milieux : les surfaces rugueuses et poreuses telles que les coulées a’a produisent de la diffusion multiple et donc une perte de cohérence, alors que les surfaces plus lisses telles que les coulées pahoehoe sont plus cohérentes. Les pertes de cohérence au-dessus des lapilli ont principalement une origine volumique mais elles dépendent aussi de la constante diélectrique du milieu. Afin d’estimer la profondeur de pénétration des ondes dans le milieu, nous avons mesuré la permittivité relative complexe d'échantillons de roches volcaniques au laboratoire. Les résultats supposent une pénétration beaucoup plus importante dans les lapilli que dans les coulées de lave. Finalement, nous nous sommes intéressés à la densité de végétation : nous avons généré une carte de LAI (indice foliaire) à partir d’images SPOT 5 et avons montré une corrélation négative entre le LAI et la cohérence. Pour des valeurs de LAI supérieures à 7, la cohérence devient faible et le signal interférométrique est inexploitable.

This exploratory thesis prepares the U. S. DESDynI (Deformation, Ecosystem Structure and Dynamics of Ice) mission. To better understand and quantify the main errors affecting repeat-pass InSAR measurements, we studied the synergy between ALOS-PALSAR images and airborne LiDAR data acquired over the Piton de la Fournaise volcano (Reunion Island, France) in 2008 and 2009. We investigated how microwaves are affected by several types of volcanic terrains: some are covered by a vegetation canopy of variable density, others are bare surfaces that display a wide range of physical properties (a'a, pahoehoe or slabby pahoehoe lava flows, and lapilli). LiDAR data allowed us to build a high resolution digital terrain model of the volcano. We used it to remove the topographic contribution from the interferometric phase. The height anomaly map has been used to analyze the topographic variations of the volcano which may explain the loss of coherence observed over the Dolomieu crater between 2008 and 2009. We also calculated a canopy height model and showed that the higher the vegetation, the lower the coherence. Finally, the LiDAR intensity has been used to segment the image on the basis of the surface optical properties. It provides ancillary information on volcanic terrains, which allows to better evaluate the coherence loss terms. Additionally, the geometrical and physical properties of these surfaces have been measured in situ in October 2011. From digital photos, we have generated small digital terrain models at 1. 2 mm spatial resolution using an automatic image matching method. We studied the surface roughness of the lava flows and lapilli thanks to five statistical parameters: the standard deviation of height, the correlation length, the Zs parameter, the tortuosity index, and the fractal dimension. This analysis helped us better understand how electromagnetic waves interact with such media: rough and porous surfaces, such as the a’a lava flows, produce multiple scattering and then a loss of coherence whereas smoother surfaces, such as the pahoehoe lava flows, are more coherent. Decorrelation over the lapilli is mainly caused by volumetric effects but it also depends on the dielectric constant of the medium. To assess the penetration depth of the radar waves into the medium, we measured the complex relative permittivity of volcanic rock samples in the lab. Results suggest that the penetration depth is higher in lapilli than in lava flows. Finally, we studied vegetation density: we produced a map of LAI (Leaf Area Index) from a SPOT 5 images and showed that the LAI negatively correlated with the radar coherence. For LAI values higher than 7, the coherence is very low which means that InSAR measurements become difficult to do or even impossible. That InSAR measurements become difficult to do or even impossible.