Modélisation de la diffraction électromagnétique des surfaces végétalisées avec prise en compte de la topographie : application à l'étude des forêts tropicales et à la présence d'hydrocarbure sur le sol

par Jean-Pascal Monvoisin

Thèse de doctorat en Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence

Sous la direction de Pierre Borderies.


  • Résumé

    Ce travail se situe dans le cadre général de la modélisation cohérente de l'interaction des ondes électromagnétiques avec les surfaces végétalisées. Notre objectif a été de développer une approche de la simulation électromagnétique avec prise en compte de la topographie et des hétérogénéités de la végétation. La validation des résultats obtenus a été réalisée en s'appuyant sur de nombreuses mesures in-situ. Nous avons ensuite mis en œuvre cet outil de modélisation sur les deux problématiques suivantes. D'une part, nous nous sommes intéressés à l'étude des forêts tropicales dans un contexte d'inversion de propriétés bio-géophysiques (biomasse, humidité). D'autre part, nous avons introduit la prise en compte de la présence d'hydrocarbures essentiellement sur la végétation basse dans un contexte de caractérisation et d'exploration. Ce travail s'inscrit dans un programme de recherche et d'innovation en télédétection mené conjointement par l'ONERA et Total. La première étape a consisté à une écriture du code cohérent de simulation électromagnétique avec prise en compte du relief et de l'hétérogénéité de la végétation. Pour cela, le sol a été discrétisé en triangles et le volume en pentaèdres reposant sur le sol Après avoir validé notre code sur des exemples théoriques, nous avons pu étudier les effets du relief sur la rétrodiffusion radar. Pour les forêts tropicales, un modèle de description de la végétation a été mis en place à partir de mesures in-situ et d'observations directes. Ce modèle sert de données d'entrée pour notre code de simulation électromagnétique et nous permet ainsi de confronter nos simulations aux mesures aéroportées et de proximités acquises par l'ONERA sur deux sites en Afrique Des études de sensibilité aux paramètres d'entrée du code de simulation électromagnétique et du code de croissance sont présentées. En parallèle, des modèles de substitution au code numérique ont été mis en place pour effectuer l'inversion. Ces modèles sont moins coûteux à évaluer tout en restant précis. Une application à l'inversion est présentée : pour un jeu d'image radar, il s'agit de retrouver les caractéristiques bio-géophysiques de la forêt observée (humidités, biomasse...). Pour terminer, nous avons étudié les effets des hydrocarbures sur la rétrodiffusion radar pour une végétation basse. [...]

  • Titre traduit

    Electromagnetic diffraction of vegetable surfaces with topography : application to tropical forests and to the presence of hydrocarbon


  • Résumé

    This work is in the general frame of coherent modelling of interaction between electromagnetic waves and surfaces with vegetation. Our objective is to develop an approach of the electromagnetic simulation taking into account topography and vegetation heterogeneities. Simulation results have been validated using numerous in-situ measurements. The corresponding code is then used for two issues. First one is the study of tropical forests to retrieve bio-geophysical properties (biomass, moisture). Second one is the consideration of hydrocarbons with short vegetation in a context of hydrocarbons characterization and exploration. This work is part of a program of research and innovation in remote sensing conducted jointly by ONERA and Total. The first step consisted in writing the coherent electromagnetic simulation code, taking into account the relief and the heterogeneity of the vegetation. For this purpose, the forest is represented by a variable stacking of pentahedral volume elements (voxels) to match the triangular mesh of the ground and to follow the irregularity of the canopy. After validating our code on theoretical examples, we have been able to study the effects of the relief on radar backscattering. Then, a vegetation description model for tropical forests was developed based on in-situ measurements and direct observations. This model generates the input data for our electromagnetic simulation code and it permitted to compare simulations with airborne and proximity measurements acquired by ONERA on two sites in Africa. Sensitivity studies on the input parameters of both the electromagnetic simulation code and the growth code are presented. In parallel, substitution models for the numerical code have been developed to perform the inversion of the bio-geophysical features versus the polarimetric radar data. These models are much faster while remaining accurate. An application to retrieval is presented: it is possible to retrieve some bio-geophysical characteristics of one forest (moisture, biomass ...) from a radar image set. Finally, a study on the effects of hydrocarbons on radar backscatter with short vegetation is presented.[...]


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

Modélisation de la diffraction électromagnétique des surfaces végétalisées avec prise en compte de la topographie : application à l'étude des forêts tropicales et à la présence d'hydrocarbure sur le sol


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Informations

  • Sous le titre : Modélisation de la diffraction électromagnétique des surfaces végétalisées avec prise en compte de la topographie : application à l'étude des forêts tropicales et à la présence d'hydrocarbure sur le sol
  • Détails : 1 vol. (219 p.)
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