Le développement du LiDAR satellitaire multifonctions. Analyse exploratoire du potentiel de capteurs LiDAR pour le suivi altimétrique et bathymétrique des surfaces en eau continentales et côtières.

multifunction Lidar prototypes analysis for continental waters altimetry and bathymetry

• Auteur / Autrice : Hani Abdallah
• Direction : Nicolas Baghdadi, Jean-Stéphane Bailly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques
• Date : Soutenance le 14/09/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TETIS - Télédétection Environnement Télédetection et Information Spatiale
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Baghdadi, Jean-Stéphane Bailly, Christophe Delacourt, Laurent Polidori, Francesco Zucca, Bruno Cugny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Delacourt, Laurent Polidori

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites

Détecteurs à fibres optiques

Traitement du signal

Radioaltimètres

Lidar

Mots clés libres

Lidar

Altimétrie

Bathymétrie

Satellite

Traitement du signal

Modélisation optique

Lidar

Altimétry

Bathymétry

Satellite

Signal processing

Optical models

Résumé

Disposer de données précises, spatialisées et actualisées sur les niveaux et les profondeurs des eaux côtières ou continentales est nécessaire pour assurer et anticiper une meilleure gestion des eaux littorales et continentales. Parmi les techniques de télédétection de suivi de la bathymétrie et d'altimétrie des eaux, le LIDAR apparaît, de par son potentiel de précision, de résolution et de répétitivité spatiale des mesures, comme une technique adaptée et prometteuse, déjà éprouvée sur des plateformes aéroportées.L'objectif de cette thèse est d'évaluer le potentiel du transfert de la technologie LiDAR sur satellite pour estimer l'altimétrie et la bathymétrie des eaux de surfaces continentales et côtières. Une approche expérimentale basée sur des données LiDAR réelles, puis une approche théorique basée sur des formes d'onde LiDAR simulées ont été utilisées pour explorer les performances de capteurs LiDAR satellitaires.Dans une première partie, la qualité des données altimétriques du capteur LiDAR satellitaire GLAS/ICESat fut évaluée pour le suivi de l'altimétrie de plans d'eau. La méthode d'évaluation développée repose sur la prise en compte des phénomènes d'autocorrélation des mesures successives lors des comparaisons de l'élévation GLAS/ICESat avec les niveaux d'eau mesurés aux stations hydrométriques. Les précisions estimées sont de l'ordre de 12 cm.Dans une seconde partie, un modèle de simulation des trains d'ondes LiDAR a été développé. La confrontation des simulations issues du modèle par comparaison à des trains d'ondes observés par des capteurs satellitaires et aéroportés a été effectuée.Dans une dernière partie, les performances de deux configurations de potentiels capteurs LiDAR spatiaux émettant dans l'UV (355 nm) ou dans le vert (532 nm) ont été évaluées à partir des formes d'ondes simulées suivant des distributions globales des différents paramètres de l'eau assumées comme représentatives à l'échelle mondiale et pour quatre types d'eaux différents. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour identifier et ordonner les paramètres environnementaux qui influent le plus sur l'écho LiDAR du fond de l'eau, signal déterminant dans la faisabilité de la mesure bathymétrique. Ensuite, les probabilités de mesure de la bathymétrie ainsi la précision sur l'estimation de la bathymétrie ont été calculées suivant un plan d'expérience qui respecte les distributions globales des paramètres d'eau. Cette thèse propose une méthodologie globale, point de départ pour explorer les performances globales et les facteurs limitant de futurs capteurs LiDAR satellitaires dédiés totalement ou partiellement à l'altimétrie et la bathymétrie des eaux côtières et continentales.

Possessing accurate, spatial and current data on the water levels and the depths are necessary for anticipation and better management of coastal and continental waters. Among the remote sensing techniques to monitor the water bathymetry and altimetry, the LIDAR appears as an adapted and promising technique, already proven on airborne platforms, because of its potential accuracy, spatial resolution and repeatability of measurements. The objective of this thesis is to evaluate the potential of the transfer technology on satellite LiDAR to estimate the water altimetry and bathymetry of continental and coastal areas. An experimental approach based on actual LiDAR data and a theoretical approach based on simulated LiDAR waveforms were used to explore the performance of satellite LiDAR sensors.In the first part, the altimetry data quality from the satellite LiDAR sensor GLAS / ICESat was evaluated in order to monitor the altimetry of water bodies. The evaluation method developed is based on the consideration of the autocorrelation phenomena of successive measurements when comparing the elevation GLAS / ICESat with water levels measured at gauging stations. Accuracies are estimated in the order of 12 cm.In the second part, a simulation model of LiDAR waveform has been developed. The confrontation between simulations from the model compared to observed waveform provided by satellite and aircraft sensors was performed.In the last section, the performance of two space borne LiDAR emitting in the UV (355 nm) or the green (532 nm) were evaluated using a methodology based on waveform simulation following aggregate distributions of various water parameters assumed to be representative on a global scale and for four different types of water. A sensitivity analysis was performed to identify and order the environmental parameters that influence the most the LiDAR bottom echo of the water signal in determining the feasibility of measuring bathymetry. Then, the probability of measuring water depth and the accuracy of estimating the bathymetry were calculated according to an experimental design that meets the global distributions of water parameters. This thesis proposes a global methodology, a starting point to explore the overall performance and the limiting factors for future satellite LiDAR sensors totally or partially dedicated to altimetry and bathymetry of coastal and inland waters.