Étude des dynamiques du réservoir hydrologique continental de surface par réflectométrie GNSS : de l’in-situ au spatial

– Pierre Zeiger, Université Paul Sabatier, Toulouse –

Résumé :

Les variations spatio-temporelles du cycle de l’eau restent aujourd’hui sujettes à de nombreuses incertitudes. Pourtant, la ressource en eau est d’une importance capitale pour la vie sur Terre et les populations humaines, sur les plans sanitaire, de l’industrie et de l’agriculture. Les écosystèmes naturels dépendent aussi de la disponibilité de l’eau, et les interactions entre les cycles énergétique, hydrologique et biogéochimiques ont des répercussions directes et importantes sur le climat. Dans le cadre de l’adaptation au changement climatique, de nombreuses politiques publiques et actions environnementales ont besoin d’estimations fiables des stocks d’eau et de leur évolution dans le temps. Cela nécessite la connaissance des niveaux d’eau et de l’étendue des zones inondées, qui est actuellement très mal contrainte. En particulier, dans les grands bassins tropicaux de l’Amazone et du Congo, la plupart des techniques de télédétection sont limitées par les denses forêts tropicales. Les seules cartes globales avec des longues séries temporelles ont été dérivées de capteurs micro-ondes passifs (par exemple GIEMS), et leur résolution spatiale de 25 km est trop faible pour de nombreuses applications hydrologiques. Cette équation en apparence insoluble peut bénéficier de l’apport de la réflectométrie GNSS, ou GNSS-R. Il s’agit d’une technique de télédétection consistant à capter les signaux GNSS en bande L d’ordinaire utilisés pour le positionnement, pénétrant mieux la végétation que les mesures micro-ondes à plus hautes fréquences, après qu’ils aient été réfléchis par la surface terrestre. Les signaux réfléchis sont notamment sensibles à la présence d’objets d’eau. Les applications hydrologiques incluent à la fois le suivi de niveaux d’eau à l’échelle locale, et la détection de grandes zones inondées dans les forêts tropicales. Ce dernier point a été rendu possible par le lancement en 2016 d’une mission GNSS-R spatiale collectant de nombreuses observations sur la bande intertropicale, nommée CYGNSS. Les différentes applications hydrologiques et échelles spatiales ont été au cœur de mon travail de thèse. Tout d’abord, j’ai étudié la problématique locale du suivi des niveaux d’eau sur les rivières par GNSS-R in-situ. Les méthodes existantes étaient développées pour des cas d’étude océaniques, et limitées sur les rivières du fait de mesures plus bruitées, d’un nombre de satellites GNSS visibles plus faible, ainsi que de variations plus rapides des niveaux d’eau. Tout cela engendrait un bruit important que j’ai pu filtrer grâce à l’ajout de méthodes itératives aux techniques existantes. Le résultat permet de calculer les niveaux d’eau des rivières pour des variations de hauteurs d’eau allant jusqu’à 1 mm/s. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour le suivi des crues à l’aide d’une instrumentation à bas coût. Le second axe de mon travail a consisté à étudier la dynamique des inondations avec CYGNSS, sur toute la bande intertropicale. Une première étude a permis de constater que les variables dérivées des observations CYGNSS peuvent détecter les eaux de surface, malgré l’influence d’autres paramètres géophysiques sur le signal: humidité des sols, biomasse, rugosité de la surface réfléchissante (eau ou sol), entre autres. Une classification dynamique de ces variables a permis d’extraire une cartographie à 0,1° de résolution spatiale des zones inondées. Une seconde étude visait ensuite à extraire, à partir des variables CYGNSS, la fraction d’eau contenue dans chaque pixel de manière hebdomadaire. Pour cela, j’ai implémenté une régression linéaire dont les paramètres varient selon la densité de la biomasse (qui atténue le signal GNSS). Les résultats montrent des dynamiques spatiales et temporelles très similaires à plusieurs cartes régionales et à GIEMS, tout en pointant certains biais de ce dernier. Les fractions d’eau CYGNSS permettent une détection presque exhaustive des grandes zones inondées dans la bande intertropicale, et l’étude de leur dynamique saisonnière.

Membres du jury :

• M. Adriano CAMPS (UPC, Barcelona, Rapporteur)
• Mme Marie-Paule BONNET (IRD, Rapporteure)
• M. Manuel MARTIN-NEIRA (ESA, Examinateur)
• Mme Catherine PRIGENT (CNRS, Examinatrice)
• M. Mehrez ZRIBI (IRD, Examinateur)
• M. Nicolas BAGHDADI (INRAE, Examinateur)
• M. Frédéric FRAPPART (INRAE, Directeur de thèse)
• M. José DARROZES (UPS, Co-directeur de thèse)

Lien Zoom :

https://inrae-fr.zoom.us/j/6427971008