Estimation de l'humidité du sol et de l'épaisseur optique de la végétation à partir d'observations micro-ondes passives en bande L : amélioration de l'algorithme SMOS-IC, fusion avec SMAP and évaluation

Abstract

Les observations satellitaires micro-ondes passives en bande L (1.4 GHz) sont un moyen inégalé pour estimer l'humidité du sol en surface (SM) et le contenu en eau de la végétation (via l'épaisseur optique de la végétation, VOD), qui sont deux variables essentielles pour le suivi du cycle de l'eau et du carbone. En particulier, l'indice L-VOD s'est récemment révélé très prometteur pour estimer la dynamique de la biomasse aérienne des forêts à des échelles continentales. Actuellement, il y a seulement deux missions satellitaires en bande L en opération: les missions SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) et SMAP (Soil Moisture Active Passive) qui sont en orbite depuis 2009 et 2015, respectivement. La fusion des observations de SMOS et SMAP pourrait potentiellement fournir de meilleures estimations de SM et VOD en bande L (L-VOD) pour des applications en hydrométéorologie et en écologie, et aussi maintenir la continuité du suivi des deux variables si un des capteurs tombe en panne. Aussi, obtenir un jeu de données fusionné SMOS/SMAP long terme et cohérent de ces deux variables essentielles est très important pour la recherche sur le climat en appui, par exemple, aux travaux du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat). Dans ce contexte, le but principal de ce travail de thèse a été de développer un jeu de données fusionné SMOS/SMAP (pour SM et L-VOD) qui soit précis et fiable. Ce travail de fusion s'est appuyé sur l'algorithme d'inversion SMOS-IC qui a récemment montré ses très bonnes performances en comparaison avec les algorithmes et produits officiels SMOS.Dans une première étape, l'étude s'est concentrée sur l'amélioration de SMOS-IC en testant (i) une approche de modélisation du transfert radiatif au premier-ordre (2-Stream) à la place de l'approche à l'ordre zéro (modèle Tau-Omega) utilisée originellement dans SMOS-IC (ii) une approche multi-temporelle permettant de mieux prendre en compte les variations temporelles lentes de l'indice de végétation L-VOD. Nous avons montré que la mise en œuvre du modèle 2-Stream dans SMOS-IC n'améliorait pas les performances de l'inversion. Par contre, l'approche multi-temporelle a montré de très bonnes performances et a conduit à la version 2 de SMOS-IC (V2). Une étude spécifique d'inter-comparaison du produit végétation SMOS-IC V2 L-VOD avec huit autres produits VOD (en bande X, C et L) a été conduite. Ce travail a révélé que les récents produits VOD ont des capacités complémentaires, dépendantes de l'algorithme utilisé et de la fréquence du capteur satellite, dans le suivi des différentes caractéristiques de la végétation.Dans une deuxième étape, nous nous sommes focalisés sur la fusion des données SMOS et SMAP. Un nouvel algorithme d'inversion mono-angulaire (appelé SMAP-IB), adapté à la fois aux observations SMOS et SMAP (qui est un capteur mono-angulaire), a été développé en s'appuyant sur l'algorithme multi-temporel de SMOS-IC V2. Nous avons appliqué SMAP-IB à des observations SMOS/SMAP de températures de brillance (TB), fusionnées grâce à une méthode d'ajustement sur une période mensuelle, pour développer un nouveau produit fusionné SMOS/SMAP (appelé SMOSMAP-IB). SMOSMAP-IB SM a donné les meilleurs résultats dans une évaluation utilisant un très large jeu de données in-situ, par rapport à d'autres produits SM de référence. SMOSMAP-IB L-VOD a aussi montré de très bonnes performances, similaires à celles du produit SMOS-IC L-VOD. En conclusion, cette thèse a conduit au développement de la version multi-temporelle (V2) de SMOS-IC et à un nouveau produit fusionné SMOS/SMAP (SMOSMAP-IB) couvrant la période 2010-présent qui a des performances excellentes à la fois pour SM et pour L-VOD. Le développement de SMOSMAP-IB constitue aussi une étude de référence pour l'intégration de différents jeux de données issus des futures missions satellites destinées au suivi de l'humidité du sol et de l'indice végétation VOD.