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Landier, Lucas. Modélisation 3D du bilan radiatif des milieux urbains par inversion d'images satellites en cartes de réflectance et de température des matériaux urbains

Landier, Lucas (2018). Modélisation 3D du bilan radiatif des milieux urbains par inversion d'images satellites en cartes de réflectance et de température des matériaux urbains.

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Résumé en francais

Du fait de son impact sur le climat urbain, le suivi temporel du bilan radiatif urbain Q*, avec prise en compte de sa variabilité spatiale, est un axe de recherche en développement. Q* est la différence entre l'éclairement (i.e., rayonnement incident) et l'exitance (rayonnement sortant) sur le domaine spectral qui englobe l'essentiel du rayonnement solaire (i.e., courtes longueurs d'ondes ) et de l'émission thermique terrestre (i.e., grandes longueurs d'ondes). Les images satellites optiques fournissent une information unique et indispensable mais très partielle, car uniquement pour la configuration d'observation (direction de visée et bandes spectrales du capteur satellite), alors que Q* est une quantité intégrée sur toutes les directions de l'espace et sur l'ensemble des courtes (Qsw*) et grandes (Qlw*) longueurs d'onde. Ces intégrations appliquées aux images satellites sont très compliquées du fait de la complexité de l'architecture tridimensionnelle (3D) urbaine, et de l'hétérogénéité spatiale des propriétés optiques et températures des matériaux urbains. Durant cette thèse, une approche originale a été conçue pour effectuer ces intégrations et ainsi obtenir des séries temporelles de cartes de Q* à la résolution spatiale des images satellites utilisées (i.e., Sentinel-2, Landsat-8, etc.). Elle s'appuie uniquement sur un modèle de transfert radiatif 3D, des images satellites et une base de données géométriques urbaine incluant le relief, le bâti (i.e., immeubles, maisons, routes, etc.) et la végétation (i.e., arbres, pelouses, etc.). De manière schématique, le modèle de transfert radiatif DART (www.cesbio.ups-tlse.fr/dart), développé au CESBIO, est utilisé en mode inverse pour transformer des images satellites en cartes de propriétés optiques et de température de matériaux urbains, puis en mode direct pour calculer des cartes de bilan radiatif par bande spectrale satellite Q*Δλ. L'intégration spectrale des cartes Q*Δλ donne alors les cartes Q* recherchées. Toute série temporelle de carte Qsw* est alors générée efficacement à partir de cartes d'albédo direct (i.e., black sky albedo) et diffus (i.e., white sky albedo) pré- calculées par DART avec la base de données géométrique urbaine et des cartes de propriétés des matériaux dérivées de l'image satellite la plus proche. Ces cartes sont complétées par des données externes thermiques pour la construction des séries temporelles. Cette approche a été conçue et mise au point avec 3 villes de géométries et propriétés optiques très diverses : Londres (Royaume-Uni), Bâle (Suisse), et Héraklion (Grèce). Le projet H2020 URBANFLUXES de la Communauté Européenne a utilisé les cartes de Q* simulées pour estimer les flux urbains de chaleur anthropogénique via le calcul du bilan énergétique urbain à partir d'images satellites. La précision de l'approche développée a été évaluée via l'écart relatif EL des luminances des images DART et satellites (EL < 2% pour toute bande spectrale) et via l'écart relatif EQ* des bilans Q* simulés et mesurés par les tours de flux. En 2016, |EQ*|< 4.5% pour la série temporelle de 321 cartes de Q* de Bâle, et |EQ*|< 4.4% pour les 278 cartes de Q* de Londres. Cette possibilité de dériver d'images satellites des cartes précises de Q* est très prometteuse au vu de la disponibilité croissante des bases de données urbaines et des séries temporelles d'images satellites à haute résolution spatiale, et de l'amélioration des modèles de transfert radiatif 3D.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Gastellu-Etchegorry, Jean-Philippe
Al Bitar, Ahmad
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Etudes Spatiales de la BIOsphère (CESBIO), UMR 5126
Mots-clés libres :Télédétection - Modélisation - Bilan radiatif - Urbain
Sujets :Physique
Déposé le :12 Dec 2018 11:16