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Cartographie de l'humidité du sol

9.4.1.1 Introduction

L'humidité du sol constitue un important paramètre dans de nombreuses applications en matière de ressources naturelles, comme la modélisation hydrologique, ainsi que les prévisions des débits et des inondations. Les données des RSO conviennent très bien à l'estimation de l'humidité du sol en raison de la dépendance de la constante diélectrique à l'humidité à ces fréquences. Comme le décrit l'ouvrage de Dobson et coll.Dobson et Ulaby , pour une condition du sol donnée (rugosité ou texture), on a constaté que la rétrodiffusion radar était linéairement dépendante de l'humidité volumique (Hv ) présente dans les 2 à 5 cm supérieurs du sol avec une corrélation r double tilda 0,8 to 0,9 (sigma, zero degrees = A+Bmv) .

La présence d'une couverture végétale amène la cartographie de l'humidité du sol à un autre niveau de complexité en raison de l'interaction des micro-ondes avec la végétation et le sol. Selon l'abondance de la végétation, ses propriétés diélectriques, sa hauteur et sa géométrie (taille, forme et orientation de ses parties composantes), la sensibilité de la rétrodiffusion des micro-ondes à l'humidité volumique du sol peut être considérablement réduite. On peut améliorer la capacité de cartographier efficacement l'humidité du sol en choisissant judicieusement les paramètres des images, comme l'angle d'incidence, la longueur d'onde et la polarisation.

On collecte souvent des images à angle d'incidence aigu, afin de réduire les contributions de la rugosité du sol à la rétrodiffusion et l'atténuation due à la biomasse au-dessus du sol. La rétrodiffusion est fortement influencée par l'irrégularité de la surface à des angles d'incidence supérieurs à environ 40°. Par conséquent, on recommande de collecter les images à un faible angle d'incidence pour estimer l'humidité du sol.

On a constaté que la bande C en polarisation HH était la plus sensible à l'humidité du sol et la moins sensible à la rugosité de surface en présence d'une faible biomasse. Dans les champs cultivés, à mesure que croît la couverture végétale, des ondes plus longues (p. ex. dans la bande L) sont nécessaires pour faire un suivi de l'humidité du sol pendant la saison de croissance Schmullius & Furrer Bouman & Hoekman. Dans les zones qui présentent une couverture arbustive ou forestière, seules de longues ondes, comme celles de la bande L ou, mieux encore, de la bande P, peuvent offrir le niveau de pénétration nécessaire à l'estimation de l'humidité du sol. Des données polarimétriques peuvent contribuer à l'estimation de l'humidité du sol en permettant de réduire les effets de l'irrégularité du sol ou de la végétation, ou d'en tenir compte.

9.4.1.2 Dépendance à la polarisation

La capacité d'estimer l'humidité du sol de surface (pour des profondeurs de 0 à 2,5 cm) à l'aide de polarisations et de paramètres polarimétriques divers des données obtenues avec le radar SIR-C a été signalée dans Sokol et al. Les données ont été recueillies sur des surfaces de sols dénudés dans le sud du Manitoba au cours de la période d'avril à octobre 1994. L'évaluation des données polarimétriques était limitée aux données dont les angles d'incidence variaient de 33º à 38º. Les paramètres polarimétriques étudiés comprenaient des polarisations synthétisées, linéaires ou circulaires, la puissance totaler, les rapports de copolarisation et d'orthopolarisation, la hauteur du socle et les différences de phases des canaux copolarisés (tableau 9-1)

Les données acquises à la fois en polarisations HH et VV étaient fortement corrélées avec l'humidité du sol (r = 0,86 - 0,87), alors que celles en polarisation HV étaient plus faiblement corrélées (r = 0,71). Une analyse de régression multiple utilisant diverses combinaisons de polarisations linéaires n'a pas indiqué d'amélioration appréciable dans l'estimation de l'humidité du sol.

Les rapports de copolarisation et d'orthopolarisation ne semblaient pas aussi efficaces pour l'estimation de l'humidité du sol que les données en polarisations HH ou VV, bien qu'ils aient été utilisés avec succès ailleurs pour réduire les impacts de la rugosité du sol et de la végétation pour des données acquises à des angles d'incidence plus petits Oh et al 1992.

La corrélation entre la différence de phases moyenne des canaux copolarisés (r = -0.35) et l'humidité du sol n'était pas très significative. Ce paramètre est souvent utilisé pour différencier les mécanismes de diffusion, relativement invariants dans ce cas et indicateurs de la diffusion de surface (réflexion simple). Par conséquent, cette faible corrélation n'était pas inattendue.

Les données obtenues avec le radar SIR-C dans le sud du Manitoba indiquent que les données des images acquises avec des polarisations et des paramètres polarimétriques divers présentent une intercorrélation élevée (tableau 9-2). Les rétrodiffusions HH, VV et DG ont indiqué la corrélation la plus élevée avec l'humidité du sol.

Tableau 9-1. Corrélation entre la rétrodiffusion radar et l'humidité du sol de surface (0 à 2,5 cm). [Tiré de Sokol et al).

Paramètre polarimétrique dans la bande C Coefficient de corrélation (r)
Résultats de la corrélation linéaire simple
Rétrodiffusion HH 0,86*
Rétrodiffusion VV 0,87*
Rétrodiffusion HV 0,71*
Puissance totale 0,87*
Rapport de copolarisation (HH/VV) 0,53*
Rapport de copolarisation (VV/HV) -0,79*
Rapport d'orthopolarisation (HH/HV) -0,74*
Hauteur du socle en copolarisation 0,82*
Rétrodiffusion DG 0,88*
Rétrodiffusion DD 0,68*
Différence de phases des canaux copolarisés -0,35
Résultats de corrélations linéaires multiples
HH + VV 0.87*
HH + HV 0.86*
VV + HV 0.87*
HH + VV + HV 0.79*

* statistiquement significatif à p < 0,05

Tableau 9-2. Corrélations entre les moyennes de rétrodiffusion enregistrées pour chaque polarisation linéaire et circulaire sur des champs dénudés. (Tiré de Sokol et al).

  HH VV HV Hauteur du socle RL
VV 0,99*        
HV 0,86 0,86      
Hauteur du socle 0,94 0,92 0,94    
RL 0,98 0,98 0,85 0,91  
RR 0,73 0,77 0,90 0,76 0,78

* coefficients de corrélation (r)

La figure 9-13 présente des exemples de signatures de copolarisation pour la rétrodiffusion des sols humides et secs. On a constaté que, pour des sols humides, où la pénétration dans le sol est faible, l'intensité est plus élevée en VV et la hauteur du socle est faible (0,2), indiquant une surface lisse où la diffusion de surface prédomine. Pour des sols plus secs, on n'obtient plus de maximum en VV, bien que la hauteur du socle demeure à 0,2, indiquant une surface lisse. Une pénétration accrue des micro-ondes dans le sol, dans des conditions de sécheresse, explique la similitude des réponses en polarisations HH et VV.

Figure 9-31

Figure 9-31

 

Figure 9-31. Signatures de copolarisation provenant de données obtenues avec le radar SIR-C pour, a) sols humides (30,5 % d'humidité, rugosité de la surface [moyenne quadratique] 17,4 mm) et b) sol sec (17,7 % d'humidité, rugosité de la surface [moyenne quadratique] 13,2 mm). [Tiré de Sokol et al).

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