Les capteurs héliosynchrones dédiés à la couleur de l’eau

Richesse biologique et paysagère

   La zone littorale forme une bande étroite de quelques centaines à quelques milliers de mètres de part et d’autre de la ligne de rivage. Cette zone côtière représente environ 8% de la surface terrestre. Elle est constituée d’une mosaïque d’écosystèmes terrestres et aquatiques qui présentent un intérêt écologique exceptionnel par leur diversité, et un intérêt économique certain (Moksness et al., 2009). C’est dans cette zone côtière marine qu’en raison de l’intensité de la photosynthèse, la vie marine benthique s’y concentre. Dans les autres fonds marins, sauf exceptions, la biomasse est comparable à celle des déserts. Un grand nombre de communautés biologiques marines s’y sont développées, aussi diverses que les communautés intertidales, celles des marais, des herbiers de phanérogames, de grandes algues, des grottes sous-marines, des mangroves, des récifs dans les zones tropicales, etc. Ce sont les substrats eux-mêmes dépendants des courants et de la houle qui constituent un des facteurs principaux qui conditionnent la distribution de ces espèces benthiques, et donc des paysages sous-marins (Muzuka et Shunula, 2006). Les écosystèmes littoraux continentaux, c’est-à-dire ceux de la frange terrestre influencée directement ou indirectement par la mer ou sa proximité, comprennent toute une série de biotopes caractéristiques, tels que les dunes, les vases salées, les falaises,…La zone des embruns et des marées exceptionnelles présente des communautés d’espèces exceptionnelles, lichens maritimes, plantes halophiles et psammophiles, espèces de tourbières, etc… Elle accueille également des oiseaux marins, tributaires de la terre ferme pour se reproduire, au minimum durant la phase d’incubation. La zone intertidale ou estran (frange soumise au balancement des marées) est connue pour sa richesse biologique en invertébrés et en oiseaux. Les limicoles (petits échassiers) et certains Laridés, dépendent étroitement de cette zone. De même les oiseaux en migration et en hivernage sont également tributaires de la zone marine littorale. Les écosystèmes dunaires, quant à eux, sont les premiers menacés par la pression d’urbanisation et d’aménagement touristique du littoral. Or, ces dunes abritent de véritables trésors floristiques, des associations végétales rares, souvent même endémiques. Il a été estimé que près de 17% de la flore littorale est actuellement en danger (Lopes, 2009). Mais ces lieux de grande diversité biologique et paysagère sont soumis à de fortes pressions naturelles et anthropiques

Evolution historique

  Les zones d’estuaires, autres zones humides du littoral, ont également été marquées par l’empreinte de l’homme. Zones de rencontre de l’eau douce et de l’eau salée, pièges à sédiments, bordés de marais, abris de nombreux oiseaux migrateurs, les estuaires sont des lieux de passage obligé pour de nombreuses espèces de poissons (saumon, anguille, mulet, alose) et leurs vasières sont des zones de reproduction pour les poissons plats. Ces zones sont depuis des siècles, partout dans le monde, des zones privilégiées des établissements humains et donc des activités économiques. L’aménagement de ces estuaires a conduit à draguer des quantités énormes de sédiments qui ont été le plus souvent déposés à terre, et ont accentué les atterrissements (dépôt d’alluvions) et comblements de la partie amont des estuaires. Ces terrains gagnés sur la mer, et marécages ont été accaparés par l’agriculture qui pendant longtemps fut de type extensif, comme l’élevage de bovins par exemple (Landais et Balent, 1993). C’est vers la fin du siècle dernier, avec la révolution industrielle et technique, qu’est apparu un nouveau rapport de l’homme au paysage. Les estuaires et leurs zones portuaires facilitent l’accès et l’échange des matériaux et produits, ce qui a entraîné l’implantation d’industries lourdes ; celles ci exigent à leur tour de meilleures conditions d’accès et encouragent ainsi la modification des infrastructures portuaires. L’augmentation de la taille des bateaux a fait déplacer les activitésportuaires vers l’aval (Fos, Le Havre, Donges) ce qui a eu pour conséquence de recouvrir des milliers d’hectares fertiles par des remblais stériles. Tous ces développements ont eu un impact important sur le reste des activités économiques et sur la dynamique écologique propre des estuaires. Tout cela a entraîné une urbanisation du littoral, l’impact sur l’environnement se limitant toutefois à quelques gros noyaux industriels et urbains mais avec toutes les nuisances chimiques d’origine domestique ou industrielle qui, le plus souvent, en découlent (Ifremer, 1996). Toutefois, la cassure profonde date des années 50 et 60, avec le développement de l’agriculture intensive et surtout l’arrivée du tourisme de masse. L’agriculture intensive implique une irrigation massive, la nécessité de drainage, l’emploi de produits phytosanitaires. Tout cela est généralement facteur de déséquilibres écologiques et préjudiciable à toutes les catégories socioprofessionnelles exploitant les zones humides côtières. Avec le tourisme de masse, le littoral se dote alors d’infrastructures lourdes qui ont un impact essentiel sur le paysage et sur les écosystèmes fragiles du littoral : autoroutes, bases de loisirs, centres d’hébergement, marinas, lotissements, complexes hôteliers, ports de plaisance se multiplient, morcelant le paysage terrestre et empiétant sur le domaine maritime. Ces aménagements prennent le plus souvent une tournure conflictuelle (Cadoret et al., 2012).

Pollution chimique

   Le problème majeur de ces zones littorales marines à forte densité de population est la pollution des eaux par les rejets telluriques (agglomérations, usines, fleuves). Ces eaux charrient jusqu’à la mer huiles usagées, déchets ménagers, germes bactériens, matières organiques, engrais, des molécules à risque, métaux lourds, pesticides, herbicides… L’emploi des biocides est largement répandu en milieu agricole, urbain et domestique (lutte contre les insectes, champignons, végétaux,..). Des substances nouvelles de plus en plus actives et de plus en plus nombreuses sont synthétisées par l’industrie (Babut et Miege, 2005). Ces substances provoquent une altération de la qualité de l’eau de mer conduisant à des effets néfastes sur l’exploitation des ressources vivantes (pêche, aquaculture), sur la santé humaine (produits insalubres, plages et eaux de baignade polluées), sur l’économie touristique, et sur la faune et la flore marines, conduisant à des communautés marines moins diversifiées. Le problème réside surtout dans le devenir de ces molécules dans le milieu marin, la difficulté de les détecter, et la connaissance des mécanismes d’accumulation dans tous les maillons des réseaux trophiques. Sachant que tous les polluants ne se comportent pas de la même manière selon les conditions du milieu, que le métabolisme de chaque espèce introduit également de fortes variations, que les polluants ne se concentrent pas de la même manière selon les organes des organismes marins (foie, muscle, rein), on comprend les difficultés à apprécier les risques encourus par le milieu et les répercussions sur la santé humaine. Le risque est aussi grand que certaines de ces substances persistantes et présentes à l’état de traces viennent modifier les caractères génétiques des espèces (Sasaki et al., 1997).

Les capteurs héliosynchrones dédiés à la couleur de l’eau

   Le 1er capteur dédié à l’observation de la couleur de l’océan a été CZCS (Coastal Zone Color Scanner), embarqué sur le satellite Nimbus-7 et lancé en 1978 comme mission expérimentale. Le capteur a été conçu pour fonctionner pendant un an mais il est resté en service jusqu’à 1986. CZCS était un radiomètre multi-bandes de 6 canaux, à une résolution de 800 mètres. Les données de CZCS ont été principalement utilisées pour cartographier la concentration en chlorophylle dans les eaux du cas 1 (Hovis, 1981). Après CZCS, il y a eu 10 ans d’absence de capteur « couleur de l’eau » jusqu’au lancement du satellite IRS-P3 (Indien) en 1996 (Smith, 1978) avec le capteur MOS (Modular Optoelectronic Scanner) développé par l’Etablissement de Recherche Aérospatiale Allemande (DLR). Un mois après, une copie de MOS a été lancée pour la mission PRIRODA (Russe) (Zimmermann et al., 1993) qui a installé le capteur MOS sur un module de la station spatiale MIR. Toujours en 1996, un autre capteur japonais dédié à la couleur de l’océan, OCTS (Ocean Color and Temperature Scanner, Fukushima et al., 2000), embarqué sur le satellite ADEOS (NASDA, Japon) a été lancé. Ce satellite a malheureusement cessé son activité 10 mois après son lancement. Ensuite, le capteur SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor), embarqué sur le satellite SeaStar (NASA), a été lancé en août 1997 (Brown et al., 2006). D’après Antoine (1998), les 5 ans entre 1997 à 2002 constituent une « période d’essai ». De nombreux instruments basés sur des principes différents et des caractéristiques variables ont été lancés pour tester des techniques et pour préparer le terrain au développement d’une nouvelle génération d’instruments. Pendant cette période, nous avons vu le lancement de capteur OCM (Ocean Colour Monitor, Inde) (Nieke et al., 1997), OSMI (Ocean Scanning Multispectral Imager, Corée), MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer, Europe) (Curran et Steele, 2005), MODIS-Aqua (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, USA) et COCTS (Chinese Ocean Colour and Temperature Scanner, Chine). La NASA a mis en orbite en 2011 le capteur VIIRS (Schueler et al., 2002) qui étend et améliore une série de mesures initiées par AVHRR et MODIS.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Télédétection et zones côtières
1.1. Caractérisation des zones côtières et leurs problématiques
1.1.1 Richesse biologique et paysagère
1.1.2 Pressions naturelles
1.1.3 Pressions anthropique
1.2. Paramètres des capteurs d’observation
1.2.1 Résolution spatiale
1.2.2 Résolution spectrale
1.2.3 Rapport signal sur bruit
1.2.4 Résolution radiométrique
1.2.5 Résolution temporelle
1.3. Résolutions nécessaires en zones côtières
1.4. Optique marine en zones côtières
1.4.1 Paramètres qui influent sur la couleur de l’eau
1.4.2 Quelques modélisations
1.5. Images satellites disponibles pour étudier les zones côtières
1.5.1 Les capteurs héliosynchrones dédiés à la couleur de l’eau
1.5.2 Les capteurs héliosynchrones à haute résolution spatiale
1.5.3 Les capteurs hyperspectraux
1.5.4 Les capteurs géostationnaires
1.6. Les futurs MSI (Sentinel-2) et OLCI (Sentinel-3)
1.6.1 Présentation de MSI (Sentinel-2)
1.6.2 Présentation d’OLCI (Sentinel-3)
1.7. Recours à la fusion
1.8. Ce qu’il faut retenir
Chapitre 2 Méthodologie générale et simulation d’images
2.1. Méthodologie générale
2.2. Simulation des images
2.2.1 Etat de l’art sur la simulation d’images
2.2.2 Les images du spectro-imageur HICO
2.2.3 Choix de la zone d’étude et de l’image
2.2.4 L’image HICO utilisée
2.2.5 Simulation des images MSI (Sentinel-2) et OLCI (Sentinel-3)
2.2.6 Discussion sur le domaine spectral
2.2.7 Discussion sur les résolutions spatiales
2.2.8 Simulation de l’image de référence pour la validation
2.3. Ce qu’il faut retenir
Chapitre 3 Présentation des différentes méthodes de fusion
3.1. Etat de l’art
3.1.1 Différents niveaux de fusion
3.1.2 Fusion d’images panchromatique et multispectrale
3.1.3 Fusion d’images multispectrales
3.1.4 Fusion d’images multispectrale et hyperspectrale
3.2. Adaptation de la méthode ARSIS à la fusion de 2 images multispectrales
3.2.1 Concept ARSIS original
3.2.2 Adaptation de la méthode ARSIS à la fusion d’images multispectrales
3.3. Méthode de fusion CNMF basée sur la Factorisation en Matrices Nonnégatives
3.3.1 Généralités sur les NMF
3.3.2 Utilisation des NMF pour la fusion d’images multi et hyperspectrales
3.3.3 Algorithme de fusion CNMF
3.3.4 Convergence et critère d’arrêt
3.3.5 Initialisation de la matrice de endmembers
3.4. La méthode de fusion de type factorisation en tenseurs non négatifs 
3.4.1 Généralité sur les tenseurs
3.4.2 Algorithme de Tucker Non-négatif
3.4.3 Utilisation du modèle de Tucker Non-négatif pour la fusion d’images multi et hyperspectrales
3.4.4 Algorithme de fusion par les tenseurs
3.4.5 Convergence et critère d’arrêt
3.5. La méthode de type Inversion
3.6. Limites de la fusion
3.6.1 Corrections atmosphériques
3.6.2 Recalage entre les images
3.6.3 Ratio entre les résolutions des images d’entrée
3.6.4 Ecart entre les temps d’acquisition
3.7. Ce qu’il faut retenir
Chapitre 4 Comparaison des méthodes
4.1. Préambule à la fusion d’images multispectrales
4.1.1 Corrections atmosphériques
4.1.2 Recalage entre les images
4.1.3 Ratio entre les résolutions des images à fusionner
4.1.4 Ecart entre les temps d’acquisition
4.2. Critères de comparaison des méthodes de fusion
4.2.1 Comparaison visuelle
4.2.2 Comparaison sur la base de paramètres statistiques
4.2.3 Comparaison sur la base d’estimation de paramètres biophysiques
4.2.4 Temps de calcul
4.3. Résultats sur la fusion MSI et OLCI (images simulées)
4.3.1 Comparaison visuelle
4.3.2 Comparaison sur la base de paramètres statistiques
4.3.3 Comparaison sur la base d’estimation de paramètres biophysiques
4.3.4 Temps de calcul
4.4. Résultats sur la fusion ETM et MERIS (images réelles)
4.4.1 Comparaison visuelle
4.4.2 Comparaison sur la base de paramètres statistiques
4.5. Discussion
4.5.1 Méthode dérivée d’ARSIS
4.5.2 Méthode CNMF
4.5.3 Méthode basée sur les tenseurs
4.5.4 Méthode basée sur l’inversion et l’optimisation
4.6. Ce qu’il faut retenir
Conclusion et Perspectives
Publications associées à cette thèse
Références
Table des figures
Table des tableaux
Annexe : Article publié

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