Traitement spécifique des données satellitaires applique a l’océanographie biologique

Algorithmes d’extraction des paramètres marins

Les réflectances marines mesurées in situ ont donc des caractéristiques spectrales bien différentes selon qu elles concernent des eaux du cas 1 ou 2 de la classification de Morel.
Ainsi, pour de l eau du cas 1 ne contenant que du phytoplancton et des substances associées, la réflectance est d autant plus faible à 440 nm que la concentration est plus forte (figure !.5) en raison du pic d absorption spécifique de la chlorophylle à cette longueur d onde. La réflectance à 550 nm est par contre très peu dépend ante de 1 a concentration et devient supérieure à celle à 440 nm pour les eaux riches en chlorophylle.

LE CAPTEUR CZCS ET SON TRAITEMENT PROPRE POUR LA CORRECTION ATMOSPHERIQUE

La rédaction de ce chapitre est le résultat d’une compilation bibliographique agrémentée de discussions avec quelques spécialistes des problèmes de correction atmosphérique. On y présente les caractéristiques du capteur CZCS et les différentes étapes du traitement de ses données.
Le traitement est assez complexe. En effet, d•une part les calibrations du capteur ne sont pas fiables, ce qui compromet 1 étalonnage des mesures en luminance, et d autre part ce capteur n• a pas été conçu pour permettre une correction précise des effets atmosphériques.
Le traitement comprend deux étapes principales.
Dans la première s’effectue 1 étalonnage des données en luminances. Des valeurs d’étalonnage ont été calculées avant le lancement du satellite.
Cependant, ces valeurs doivent être légèrement modifiées pour tenir compte des changements intervenus après le lancement. De plus, la sensibilité de CZCS décroît nettement avec le temps, vraisemblablement à cause d un encrassement des détecteurs, ce qui oblige à modifier encore ces paramètres d’étalonnage en fonction du temps écoulé depuis le lancement du satellite.
Dans la deuxième étape, sont corrigés les effets atmosphériques. Si les effets atmosphériques constants, c•est à dire ne dépendant que de la géométrie d’observation, peuvent être éliminés avec une bonne précision, il n’en est pas de même pour les effets dus aux aérosols pour la correction desquels un certain empirisme est de règle.

Caractéristiques du capteur

Le capteur mu lti spectral CZCS (Coast a 1 Zone Co lor Scanner), embarqué par le satellite NIMBUS 7, possède six canaux dont quatre dans le domaine visible, un dans le proche infra-rouge et un dans infra-rouge moyen ( v o i r t ab 1 e au I. 1 ).

Elimination des effets atmosohriques

Après étalonnaqe des données en réflectance, l’étape la plus importante et la plus délicate dans lll traitement des données CZCS réside dans la correction de la modification du signal ?U cours de son trajet dans l’atmosphère (Gordon, Clark, 1q7s; Gordon, 1978 ; Quenzel, Kaestner, 1980 ; Sturm, 198lb ; Viollier et al, 1980a ; Nykjaer et al, 1984). Cette correction est en qrande partie possible qrâce au canal 4 de CZCS (670nm).
En effet, la réflectance issue de l’eau claire dans ce canal est nulle et on peut ainsi estimer approximativement l’absorption par la vapeur d’eau et les particules en suspension contenues dans l’atmosphère (aérosols).
Cependant, la réflectance marine dans ce canal devient non néqliqeable dans le cas d’eau fortement turbide, ce qui peut être le cas pour les eaux côtières au nord du Golfe du Lion. Il convient donc de différencier dans le canal 670 n~ la réflectance issue des aérosols de celle issue d’une eau à teneur en particules relativement élevée.
D’autre part, ce canal ne donne pas d’indication permettant la détermination de l’exposant d’Anqstri:im, n. Or ce paramf.tre est nécessaire à l’extrap0lation de la fraction de réflectance absorbée par les aérosols pour les autres lonqueurs d’onde, et sera estimé statistiquement, ~ défaut de mesure précise.
Le canal proche infra-rouqe serait plus approprié que le canal rouqe (670 nm) à donner une mesure de l’épaisseur optique des aérosols, à cause de la plus qrande sensibilité de ces lonqueurs d’onde au trouble atmosphérique.
Malheureusement, la dynamique très faible de ce canal ne permet pas son utilisation pour la correction atmosphérique.
La modélisation analytique du siqnal permet d’écrire la réflectance totale, Rtot’ reçue par le capteur hors de l’atmosphère pour une longueur d’onde donnée, sous la forme:

LE TRAITEMENT DE L’IMAGERIE SATELLITAIRE AVHRR ET CZCS

Sélection et lecture des données

Les données émises par 1 e sa te 11 ite sont transcrites directement sur bandes magnétiques à la station de réception et recopiées partiellement pour les utilisateurs en fonction de leur région d’étude.
Le premier document de travail est une image dite « Quick Look » de l’ensemble de la scène disponible, sous une forme généralement dégradée (un pixel sur quatre, par exemple). La figure I.l2a montre un exemple de quick look d’image NOAA. Ces images servent à estimer la qualité de la scène c:>t la présence ou non de couverture nuaqeuse, ainsi qu’à sélectionner la portion d’image couvrant la zone d’étude.
Ces données sont lues sur bande pour chaque canal du satellite et stockées sur disque. Pour les images AVHRR, plusieurs corrections peuvent être effectuées à ce stade du traitement (traitement à la volée) comme l’étalonnaoe des données en température en fonction de valeurs étalon internes au capteur et/ou une correction géométrique des images permettant de corriger les déformations dues à 1.:1 courbure terrestre, à l’ anqle de visée, ainsi qu’à la rotation de la Terre pendant le défilement du satellite et d’obtenir ainsi des pixels de surface constante sur toute l’image (figure I.l2b). La correction des effets atmosphériques par une technique de split-window est faite ultérieurement.
Pour les données CZCS, la calibration des données en réflectance est faite en même temps que la correction atmosphérique, une fois l’imaqe sélectionnée. La fiqure 1.13 représente une image quick loock CZCS fournie par la station de réception de Dundee, ainsi que la grille adéquate permettant de sélectionner la zone d’intérêt.

Rectification géométrique

L’étape la plus importante dans la suite du traitement consiste en la mise en forme des documents cartographiques grâce à une recti fic at ion géométrique des images. En effet, celles-ci sont déformées par 1•angle de prise de vue, différent pour une zone donnée en fonction de 1 1 orbite sélectionnée pour 1•acquisition de l 1 image.
Cette rectification permet 1• obtention de documents conformes au fond de carte souhaité, ainsi que la superposition à 1 1 image d•une grille en latitude et longitude facilitant le repérage.
c’est une projection Lambert qui est ici retenue, la même que celle déjà utilisée dans la rectification des thermographies à haute résolution du capteur AVHRR sur notre étude de la dynamique de la nappe de dilution de surface du Rhône.
Le programme de rectification utilisé pour toutes les images fait partie du logiciel de traitement d•image développé et mis au point au CTAMN (Albuisson, Monget, 1978; Albuisson, 1980). Il consiste en l l’ acquisition d•un certain nombre de couples d•amers successivement sur l l’ image à traiter et sur une image de référence déjà rectifiée suivant une carte IGN au 1/1 000 000 dressée en projection Lambert.
Contrairement à la méthode appliquée sur des zones de pleine mer nécessitant l•utilisation de paramètres orbitaux, celle-ci est réalisable grâce à la proximité du continent sur la zone méditerranéenne étudiée. Dix à quinze couples de points suffisent à obtenir une rectification correcte de l’ image si leur répartition spatiale est satisfaisante. Un algorithme de comparai son sur critère statistique permet après va 1 id a ti on des amers d•améliorer leur positionnement. L•ajustement du modèle de déformation par rapport à chaque couple de points permet d 1 éliminer ceux qui sont défectueux jusqu•à obtenir un écart-type inférieur au demi-pixel pour le calcul du nouveau polynôme de déformation qui sera finalement appliqué.

PRESENTATION DES DONNEES

Les données de télédétection

Les images des satellites issus de la série NOAA

Les données sont transmises directement sous forme numérique par le satellite à la station de réception au sol du Centre de Météorologie Spatiale de Lannion qui enregistre chaque scène sur bande magnétique. Les scènes claires concernant la Méditerranée sont envoyées au C.T.A.M.N. (Centre de Télédétection et d’Analyse des Milieux Naturels), à Sophia Antipolis.
De mars 1979 à septembre 1983, plus de 150 images du golfe du Lion ont été traitées au CTAMN. Environ 120 sont d’une très bonne qualité grâce au contraste thermique important et à la faible teneur de l’atmosphère en vapeur d’eau.
L’absence générale de nuages sur les images sélectionnées est en accord avec les faibles valeurs de nébulosités estimées les mêmes jours et situées entre 0 (le plus souvent) et 3 actas.
On dispose ainsi d’un échantillonnage d’images étendu sur plusieurs années et recouvrant toutes les saisons ainsi que toutes les conditions météorologiques pouvant se présenter dans le golfe du Lion. La figure
II.1 représente la thermographie AVHRR du 17/10/81. La résolution en température est de 0,2 degrés et permet la délimitation de nombreux fronts thermiques. On y distingue le panache du Rhône, plus froid, ainsi que l’upwelling de Cassis, tous deux apparaissant en clair.

Les données du satellite NIMBUS-?

L’achat de plus de 70 images de bonne qualité contenant les données CZCS a permis de couvrir un éventail complet des situations météorologiques et hydrologiques rencontrées dans le golfe du Lion. Ces scènes, dont la couverture nuageuse est nulle, sont réparties sur toutes les saisons, de 1979 à 1982 (tableau II.1).

Les situations par vent de secteur Nord-Ouest à Sud-Ouest

Par vent d’Ouest, la nappe thermique superficielle est toujours étirée vers le Sud-Est. La figure II.19 donne un exemple de la situation hydrologique le 12 décembre 1979 tandis que la figure II.20 montre la superposition des tracés de la nappe pour quatre situations typiques de vent d’Ouest. Les vents de Sud-Ouest sont très peu fréquents et la situation associée n’est visible que sur trois thermographies AVHRR. Ils ont pour effet de pousser légèrement la nappe vers le Nord-Est en direction du golfe de Fos. Dans les trois cas observés, l’incursion est de courte durée (moins de 24 heures).
Les données météorologiques quotidiennes montrent effectivement que les vents de Sud-Ouest sont toujours transitoires.
Dans l’ensemble, les situations par vent de secteur Ouest sont assez rares et semblent réparties sur toute l’année. De plus, les nuages associés empêchent généralement l’observation par satellite.

Exemple d’évolution rapide de la nappe

La fréquence d’observation des satellites de la série NOAA permet de suivre une évolution rapide de la situation hydrologique devant le Rhône grâce à la température de surface si les conditions atmosphériques le permettent. C’est le cas plusieurs jours durant, pendant l’été 1979, où nous disposons de plusieurs thermoqraphies obtenues à 24 heures d’intervalle, vers 15 h T.U., et schématisées sur la figure II.25.
Le 27 août 1979, souffle depuis peu un Mistral modéré de 5 à 7 m/s ; la nappe est faiblement étirée vers le Sud-Sud-Ouest (figure II.25 a). Le 28, le vent forcit à 9 m/s en passant au Nord. La nappe est alors plus étirée et orientée nettement au Sud-Ouest (b). Les deux jours suivants, le vent cesse, la nappe se réduit et prend une forme de demi-cercle (c). Le lendemain, 31 août, un faible vent thermique de 4 m/s se lève du Sud-Ouest et modèle la nappe en direction du golfe de Fos (d) tandis que de l’eau chaude se stratifie progressivement autour de la nappe. Le 1er septembre à midi, le vent tourne au Nord-Est à 6m/s et son action est déjà visible sur la thermographie, obtenue vers 14 h T.U .. La nappe s’oriente vers l’Ouest et tend à atteindre la côte (e).
Un tel suivi journalier, réalisé grâce à des thermographies obtenues dans de bonnes conditions atmosphériques et de contraste, montre que les plus petites variations météorologiques sont très vite intégrées par la nappe de dilution dont la forme et l’orientation peuvent varier plusieurs fois par jour, témoignant de la rapidité des variations subies par l’écosystème pélagique côtier dans cette zone.

Variations spatio-temporelles de la nappe chlorophyTiienne du Rhône

Les images satellitaires permettent d’observer les modifications de teneurs en pigments sous l’effet du vent, comme en absence prolongée de celui-ci.
Dans le premier cas, en présence de vent, on observe une variation de l’orientation des zones riches en pigments sur la droite du vent.
La figure 11.33, du 1er juillet 1983 à 11 heures, alors que le vent souffle du Nord-Nord-Ouest depuis 3 heures du matin à une vitesse de 4 à 7 m/s, montre que cette zone (en noir) est disposée grossièrement Est-Ouest, 8 heures après le début du Mistral. Par contre, le 2 juillet (figure 11.33), cette zone est nettement orientée vers le Sud-Ouest, soit à 45 degrés environ sur la droite du vent. Cette constatation est en accord avec les résultats obtenus avec les thermographies (§ 11.3.2). Si le temps de réponse observé ici (plus de 8 heures) paraît supérieur à celui observé d•après les thermographies lors des mêmes conditions de vent et de débit ( 4 à 6 heu res), ce 1 a peut provenir du fait que le signal mesuré en infra-rouge thermique provient de l’extrême surface de la mer, et non d•une couche épaisse (typiquement une dizaine de mètres) qui est celle observée dans le domaine visible. Lorsque la nappe de dilution devient pelliculaire, alors la mesure dans le visible concerne aussi la couche d•eau située sous la pycnocline, ce qui affecte le temps de réponse qu•on peut déterminer sur une image CZCS.

Confrontation avec les mesures en mer

L’observation des images de satellites a montré la forte variabilité spatio-temporelle des paramètres marins (température et pigments). Or la représentation cartographique de celles-ci doit intégrer les mesures de plusieurs jours de travail, pendant lesquels les conditions météorologiques dominantes, et donc la structure hydrologique de la couche de surface, peuvent fortement varier.
Cependant, il est possible de confronter un petit nombre de mesures in situ avec une image satellite. En effet, du 28 au 30 juin, on a effectuédes mesures de chorophyll e-a à 7 stations proches de 1 1 embouchure du Rhône, reportées sur l 1 image satellite du 29 juin, où 1•on trouvera, de part et d’autre de 1• image, les profils verticaux (figure 1!.41). Les résultats fluctuent entre 1 et 3 J,~g/1 dans la zone prospectée. IL faut noter la corrélation relativement bonne entre les teneurs trouvées aux différentes stations et les réflectances sur l•image satellitaire. Ainsi, les zones à forte concentration (environ 3 }Jg/1), situées d•une part à proximité du débouché (station 68) et d’autre part à environ 60 km au Sud-Ouest (station 72), se retrouvent- elles sur l•imageclesatellite àl’intérieur de la zone riche en pigments (en noir), alors que les stations 64 à 67, 69 et 70 où les teneurs avoisinent 1 )Jg/1, sont localisées en dehors de cette zone (partie grise sur l 1 image). Notons que la zone sombre située devant le débouché peut provenir (comme indiqué plus haut) d•un artéfact local dû à une correction atmosphérique incomplète en présenced’eau turbide.
Pendant cette péri ode, les conditions météore 1 ogi ques correspondent à un Mistral modéré de 6 à 9 rn/s.
Cette image permet de mettre en évidence que la stratégie d’échantillonnage est bien souvent inadaptée puisque dans ce cas, aucun prélèvement n’a été effectué dans cette zone qui apparaît la plus riche en pigments sur l’image satellite. On remarquera par ailleurs, qu•une image obtenue en temps réel aurait permis de localiser précisément la structure pigmentaire au large de l’embouchure et de mieux positionner les stations en vue de l’étude par bateau des zones à forte biomasse.

Cartographie des aires turbides

Le repérage des zones turbides au moyen de la télédétection, et la comparaison de ces zones avec celles définies d’après les mesures réalisées en mer représentaient un des objectifs de cette étude.
Là encore, comme pour les mesures de pigments, nous pouvons regretter que le programme de la campagne EURHOGLI n’ait pas été axé plus spécifiquement sur l’étude de la distribution spatiale de quelques paramètres {turbidité, seston, spectres particulaires) mesurés au cours de prospections rapides du milieu marin. Ces mesures, même discontinues, auraient permis de mieux cerner les limites et les modifications dans l’espace à trois dimensions de l’extension des aires turbides au cours du temps. La prospection dans la nappe de dilution ayant été réalisée au cours de plusieurs jours, il est évident que la représentation cartographique des résultats ne donne qu’un aperçu imparfait de la distribution spatiale de ces aires turbides, ce qui est d’autant plus accentué que les conditions météorologiques sont instables.

Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : PRINCIPE DE LA MESURE RADIOMETRIQUE INFRA-ROUGE ET VISIBLE. TRAITEMENT SPECIFIQUE DES DONNEES SATELLITAIRES APPLIQUE A L’OCEANOGRAPHIE BIOLOGIQUE
1.1. INTRODUCTION
1.2. LA TELEDETECTION DANS L’I.R. THERMIQUE
1.2.1 Caractéristiques des satellites et des capteurs utilisés
1.2.2 Le principe de la mesure
1.3. LA TELEDETECTION DANS LE DOMAINE VISIBLE
1.3.1 La couleur de l’océan
1.3.2 Propriétés optiques de l’océan
1.3.3 Algorithmes d’extraction des paramètres marins
1.4. LE CAPTEUR CZCS ET SON TRAITEMENT PROPRE POUR LA CORRECTION ATMOSPHERIQUE
1.4.1 Caractéristiques du capteur
1.4.2 Etalonnage des données
1.4.3 Elimination des effets atmosphériques
1.5. TRAITEMENT DE L’IMAGERIE SATELLITAIRE AVHRR ET CZCS
1.5.1 Sélection et lecture des données
1.5.2 Correction atmosphérique
1.5.3 Rectification géométrique
DEUXIEME PARTIE : APPORT DES DONNEES SATELLITAIRES ET DES MESURES EN MER SUR LA CONNAISSANCE DE LA ZONE DE DILUTION RHODANIENNE
2.1 OBJECTIFS
2.2 PRESENTATION DES DONNEES
2 .2.1 Les données de télédétection
2.2.2 Les données hydrauliques et météorologiques
2.2.3 Les données recueillies en mer
2 .3 COMPORTEMENT DE LA NAPPE DE DILUTION DU RHONE OBSERVEE SUR LES THERMOGRAPHIES AVHRR DE 1979 A 1981
2.3.1 Repérage thermique de la nappe de dilution
2.3.2 Influence du vent sur la nappe
2 .3.2.1 Mode d’action
2 .3.2.2 Temps détablissement d•une situation hydrologique
2 .3.2.3 Variations spatio-temporelles sous l•effet du vent
2 .3.2.4 Exemple dévolution rapide de la nappe thermique
2.3.3 Influence du débit sur la nappe
2.3.3.1 Action sur écoulement de la nappe
2 .3.3.2 Action sur la superficie
2. 4 CAMPAGNE EURHOGLI : APPORT DE L IMAGERIE COULEUR DE LA MER
2 .4.1 Cartographie des zones à forte teneur en pigments
2 .4.1.1 Distribution spatiale
2 .4.1.2 Variations spatio-temporelles de la nappe chlorophyllienne du Rhône
2 .4.1.3 Confrontation avec les mesures en mer
2 . 4. 2 Cartographie des zones turbides
2 .4.2.1 Distribution spatiale de la matière particulaire en suspension dans le golfe du Lion
2 .4.2.2 Variations spatio-temporelles de la matière particulaire en suspension devant le Rhône
2 .4.2.3 Comparaisons des cartes de seston et de pigments obtenues par satellite
2 .4.2.4 Confrontation des mesures satellitaires avec les cartes de seston et les autres mesures en mer
2 . 5 CONCLUSION
TROISIEME PARTIE : OBSERVATION DES ZONES DE PRODUCTION EN MEDITERRANEE NORD-OCCIDENTALE EN RELATION AVEC LES PHENOMENES HYDROLOGIQUES MAJEURS
3. 1 INTRODUCTION
3.2 LES UPWELLINGS COTIERS DANS LE GOLFE DU LION
3.2.1 Description à partir des données de télédétection
3.2.2 Production associée
3.3 PRODUCTION HIVERNALE ASSOCIEE AUX FORMATIONS D’EAU PROFONDE
3.3.1 Description du processus de formation d’eau profonde
3.3.2 Observations satellitaires de ces zones de formation
3.3.3 Variations spatio-temporelles du phénom~ne
1.3.4 Production associée et évolution dans le temps
3.4 LE FRONT OCEANIQUE NORD-BALEARES OBSERVE PAR SATEl.LITf’
QUATRIEME PARTIE : APPLICATION EN OCEANOGRAPHIE DE L’EVALUATION DE L’ECLAIREMENT GLOBAL HORAIRE EN MEDITERRANEE OCCIDENTALE
4.1 INTRODUCTION
4.2 EVALUATION DE L’INDICE D’ENNUAGEMENT
4.2.1 Définition
4.2.2 Traitement séquentiel
4.2.3 Etablissement de moyennes mensuelles
4.3 EVALUATION DE L’ECLAIREMENT GLOBAL AU SOL
4.3.1 Définition
4.3.2 Etude statistique
4.3.3 Estimation de l’éclairement global au sol
4.4 ACQUISITION ET TRAITEMENT DE ROUTINE
4.4.1 Acquisition des données
4.4.2 Etablissement de cartes mensuelles d’éclairement global à midi
4.5 DESCRIPTION ET DISCUSSION DES RESULTATS
4.5.1 Amplitude des variations mensuelles d’ensoleillement
4.5.2 Variations locales de l’éclairement en Méditerranée occidentale
4. 6 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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