Bathymétrie côtière pour les EMR

Bathymétrie côtière pour les EMR

Définition et enjeux

Notre planète est recouverte à 71% d’eau. Pourtant à ce jour, 85 à 90% des fonds océaniques ne sont pas cartographiés par des standards de mesures modernes tandis que nous nous tournons de plus en plus vers la mer en recherche d’énergie durable. Initialement, le terme bathymétrie désigne la profondeur sous-marine des plans d’eaux comprenant océans, mer, rivières, etc… Le terme signifie aussi la mesure et l’étude des profondeurs et des reliefs sous-marins aussi appelée «topographie sous-marine ».

On associe le début des mesures bathymétriques avec l’observation systématique des océans et de leurs mouvements constants. Historiquement, les cartes bathymétriques utilisent un procédé de code couleur et lignes de contour représentant les reliefs de même profondeur que l’on appelle les lignes isobathes. Les profondeurs étaient obtenues par des mesures faites par des cordes que l’on plongeait directement depuis les bateaux. Les problèmes de courants et de la dérive du bateau durant la mesure rendaient cependant la mesure imprécise. La méthode évolue avec une mesure utilisant une corde de piano qui est basée sur la même technique mais trois fois plus rapide et bien plus précise. Au début des années 1900 apparaissent les premières mesures acoustiques qui rendent très vite les mesures à la corde obsolètes. C’est sur le navire de la marine étasunienne, le U.S.S.Corry, que sera faite la première carte bathymétrique, de la côte californienne, uniquement issue de sondeurs acoustiques [17].

Les données bathymétriques en grande quantité avec une bonne précision sont d’une importance capitale pour diverses raisons. En effet, les zones à cartographier rassemblent un large panel d’activités humaines et pour lequel la connaissance des fonds est nécessaire. On pense directement aux navires de marchandises, de pêche, de navigation récréative ou de transport etc… Dans le cas des EMR, les informations précises et la surveillance des zones côtières assurent une gestion appropriée des technologies à installer ou bien celles qui sont installées. La connaissance fiable des données bathymétriques et la production de cartes actualisées peuvent garantir la sécurité de la navigation et la surveillance en temps réel du matériel installé. La connaissance parfaite des fonds marins aux côtes permet également de simuler la propagation d’évènements extrêmes de type tsunamis et de prévoir la sécurité à apporter dans de tels cas.

Techniques d’estimation bathymétrique 

Depuis le début du XXème siècle, les données bathymétriques sont extraites et exploitées à partir d’instruments acoustiques dérivés des sonars militaires. Longtemps ces instruments ont été monofaisceau, puis au début des années 60, la marine étasunienne teste « The Sonar Array Sounding System (SASS) », un système multifaisceau. Ce système a une plus grande fauchée, il est de ce fait utilisé pour cartographier les plus grandes profondeurs tandis que le sondeur monofaisceau reste plus courant pour la bathymétrie côtière. Cette source multi ou monofaisceau est très fiable et représente une cartographie de référence. Les années 80 voient l’arrivée d’une nouvelle technique de bathymétrie côtière : la technologie LIDAR. Elle est basée sur l’émission d’impulsions d’ondes lumineuses à partir d’un laser aéroporté. Elle permet de mesurer des profondeurs d’eau à l’aide du laser bathymétrique ou les formes du terrain à l’aide du laser topographique. Les distances sont calculées à partir du temps mis par le signal réfléchi pour parvenir au récepteur.

Technology Light Detection and Ranging (LIDAR) 

Le LIDAR est un système de télédétection actif qui utilise la lumière sous forme d’impulsion radar pour mesurer une distance. La technologie LIDAR est très similaire au radar avec pour différence l’émission d’ondes laser au lieu des ondes radio. A l’origine la création du terme LIDAR provient de l’association de « light » et « radar », on considère à présent que c’est un acronyme de « Technologie Light Detection and Ranging ». Historiquement, le LIDAR devient connu du grand public à partir de 1971 lors de la mission Apollo 15, qui cartographie la Lune à l’aide d’un altimètre laser. Cependant, les études théoriques sur ce système datent du début des années soixante. Ces investigations mènent à l’idée d’un système aéroporté capable de mener des campagnes bathymétriques. [19]

Faire appel à la technologie LIDAR embarquée sur avions provient de la capacité d’un tel capteur à couvrir une zone bien plus large qu’un navire. Les premières campagnes bathymétriques par LIDAR datent du début des années soixante-dix. En 1975 une nouvelle génération de LIDAR aéroportés apporte la confirmation de la précision de ce système pour une certaine gamme de profondeurs. Il existera par la suite plusieurs méthodes de bathymétrie basée sur le système LIDAR, que ça soit fixe sur la côte, par le biais d’hélicoptères ou bien d’avions. Hormis l’aspect de mesure topographique et bathymétrique, le système LIDAR permet d’évaluer avec précision la ligne de démarcation entre terre et mer. Cette précision est très utile dans les régions avec de fortes marées pour délimiter ce que l’on appelle la zone de surf. C’est une courte zone où les vagues de surfaces des océans se rapprochent de la terre et viennent se briser en formant l’écume.

Le LIDAR émet des impulsions dans le spectre visible ou proche infrarouge des ondes électromagnétiques. Les ondes visibles sont fortement atténuées par les milieux traversés et pour cela la portée est limitée. Un LIDAR topographique émet des pulsations de lumière verte pour étudier la morphologie des fonds marins. En effet, là où une fréquence infrarouge plus faible est reflétée par la surface, une fréquence laser verte plus élevée pénètre dans la colonne d’eau et atteint le fond. L’impulsion retourne ensuite dans la direction du système qui est en général à la fois émetteur et récepteur. En mesurant le temps entre l’émission et la réception du signal, on utilise la vitesse de la lumière dans l’air puis dans l’eau pour retrouver la profondeur. La latitude, la longitude et l’élévation de la cible peuvent être retrouvées grâce à toutes les informations combinées telles que l’angle de visée de l’émission, la distance relative, et la localisation du capteur par les coordonnées GPS. [20], [21]

Le LIDAR permet d’étudier les fonds marins jusqu’à une profondeur de 70 m avec une bonne clarté de l’eau et la réflectivité du fond avec une précision centimétrique.

Imagerie hyperspectrale à haute résolution

Les images optiques hyperspectrales provenant de satellites ou bien de capteurs aéroportés ont une très bonne résolution spatiale. Une image hyperspectrale est une mesure du rayonnement émis ou réfléchi par la scène étudiée dans un grand nombre de bandes spectrales contiguës. La grandeur considérée peut être simplement la radiance, ou la réflectance. Plusieurs approches peuvent être utilisées pour estimer la profondeur. La principale approche utilisée pour estimer la profondeur consiste à développer une relation empirique reliant les valeurs de radiance ou de réflectance, et la bathymétrie. D’autres approches utilisent un modèle de transfert radiatif comme Hydrolight pour créer une librairie de spectre en fonction de la profondeur afin de minimiser l’erreur.

Les zones à faibles profondeurs sont imagées par satellite avec des capteurs multispectraux [24](Sentinel 2, WorldView 2/3…). Grâce à l’imagerie hyperspectrale, il est possible de cartographier des zones allant de 0 à 30 m environ avec une résolution horizontale de 2 à 15 m, en fonction du capteur utilisé, et une précision verticale de 0,5 m ±10% de la profondeur [24]–[27]. Les techniques utilisées sont sensibles aux conditions atmosphériques (nébulosité) ainsi qu’à la turbidité de l’eau. La radiométrie est extraite d’une prise de vue instantanée de la surface terrestre par réception du rayonnement solaire rétrodiffusé (télédétection optique passive). L’inversion bathymétrique à partir des données satellitaires est réalisée en utilisant l’algorithme semi-empirique optique de [28] qui s’appuie sur les propriétés optiques inhérentes (coefficients d’atténuation de la lumière descendante et montante) et apparentes du milieu [27].

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Table des matières

Sommaire
1. Introduction
2. Bathymétrie côtière pour les EMR
2.1. Définition et enjeux
2.2. Techniques d’estimation bathymétrique
2.2.1. Le sondeur monofaisceau
2.2.2. Le sondeur multifaisceau
2.2.3. Technology Light Detection and Ranging (LIDAR)
2.2.4. Imagerie hyperspectrale à haute résolution
2.2.5. Imagerie SAR – méthode basée sur les forts courants de surface
a. Découverte de la bathymétrie par SAR
b. Bathymetric Assessment System (BAS)
c. Volterra Series Expansion (VSE)
2.2.6. Imagerie SAR – Méthode basée sur la propagation de la houle
3. Synthetic Aperture Radar
3.1. Présentation de l’instrument SAR
3.1.1. Définition
3.1.2. Rappels théoriques
a. Résolutions spatiales d’un capteur SAR
b. Résolution azimutale
c. Equation radar
3.2. Imagerie de la houle
3.3. Imagerie SAR de la surface des océans
3.3.1. La modulation hydrodynamique
3.3.2. Modulation d’inclinaison
3.3.3. Velocity bunching
4. Simuler la houle – Pourquoi et comment?
4.1. Introduction et objectifs
4.2. Mise en équation d’une houle d’Airy
4.2.1. Définition du potentiel
4.3. Spectre de houle
4.4. Modèle de simulation à résolution de phases BOSZ
4.4.1. Choix des paramètres d’entrée
4.4.2. Analyse spectrale temporelle
4.4.3. Analyse spectrale spatiale
4.5. Résultats
4.6. Conclusion
5. Cas d’étude en 2D
5.1. Introduction et objectifs
5.2. Protocole et méthode
5.2.1. Exploitation des simulations
5.2.2. Méthode d’estimation de la bathymétrie à partir d’une surface libre
5.3. Résultats : Application sur les simulations 2D
5.3.1. Utilisation d’une seule surface libre
5.3.2. Apport de plusieurs surfaces
5.4. Conclusion
6. Cas réel sur des images SAR
6.1. Introduction et objectifs
6.2. Images SAR choisies
6.2.1. Choix de la zone géographique
6.2.2. Présentation des images et leurs caractéristiques
6.3. Application de la méthodologie
6.3.1. Estimation de la période pic
6.3.2. Estimation bathymétrique image par image
6.4. Résultats
6.4.1. Moyenne des différentes bathymétries
6.4.2. Médiane de bathymétries
6.4.3. Autres approches de fusion de données
6.4.4. Analyse de la méthode appliquée aux images SAR
6.5. Filtrer les résultats, une bonne idée ?
6.6. Discussion
7. Conclusion

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