Assimilation de données infrarouge thermique dans les modèles de bilan d'énergie : préparation de MISTIGRI

Importance de la température de surface pour l’étude de la végétation

La température de surface est une variable déterminante pour décrire le fonctionnement de la végétation.  Sa valeur est directement fixée par l’état hydrique et le niveau des échanges énergétiques à la surface. Sa connaissance permet d’accéder plus directement aux valeurs de flux que les autres observables.

L’intérêt de l’IRT a été largement démontré depuis le milieu des années 70 à partir de travaux basés sur des séries de données à basse résolution issues des satellites météorologiques, et à l’occasion de campagnes aéroportées dédiées.

Ces travaux ont ainsi mis en évidence le besoin de combiner haute résolution spatiale (imposée par la taille du parcellaire et la variabilité spatiale des pratiques culturales et des caractéristiques du sol) et haute fréquence de revisite (imposée par la sensibilité temporelle de la température de surface aux conditions météorologiques en particulier).
La connaissance de la température de surface apporterait ainsi des informations  particulièrement importantes pour de nombreuses thématiques :

• les  changements globaux, leurs impacts et les politiques d’adaptation pour y faire face ;
• en  agriculture, le suivi de l’état hydrique des sols, la gestion de l’irrigation et des ressources ;
• en  environnement la caractérisation des microclimats, la détection des rejets dans les cours d’eau, etc.

Mesure des flux turbulents sur une oliveraie par scintillométrie	Secteur irrigué de l'oliveraie, en bleu les empreintes des mesures de scintillométrie (LAS) et d'eddy covariance (EC)	Température de surface de l'oliveraie : mise en évidence du décalage dans le temps de la variation de température du sol du à l'irrigation. (Hoedges et al., Ezzahar et al., 2007)

Préparation du projet de mission spatiale MISTIGRI : mise en place d'une chaine de traitement d'images (archives Landsat 5 et 7) dans la bande thermique

La mesure et le suivi de la température de surface sur les zones agricoles est necessaire pour calculer les bilans d’eau et d’énergie. La température de surface nous renseigne indirectement sur l’état hydrique de celle-ci que cette dernière soit végétalisée ou non (sol nu). L'obtention de ces bilans est un objectif important de la mission MISTIGRI.

La résolution spatiale et temporelle de cette information est prépondérante pour la qualité de l’estimation et du suivi de cette variable. La mesure par satellite dans les bandes thermique [3.0 µm à 15 µm] est un moyen idéal pour accéder à cette température. Dans des conditions opérationnelles : la résolution spatiale, actuellement assez grossière (100m à 1km) et la fréquence de revisite (16 jours) nous permettent d'obtenir une mesure fortement perturbée par l’ennuagement ce qui rend la rend bien souvent inexploitable.

L’idée de ce travail est d’exploiter l’archive des données Landsat (7 et 5) disponible sur le serveur Glovis de l'USGS, en explorant la possibilité d’estimer la température de surface terrestre à partir de la bande 6 [10.4 µm-12.5 µm] et en évaluant l'erreur commise sur l'estimation. Les données "optiques" présentes dans cette archive font l'objet d'un traitement en parallèle dans le cadre de la préparation de la mission VENuS (TOSCA - 2011).

Image de la température de surface obtenue avec Landsat-5 sur le sud-ouest de la France. en été le 1/7/2009. jaune : 50°C Vert : 25°C Noir : < 5°C (nuages) © CESBIO 2011 (Vincent Rivalland)

A cet effet, nous nous employons à corriger les effets combinés de l’atmosphère et de l’émissivité de surface sur le signal mesuré, ce qui nous permet de travailler avec des produits "température de surface" à la résolution de la bande thermique, soit 30 m. Ces températures seront utilisés en entrée de modèles de bilan d’énergie simplifiés afin de spatialiser les flux : évapotranspiration, chaleur sensible et rayonnement net.

L'étude préliminaire a été réalisé dans le cadre du programme "Terre, Océan, Surfaces continentales, Atmosphère" (TOSCA) programme de soutien à la recherche du Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) : MISTIGRI (2010-2011). Ce travail est porté par Gilles Boulet (IRD-CESBIO) et Albert Olioso (INRA-EMMAH), il est intitulé : « Suivi du bilan hydrique et énergétique des surfaces à l’aide des données IRT : analyse de l’impact des spécifications de la mission MISTIGRI ». Le stagiaire Jaouad Chadli de l’ENSEEIHT (Département Electronique et Traitement du Signal) qui a travaillé sur cette chaine de traitement a bénéficié d’un stage CNES de 6 mois (avril à septembre 2011).