Modélisation de la réflectance spectrale d'un sol nu en fonction de sa teneur en eau dans le domaine réflectif solaire (400-2500 nm) - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Modeling spectral reflectance of bare soils according to water content in the solar domain [400 - 2500 nm]

Modélisation de la réflectance spectrale d'un sol nu en fonction de sa teneur en eau dans le domaine réflectif solaire (400-2500 nm)

Résumé

Surface soil moisture content (SMC) is known to impact soil reflectance at all wavelengths of the solar spectrum. As a consequence, many semi-empirical methods aim at inferring SMC from soil reflectance, but very few rely on physically-based models and allow a complete modelling of the reflectance of a wet soil. This work presents a multilayer radiative transfer model of soil reflectance called MARMIT (multilayer radiative transfer model of soil reflectance) which allows, thanks to the dry soil reflectance, to model a complete reflectance spectrum of a wet soil. This model depicts a wet soil as a dry soil covered with a thin film of water which has two parameters: its thickness L and the part of the soil which is recovered by the film of water ε. This model has been tested over 217 samples from 7 datasets of the literature. The spectral Root Mean Square Error obtained is good (RMSE≈1,5%). A more complete model, including soil particles in the water slide, was also developed and allowed for an even better fit (RMSE≈1 %). A method called MARMITforSMC and based on MARMIT, has been developed to estimate the SMC from soil reflectance spectra. A learning phase is required to link the thickness of the water film with the SMC. SMC can be inferred with good accuracy (RMSE=3%) if the learning step is applied soil by soil. If the soils are divided into classes and if the learning phase is applied to a class, the RMSE slightly increases up to 5%. MARMITforSMC provides lower RMSE than any other existing semi-empirical or physically-based method. A precise analysis of the evolution of the water content with depth, after significant water infiltration (≈30 mm) from above, allowed us to show that the SMC estimated at the surface of a sand with MARMITforSMC was clearly underestimated compared to the SMC estimated below 2 cm depth. For clay soils it has been shown that infiltration is regular and that the SMC is identical to the SMC estimated at depth (up to 8 cm deep).
La teneur en eau de surface des sols (SMC, Soil Moisture Content) influe sur leur réflectance spectrale sur tout le domaine réflectif solaire (400 – 2500 nm). De nombreux modèles et méthodes ont été développés pour retrouver cette humidité à l’aide de la réflectance mais très peu sont fondés sur des bases physiques et permettent une modélisation complète du spectre. Ce manuscrit présente un modèle de transfert radiatif multicouche de réflectance de sol nommé MARMIT (multilayer radiative transfer model of soil reflectance) qui permet, en partant de la réflectance d’un sol sec, de simuler sa réflectance à différents SMC. Il modélise un sol humide comme un sol sec recouvert d’une fine pellicule d’eau caractérisée par deux paramètres : son épaisseur L et son taux de recouvrement du sol ε. En le testant sur une base de données regroupant 217 sols issus de 7 différents jeux de données de la littérature, nous avons montré que l’ajustement du modèle sur les données était précis (erreur quadratique moyenne - ou RMSE - de 1,5 %). Le modèle a été complété en incluant des particules de sols dans la lame d’eau et a permis d’accroitre ses performances de restitution de la signature spectrale sur le domaine réflectif (RMSE ≈1 %). En calibrant une relation entre la hauteur d’eau moyenne de la couche d’eau au-dessus du sol (ϕ = L×ε) et le SMC, ce dernier peut être estimé très précisément si la calibration est adaptée à chaque sol (RMSE=3 %). Le RMSE est de l’ordre de 5 % si les sols sont regroupés en classes, suivant leur texture par exemple. En la comparant aux autres méthodes issues de la littérature (indices spectraux, modèles semi-empiriques …), notre méthode, MARMITforSMC, fournit le SMC avec le RMSE le plus faible. Ces travaux ont été complétés par une analyse précise de l’évolution de la teneur en eau avec la profondeur, après infiltration d’eau importante (≈30 mm) par le haut, qui nous a permis de montrer que le SMC estimé à la surface d’un sable avec MARMITforSMC était nettement sous-estimé par rapport au SMC estimé en dessous de 2 cm de profondeur. Pour les sols argileux il a été montré que l’infiltration est régulière et que le SMC estimé en surface est identique au SMC estimé en profondeur (jusqu’à 8 cm de profondeur).
Fichier principal
Vignette du fichier
DOTA18199.1533114700.pdf (13.19 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-02023653 , version 1 (18-02-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02023653 , version 1

Citer

Aurelien Bablet. Modélisation de la réflectance spectrale d'un sol nu en fonction de sa teneur en eau dans le domaine réflectif solaire (400-2500 nm). Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]. INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02023653⟩
186 Consultations
427 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More