Thèse
Auteur :
Hostache Renaud

Date de soutenance :
01 December 2006

Directeur(s) de thèse :
Puech Christian



École :

AgroParisTech

Ecole Doctorale :
SYSTÈMES INTÉGRÉS EN BIOLOGIE, AGRONOMIE, GÉOSCIENCES, HYDROSCIENCES, ENVIRONNEMENT (SIBAGHE)
Intitulé de la thèse : Analyse d'images satellitaires d'inondations pour la caractérisation tridimensionnelle de l'aléa et l'aide à la modélisation hydraulique
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Résumé : Ce travail vise à étendre les méthodes d'analyse d'images satellitaires de crues au-delà de la détection des limites d'inondation afin d'estimer des niveaux d'eau distribués dans l'espace et d'aider la modélisation hydraulique.Inspirée des travaux de Raclot (2003) sur photographies aériennes qui fournissent des incertitudes moyennes de ±20cm, la méthode d'estimation des niveaux d'eau utilise des images satellitaires RADAR de crue et un MNT fin. Elle repose sur 1) une phase de télédétection pour cartographier l'inondation et analyser la pertinence de ses limites pour l'estimation des niveaux d'eau, 2) une phase d'analyse spatiale dans laquelle les niveaux d'eau sont estimés par croisement entre les limites pertinentes et un MNT fin, puis contraints par le schéma de circulation des eaux. Les estimations de niveaux d'eau obtenues ont une incertitude moyenne de ±38cm pour une image RADARSAT-1 d'une crue de la Moselle (France, 1997). Des travaux de validation ont permis de calculer une RMSE de l'ordre de 13cm pour une image ENVISAT de l'Alzette (Luxembourg, 2003).Pour aider la modélisation hydraulique, la démarche proposée vise à réduire le phénomène d'équifinalité grâce aux images satellitaires. Pour cela, un calage "traditionnel"à partir d'hydrogrammes observés est complété par la comparaison entre résultats du modèle et surfaces inondées ou niveaux d'eau extraits des images. Pour cerner les incertitudes du calage, des simulations Monte-Carlo ont été mises en place. En perspective, la prévision de l'évolution d'une crue après acquisition d'une image devrait bénéficier de modèles mieux contraints grâce à l'utilisation des images comme condition initiale ou donnée de calage.Introduction générale - 1
Partie I. Aléa inondation, modélisation hydraulique et télédétection - 7
Introduction - 9
Chapitre 1. De l'aléa inondation à sa modélisation hydraulique - 11
1.1 Les inondations: ampleur, définitions et notion de risque - 11
1.2 La gestion et la modélisation hydraulique des inondations - 16
1.3 Données disponibles et données attendues dans la gestion et la modélisation hydraulique des inondations - 26
Chapitre 2. La télédétection par satellite - 35
2.1 Télédétection satellitaire optique passive - 35
2.2 Télédétection satellitaire radar à synthèse d'ouverture - 41
Chapitre 3. Apports des images satellitaires pour la gestion des inondations - 57
3.1 Caractérisation spatiale en deux dimensions d'inondations à partir d'images satellitaires - 58
3.2 Estimation de niveaux d'eau et de débit par télédétection - 66
3.3 Utilisation des images satellitaires pour l'aide à la modélisation hydraulique - 71
Conclusion - 75
Partie II. Méthodologies - 77
Introduction - 79
Chapitre 4. Cartographie de l'étendue et des limites d'inondation - 81
4.1 Pré-traitements des images satellitaires radar - 82
4.2 Classification "eau-non eau" sur les images - 84
4.3 Extraction d'une carte d'inondation certaine - 86
4.4 Extraction des bordures pertinentes pour une estimation des niveaux d'eau - 89
4.5 Conclusion - 92
Chapitre 5. Estimation des niveaux d'eau - 95
5.1 Estimation primaire des niveaux d'eau par croisement entre les segments informatifs et un MNT à haute résolution spatiale - 96
5.2 Construction d'une hiérarchie hydraulique dans la plaine d'inondation - 96
5.3 Mise en cohérence hydraulique - 102
5.4 Conclusion - 108
Chapitre 6. Intégration des caractéristiques spatiales extraites d'images satellitaires dans une procédure de calage d'un modèle hydraulique - 111
6.1 Introduction - 111
6.2 Modèle hydraulique, calage et donnée image - 112
6.3 Simulations Monte-Carlo et méthode GLUE - 113
6.4 Évaluation des simulations Monte-Carlo - 114
6.5 Conclusion - 121
Partie III. Application de la méthode, résultats et discussions - 123
Introduction - 125
Chapitre 7. Sites d'études et constitution de bases de données - 127
7.1 La Moselle entre Thionville et la frontière franco-germano-luxembourgeoise - 127
7.2 Les sites d'étude complémentaires - 133
Chapitre 8. Cartographie de l'étendue et des limites d'inondation - 143
8.1 Cartographie de l'étendue et des limites d'inondation - 144
8.2 Estimation des niveaux d'eau - 151
8.3 Intégration des caractéristiques spatiales extraites d'images satellitaires dans une procédure de calage d'un modèle hydraulique - 155
Chapitre 9. Qualité des résultats de la méthode, discussions et perspectives - 173
9.1 Qualité des résultats et des méthodes - 174
9.2 Bilan et perspectives - 183
Conclusion générale - 193
Références bibliographiques - 199
Table des illustrations - 211
Liste des tableaux - 216
Annexes : Documents et travaux complémentaires - 1
Annexe 1. Pluviométrie de février 1997 en lorraine - 3
Annexe 2. Barrages de Koenigsmacker et Apach - 4
A2.1 Barrage de Koenigsmacker - 4
A2.2 Barrage d'Apach - 9
Annexe 3. Cartes d'inondations obtenues à partir d'images ERS-1 pour le site d'étude de la Meuse - 13
Annexe 4. Résultats complémentaires des évaluations des simulations Monte-Carlo pour le site d'étude de la Moselle - 21
Annexe 5. Ordres de grandeur des coefficients de frottement de Strickler obtenus par M. Pradé - 25
Annexe 6. Carte d'inondation obtenue à partir d'une image SPOT-4 pour le site d'étude de l'Hérault. - 26

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