Estimation des précipitations par télédétection spatiale active et

Maîtrise d'Ingénierie Mathématique,
2003-2004
Estimation des précipitations
par télédétection spatiale
active et passive
Stagiaire : Sophie Demure
Responsables du stage : Nicolas Viltard et Cécile Mallet
Remerciements

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Je tiens tout d’abord à exprimer mes sincères remerciements à Nicolas Viltard et Cécile
Mallet, mes tuteurs de stage, qui par leur aide, leurs conseils et leur disponibilité m’ont permis de
réaliser ce stage dans les meilleures conditions.
Je remercie aussi vivement toutes les personnes du CETP pour leur gentillesse, et en
particulier, les personnes d’ABM pour leur accueil très chaleureux.
Sommaire

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1. Introduction ......................................................................................................... 3
1.1 Le CETP ............................................................................................................................... 3
1.2 Motivation............................................................................................................................ 3
2. Restitution des taux précipitants radar à partir des mesures
radiométriques spatialesTMI.................................................................................. 3
2.1 Le radiomètre TMI et le radar PR ......................................................................................... 4
2.2 Généralités sur la théorie du transfert radiatif......................................................................... 4
2.3 Inversion des données radiométriques.................................................................................... 5
3. Introduction aux cartes de Kohonen ................................................................. 6
3.1 Généralités sur les réseaux de neurones .................................................................................. 6
3.1.1 Processeur élémentaire : le neurone ................................................................................. 6
3.1.2 Étapes de conception d'un réseau de neurones................................................................ 8
3.2. Cartes de Kohonen ou cartes auto-organisatrices (réseau de neurones non supervisé)............ 9
3.2.1 L'algorithme de Kohonen................................................................................................. 9
3.2.2 Utilisation pour la classification.................................................................................... 12
3.3 Exemples de cartes à partir de données simulées .................................................................. 12
3.3.1 Application en deux dimensions.................................................................................... 13
3.3.2 Application en trois dimensions.................................................................................... 16
4. Application aux températures de brillance TMI............................................. 23
4.1 Représentation des données................................................................................................. 23
4.2 Classification des données ................................................................................................... 27
5. Inversion des données radiométriques ........................................................... 36
6. Conclusion ......................................................................................................... 40
7. Bibliographie...................................................................................................... 41
8. Annexes.............................................................................................................. 42
Annexe 1 : fonctions utilisées dans les programmes ................................................................... 42
Annexe 2 : programmes ............................................................................................................. 45

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1. Introduction
1.1 Le CETP
Le Centre d'études des Environnements Terrestres et Planétaires est situé d'une part à Vélizy
dans l'enceinte de l'IUT, et d'autre part à St Maur-des-fossés. Le CETP est un laboratoire CNRS
rattaché à l'Université de Versailles St Quentin-en-Yvelines (UVSQ). Il est l'une des composantes de
l'Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) qui regroupe des laboratoires d’Ile-de-France qui étudient
l’environnement. Il est composé de plusieurs départements de recherche : les activités scientifiques
des départements EMI (Electrodynamique des Milieux Ionisés) et OPN (Ondes dans les Plasmas
Naturels) concernent pour l'essentiel l'étude des interactions du vent solaire avec les objets du
système solaire, les études amonts concernant la propagation des ondes électromagnétiques et les
méthodes statistiques sont assurées par le département EMA (Electromagnétisme et Méthodes
d'Analyse), l'étude des interactions entre la surface de la Terre ou de la mer et l'atmosphère par le
département IOTA (Interfaces Océan-Terre-Atmosphère), et l'étude des processus physiques
multi-échelles et rétroactions à l'oeuvre dans les phénomènes météorologiques par ABM
(Atmosphère Basse et Moyenne).
Mon sujet de stage consiste à mettre en œuvre une méthode statistique pour la mesure du
taux précipitant par télédétection spatiale. Il se situe dans le cadre d’une collaboration entre les
départements ABM et EMA.
1.2 Motivation
La mesure des taux de précipitation est un élément important pour l'étude du cycle de l'eau
dans l'atmosphère et pour améliorer les modèles de climat. La forte variabilité à la fois spatiale et
temporelle des précipitations les rend extrêmement difficiles à déterminer. Le premier instrument
pour mesurer la pluie, encore utilisé aujourd'hui, est le pluviomètre : il est constitué d'un récipient
permettant de mesurer l'eau liquide tombée en un temps donné.
Cependant, cet instrument ne permet pas d'estimer les taux de précipitation au-dessus des
océans qui représentent plus de 70% de la surface du globe. Seule une étude depuis l'espace peut
permettre une estimation globale. Les données du radiomètre TMI (TRMM Microwave Imager),
instrument embarqué sur le satellite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), sont utilisées
au CETP. Ce satellite, lancé fin 1997, est dédié à l'étude des précipitations en zone tropicale. En
effet, les précipitations dans les zones tropicales (-30N, +30N) représentent les deux tiers des
précipitations globales. Plusieurs autres capteurs ont été embarqués sur ce satellite et en particulier,
le premier radar spatial pour l'étude de la pluie : le radar PR (Precipitation Radar).
2. Restitution des taux précipitants radar à partir des
mesures radiométriques spatialesTMI

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2.1 Le radiomètre TMI et le radar PR
La mesure radiométrique est appelée température de brillance. Les fréquences d'observations
se situent entre 1 GHz et 100 GHz correspondant à des longueurs d'onde de 30 cm à 3 mm. On
utilise des radiomètres multicanaux pour isoler les différents signaux atmosphériques :
-la glace aux hautes fréquences
-la vapeur d'eau aux fréquences proches de 22 GHz
-l'eau liquide aux basses fréquences.
Le radiomètre TMI, capteur passif, possède 9 canaux qui vont donc chacun être plus
spécifiquement sensibles à différents paramètres de l'atmosphère et de la surface.
-Tableau des fréquences et sensibilités du TMI-
Fréquences
(GHz)
10.65
19.35
21.3
37.0
85.5
Polarisation
H-V
H-V
V
H-V
H-V
Sensibilité
Surf. / Liq
Liq.
Vap.
Liq. / Glace
Glace
Le balayage du TMI assure une fauchée de 760 km. Par une combinaison des différentes fréquences
radiométriques, les mesures du TMI sont ensuite interprétées en termes de contenus en
hydrométéores de la colonne atmosphérique (précipitation liquide, glace...).
Le PR, capteur actif, permet une mesure tridimensionnelle de la distribution du taux
précipitant au-dessus des terres et des océans. Il donne un taux de réflectivité qui peut être ensuite
converti en taux de pluie de surface (R ou Rain rates en mm.h-¹) ou en contenu en eau (W ou Water
contents en g.m-³). Le PR fonctionne à une fréquence de 13.8 GHz et effectue une fauchée de 215
km.
Il existe donc une zone commune entre la fauchée du radiomètre TMI et celle du radar PR.
Le but est de trouver une «relation» entre les températures de brillance et les taux de pluie à l'aide
des mesures réalisées dans cette zone commune, afin de pouvoir déterminer les taux de pluie dans les
zones où nous disposons que des mesures de températures de brillance.
2.2 Généralités sur la théorie du transfert radiatif
La fonction du TMI consiste à détecter le rayonnement électromagnétique émis par
l'atmosphère, la Terre et le fond cosmique, et à le convertir en une grandeur qui puisse être
interprétée.
Ce rayonnement thermique provenant d'un milieu naturel est modifié lors de sa propagation
dans les milieux adjacents, suite aux processus d'absorption, de diffusion et de réflexion.
Dans la configuration de mesure spatiale, le TMI, situé au-dessus de l'atmosphère, mesure le
rayonnement montant émergeant de l'atmosphère. Ce rayonnement est constitué de rayonnement
naturel de la surface et en partie atténué par l'atmosphère, du rayonnement émis vers le haut par
l'ensemble des couches atmosphériques et en partie atténué par les couches supérieures, et enfin du
rayonnement descendant provenant du fond cosmique réfléchi par la surface et en partie atténué par