Depuis plus de vingt ans, les altimètres classiques comme Topex, Poseidon-2 ou Poséidon-3, ont fourni des formes d'onde qui sont utilisées pour estimer de nombreux paramètres tels que la distance entre le satellite et la scène observée, la hauteur des vagues et la vitesse du vent. L'amélioration de la qualité des paramètres altimétriques a nécessité le développement de plusieurs modèles d'échos et d'algorithmes d'estimation paramétrique. Par ailleurs, un grand effort est récemment dédié au traitement des échos côtiers afin d'analyser les mesures altimétriques le plus près possible des côtes. Cette thèse s'intéresse à la résolution de ces deux problèmes, à savoir, le traitement des formes d'onde côtières et l'amélioration de la qualité des paramètres océaniques estimés. La première partie de l'étude traite le problème des formes d'onde côtières en proposant un nouveau modèle altimétrique tenant compte de la présence éventuelle d'un pic sur l'écho altimétrique. Dans la seconde partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l'étude de l'altimétrie SAR/Doppler. Cette nouvelle technologie vise à réduire le bruit de mesure et à augmenter la résolution le long de la trace par rapport à l'altimétrie conventionnelle. Deux modèles altimétriques ont été développés afin d'estimer les paramètres associés aux échos SAR/Doppler. Ces modèles montrent une nette amélioration de la qualité des paramètres estimés par rapport à l'altimétrie conventionnelle. / For more than twenty years, conventional altimeters like Topex, Poseidon-2 or Poseidon-3, have been delivering waveforms that are used to estimate many parameters such as the range between the satellite and the observed scene, the wave height and the wind speed. Several waveform models and estimation processing have been developed for the oceanic data in order to improve the quality of the estimated altimetric parameters. Moreover, a great effort has been devoted to process coastal echoes in order to move the altimetric measurements closer to the coast. In this thesis, we are interested in resolving these two problems, i.e., processing coastal waveforms and improving the quality of the estimated oceanic parameters. The first part of the study considers the problem of coastal waveforms and proposes a new altimetric model taking into account the possible presence of peaks affecting altimetric echoes. In a second part of our work, we have been interested in the delay/Doppler altimetry. This new technology aims at reducing the measurement noise and increasing the alongtrack resolution when compared to conventional altimetry. Two altimetric models have been developed in order to estimate the resulting delay/Doppler echoes. These models allow a clear improvement in parameter estimation when compared to conventional altimetry.

There is always a margin of error concerning elevation data, which are considered one of the most important types of topographic information obtained from Digital Elevation Models (DEMs). Today, DEMs are the most useful data source for geospatial analysis and are highly requested. To achieve accuracy of DEMs, new techniques came out. Airborne Laser Scanning (LIDAR) and the Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) are among the latest methods used in remote sensing to produce DEMs.The two techniques do not have the same advantages and disadvantages. Taking into account the morphology of terrain and factors related to vegetation, we have proceeded to various comparisons of topographic information obtained from ICES at elevation data, Canadian Digital Elevation Data (CDED), and SRTM models. We used more than 8 million points distributed in eight study areas throughout Canada. A comparison between CDED and SRTM indicated an RMSE of 11, 9 m. Vertical accuracy was found to be surface slope dependent. Comparisons made with ICESat LIDAR elevation points on SRTM and CDED models confirmed the important influence of slope on topographic information. ICES at produces excellent results in plane regions for slopes ? 5À (RMSE of 1, 5 m found in Manitoba). While comparing ICESat/SRTM with ICESat/DNEC, we observed that ICESat/SRTM presented the fewest errors. Errors between CDED and SRTM models are concentrated around a north-south axis, particularly in northern directions. ICESat/SRTM confirmed the concentration of errors in the northern directions. Comparisons showed that conifers are the species which had a major influence on the differences between the two models with an RMSE of 6,7 m.The density of vegetation does not have a significant impact on the topographic information between SRTM and CDED.The highest trees have more influence on the topographic information, with an RMSE above 5 m. However, vegetation does not influence ICES at and SRTM in the same manner. From the existing relation between contour interval and RMSE, we derived some topographical scale ranges which enable mapping with SRTM data at a scale better than 1: 250 000. For the most part, the observed RMSE between CDED and SRTM fulfills the 16 m RMSE specification for the SRTM mission. Despite the low distribution of ICESat elevation points, the importance of this satellite cannot be overemphasized: ICES at points remain a power validation tool in satellite altimetry.

Résumé : En raison de sa grande étendue, le Nord canadien présente plusieurs défis logistiques pour une exploitation rentable de ses ressources minérales. La TéléCartographie Prédictive (TCP) vise à faciliter la localisation de gisements en produisant des cartes du potentiel géologique. Des données altimétriques sont nécessaires pour générer ces cartes. Or, celles actuellement disponibles au nord du 60e parallèle ne sont pas optimales principalement parce qu’elles sont dérivés de courbes à équidistance variable et avec une valeur au mètre. Parallèlement, il est essentiel de connaître l'exactitude verticale des données altimétriques pour être en mesure de les utiliser adéquatement, en considérant les contraintes liées à son exactitude. Le projet présenté vise à aborder ces deux problématiques afin d'améliorer la qualité des données altimétriques et contribuer à raffiner la cartographie prédictive réalisée par TCP dans le Nord canadien, pour une zone d’étude située au Territoire du Nord-Ouest. Le premier objectif était de produire des points de contrôles permettant une évaluation précise de l'exactitude verticale des données altimétriques. Le second objectif était de produire un modèle altimétrique amélioré pour la zone d'étude. Le mémoire présente d'abord une méthode de filtrage pour des données Global Land and Surface Altimetry Data (GLA14) de la mission ICESat (Ice, Cloud and land Elevation SATellite). Le filtrage est basé sur l'application d'une série d'indicateurs calculés à partir d’informations disponibles dans les données GLA14 et des conditions du terrain. Ces indicateurs permettent d'éliminer les points d'élévation potentiellement contaminés. Les points sont donc filtrés en fonction de la qualité de l’attitude calculée, de la saturation du signal, du bruit d'équipement, des conditions atmosphériques, de la pente et du nombre d'échos. Ensuite, le document décrit une méthode de production de Modèles Numériques de Surfaces (MNS) améliorés, par stéréoradargrammétrie (SRG) avec Radarsat-2 (RS-2). La première partie de la méthodologie adoptée consiste à faire la stéréorestitution des MNS à partir de paires d'images RS-2, sans point de contrôle. L'exactitude des MNS préliminaires ainsi produits est calculée à partir des points de contrôles issus du filtrage des données GLA14 et analysée en fonction des combinaisons d’angles d'incidences utilisées pour la stéréorestitution. Ensuite, des sélections de MNS préliminaires sont assemblées afin de produire 5 MNS couvrant chacun la zone d'étude en totalité. Ces MNS sont analysés afin d'identifier la sélection optimale pour la zone d'intérêt. Les indicateurs sélectionnés pour la méthode de filtrage ont pu être validés comme performant et complémentaires, à l’exception de l’indicateur basé sur le ratio signal/bruit puisqu’il était redondant avec l’indicateur basé sur le gain. Autrement, chaque indicateur a permis de filtrer des points de manière exclusive. La méthode de filtrage a permis de réduire de 19% l'erreur quadratique moyenne sur l'élévation, lorsque que comparée aux Données d'Élévation Numérique du Canada (DNEC). Malgré un taux de rejet de 69% suite au filtrage, la densité initiale des données GLA14 a permis de conserver une distribution spatiale homogène. À partir des 136 MNS préliminaires analysés, aucune combinaison d’angles d’incidences des images RS-2 acquises n’a pu être identifiée comme étant idéale pour la SRG, en raison de la grande variabilité des exactitudes verticales. Par contre, l'analyse a indiqué que les images devraient idéalement être acquises à des températures en dessous de 0°C, pour minimiser les disparités radiométriques entre les scènes. Les résultats ont aussi confirmé que la pente est le principal facteur d’influence sur l’exactitude de MNS produits par SRG. La meilleure exactitude verticale, soit 4 m, a été atteinte par l’assemblage de configurations de même direction de visées. Par contre, les configurations de visées opposées, en plus de produire une exactitude du même ordre (5 m), ont permis de réduire le nombre d’images utilisées de 30%, par rapport au nombre d'images acquises initialement. Par conséquent, l'utilisation d'images de visées opposées pourrait permettre d’augmenter l’efficacité de réalisation de projets de SRG en diminuant la période d’acquisition. Les données altimétriques produites pourraient à leur tour contribuer à améliorer les résultats de la TCP, et augmenter la performance de l’industrie minière canadienne et finalement, améliorer la qualité de vie des citoyens du Nord du Canada. / Abstract : Due to its vast extent, Northern Canada faces several logistical challenges for a profitable exploitation of its mineral resources. Remote Predictive Mapping (RPM) aims to help in targeting mineral deposits through the production of geological potential maps. Elevation data is necessary for the generation of these maps. However, the currently available elevation data north of the 60th parallel are not optimal primarily because it has been derived from contours with values at a metric precision. Additionally, exact knowledge of the vertical accuracy of elevation data is essential to insure a suitable use, within its accuracy constraints. This project aimed to improve the quality of elevation data and to contribute to the refinement of RPM products for a study site located in the Northwest Territories. The first objective was to generate control points to evaluate vertical accuracy with precision. The second objective was to generate an improved elevation model for the study site. First, a filtering method for Global Land and Surface Altimetry Data (GLA14) from the ICESat (Ice, Cloud and land Elevation SATellite) mission is presented. This filtering is based on indicators, derived from information available in GLA14 data and terrain conditions, which are then applied successively to remove potentially contaminated elevation points. The points are filtered based on the attitude calculation, signal saturation, equipment noise, atmospheric conditions, slope and number of peaks. Next, a method to generate an improved Digital Surface Models (DSM) using StereoRadarGrammetry (SRG) with Radarsat-2 (RS-2) images is described. In the first part of the adopted methodology, DSM are stereorestituted from RS-2 image pairs, without control point. Then, the vertical accuracy of the DSM is calculated using the control points resulting from the filtering of GLA14 data, and analysed according to the incidence angles combination used for the stereorestitution. Next, selections from the preliminary DSM are assembled to generate 5 DSM, each covering entirely the study site. Finally, the DSM are analysed to identify the optimal selection for the area of interest. The selected indicators were found to be efficient and complementary, except for the indicator based on the noise/signal ratio. Otherwise, all indicators allowed to filter out points exclusively. A 19% reduction of the elevation mean square error was achieved with the filtering method, when compared to Canadian Digital Elevation Data (CDED). The initial density of the GLA14 allowed maintaining a spatially homogeneous distribution of the post-filtering elevation points despite a 69% rejection rate. From the analysis of the 136 preliminary DSM, no specific combination of the acquired RS-2 images incidence angles stood out as being ideal with SRG due to high variability in vertical accuracy. Nonetheless, the analysis showed that images should be ideally acquired at sub-zero temperatures to minimize radiometric discrepancies between scenes. Results also showed that the slope is the main factor influencing the accuracy of DSM generated with SRG. The best vertical accuracy (4 m) was achieved with same-side view configurations. Opposite-side view configurations, despite achieving a vertical accuracy of 5 m, allowed a 30% reduction in the amount of images initially acquired. Therefore, the use of opposite-side view configurations could help to improve the efficiency of SRG projects by reducing considerably the acquisition period. Elevation data generated using the proposed method could help to improve results from RPM and increase the efficiency of the mining industry in Northern Canada and finally contribute to the betterment of the lives of Northern Canada’s citizens.

L’océan Austral est une composante essentielle de l’océan planétaire. Sa structure annulaire lui permet d’assurer le caractère global de la circulation océanique. Il est soumis à des conditions atmosphériques extrêmes, et les flux air-mer intenses qui s’établissent à sa surface ont un rôle majeur dans la formation et la transformation des masses d’eau. L’océan Austral participe donc activement à la circulation méridienne de retournement, au piégeage du gaz carbonique contenu par l’atmosphère et à sa restitution, et aux bilans globaux d’un grand nombre d’éléments biogéochimiques.Cette thèse s’intéresse donc à l’évaluation des transferts méridiens de surface dans l’océan Austral à partir de l’altimétrie satellitale. Ces données fournissent une série temporelle bidimensionnelle de la dynamique océanique à la résolution de la méso-échelle et se sont montrées très précieuses dans le cadre de nombreuses études sur circulation de l’océan. Une connaissance plus quantitative de la phénoménologie des transferts méridiens à travers l’océan Austral conduira à une meilleure estimation de la circulation dans cet océan, de sa cellule méridienne de surface et de sa cellule méridienne intermédiaire, de la fermeture de la circulation du retournement méridien (MOC, pour Meridional Overturning Circulation) et du rôle de cet océan dans la circulation globale et le climat terrestre.Le courant Circumpolaire Antarctique (ACC, pour Antarctic Circumpolar Current) est une composante dynamique cruciale de l’océan Austral. L'ACC s’articule en jets, positionnés autour d’un ensemble de fronts dont la définition n’est pas unique dans la littérature. L’identification fine des fronts qui forment l’ACC et ses limites nord et sud demeure donc un problème complexe, bien qu’elle soit essentielle pour mieux identifier les échanges réalisés dans la direction qui leur est transverse.Le premier objectif de cette thèse est donc de proposer pour ces fronts une qualification la plus objective précise, afin de pouvoir caractériser leur continuité dans le temps et dans l’espace. Notre travail s’appuie sur les séries altimétriques observées depuis l’espace, car elles offrent l’avantage d’une bonne résolution spatiale sur une longue durée. Le niveau de la mer caractérise par ailleurs la dynamique océanique intégrée sur une échelle verticale plus large, donc a priori plus robuste, que la simple surface océanique. Trois méthodes, indépendantes dans leur formalisme, sont ainsi implémentées pour répondre à ce premier objectif : cartes d’exposants de Lyapunov, traitement d’images par des analyses en ondelettes et travail direct sur l’intensité du courant géostrophique de surface.Une fois définis, ces fronts permettent d’asseoir une géométrie de référence pour l’ACC. La mise en évidence de brèches dans leur agencement zonal, c’est-à-dire de discontinuités dans le temps ou dans l’espace permet de distinguer des lieux privilégiés pour des échanges cross-frontaux. Dans les couches de surfaces de l’océan Austral, les échanges méridiens peuvent avoir lieu par des transferts dans la couche d’Ekman, ou par des structures à méso-échelle, voire à plus fine échelle. Puisque des estimations du transport d’Ekman ont déjà été dérivées à partir de données de vent satellitales et numériques et puisque la résolution de l’altimétrie satellitale ne permet pas encore d’étudier la subméso-échelle océanique de manière satisfaisante, nous nous intéressons aux échanges réalisés par les tourbillons de méso-échelle. Nous réalisons donc un diagnostic fin de l’activité de méso-échelle à partir du recensement et du suivi des tourbillons dans l’océan Austral, sur la base d’une détection de contours fermés dans des cartes journalières de niveau de la mer absolu. Nous détaillons la géographie et le comportement de l’activité de méso-échelle dans une sous-région de l’océan Austral entourant le sud du continent africain.[…] / No

La mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), menée par le CNES et le JPL et dont le lancement est prévu pour 2020, marque un tournant majeur pour l'altimétrie spatiale, à la fois en océanographie et en hydrologie continentale. Il s'agit de la première mission interférométrique SAR dont l'objectif spécifique est la mesure de la hauteur des eaux. L'instrument principal de la mission, KaRIn, un radar interférométrique en bande Ka, présente des caractéristiques particulières : angle de visée proche du nadir (0.6 à 3.9°), faible longueur d'onde (8.6 mm) et courte base stéréoscopique (10 m). Ces spécificités techniques entrainent des particularités propres à SWOT, à la fois en termes de phénoménologie et de traitement des données. Par ailleurs, du fait de la nature et du grand volume des données, de nouvelles méthodes de traitement sont envisagées, qui se distinguent de celles des missions interférométriques antérieures. Pour le mode " Low Rate " (LR) dédié à l'océanographie, une grande partie du traitement se déroulera à bord pour limiter le volume de données à transmettre au sol. Le mode " High Rate" (HR) visant principalement l'hydrologie continentale, présente lui aussi des originalités en termes de traitement, essentiellement réalisé au sol, de par la grande diversité de structure des surfaces d'eau qui seront observées. Pour les deux modes, la stratégie d'inversion de la phase en hauteurs géolocalisées ne peut être calquée sur celles des missions antérieures, fondées sur le déroulement spatial de la phase interférométrique. L'approche retenue est d'utiliser, autant que possible, un modèle numérique de terrain (MNT) de référence pour lever l'ambiguïté de phase et procéder directement à l'inversion de hauteur. Ceci permet à la fois de gagner en temps de traitement et de s'affranchir de l'utilisation des points de contrôle, difficiles à obtenir sur les océans comme sur les continents, du fait des variations de niveau d'eau et un rapport signal à bruit très faible sur les zones terrestres. Dans les cas où la précision du MNT de référence n'est pas suffisante pour assurer correctement le déroulement de la phase, des méthodes visant à détecter et réduire les erreurs sont proposées. Afin de faciliter l'utilisation des hauteurs géolocalisées issues de la phase l'interférométrique en mode HR, nous proposons une méthode qui permet d'améliorer considérablement la géolocalisation des produits, sans dégrader l'information de hauteur d'eau. / The SWOT mission (Surface Water and Ocean Topography), conducted by CNES and JPL, and scheduled for launch in 2020, is a major step forward for spaceborne altimetry, both for oceanography and continental hydrology. It is the first interferometric SAR mission whose specific objective is the measurement of water surface height. The main instrument of the mission, KaRIn, a Ka-band Radar Interferometer, has particular characteristics: very low incidence angle (from 0.6 to 3.9°), short wavelength (8.6 mm), and short baseline (10 m). This technical configuration leads to properties that are specific to SWOT, both in terms of phenomenology and data processing. Moreover, due to the nature and the huge volume of data, new processing methods, different from those used in previous interferometric mission, are considered. For the Low Rate (LR) mode dedicated to oceanography, a large part of the processing will take place onboard to limit the data volume transmitted to ground. The High Rate (HR) mode, mainly targeting continental hydrology, also present original characteristics in terms of processing, essentially conducted on ground, due to the large diversity in the structure of the observed water surfaces. In both modes, the strategy for conversion of phase into geolocated heights cannot be directly based on those of previous missions, relying on spatial phase unwrapping. The approach retained here is to use, as far as possible, a reference Digital Terrain Model (DTM) to remove the phase ambiguity and proceed directly to height inversion. This allows both to reduce the computing time and to avoid the need for ground control points, which are difficult to obtain both over oceans and continental surfaces, due to varying water level and very low signal-to-noise ratio over land. For cases where the precision of reference DTM is not good enough to ensure a correct phase unwrapping, methods to detect and reduce the errors are proposed. To facilitate the use of the geolocated heights derived from the interferometric phase in HR mode, we propose a method that permits to significantly improve the geolocation of the products, without degrading the water height information.

La mesure de la hauteur des océans, des vents de surface (fortement liés aux températures des océans), ou encore de la hauteur des vagues sont un ensemble de paramètres nécessaires à l'étude des océans mais aussi au suivi de leurs évolutions : l'altimétrie spatiale est l'une des disciplines le permettant. Une forme d'onde altimétrique est le résultat de l'émission d'une onde radar haute fréquence sur une surface donnée (classiquement océanique) et de la mesure de la réflexion de cette onde. Il existe actuellement une méthode d'estimation non optimale des formes d'onde altimétriques ainsi que des outils de classifications permettant d'identifier les différents types de surfaces observées. Nous proposons dans cette étude d'appliquer la méthode d'estimation bayésienne aux formes d'onde altimétriques ainsi que de nouvelles approches de classification. Nous proposons enfin la mise en place d'un algorithme spécifique permettant l'étude de la topographie en milieu côtier, étude qui est actuellement très peu développée dans le domaine de l'altimétrie. / After having scanned the ocean levels during thirteen years, the french/american satelliteTopex-Poséidon disappeared in 2005. Topex-Poséidon was replaced by Jason-1 in december 2001 and a new satellit Jason-2 is waited for 2008. Several estimation methods have been developed for signals resulting from these satellites. In particular, estimators of the sea height and wave height have shown very good performance when they are applied on waveforms backscattered from ocean surfaces. However, it is a more challenging problem to extract relevant information from signals backscattered from non-oceanic surfaces such as inland waters, deserts or ices. This PhD thesis is divided into two parts : A first direction consists of developing classification methods for altimetric signals in order to recognize the type of surface affected by the radar waveform. In particular, a specific attention will be devoted to support vector machines (SVMs) and functional data analysis for this problem. The second part of this thesis consists of developing estimation algorithms appropriate to altimetric signals obtained after reflexion on non-oceanic surfaces. Bayesian algorithms are currently under investigation for this estimation problem. This PhD is co-supervised by the french society CLS (Collect Localisation Satellite) (seehttp://www.cls.fr/ for more details) which will in particular provide the real altimetric data necessary for this study.

Disposer de données précises, spatialisées et actualisées sur les niveaux et les profondeurs des eaux côtières ou continentales est nécessaire pour assurer et anticiper une meilleure gestion des eaux littorales et continentales. Parmi les techniques de télédétection de suivi de la bathymétrie et d'altimétrie des eaux, le LIDAR apparaît, de par son potentiel de précision, de résolution et de répétitivité spatiale des mesures, comme une technique adaptée et prometteuse, déjà éprouvée sur des plateformes aéroportées.L'objectif de cette thèse est d'évaluer le potentiel du transfert de la technologie LiDAR sur satellite pour estimer l'altimétrie et la bathymétrie des eaux de surfaces continentales et côtières. Une approche expérimentale basée sur des données LiDAR réelles, puis une approche théorique basée sur des formes d'onde LiDAR simulées ont été utilisées pour explorer les performances de capteurs LiDAR satellitaires.Dans une première partie, la qualité des données altimétriques du capteur LiDAR satellitaire GLAS/ICESat fut évaluée pour le suivi de l'altimétrie de plans d'eau. La méthode d'évaluation développée repose sur la prise en compte des phénomènes d'autocorrélation des mesures successives lors des comparaisons de l'élévation GLAS/ICESat avec les niveaux d'eau mesurés aux stations hydrométriques. Les précisions estimées sont de l'ordre de 12 cm.Dans une seconde partie, un modèle de simulation des trains d'ondes LiDAR a été développé. La confrontation des simulations issues du modèle par comparaison à des trains d'ondes observés par des capteurs satellitaires et aéroportés a été effectuée.Dans une dernière partie, les performances de deux configurations de potentiels capteurs LiDAR spatiaux émettant dans l'UV (355 nm) ou dans le vert (532 nm) ont été évaluées à partir des formes d'ondes simulées suivant des distributions globales des différents paramètres de l'eau assumées comme représentatives à l'échelle mondiale et pour quatre types d'eaux différents. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour identifier et ordonner les paramètres environnementaux qui influent le plus sur l'écho LiDAR du fond de l'eau, signal déterminant dans la faisabilité de la mesure bathymétrique. Ensuite, les probabilités de mesure de la bathymétrie ainsi la précision sur l'estimation de la bathymétrie ont été calculées suivant un plan d'expérience qui respecte les distributions globales des paramètres d'eau. Cette thèse propose une méthodologie globale, point de départ pour explorer les performances globales et les facteurs limitant de futurs capteurs LiDAR satellitaires dédiés totalement ou partiellement à l'altimétrie et la bathymétrie des eaux côtières et continentales. / Possessing accurate, spatial and current data on the water levels and the depths are necessary for anticipation and better management of coastal and continental waters. Among the remote sensing techniques to monitor the water bathymetry and altimetry, the LIDAR appears as an adapted and promising technique, already proven on airborne platforms, because of its potential accuracy, spatial resolution and repeatability of measurements. The objective of this thesis is to evaluate the potential of the transfer technology on satellite LiDAR to estimate the water altimetry and bathymetry of continental and coastal areas. An experimental approach based on actual LiDAR data and a theoretical approach based on simulated LiDAR waveforms were used to explore the performance of satellite LiDAR sensors.In the first part, the altimetry data quality from the satellite LiDAR sensor GLAS / ICESat was evaluated in order to monitor the altimetry of water bodies. The evaluation method developed is based on the consideration of the autocorrelation phenomena of successive measurements when comparing the elevation GLAS / ICESat with water levels measured at gauging stations. Accuracies are estimated in the order of 12 cm.In the second part, a simulation model of LiDAR waveform has been developed. The confrontation between simulations from the model compared to observed waveform provided by satellite and aircraft sensors was performed.In the last section, the performance of two space borne LiDAR emitting in the UV (355 nm) or the green (532 nm) were evaluated using a methodology based on waveform simulation following aggregate distributions of various water parameters assumed to be representative on a global scale and for four different types of water. A sensitivity analysis was performed to identify and order the environmental parameters that influence the most the LiDAR bottom echo of the water signal in determining the feasibility of measuring bathymetry. Then, the probability of measuring water depth and the accuracy of estimating the bathymetry were calculated according to an experimental design that meets the global distributions of water parameters. This thesis proposes a global methodology, a starting point to explore the overall performance and the limiting factors for future satellite LiDAR sensors totally or partially dedicated to altimetry and bathymetry of coastal and inland waters.

Ce travail de thèse présente une étude sur la circulation océanique de surface s'écoulantle long des talus continentaux (aux abords de l’isobathe 200 m) de la mer Méditerranée centrale. L'objectif étaitde mieux renseigner le schéma de circulation de surface dans la région et les régimes de variabilité associés ens’appuyant essentiellement sur les observations altimétriques conventionnelles (AVISO/X-TRACK) le longdes traces satellite, disponibles sur la période 1993-2015. Cette étude est également basée sur une utilisationcombinée des données spatiales de SST, de mesures in-situ hydrographiques et de courantométrieconjointement avec l'altimétrie. L'analyse a d'abord permis de caractériser la variabilité saisonnière et deproposer un nouveau schéma de circulation de surface, y compris pour les saisons intermédiaires, incluant unenouvelle branche de courant Atlantique sur le plateau continental Tunisien. Le second point fort de ce travailréside aussi dans la caractérisation du transport de surface et des modes de variations inter-annuelles de l'eauAtlantique à partir de l'altimétrie côtière sur le long terme. L‘observabilité de la méso-échelle océanique de lazone d‘étude est enfin abordée à partir des mesures altimétriques haute résolution (AltiKa). Cela a permis dedétecter des structures physiques à plus fine échelle et d'affiner le détection des variations des courants les pluscôtiers. Au delà des aspects scientifiques, cette thèse a également permis des avancées méthodologiquesimportantes concernant l’utilisation combinée de différents jeux de données spatiaux et in-situ, aisémentapplicables pour les pays du Sud. / This work presents a study on surface ocean circulation flowing along the continentalslopes (near the 200 m isobath) of the central Mediterranean Sea. The aim was to better inform the surfacecirculation patterns in the region and the associated variability regimes based mainly on along-trackconventional altimetry (AVISO / X-TRACK) available over the period 1993-2015. This study is also based onthe combined use of spatial SST data, in-situ hydrographic and current measurements in conjunction withaltimetry. The analysis has first allowed to characterize the seasonal variability and to propose a new surfacecirculation pattern, including the intermediate seasons, and a new branch of Atlantic current on the Tunisiancontinental shelf. The second highlight of this work is the characterization of surface transport and inter-annualvariations of Atlantic water from coastal altimetry over the long term. The observability of the oceanic mesoscaleof the study area is finally addressed from high resolution altimetry measurements (AltiKa). This hasallowed to detect physical structures on a smaller scale and to refine the detection of variations in the mostcoastal currents. Beyond the scientific aspects, this thesis has also allowed important methodological advancesregarding the combined use of different spatial and in-situ data sets, easily applicable for the countries of theSouth.

Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography), dont le lancement est prévu aux horizons 2020, observera la hauteur d'eau sur les cours d'eau de largeur supérieure à 100 m, avec une répétitivité d'environ 5 jours sur la France, en repassant tous les 21 jours au dessus du même point. Ces données serviront d'une part à valider les modèles hydrologiques, et d'autre part à améliorer leur utilisation pour le suivi hydrologique. La finalité des travaux réalisés est d'assimiler des données SWOT virtuelles de hauteurs d'eau en rivière, en tenant compte de l'incertitude attendue des observations. À partir des produits d'assimilation, l'enjeu final est d'optimiser les valeurs du coefficient de rugosité du lit de la rivière, paramètre déterminant dans les modèles hydrologiques pour la régulation des écoulements. Dans un premier temps, plusieurs développements du modèle hydrométéorologique régional ISBA/MODCOU sont effectués. Les objectifs principaux sont d'introduire la simulation de profondeurs d'eau pour permettre une comparaison simple avec les futurs produits SWOT dans la suite des travaux, mais aussi, de manière plus générale d'améliorer l'hydrodynamique du modèle, en particulier les variations temporelles de vitesse d'écoulement en rivière. La prise en compte d'une vitesse variable des écoulements en rivière permet d'améliorer de façon significative la qualité des simulations, validées sur des stations de mesure in situ localisés sur le réseau de rivières du bassin versant de la Garonne. La comparaison des sorties ISBA/MODCOU avec celles des modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne aval montre que le modèle simule plutôt bien les variations temporelles de hauteur d'eau, mais n'est pas capable de renseigner localement de bonnes profondeurs (à cause de la forte hétérogénéité spatiale de la géomorphologie non prise en compte dans ISBA/MODCOU). Après avoir développé et évalué le modèle sur le bassin de la Garonne, la deuxième étape est alors de mettre en place un schéma d'assimilation de données permettant d'assimiler des produits synthétiques SWOT dans le modèle. Le système d'assimilation utilisé repose sur la méthode du " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). Dans notre cas, les données SWOT virtuelles servent à améliorer un paramètre hydrologique déterminant dans ISBA/MODCOU : le coefficient de rugosité de la rivière. Etant donné que SWOT n'est pas encore en orbite, il est nécessaire de simuler les observations que le satellite fournira. Connaissant son orbite, il est possible de simuler la trace issue des repassages du satellite au dessus du bassin de la Garonne. On peut ainsi déterminer sur un cycle complet de 21 jours quelles rivières seront observées, et à quels instants. Une simulation ISBA/MODCOU de référence a servi pour créer des observations virtuelles. On connaît donc la réalité vers laquelle on souhaite tendre : ce type d'expérience est appelé " expérience jumelle ". Le but est ainsi de partir volontairement d'un état perturbé du modèle, et d'arriver à se rapprocher au cours des cycles d'assimilation vers notre réalité connue. Les résultats montrent que le système d'assimilation permet de converger vers la simulation de référence (± 1 Ks pour le coefficient de rugosité, ± 5 cm pour la hauteur d'eau) sous certaines conditions. La fin des travaux est consacrée à la prise en compte d'erreurs de mesures SWOT plus réalistes (liées à l'instrument embarqué sur le satellite, à la déformation des ondes dans l'atmosphère, etc.), ainsi qu'à l'assimilation de données de hauteurs d'eau issues de modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne avale. De plus, étant donné que SWOT n'observera pas des profondeurs en rivières mais des élévations d'eau par rapport à un niveau de référence, l'assimilation de variations temporelles de hauteurs d'eau dans ISBA/MODCOU est testée. / The SWOT (Surface Water and Ocean Topography) mission will provide free water surface elevations, slopes and river widths for rivers wider than 100 m, with a repetitivity of about 5 days and a revisit time of 21 days over France. These data will allow to validate hydrological models and improve them to simulate the water cycle. The final goal is to assimilate virtual water surface elevations measured by SWOT, by taking into account the error of these measurements. By using these products, the goal is to improve the values of the roughness coefficient in a hydrological model. This coefficient is important because river flows are very sensitive to this parameter. First, several developpements are set up in the regional hydrometeorological model ISBA/MODCOU. These model improvements will make possible comparisons with the future SWOT products. The principal objective is to simulate river depths in order to make an easy comparison with the SWOT products in future works. This will also improve the hydrodynamics of the model, in particular the simulation of temporal variations of flow velocities in the river. The representation of a variable flow velocity significantly improves the quality of the simulations which are validated over in situ river gauges located in the Garonne catchment. The comparison of ISBA/MODCOU outputs with those of fine-scale hydraulic models in the downstream Garonne river shows that the temporal river height variations are well simulated, but that it is difficult to simulate locally the river depth (because the high spatial heterogeneity of the geomorphology is not taken into account in ISBA/MODCOU). After the developpement and evaluation of the model in the Garonne catchement, the second step is to build a data assimilation scheme able to assimilate synthetic SWOT data in the model. The data assimilation scheme is based on the " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). In our case, virtual SWOT data are used to improve an important hydrological parameter in ISBA/MODCOU : the roughness coefficient of the river. Because SWOT is not yet in orbit, it is necessary to simulate future satellite observations. By knowing the orbit, it is possible to simulate the swath and revisit times of the satellite above the Garonne catchment. We can also know over a complete cycle of 21 days which rivers will be observed and when. A reference simulation of ISBA/MODCOU has been run to create virtual observations. In this way, we know the reality to which we want to tender. This kind of experiment is called " twin experiment ". The goal is to start volontary from a pertubed state of the model, and then to converge in the assimilation cycles to the known reality. Results show that the data assimilation system let to converge in the direction of the reference simulation (± 1 Ks for the roughness coefficient, ± 5 cm for the river height). The representation of more realistic SWOT errors is implemented at the end of the work (linked to the instrument on board, the deformation of the waves in the atmosphere, etc.), and also the data assimilation of river heights simulated by fine scale hydraulic models in the downstream Garonne. Furthermore, the assimilation of temporal variations of river depths in ISBA/MODCOU is tested, because SWOT will not observe river depths but surface water elevations above a known reference level.

De nombreux travaux menés durant les quinze dernières années ont permis de montrer le potentiel de l'altimétrie satellitaire radar pour le suivi du niveau des eaux continentales (mers intérieures, lacs, zones d'inondations et grands