Ce travail présente une nouvelle méthode de télédétection à distance de la concentration d’un gaz trace dans l’atmosphère basée sur le couplage de la méthode spectroscopique de corrélation optique (Optical Correlation Spectroscopy, OCS) et la technologie de télédétection lidar dans lequel une source laser de large étendue spectrale est considérée. Les premiers travaux furent consacrés au développement d’un nouveau formalisme pour estimer la concentration d’un gaz trace dans l’atmosphère à partir des signaux OCS-lidar. Pour évaluer les performances d’une telle méthode, un modèle numérique simulant des signaux OCS-lidar pour la mesure de la concentration de méthane et de vapeur d’eau a été réalisé. L’influence de la pression et la température sur les propriétés spectroscopiques de ces gaz sur les mesures de concentration a également été étudiée. En plus de ce travail théorique, la première démonstration expérimentale de l’OCS-lidar est présentée en utilisant un lidar basé sur une source laser femtoseconde. Les mesures OCS-lidar ont été réalisées au moyen d’un nouveau système expérimental entièrement élaboré et construit pendant cette thèse. Pour réaliser les mesures consacrées à la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère, la bande d’absorption de la molécule de H2O 4ν à 720 nm a été utilisée. Ainsi les résultats obtenus ont montré le potentiel de la méthode OCS5 lidar pour mesurer la concentration de vapeur d’eau. Par la suite, le développement de la méthodologie OCS-lidar dédiée à la mesure du méthane est présenté. La bande d’absorption 2ν3 à 1,66 μm est exploitée et les premières mesures des signaux lidar sont exposées. Ce travail se termine par la présentation des possibles perspectives d’évolution / In this thesis, a new active remote sensing methodology is proposed to evaluate the content of atmospheric trace gases. The new methodology is based on laser spectroscopy and consists in coupling a spectrally broadband lidar with optical correlation spectroscopy (OCS-lidar). As a first step, a new formalism has been developed to remotely evaluate the target gas concentration from the OCS-lidar signals. To evaluate the performance of this new methodology, a numerical model simulating OSC-lidar signals for methane and water vapor measurement has been developed. Moreover, the influence of the absorption spectroscopic line parameters, such as atmospheric pressure and temperature, on the retrieved gas mixing ratio has been assessed within the OCS-lidar methodology. In addition to this theoretical work, the first experimental demonstration of the OCS-lidar methodology has been performed using a femtosecond lidar system. The latter has been entirely designed, developed and implemented in the framework of this thesis. Results show the ability of the OCS-lidar methodology to monitor the water vapor using the 4ν 720 nm absorption band. Moreover, two different experimental configurations have been proposed, depending on whether the amplitude modulation is operated on the laser pulse or on the backscattered light, i.e. at the emission, with an active amplitude modulator or at the reception, with passive optical filters. The advances in developing the corresponding infrared OCS-lidar system for methane mixing ratios measurements are described and possible outlooks are given

La Guyane française est une région située sur le Plateau des Guyanes en Amérique du sud. Elle présente à la fois une grande originalité en termes de biodiversité, un bon état de conservation et une forte contribution au stock de carbone Amazonien. Les connaissances sur l’évolution de la structure forestière de la Guyane française restent cependant insuffisantes pour offrir une gestion optimale à l’échelle du territoire. La disponibilité sans précédent de données de télédétection à très haute résolution spatiale telles que le LiDAR , sur de larges couvertures nous offre l'opportunité d’évaluer la ressource forestière de la Guyane Française. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent prioritairement à étudier la structure et les variations de la hauteur de canopée, les facteurs déterminant sa variabilité ainsi que les conséquences des activités d’exploitation forestière. Les données utilisées au cours de la thèse proviennent d’un LiDAR aéroporté et des données de terrains de l'Office National des Forêts (ONF). Ce manuscrit de thèse est divisé en trois grandes parties. La première partie introduit la problématique et fixe les objectifs de la thèse. La seconde partie prend la forme dite « sur article », c'est-à-dire que les différents chapitres qui la compose sont des articles scientifiques publiés ou en cours de publication, elle est composée de trois études. (i) Une étude concernant la détection des trouées et des déterminants environnementaux sur la distribution de tailles des trouées en forêt non exploitée : Comment caractériser la distribution de taille des trouées et est-ce qu’il y a des déterminants environnementaux qui influencent la distribution statistique de taille de trouées? Cet article à été soumis dans Biogeoscience. (ii) Une étude du contrôle de l'environnement sur la structure et les variations de la hauteur de canopée à différentes résolutions spatiales. Quelles échelles spatiales sont pertinentes pour analyser les déterminants environnementaux des variations de hauteur de la canopée en forêt tropicale à partir des données de télédétection ? Comment l’environnement peut aider, ou pas, à cartographier la hauteur de la canopée en forêt tropicale ? Cet article à été accepté pour publication dans Remote Sensing. (iii) Une troisième étude où nous avons quantifié les effets de l’exploitation à faible impact (EFI) sur la structure et la variation de la hauteur de canopée. Quelles sont les effets de l’exploitation forestière sur les variations de hauteur de canopée et sur la distribution de taille des trouées ? Cet article sera soumis pour publication dans une revue scientifique (Forest Ecology and Management). Dans la dernière partie, après une synthèse des principaux résultats, nous proposons des pistes de développement. / French Guiana is a region located on the Guiana Shield in South America. Is presents at the same time a high originality in biodiversity, a good state of conservation and a strong correlation to Amazonian carbon stocks. Knowledge on evolution of the forest structure of French Guiana is however still insufficient to bring an optimal management at territory scale. Availability as never seen before of remote sensing data at high spatial resolution such as LiDAR, on large coverage, offers the opportunity to assess the forest resource in French Guiana. The work done during this thesis aim mostly to study the structure and the variations of the canopy height, the factors determining its variability and the consequences of forest logging activities. The data used during this thesis come from an airborne LiDAR and field data from Office National des Forêts (ONF). This thesis manuscript is divided in three parts. The first part introduces the problem and sets the objectives of the thesis. The second part takes the so-called "article" form, that is, the different chapters that compose it are scientific articles published or in the course of publication, it is composed of three studies (I) A study on the gaps detection and environmental determinants on the gap sizes distribution in natural forest: How to characterize the gap size distribution and are there environmental determinants that influence the statistical distribution of gap size? This article has been submitted in Biogeoscience. (ii) A study of the control of the environment on the canopy height structure and variations at different spatial resolutions. Which spatial scales are relevant for analyzing the environmental determinants of canopy height changes in tropical forests from remote sensing data? How can the environment help or not map the height of the canopy in the rainforest? This article was accepted for publication in Remote Sensing. (iii) a third study where we quantified the effects of Reduced Impact Logging (RIL) on the structure and variation of canopy height. What are the effects of logging on canopy height variations and gap size distribution? This article will be submitted for publication in a Forest Ecology and Management journal. In the last part, after a synthesis of the main results, we propose a conclusion.

Du point de vue écologique, les efforts de tension ou de compression développés par la maturation du bois au cours de la croissance permettent à l'arbre de maintenir sa posture verticale face à la gravité. Ces efforts, appelés autocontraintes de maturation, résultent de la mise en place d'un bois particulier, le bois de réaction. Sur le plan mécanique, c'est la dissymétrie des autocontraintes entre les deux faces du tronc de l'arbre qui joue un rôle moteur dans le redressement, qui s'exprime par une courbure. Ce travail vise à développer de nouveaux outils théoriques et métrologiques pour étudier le lien entre morphologie de l'arbre et autocontraintes dans un cadre biomécanique et écologique. Une première approche vise à mettre en relation la dynamique de croissance et la compétition du peuplement avec la morphologie et la réaction de contrôle de la posture des arbres. Elle utilise des données issues d'un essai sylvicole de long terme (plantations de hêtres de différentes densités initiales laissées en croissance pendant 26 ans). L'analyse rétrospective de la production du bois de réaction sur des rondelles prélevées sur ces arbres a permis d'évaluer les différentes composantes du mouvement gravitropique au cours du temps. Une loi d'échelle, établie entre la vitesse de courbure et la circonférence des tiges, montre (i) l'effet prépondérant du diamètre de la tige dans sa capacité de réaction, et (ii) l'absence d'effet additionnel de la compétition. En fin d'expérience, l'évaluation de la morphologie des arbres a permis de confirmer le lien entre l'inclinaison et l'élancement de la tige avec les indicateurs de contraintes de croissance. D'un point de vue mécanique, la morphologie de l'arbre s'interprète (i) par la forme de sa tige (inclinaison et courbures), et (ii) par la distribution spatiale de sa biomasse, qui peuvent fournir des variables biomécaniques candidates pour élaborer des modèles de stimulus-réponse. Ainsi, un important travail méthodologique couplant la technologie LiDAR terrestre (un instrument de numérisation laser 3D très prometteur pour les mesures forestières) à des techniques de modélisation géométrique a permis d'obtenir des maquettes 3D précises de la structure ligneuse d'arbres de différentes espèces. Les maquettes ont permis de modéliser la contrainte de flexion exercée par la biomasse aérienne des arbres en vue d'une mise en relation avec les indicateurs de contraintes de croissance mesurées sur leur grume. Les résultats montrent que la contrainte de flexion est une variable très prometteuse pour évaluer le degré de réaction des arbres. La méthodologie ouvre également des perspectives originales pour le suivi temporel de la morphologie de l'arbre en lien avec son interprétation biomécanique. / From an ecological point of view, the tension or compression stresses developed by wood maturation during growth allow the tree to maintain its vertical posture against gravity. These stresses, called growth stresses, results from the formation of a particular wood called reaction wood. From a mechanical point of view, the asymmetry of growth stresses between the two opposite faces of the tree trunk causes its reorientation, characterised by a curvature. This work aims at developing new theoretical and metrological tools to assess the link between tree morphology and growth stresses in a biomechanical and ecological framework. The first approach aimed at establishing the link between growth dynamics and competition of the stand with tree morphology and reaction of posture control. It is based on data taken in a long-term forestry experiment (beech plantations of different initial planting densities that grew during 26 years). The retrospective analysis of reaction wood production on wood discs taken on the trees allowed to assess the variation of their gravitropic performance over time. The scaling law established between curvature rate and stem circumference showed (i) the leading effect of the diameter of a stem on its reactivity, and (ii) the absence of additional effects of competition. At the end of the experimentation, the assessment of the tree morphology allowed to confirm the link between stem leaning and slenderness with growth stresses indicators. From a mechanical point of view, tree morphology can be assess by (i) the shape of its stem (leaning, curvatures), and (ii) the spatial distribution of its biomass, that can provide biomechanical variables for stimulus-response models. Therefore, an important methodological work was performed, based on terrestrial LiDAR technology (a promising tool for forest measurements based on 3D laser digitisation) coupled to geometrical modelling. It allowed to obtain accurate 3D mocks-up representing the woody structure of trees of variables species. The mocks-up allowed to model the bending stress exerted by the aerial biomass of the trees with the aim of linking it to the growth stresses indicators. The results show that bending stress is a promising variable for assessing the degree of reaction of trees. The developed methodology also gives many perspectives for monitoring tree morphology over time with the aim of biomechanical interpretation.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-04-19T14:14:56Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertacao_SidneySantana_2015.pdf: 7597504 bytes, checksum: bf6a44dd30bc34dca577bb38b4fb038f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-19T14:14:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertacao_SidneySantana_2015.pdf: 7597504 bytes, checksum: bf6a44dd30bc34dca577bb38b4fb038f (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / As florestas têm um papel fundamental no sequestro de carbono da atmosfera. Dessa forma, este trabalho tem como principal objetivo quantificar e analisar a biomassa de um fragmento florestal de Pinus uncinata pertencente ao Espaço Natural da Montanha de Alinyà, por meio de ferramentas de sensoriamento remoto. O espaço natural está localizado no município de Figòls y Alinyà, na província Lleida, situada na Catalunha – Espanha. Assim, para realizar este estudo foram selecionadas 7 imagens do sensor TM do Landsat 5 correspondentes aos 1984, 2003, 2006, 2008, 2009, 2010 e 2011 com rota 198 e ponto 31. Seguidamente foram trabalhadas as bandas espectrais de cada imagem e calculados a calibração radiométrica, a reflectância e os índices de vegetação NDVI e SAVI. Com os dados LiDAR foram gerados os Modelos Digitais de Terreno (MDT) e realizados os cálculos estatísticos pertinentes para calcular a biomassa florestal, a área basal e o teor de carbono. As informações obtidas foram projetadas em mapas. Como resultado, o NDVI mostrou-se importante por proporcionar a análise temporal do comportamento da massa florestal. No entanto, o NDVI e o SAVI tiveram seus resultados prejudicados pela influência dos efeitos topográficos. Os modelos de regressão linear para biomassa, área basal e teor de carbono tiveram uma correlação satisfatória com os dados de inventário para duas das cinco zonas consideradas. Dessa forma, foi possível estimar estas variáveis florestais para a zona de estudo. O cálculo de biomassa florestal pelos dados LiDAR resultaram em 9.138,6 t para uma área de 69,04 ha, enquanto que os cálculos de inventário resultaram em 11.638,4 tn. O Teor de carbono o cálculo com os dados LiDAR resultaram em 5.425,04 t diante de 6.520,18 t resultantes dos cálculos com os dados de inventário. Portanto se pode afirmar que a tecnologia LiDAR traz ao estudo florestal uma série de aplicações necessárias para uma efetiva gestão dos sistemas florestais. Além disso, o LiDAR apresenta vantagens diante dos outros métodos convencionais, em relação à sua precisão, temporalidade e varredura, ainda mais diante da urgência de se obter resultados confiáveis no cenário atual de mudanças climáticas e vulnerabilidade dos ecossistemas. / The forests have a vital role in carbon capture from the atmosphere. Thus, this work has as its main objective to quantify and analyze biomass of a forest fragment of a Pinus uncinata that belongs to Alinyà Mountain Natural Space, through remote sensing tools. The natural area is located in the County of Figòls y Alinyà, in the Lleida province, located in Catalonia-Spain. In this sense, to conduct this study, 7 images were selected from the Landsat 5 TM sensor corresponding to 1984, 2003, 2006, 2008, 2009, 2010 and 2011 with path 198 and row 31. Subsequently, the spectral bands of each image were manipulated, and then the radiometric calibration, reflectance, and the NDVI and SAVI vegetation indexes were calculated. Using the LiDAR data, the Digital Terrain Models (DTM) were generated, and relevant statistical calculations were made to subsequently calculate the forest biomass, basal area, and carbon content. The information obtained was projected on maps. As a result, the NDVI has supported the study by temporally analyzing the behavior of the forest. However, this index, and even more the SAVI, suffered with the influence of topographic effects. The linear regression models for biomass, basal area, and carbon content had a satisfactory correlation with the inventory data for 2 of the 5 areas considered. In this sense, it was possible to estimate these forest variables for the study area. The calculation of forest biomass by LiDAR data resulted in 9,138.6 ton to an area of 69.04 ha, while the inventory calculations resulted in 11,638.4 ton. For the carbon content, the calculation with the LiDAR data resulted in 5,425.04 ton in comparison with the 6,520 .18 ton resulting from the calculations with the inventory data. Hence, it is safe to say that LiDAR technology brings to the forest study a series of applications that are required for an effective management of forest systems. In addition, the LiDAR presents advantages before other conventional methods, regarding its accuracy, temporality, and range, especially on the urgency of obtaining reliable results in the current scenario of climate change and vulnerability of ecosystems.

Cette thèse propose des modèles cartographiques à grande échelle d'environnements urbains et ruraux à l'aide de données en 3D acquises par plusieurs robots. La mémoire contribue de deux manières principales au domaine de recherche de la cartographie. La première contribution est la création d'une nouvelle structure, CoMapping, qui permet de générer des cartes 3D de façon collaborative. Cette structure s’applique aux environnements extérieurs en ayant une approche décentralisée. La fonctionnalité de CoMapping comprend les éléments suivants : Tout d’abord, chaque robot réalise la construction d'une carte de son environnement sous forme de nuage de points.Pour cela, le système de cartographie a été mis en place sur des ordinateurs dédiés à chaque voiture, en traitant les mesures de distance à partir d'un LiDAR 3D se déplaçant en six degrés de liberté (6-DOF). Ensuite, les robots partagent leurs cartes locales et fusionnent individuellement les nuages de points afin d'améliorer leur estimation de leur cartographie locale. La deuxième contribution clé est le groupe de métriques qui permettent d'analyser les processus de fusion et de partage de cartes entre les robots. Nous présentons des résultats expérimentaux en vue de valider la structure CoMapping et ses métriques. Tous les tests ont été réalisés dans des environnements extérieurs urbains du campus de l’École Centrale de Nantes ainsi que dans des milieux ruraux. / This thesis proposes large-scale mapping model of urban and rural environments using 3D data acquired by several robots. The work contributes in two main ways to the research field of mapping. The first contribution is the creation of a new framework, CoMapping, which allows to generate 3D maps in a cooperative way. This framework applies to outdoor environments with a decentralized approach. The CoMapping's functionality includes the following elements: First of all, each robot builds a map of its environment in point cloud format.To do this, the mapping system was set up on computers dedicated to each vehicle, processing distance measurements from a 3D LiDAR moving in six degrees of freedom (6-DOF). Then, the robots share their local maps and merge the point clouds individually to improve their local map estimation. The second key contribution is the group of metrics that allow to analyze the merging and card sharing processes between robots. We present experimental results to validate the CoMapping framework with their respective metrics. All tests were carried out in urban outdoor environments on the surrounding campus of the École Centrale de Nantes as well as in rural areas.

Les cours d’eau font l’objet de prescriptions législatives encourageant leur restauration, et l’arasement de barrages est une des solutions utilisées actuellement en France pour y parvenir. La végétation riparienne participe à l’intégrité et à la stabilité des systèmes fluviaux, Elle est donc une composante majeure à évaluer dans le cadre des actions de restauration .Les objectifs de la thèse sont d'analyser la dynamique de colonisation des berges exondées à court terme dans le contexte de l’arasement des barrages de la Sélune (Normandie) et de développer des indicateurs de suivi à long terme des zones ripariennes. Dans un premier temps, une analyse des dynamiques de colonisation aux échelles intra et interannuelles réalisée à l’aide d’images drone et de relevés terrain a révélé la pertinence de l’utilisation d’images drones pour cartographier la végétation, ainsi que des dynamiques successionnelles rapides, avec un potentiel de restauration passive et de stabilisation des sédiments. Dans un second temps, l’analyse de nuages de points LiDAR en trois dimensions acquis en hiver et en été a montré la complémentarité des deux dates d’acquisition pour cartographier des indicateurs de statut des ripisylves à large échelle tels que les essences principales, l’ombrage ou la densité de strates herbacées et arbustives. Ces résultats permettent de discuter les dimensions méthodologiques et opérationnelles de l’utilisation des approches par télédétection pour le suivi des ripisylves. / Rivers are the object of legislation encouraging their restoration, and dam removal operations represent one of the solution to achieve it in France. Riparian vegetation plays a fundamental role in stabilizing and maintaining fluvial systems, being at the interface between terrestrial and aquatic environments. It is therefore a very important component which has to be evaluated in river restoration operations. One of the consequences of dam removal on riparian vegetation is the colonization of the dewatered sediments in the reservoir. The objective of the thesis are to define short term colonization dynamics of vegetation in context of dam removal (Sélune River, Normandy), and to develop long term indicators for the monitoring of riparian vegetation. First, an analysis of intra and interannual colonization dynamics revealed the potential of using drone images to map riparian vegetation, and fast successional dynamics with high passive restoration and sediment stabilization potential. Secondly, the analysis of 3D point clouds extracted from LiDAR data acquired in winter and summer highlighted the complementarity of the two acquisition dates to map indicators of riparian status at large scale, such as main riparian species, shading or density of herbaceous and shrubby strata. These results make it possible to discuss the methodological and operational dimensions of the use of remote sensing approaches for the monitoring of riparian vegetation

Les précipitations solides jouent un rôle crucial dans le système climatique terrestre, ainsi que dans le maintien des écosystèmes et le développement des activités humaines. Les incertitudes associées aux estimations quantitatives des précipitations ainsi que celles concernant les projections des modèles climatiques font de cette composante du cycle hydrologique un sujet de recherche important. La télédétection permet de suivre les précipitations et les nuages dans des régions où les observations in situ sont rares et dispersées, mais avec une résolution temporelle limitée ainsi qu’une zone aveugle près du sol pour les capteurs spatiaux, et une visibilité limitée dans la basse atmosphère en terrain complexe pour les radars au sol. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : 1) caractériser les nuages et les précipitations en Antarctique, en détectant la présence d’eau liquide surfondue et de particules de glace près du sol à l'aide d'un lidar 532-nm, polarisé, au sol ; 2) caractériser la structure verticale des précipitations dans deux régions contrastées mais importantes de la cryosphère, l’Antarctique et les Alpes, dans la basse troposphère, en utilisant des radars au sol.Dans cette étude, une méthode de détection des hydrométéores dans les nuages et les précipitations est proposée à l'aide de données lidar complétées par celles d’un <<micro rain radar>> (MRR) en bande K pour améliorer la détection des précipitations, ces deux instruments étant déployés à la station Dumont d'Urville (DDU) en Antarctique de l’Est. Une méthode fondée sur le facteur de dépolarisation lidar, le coefficient de rétrodiffusion atténué et l'utilisation d’un partitionnement en k-moyennes est développée. La classification des particules des nuages et des précipitations permet de documenter la distribution verticale de l'eau liquide surfondue, ainsi que des particules de glace sous différentes formes. La comparaison entre les classifications obtenues depuis le sol et celles obtenues à partir des données satellitaires montre des formes similaires pour la distribution verticale de l'eau liquide surfondue dans les nuages.La structure verticale des précipitations près de la surface est analysée à l'aide des moments Doppler obtenus à partir de trois MRRs situés à DDU, à la station Princess Elisabeth (PE) à l'intérieur de l'Antarctique de l’Est, et à la station du Col de Porte (CDP) dans les Alpes françaises. Ces analyses montrent que le climat local joue un rôle important dans la structure verticale des précipitations. En Antarctique, les forts vents catabatiques soufflant du haut plateau jusqu'à la côte diminuent le facteur de réflectivité radar près de la surface en raison de la sublimation des flocons de neige. Les moments Doppler fournissent aussi de riches informations pour comprendre les processus liés aux précipitations, tels que l'agrégation et le givrage, observés notamment à DDU et au Col de Porte.Les résultats montrent également qu'à l'intérieur du continent Antarctique, une partie significative (47%) des profils de précipitations présentent une sublimation complète avant la surface en raison des conditions atmosphériques sèches, alors que sur la côte de l'Antarctique, cela ne concerne qu’environ un tiers des profils (36%). Dans les Alpes, ce pourcentage est réduit à 15%. La majeure partie de la sublimation est observée en dessous de l'altitude où les profils de CloudSat sont contaminés par la proximité du sol. Par conséquent, ce phénomène ne peut pas être entièrement décelé depuis l'espace avec les capteurs actuels.Cette thèse contribue à l'étude de la structure verticale des précipitations neigeuses dans la basse troposphère ; elle est utile pour l'évaluation des produits de télédétection concernant les précipitations qui peuvent présenter de fortes limitations à la proximité de la surface. / Solid precipitation plays an important role in the Earth's climate system, as well as for the maintenance of ecosystems and the development of human society. The large uncertainty in precipitation estimates and the discrepancies within climate model projections make this component of the hydrological cycle important as a research topic. Remote sensing allows to monitor precipitation and clouds in regions where in-situ observations are scarce and scattered, but with limited temporal resolution and a blind zone close to the ground level for spaceborne sensors, and limited visibility in the lower atmosphere in complex terrain for ground-based radars. The objectives of this dissertation are the following: 1) to characterize cloud and precipitation in Antarctica, detecting the presence of supercooled liquid and ice particles near the ground level using a ground-based 532-nm depolarization lidar; 2) to characterize the vertical structure of the precipitation in two contrasted but important regions of the cryosphere, Antarctica and the Alps, in the low troposphere using ground-based radars.In this study, a cloud and precipitation hydrometeor detection method is proposed using lidar data, complemented with a K-band micro rain radar (MRR) to improve the detection of precipitation, both instruments deployed at the Dumont d'Urville (DDU) station in East Antarctica. A method based on lidar depolarization and attenuated backscattering coefficient and the use of k-means clustering is developed for the particle classification. The classification of cloud and precipitation particles provides the vertical distribution of supercooled liquid water, as well as planar oriented ice and randomly oriented ice particles. The comparison between ground-based and satellite-derived classifications shows consistent patterns for the vertical distribution of supercooled liquid water in clouds.The vertical structure of precipitation near the surface is analyzed using the Doppler moments derived from three MRR profiles at DDU, the Princess Elisabeth (PE) station, at the interior of East Antarctica, and at the Col de Porte (CDP) station, in the French Alps. These analyses demonstrate that local climate plays an important role in the vertical structure of the precipitation. In Antarctica, the strong katabatic winds blowing from the high plateau down to the coast decrease the radar reflectivity factor near the surface due to the sublimation of the snowfall particles. Doppler moments also provide rich information to understand precipitation processes, such as aggregation and riming, as observed at DDU and CDP.The results also show that in the interior of the Antarctic continent a significant part (47%) of the precipitation profiles completely sublimate before reaching the surface, due to the dry atmospheric conditions, while in the coast of Antarctica it corresponds to about the third part (36%). In the Alps, this percentage is reduced to 15%. The major occurrence of particle sublimation is observed below the altitude where CloudSat profiles are contaminated by ground clutter. Therefore, this phenomenon cannot be fully captured from space with the current generation of sensors.This dissertation contributes to the study of the vertical structure of snowfall in the low troposphere, useful for the evaluation of precipitation remote sensing products, which may have severe limitations in the vicinity of the surface.

Aerosols show type-specific characteristics, which depend on intensive aerosol optical and microphysical properties that influence the radiation processes in the atmosphere in several ways. There are still large uncertainties in the calculation of the aerosol direct radiative effect. The classification of aerosols and the characterization of the vertical aerosol distribution is needed in order to provide more accurate information for radiative-transfer simulations. In the framework of the present thesis, the vertical and spatial distribution as well as optical properties of atmospheric aerosols over the European continent were investigated based on lidar measurements. Possibilities for an aerosol classification or so-called aerosol typing were presented and major aerosol types were specified. Former studies about the classification of aerosols were summarized and representative values for aerosol-type-dependent parameters were given. Case studies were used to demonstrate how observations of the European lidar network EARLINET from 2008 until 2010 were analyzed for aerosol layers and how model simulations and auxiliary data including the assessment of meteorological conditions were applied to determine the origin of each single aerosol layer. Thus, aerosol-type dependent parameters were evaluated and a novel method for the typing of aerosols was developed, which can be used, e.g., within algorithms of satellite data retrievals. Additionally, conversion factors were determined, which are needed for the harmonization of satellite data of present and upcoming missions. Furthermore, findings of the aerosol typing based on EARLINET data were compared to results of the aerosol classification scheme for satellite-borne lidar measurements onboard CALIPSO. It could be shown that deficient classifications of the aerosol type emerged systematically within the automated CALIPSO algorithm. Those wrong classification leads to an underestimation of the single-scattering albedo and hence to an overestimation of the warming effect of the respective aerosol layer. This overestimated warming effect has to be kept in mind for simulations of the global aerosol radiative effect based on CALIPSO data. / Die Bestimmung des direkten Strahlungsantriebs von Aerosolen ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Inwiefern Aerosole die Strahlungsprozesse in der Atmosphäre beeinflussen ist abhängig von ihren optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften. Zur Optimierung von Strahlungstransfersimulationen werden daher ergänzende Informationen über typspezifische Aerosoleigenschaften sowie die vertikale Aerosolverteilung benötigt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anhand von Lidarmessungen die vertikale und räumliche Verteilung atmosphärischer Aerosole über Europa analysiert sowie deren optische Eigenschaften ermittelt. Einleitend werden Möglichkeiten der Aerosolklassifizierung erläutert und Aerosoltypen spezifiziert, die über Europa beobachtet werden können. Vorherige Studien zur Aerosolklassifizierung sind in einer Literaturübersicht zusammengefasst. Anhand von Fallstudien wurde zunächst die Analyse von Beobachtungen des europäischen Lidarnetzwerkes EARLINET von 2008 bis 2010 auf das Vorhandensein von Aerosolschichten verdeutlicht. Die Herkunft jeder einzelnen Aerosolschicht wurde anschließend unter Verwendung von Modellrechnungen sowie weiteren Informationen bestimmt und aerosoltypspezifische Kenngrößen berechnet. Mit Hilfe dieser Kenngrößen ist es möglich, den Typ des Aerosols abzuleiten. Daraus wurde eine neuartige Methode zur Typisierung von Aerosolen entwickelt, die z.B. in Algorithmen zur Verarbeitung von Satellitendaten verwendet werden kann. Zusätzlich wurden Umrechnungsfaktoren bestimmt, die zur Zusammenführung und zum Vergleich von Daten aktueller und zukünftiger Satellitenmissionen benötigt werden. Die Ergebnisse der Aerosoltypisierung auf Basis von EARLINET-Daten wurden anschließend mit Ergebnissen der automatischen Typisierung weltraumbasierter Lidarmessungen des CALIPSO-Satelliten verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass innerhalb des CALIPSO-Algorithmus systematisch fehlerhafte Klassifizierungen des Aerosoltyps auftreten. Diese falsche Klassifizierung führt zu einer Unterschätzung der Einfachstreualbedo und zu einer Überschätzung der erwärmenden Wirkung der betreffenden Aerosolschicht. Die überschätzte Wärmewirkung hat wiederum fehlerhafte Ergebnisse bei Strahlungstransferrechnungen, die auf CALIPSO-Daten basieren, zur Folge.

Mineralstaub und Seesalz sind der Masse nach die häufigsten Aerosoltypen und dominieren den natürlichen Aerosolanteil. Die vorliegende Arbeit untersucht, wie deren optische Eigenschaften durch atmosphärische Prozesse verändert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Drei-Wellenlängen-Polarisationslidar entwickelt, um ferntransportierten Wüstenstaub zu untersuchen. Die der Arbeit zugrunde liegenden Messungen wurden im Rahmen der SALTRACE-Kampagne (Experiment zum Ferntransport von Aerosolen aus der Sahara und Aerosol-Wolken-Wechselwirkung) auf Barbados (13º N, 59º W) in den Jahren 2013 und 2014 durchgeführt. Die Lidarmessungen in Barbados ergaben, dass der Saharastaub nach einem Transportweg von 5000 km über den Atlantik im Mittel (21 Fälle) ein lineares Partikeldepolarisationsverhältnis von 0.25 ± 0.03 bei 355 nm, 0.28 ± 0.02 bei 532 nm und 0.23 ± 0.02 bei 1064 nm aufweist. Im Vergleich mit vorangegangen Messungen in Marokko und auf den Kapverden wurde kein signifikanter Unterschied der Werte bei 355 und 532 nm festgestellt. Lediglich die Abnahme des Depolarisationsverhälnisses bei 1064 nm zwischen Marokko und Barbados deutet auf einen Verlust der größeren Staubpartikel hin, ein Ergebnis, das von flugzeuggetragenen in-situ-Messungen bekräftigt wurde. Die optischen Eigenschaften von marinen Aerosolpartikeln wurden in Abhängigkeit der relativen Feuchte (RH) gemessen. Zu diesem Ziel wurden die Polarisations- und Wasserdampfmessungen des Lidars mit den Temperaturprofilen der Radiosonde kombiniert. Der Phasenübergang von sphärischen Seesalzpartikeln bei hoher relativer Feuchte zu nichtsphärischen (würfelartigen) Seesalzkristallen bei geringer relativer Feuchte (<50% RH) konnte durch einen starken Anstieg des Partikeldepolarisationsverhältnisses von 0.02 auf 0.12, 0.15 und 0.10 bei 355, 532 und 1064 nm beobachtet werden. Die Bestimmung der Wachstumsfaktoren des Extinktionskoeffizienten bei einem Anstieg der relativen Feuchte von 40% auf 80% ergab 1.94 ± 0.94, 3.70 ± 1.14 und 5.37 ± 1.66 bei 355, 532 und 1064 nm. Die ausschließlich marin geprägten Luftmassen über Barbados Ende Februar 2014 während der SALTRACE-Winterkampagne boten ideale Messbedingungen. Als weiterer Beitrag zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften atmosphärischer Aerosole wurde im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal der Extinktionskoeffizient und das Lidarverhältnis bei 1064 nm gemessen. Die neue Technik basiert auf der Rotations- Ramanstreuung bei 1064 nm und wurde in einer Zirruswolke getestet, da dort der Extinktionskoeffizient im beobachteten Bereich wellenlängenunabhängig ist.:1 Introduction 2 Observations at Barbados 2.1 Meteorological situation at Barbados 2.2 SALTRACE campaign 3 Lidar technique 3.1 BERTHA lidar system 3.2 Mueller-Stokes formalism 3.3 Lidar equation 3.4 Particle backscatter coefficient 3.5 Extinction coefficient 3.6 Linear depolarization ratio 4 Results and Discussion 2 4.1 First publication: Triple-wavelength depolarization-ratio profiling of Saharan dust over Barbados during SALTRACE in 2013 and 2014 4.2 Second publication: Dry versus wet marine particle optical properties: RH dependence of depolarization ratio, backscatter, and extinction from multiwavelength lidar measurements during SALTRACE 4.3 Third publication: 1064 nm rotational Raman lidar for particle extinction and lidar-ratio profiling: cirrus case study 5 Summary and Conclusions / Mineral dust and sea salt are the most abundant aerosol types (by mass) dominating the natural aerosol load. The present thesis investigates how their optical properties change due to atmospheric processes. In the framework of this thesis, a triple-wavelength polarization lidar was developed for studies of desert dust after long-range transport. The measurements included in this thesis were performed in the framework of the Saharan Aerosol Long-Range Transport and Aerosol-Cloud-Interaction Experiment (SALTRACE) at Barbados (13º N, 59º W) in 2013 and 2014. In the Saharan dust plumes over Barbados after an atmospheric transport of 5000 km across the Atlantic an average (21 cases) particle linear depolarization ratio of 0.25 ± 0.03 at 355 nm, 0.28 ± 0.02 at 532 nm, and 0.23 ± 0.02 at 1064 nm was measured. When comparing these results to values of previous observations in Morocco and Cabo Verde, no significant change in the depolarization ratio at 355 and 532 nm of Saharan dust was detected. A decrease in the depolarization ratio at 1064 nm between Morocco and Barbados points to a loss of the larger dust particles, a result that was corroborated by air-borne in situ observations. The optical properties of marine aerosol particles were measured under changing ambient relative humidity (RH). For this purpose the polarization and vapor measurements of the lidar were combined with the temperature profile of the radiosonde. The phase transition from spherical sea salt particles under humid conditions to non-spherical (cubic-like) sea salt crystals under dry conditions (<50% RH) could be observed. A strong increase in the particle depolarization ratio from values around 0.02 to values of 0.12 at 355 nm, 0.15 at 532 nm and 0.10 at 1064 nm for cubic-like marine particles was found. A particle extinction enhancement factor of 1.94 ± 0.94, 3.70 ± 1.14 and 5.37 ± 1.66 at 355, 532 and 1064 nm was observed under pristine marine conditions for an increase in RH from 40% to 80%. The measurements were performed while pure marine conditions prevailed at Barbados during the SALTRACE winter campaign at the end of February 2014. In the framework of this thesis, as a further contribution to the characterization of the optical properties of atmospheric aerosols, the extinction coefficient and the lidar ratio at 1064 nm were measured for the first time. The new technique is based on rotational Raman scattering at 1064 nm. The new method was tested in a cirrus cloud taking advantage of the wavelength independence (in the 355 – 1064 nm range) of the extinction coefficient.:1 Introduction 2 Observations at Barbados 2.1 Meteorological situation at Barbados 2.2 SALTRACE campaign 3 Lidar technique 3.1 BERTHA lidar system 3.2 Mueller-Stokes formalism 3.3 Lidar equation 3.4 Particle backscatter coefficient 3.5 Extinction coefficient 3.6 Linear depolarization ratio 4 Results and Discussion 2 4.1 First publication: Triple-wavelength depolarization-ratio profiling of Saharan dust over Barbados during SALTRACE in 2013 and 2014 4.2 Second publication: Dry versus wet marine particle optical properties: RH dependence of depolarization ratio, backscatter, and extinction from multiwavelength lidar measurements during SALTRACE 4.3 Third publication: 1064 nm rotational Raman lidar for particle extinction and lidar-ratio profiling: cirrus case study 5 Summary and Conclusions

Syftet med arbetet är att kartlägga geomorfologin och landskapsutvecklingen i Sarekområdet med hjälp av LiDAR (Light Detection and Ranging) data. LiDAR är en metod för fjärranalys som kan används i syfte att kartlägga markytan utan vegetation som störmoment. Datan erhölls från Lantmäteriet och har en punkttäthet på 1 punkt per kvadratmeter. Denna data bearbetas i GIS (ArcMap) för att skapa en terrängskuggning. Området för karteringen ligger strax sydöst om Sarekmassivet, vid vilket den senaste istiden tros ha dragit sig tillbaka emot. Tidigare kartering av området har gjorts av bland annat Sveriges Geologiska Undersökning där karteringen baserats på traditionella metoder som fältobservationer och flygfotoanalyser. Detta projekt bidrar till en ny kartering av en del av Sarekområdet. Där användning av LiDAR fått tidigare icke-karterade landformer att framkomma. Landformernas utseenden genom bearbetning av LiDAR uppvisas. Baserat på dessa landformer tolkas en generell deglaciationsriktning i det karterade området, röra sig från öst till väst. / The aim of this project is to map the geomorphology and landscape development in the Sarek area, with the help of LiDAR (Light Detection and Ranging). LiDAR is a remote sensing method that can be used for the purpose of mapping the ground surface without the disturbance of vegetation. The data in this project was obtained from the Swedish authority Lantmäteriet and has an accuracy of 1 point per square meter. The obtained data was processed in GIS (ArcMap) to create a hillshade raster. The area for the mapping is located southeast of the Sarek massif, around which the latest ice age is believed to have retreated towards. Previous mapping in the area has been done by the Geological Survey of Sweden (SGU), which has been based on the more traditional methods of field observations and aerial photos. This project's purpose is to provide a new mapping of an area at the east side of the Sarek massif. Where the use of LiDAR has provided new, not before mapped landforms to arise. The appearance of the landforms by adaptation of LiDAR is displayed. Based on these landforms an interpretation of the general deglaciation tendency in the mapped area is shown to move from east to west.