L'information obtenue par le radar polarimétrique est utilisée en recherche depuis une trentaine d'années. Ce qui fait du radar polarimétrique un outil unique pour sonder l'atmosphère, c'est sa capacité de fournir de l'information à distance sur les propriétés des hydrométéores. Il est donc permis d'espérer pour l'avenir une meilleure compréhension des processus microphysiques en présence dans les précipitations. Plusieurs méthodes ont été développées jusqu'à maintenant pour se rapprocher de ce but. Poursuivant les efforts d'études précédentes sur les précipitations stratiformes et convectives, nous avons essayé d'obtenir une forme de présentation des données polarimétriques qui interprète les processus dominants dans les précipitations en examinant la variabilité des observables polarimétriques. Le défi de cette étude a été d'identifier les processus microphysiques dans les précipitations stratiformes en suivant l'évolution de la croissance des hydrométéores à travers la variabilité des observables polarimétriques. Nous avons obtenu les profils moyens des variables polarimétriques pour des cas stratiformes survenus de novembre 2003 à avril 2005. Nous avons construit les diagrammes de la distribution des variables polarimétriques représentant leur variabilité dans l'espace réflectivité (Z) - hauteur (H) d'après une méthodologie élaborée dans ce but. Nous avons testé nos hypothèses et validé nos résultats pour quatre cas sélectionnés. La nouvelle forme de présentation des données que nous avons élaborée en nous servant des variables polarimétriques fournit un outil supplémentaire pour identifier les processus microphysiques dominants dans les précipitations stratiformes. La méthodologie a été adaptée pour tenir compte des particularités des précipitations stratiformes et, combinée avec l'information extraite par d'autres instruments et d'autres méthodes, peut servir à compléter l'image globale d'événements de précipitation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Le radar polarimétrique, Les variables polarimétriques, L'identification des hydrométéores.

L'analyse de la Polarimétrie SAR pour la détection des structures archéologiques de surface et de subsurface du site de Gebel Barkal (Sudan), inscrit dans la Liste du Patrimoine Mondial depuis 2003, est l'objectif des travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat. En particulier, les capacités de pénétration dans le sol des bandes C et L ont été analysées grâce à l'utilisation des images des capteurs ALOS PALSAR (archivées) et RADARSAT-2 (spécifiquement acquises). En outre, l'activité de recherche illustre les potentialités de l'intégration des données satellitaires polSAR et optiques dans un projet SIG dédié, réalisé grâce à une collaboration avec les Universités de Turin et de Venise (Italie). La surveillance des sites archéologiques au moyen des images satellitaires polSAR représente un avantage considérable pour la recherche archéologique, alors que les anomalies détectées peuvent concerner les opérations de fouille ou être vérifiées au sol, comme démontré dans ce manuscrit, ou encore elles peuvent contribuer à la réalisation des plans d'intervention pour les sites archéologiques en péril. / Aim of PhD research is to exploit SAR Polarimetry technique for the identification of surface and subsurface archaeological features in the site of Gebel Barkal (Sudan), inscribed in the UNESCO World Heritage List since 2003. Sand penetration capability of both C-band and L-band sensors are discussed analysing archived ALOS PALSAR and RADARSAT-2 specifically acquired (2012-2013) images. Moreover, the research activity illustrates the potential of integrating SAR polarimetric and optical satellite data in a dedicated GIS project, realised in collaboration with the Universities of Turin and Venice (Italy). The monitoring of ancient sites by means of remotely acquired polarimetric SAR data represents a benefit for the archaeological research, where detected anomalies can address archaeological excavations or ground truth verification, as shown in the PhD dissertation, and where threatening factors affect the integrity of a cultural site.

Cette recherche a pour objectif d'étudier l'impact des micro-ondes sur des structures archéologiques toujours visibles de l'ancienne cité de Samarra, la capitale de l'ancien Abbasside Califat situé en Iraq. Trois zones ont été sélectionnées pour cette recherche Doctorale : une cité octogonale, trois champs de courses et la cité de al-Mutawakkiliyya. Les menaces à lesquelles le site est exposé et son importance historique ont permis d'inscrire la cité sur la liste UNESCO des sites en danger (2007). Cela a donné une raison de plus pour enquêter sur cette zone au moyen des capteurs SAR RADARSAT-2 et ALOS PALSAR. Le potentiel de l'imagerie SAR, en fait, est bien connu, en particulier pour les régions du Monde où des enquêtes in situ ne sont pas autorisées en raison de l'instabilité politique (comme dans le cas de Samarra) et en raison de la possibilité d'acquérir quelque soit la couverture nuageuse et dans tout genre d'illumination (jour / nuit). / This work has as goal to study the microwaves behavior over the archaeological structures still visible in the historical city of Samarra, the capital of the ancient Abbasid Caliphate located in Iraq. Three areas were taken into account for the Ph.D. research: an octagonal city, three racecourses stadiums and the city of al-Mutawakkiliyya. Threats to which the site is exposed and its historical importance let the city to be inscribed in the list of UNESCO sites in danger (2007). This gave a reason more to investigate this area by means of SAR RADARSAT-2 and ALOS PALSAR satellites. SAR potentiality, in fact, is well known, in particular for those areas of the World where surveys in situ are not allowed because of political instability (as in the case of Samarra) and because of the possibility of acquiring with any cloud cover conditions and in any kind of illumination (day/night).

Au cours des dernières années, grâce au radar à polarisation, on constate un intérêt particulier pour l'étude de l'estimation du taux de précipitation à partir du déphasage total mesuré. Plusieurs auteurs ont ainsi confirmé que le gradient radial de la composante de propagation de la phase est un bon indicateur pour estimer le taux de précipitation. Selon la théorie électromagnétique, le déphasage de propagation est une quantité monotone croissant avec la distance parcourue dans la précipitation. Cependant, dans certaines régions, comme dans la couche de fusion ou dans des orages de grêle, la phase mesurée présente parfois des anomalies, à savoir des valeurs négatives du déphasage total mesuré, qui ne sont pas encore complètement comprises. Afin d'expliquer ces valeurs, plusieurs interprétations ont été proposées de manière individuelle dans la littérature. Ce comportement est attribué soit à la composante de rétrodiffusion de la phase, soit au degré d'orientation en commun des hydrométéores dans l'espace, ou soit à la non-homogénéité à l'intérieur du volume de résolution dans des régions de forts gradients de la réflectivité. Le but de notre travail a donc été de développer une méthodologie théorique et opérationnelle capable d'intégrer les trois interprétations dans un seul modèle unifié. Dans un premier temps, nous avons développé une équation de la phase mesurée qui dépend explicitement des trois paramètres de la variabilité spatiale de la précipitation. Ensuite, afin d'examiner la contribution relative de chaque terme à la pondération de la phase dans la couche de fusion, nous avons analysé les variables polarimétriques pour deux heures de données du radar à la bande S de l'université McGill. Cette évaluation s'avère indispensable pour l'identification de la microphysique et de la structure fine de la précipitation dans la couche de fusion, ainsi que pour obtenir une meilleure estimation du taux de précipitation. Nos principaux résultats montrent que dans la région d'anomalie de la couche de fusion, le degré d'orientation en commun des hydrométéores et le déphasage de rétrodiffusion représentent les contributions les plus importantes. La contribution des gradients des variables polarimétriques, quoi que non nulle, est beaucoup moins importante par rapport aux autres termes de variabilité spatiale. Nous concluons alors que la prise en considération de manière individuelle d'un ou de plusieurs termes de variabilité spatiale de la précipitation conduit à une mauvaise évaluation du déphasage de rétrodiffusion caractéristique de la microphysique de la couche de fusion, ainsi que du déphasage de propagation caractéristique de la précipitation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Radar à polarisation, Gradients négatifs du déphasage total mesuré, Couche de fusion, Processus de rétrodiffusion, Orientation des hydrométéores, Volume de résolution radar non homogène.

Les radars à synthèse d'ouverture (Synthetic Aperture Radar ou SAR) permettent de fournir des images à très haute résolution de la surface de la Terre. Les algorithmes de classification traditionnels se basent sur une hypothèse de bruit gaussien comme modèle de signal, qui est rapidement mise en défaut lorsque l'environnement devient inhomogène ou impulsionnel, comme c'est particulièrement le cas dans les images SAR polarimétriques haute résolution, notamment au niveau des zones urbaines. L'utilisation d'un modèle de bruit composé, appelé modèle SIRV, permet de mieux prendre en compte ces phénomènes et de représenter la réalité de manière plus adéquate. Cette thèse s'emploie alors à étudier l'application et l'impact de ce modèle pour la classification des images SAR polarimétriques afin d'améliorer l'interprétation des classifications au sens de la polarimétrie et à proposer des outils adaptés à ce nouveau modèle. En effet, il apparaît rapidement que les techniques classiques utilisent en réalité beaucoup plus l'information relative à la puissance de chaque pixel plutôt qu'à la polarimétrie pour la classification. Par ailleurs, les techniques de classification traditionnelles font régulièrement appel à la moyenne de matrices de covariance, calculée comme une moyenne arithmétique. Cependant, étant donnée la nature riemannienne de l'espace des matrices de covariance, cette définition n'est pas applicable et il est nécessaire d'employer une définition plus adaptée à cette structure riemannienne. Nous mettons en évidence l'intérêt d'utiliser un modèle de bruit non gaussien sur des données réelles et nous proposons plusieurs approches pour tirer parti de l'information polarimétrique qu'il apporte. L'apport de la géométrie de l'information pour le calcul de la moyenne est de même étudié, sur des données simulées mais également sur des données réelles acquises par l'ONERA. Enfin, une étude préliminaire d'une extension de ces travaux au cas de l'imagerie hyperspectrale est proposée, de par la proximité de ce type de données avec les données SAR polarimétriques. / Synthetic Aperture Radars (SAR) now provide high resolution images of the Earth surface. Traditional classification algorithms are based on a Gaussian assumption for the distribution of the signal, which is no longer valid when the background is heterogeneous, which is particularly the case for polarimetric SAR images, especially in urban areas. A compound Gaussian model, called the SIRV model, allows to take into account these phenomena. This thesis is then devoted to studying the impact of this model for the classification of polarimetric SAR images in order to improve the interpretation of classification results in a polarimetric sense, and to propose tools better suited to this model. Indeed, classical techniques using the Gaussian assumption actually use the power information of each pixel much more than the polarimetric information. Furthermore, it is often necessary to compute a mean of covariance matrices, usually by taking the standard arithmetical mean. However, the space of covariance matrices has a Riemannian structure, not an Euclidean one, which means this definition of the mean is not correct. We will then present several methods to use the actual polarimetric information thanks to the SIRV model to improve the classification results. The benefit of using a correct, Riemannian definition of the mean will also be demonstrated on simulated and real data. Finally, a preliminary study of an extension of this work to hyperspectral imagery will be presented.

Ce travail est consacré à l'étude de la complémentarité polarimétrie / interférométrie pour la détection et la caractérisation de cibles en utilisant des données SAR. La télédétection polarimétrique concerne l'étude du comportement de l'onde interagissant avec une scène et renseigne sur la nature physique de la zone étudiée. L'interférométrie informe sur la nature topographique de la scène ou sur les déformations de celle-ci. L'interférométrie et la polarimétrie sont des outils très performants en télédétection SAR qui sont généralement appliqués séparément.<br />La notion de complémentarité polarimétrie/interférométrie consiste à relier une phase interférométrique avec un mécanisme de diffusion. Les approches exposées introduisent les méthodes à haute résolution, principalement la méthode ESPRIT, dans l'imagerie SAR. Elles permettent ainsi de distinguer la phase d'un sol de celle de la canopée, dans une zone forestière et d'isoler la phase d'un bâtiment du reste de son environnement.<br />Un autre concept de la complémentarité est proposé : la superrésolution. Il s'agit d'utiliser des données interférométriques afin d'améliorer la résolution d'une image SAR. Les résultats d'analyses polarimétriques en appliquant le principe de la superrésolution permettent une meilleure caractérisation de la nature des cibles, comme la détection des contours de bâtiments.<br />Les différentes méthodes exposées ont été appliquées sur des données SAR polarimétriques interférométriques en bande L afin d'améliorer l'estimation et la caractérisation des zones urbaines, par rapport à l'utilisation de la polarimétrie ou de l'interférométrie de façon séparée.

Ce travail est consacré à la caractérisation des paramètres bio- et géo-physiques d'un sol nu à partir de données SAR polarimétriques, multi-fréquentielles et multi-résolutions.<br /><br />Des relations quantitatives entre la rugosité et l'humidité du sol et des descripteurs polarimétriques sont déterminées au moyen d'un modèle de diffusion utilisant la méthode de l'équation intégrale. Deux algorithmes d'inversion multi-fréquentiels sont développés pour l'extraction des paramètres physiques d'une surface et sont appliqués sur des mesures SAR polarimétriques acquises au laboratoire européen JRC.<br /><br />La réponse électromagnétique d'une surface rugueuse dépend aussi de la taille de la cellule de résolution radar. La relation entre la résolution SAR et les caractéristiques polarimétriques d'une surface est établie en partageant son spectre en deux composantes. Un nouveau modèle de diffusion prenant en compte la résolution est ainsi présenté et validé sur des données multi-résolutions polarimétriques.

Le comportement polarimétrique d'un champ électromagnétique diffracté par un cible localisée à l'interface air-sol est analysée pour une onde incidente variant de l'incidence normale à l'incidence rasante.<br />Le champ rétrodiffusé dans le cas monostatique est analysé au moyen de la théorie géométrique de la diffraction (G.T.D) ou la méthode étalon. Dans cette thèse, un modèle de rayon précis a été implémenté. Une attention toute particulière a été portée aux zones de transition, où proches de telles frontières d'ombre, les rayons réfléchis disparaissent et se transforment en rayons rampants sur la cible et sont fortement atténués dans la zone d'ombre. Les études ont montré que les éléments de la matrice de Sinclair [S] et les états de polarisation caractéristiques associés présentent une variation rapide sur la sphère de Poincaré. Les localisations significatives sur la sphère de Poincaré peuvent être exploitées afin d'extraire l'information sur les paramètres géométriques ou les propriétés géophysiques de l'environnement.

Le suivi de la neige sèche a une place importante dans la télédétection, en raison du grand intérêt des applications en hydrologie, climatologie ou de la prévision d'avalanche. Ce travail présente des méthodes d'analyse multi-fréquentielles et multi-temporelles du couvert neigeux en milieux alpins à partir de données SAR polarimétriques.<br />A l'aide d'un modèle numérique de terrain, une étude polarimétrique altitudinale du couvert neigeux est développée, permettant d'associer une attitude à un comportement polarimétrique spécifique.<br />Ces méthodes sont appliquées sur des données SAR polarimétriques SIR-C des sites alpins de Risoul et Izoard.

Les radars à synthèse d'ouverture (Synthetic Aperture Radar ou SAR) permettent de fournir des images à très haute résolution de la surface de la Terre. Les algorithmes de classification traditionnels se basent sur une hypothèse de bruit gaussien comme modèle de signal, qui est rapidement mise en défaut lorsque l'environnement devient inhomogène ou impulsionnel, comme c'est particulièrement le cas dans les images SAR polarimétriques haute résolution, notamment au niveau des zones urbaines. L'utilisation d'un modèle de bruit composé, appelé modèle SIRV, permet de mieux prendre en compte ces phénomènes et de représenter la réalité de manière plus adéquate. Cette thèse s'emploie alors à étudier l'application et l'impact de ce modèle pour la classification des images SAR polarimétriques afin d'améliorer l'interprétation des classifications au sens de la polarimétrie et à proposer des outils adaptés à ce nouveau modèle. En effet, il apparaît rapidement que les techniques classiques utilisent en réalité beaucoup plus l'information relative à la puissance de chaque pixel plutôt qu'à la polarimétrie pour la classification. Par ailleurs, les techniques de classification traditionnelles font régulièrement appel à la moyenne de matrices de covariance, calculée comme une moyenne arithmétique. Cependant, étant donnée la nature riemannienne de l'espace des matrices de covariance, cette définition n'est pas applicable et il est nécessaire d'employer une définition plus adaptée à cette structure riemannienne. Nous mettons en évidence l'intérêt d'utiliser un modèle de bruit non gaussien sur des données réelles et nous proposons plusieurs approches pour tirer parti de l'information polarimétrique qu'il apporte. L'apport de la géométrie de l'information pour le calcul de la moyenne est de même étudié, sur des données simulées mais également sur des données réelles acquises par l'ONERA. Enfin, une étude préliminaire d'une extension de ces travaux au cas de l'imagerie hyperspectrale est proposée, de par la proximité de ce type de données avec les données SAR polarimétriques.