L'étude de la neige est un domaine important de la recherche en hydrologie et en météorologie. Il a été démontré que les propriétés physiques de la neige peuvent être récupérées en utilisant des capteurs à micro-ondes actifs. Cela nécessite une compréhension de l'interaction entre les ondes électromagnétiques (EM) et les milieux naturels. Dans ce but, le travail est divisé en deux étapes: étudier numériquement tous les modèles physiques de l'interaction onde-neige et développer un algorithme de diffusion inverse afin d’estimer la profondeur de la neige à partir de mesures de rétrodiffusion par un radar à des fréquences et angles d'incidence différents. L’objectif de la première partie consiste à effectuer les calculs de diffusion à l’aide d’un simulateur électromagnétique bien connu Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS). Les simulations numériques prennent en considération: la permittivité effective de la neige, les phénomènes de diffusion surfacique dans des structures en couche des milieux homogènes (air-neige-sol) avec interfaces rugueuses ainsi que les phénomènes de diffusion volumique en traitant de la neige comme milieu dense. Par suite, le problème critique dans cette partie est de tester la validité des modèles théoriques à travers une configuration numérique adéquate.Dans la deuxième partie de ce travail, l'étude est étendue pour développer une méthode de récupération pour estimer l'épaisseur de la neige au-dessus du sol en utilisant la technique de mesures en rétrodiffusion en bande L et X (1,5 et 10 GHz) à des angles d'incidence différents. Le signal rétrodiffusé par la neige est influencé par: la diffusion surfacique, la diffusion volumique et les effets du bruit du système radar. Pour cela, le coefficient de rétrodiffusion du milieu est modélisé statistiquement en ajoutant un blanc bruit de fond gaussien (WGN) dans la simulation. Cet algorithme de diffusion inverse nécessite deux étapes de calcul. La première étape consiste à estimer la densité de la neige en utilisant le coefficient de rétrodiffusion co-polarisé en bande L à incidence normale. La deuxième étape consiste à estimer l'épaisseur de la neige à partir de coefficients de rétrodiffusion co-polarisés dans la bande X en utilisant deux différents angles d'incidence. Pour une variance de bruit de fond de 0,02, toutes les valeurs récupérées ont une erreur inférieure à 2% pour une gamme de profondeur de la neige de [50-300] cm. Cet algorithme a été vérifié par simulation à l'aide d’un logiciel de conception au niveau système, SystemVue. / Study of snow is an important domain of research in hydrology and meteorology. It has been demonstrated that snow physical properties can be retrieved using active microwave sensors. This requires an understanding of the interaction between electromagnetic (EM) waves with natural media. The objective of this work is two-fold: to study numerically all physical forward models concerning the EM wave interaction with snow and to develop an inverse scattering algorithm to estimate snow depth based on radar backscattering measurements at different frequencies and incidence angles. For the first part, the goal is to solve the scattering calculations by means of the well-known electromagnetic simulator Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS). The numerical simulations include: the effective permittivity of snow, surface scattering phenomena in layered homogeneous media (air-snow-ground) with rough interfaces, and volume scattering phenomena when treating snow as a dense random media. So, the critical issue for the first part of this thesis is testing the validity of theoretical models through a careful numerical setup.For the second part, the study is extended to develop a retrieval method to estimate snow thickness over ground from backscattering observations at L- and X-band (1.5 and 10 GHz) using multiple incidence angles. The return signal from snow over ground is influenced by: surface scattering, volume scattering, and the noise effects of the radar system. So, the backscattering coefficient from the medium is modelled statistically by including a white Gaussian noise (WGN) into the simulation. This inversion algorithm involves two steps. The first is to estimate snow density using L-band co-polarized backscattering coefficient at normal incidence. The second is to estimate snow depth from X-band co-polarized backscattering coefficients using two different incidence angles. For a 0.02 noise variance, all retrieved values have an error less than 2% for a snow depth range of [50-300] cm. This algorithm was verified by simulating using Agilent’s SystemVue electronic system level design software.

La région de Katiola, située au centre de la Côte d’Ivoire est affectée par des variations climatiques. Cette région d’une superficie de 9452 kilomètres est à cheval sur deux bassins versants, à l’ouest le bassin du Bandama et à l’est le bassin du Comoé. Malgré le manque des ressources en eau, cette zone connaît une intense activité de mobilisation et d’utilisation des eaux : périmètres sucriers dans les localités de Tafiré, les parcelles de riz irriguées et activités pastorales à travers le département. Ce travail consiste à localiser les sites potentiels des puits et forages à l’aide de la géostatistique et de la télédétection. Des outils tel que les sondes géophysiques, permettent une compréhension des caractéristiques hydrogéologiques des formations. Une compréhension de la productivité des formations géologiques par l'étude des relevés de forages et de la télédétection peut permettre une meilleure compréhension des aquifères de ces formations. L’objectif de cette étude est de mettre en place des valeurs de référence devant servir comme outils de gestion, de surveillance et voire même d’aide à la prise de décision. Egalement rentabiliser le coût des forages en proposant le maximum d’ouvrages avec beaucoup de chance de succès et établir un lien entre les formations et la circulation de l'eau souterraine (espacement, longueur, connectivité). Cette étude nous a présenté les potentialités que regorgent les images SRTM. Leur traitement nous a permis de faire une cartographie assez détaillée des limites de bassin versant, du réseau hydrographique, et d’établir l’ordre des cours d’eau selon Strahler. Le calcul de l’Index Topographique d’Humidité montre bien la corrélation entre la topographie, les sols et la qualité des sols. Malgré l’étendue de notre zone d’étude, il a été possible de trouver une corrélation entre les indices topographiques, la répartition des champs et les caractéristiques du sol. Ces résultats nous ont permis d’avoir une nette amélioration de la classification des sols et l’occupation à partir d’image LANDSAT. Les images LANDSAT, nous ont également permis de suivre le phénomène d’eutrophisation et de disparition des plans d’eau de surface dont souffre le département. Nous avons pu établir l’ordre d’apparition des végétaux sur les plans d’eau, ceci jusqu'à la disparition totale du cours d’eau / The Katiola region, located in central Côte d'Ivoire, suffers climatic variations. This region has an area of 9,452 km². It is straddling two watersheds, the Bandama basin to the West, and the Comoé basin to the East. Despite the lack of water resources, this area is experiencing an intense mobilization and use of water: sugar stores in the localities of Tafiré, paddy fields and irrigated pastoral activities across the department. This work aims to locate potential sites for drilling wells using eostatistics and remote sensing. An understanding of the productivity of geologic formations by studying the records of boreholes and remote sensing can provide a better understanding of the aquifers in these formations. The objective of this study is also to establish benchmarks to serve as management tools, monitoring and even aid in decision making. The goal is also to make a maximum of successful drillings, and establish a link between these informations (spacing, length, connectivity) and groundwater movements. This study presents the potential of the DEM SRTM images. Their processing llowed us to make a fairly detailed mapping of the boundaries of catchments, drainage network, and establish the order of watercourses according to the Strahler classification. The calculation of the Topographic Index Humidity shows the correlation between topography, soil and soil quality. Despite the size of our study area, it was possible to find a correlation between the topographic indices, the distribution of fields and soil characteristics. These results enabled us improving soil classification and occupation from LANDSAT imagery. Using LANDSAT images, we also monitored the eutrophisation and isappearance of surficial water bodies in the department. We could follow the order of appearance of plants on the water, until the total disappearance of the watercourse

L'augmentation importante de la population mondiale, et par conséquent de ses besoins, exerce une pression de plus en plus importante sur les surfaces forestières. L'outil le mieux adapté au suivi des forêts, à l'échelle du globe, est la télédétection satellitaire. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui vise à améliorer l'estimation des paramètres biophysiques des forêts à partir de données de télédétection. L'originalité de ce travail a été d'étudier cette estimation des paramètres biophysiques en menant plusieurs études de sensibilité avec une démarche expérimentale et sur des données simulées. Tout d'abord, l'étude a porté sur des séries temporelles de mesures de diffusiométrie radar obtenues sur deux sites : l'un constitué d'un cèdre en zone tempérée et l'autre d'une parcelle de forêt tropicale. Cette étude de sensibilité a été poursuivie en imageant, avec une résolution élevée, plusieurs parcelles aux configurations différentes à l'intérieur d'une forêt de pin. Enfin, des données optiques et radars simulées ont été combinées afin d'évaluer l'apport de la fusion de telles données dans l'inversion des paramètres biophysiques. Les résultats expérimentaux ont montré des comportements différents de la réponse radar dans le temps suivant la saison, avec notamment l'apparition de cycles journaliers lors des périodes sans pluie, autant en zone tropicale que tempérée. De plus, il a été constaté que, alors que les paramètres biophysiques liés à l'humidité du bois et du sol entraînaient des variations du signal radar de l'ordre de 1 ou 2 dB, les paramètres liés à la géométrie des arbres et à la pente du sol donnaient des variations allant jusqu'à 5 à 7 dB. Finalement, le simulateur optiqueradar a montré l'utilisation qui pourrait être faite de telles données dans le cadre de l'inversion de paramètres biophysiques.

L'effet des aerosols et des nuages sur le climat, qu'il s'agisse de leur forcage radiatif propre ou de leur interactions constitue actuellement la plus grande incertitude du systeme climatique. L'utilisation couplee de nouveaux moyens d'observations comme le lidar ou le radar avec la radiometrie fait partie des pistes de recherches retenues par la communaute scientique pour reduire ces incertitudes justifiant le developpement et la mise en oeuvre de ces nouveaux instruments sur les plates-formes de l'A-Train et le developpement des algorithmes operationnels associes. Ces algorithmes possedent certaines limitations intrinseques, ce qui nous a amene a la revision des methodes d'analyse standard des donnees issues des plates-formes spatiales de l'A-Train (CALIPSO, CLOUDSAT), au developpement de nos propres algorithmes a travers l'etude de l'echo de surface oceanique, et a l'identication d'un modele theorique de diffusion par la surface compatible avec les observations multispectrales de ces instruments actifs. L'utilisation de ce modele avec les observations actives et celles du radiometre micro-onde AMSR-E a permis d'ameliorer les procedures d'etalonnage absolu du lidar et du radar en offrant une reference systematique possedant un important rapport signal sur bruit. L'amelioration de l'etalonnage de ces instruments permet ensuite d'affiner la precision de la restitution des parametres microphysiques dans les produits operationnels de recherche, et doit donner acces a un plus grand nombre de produits derives. La reference de surface issue des mesures des instruments micro-ondes actifs (radar) et passifs (radiometre) permet ainsi de determiner l'epaisseur optique des aerosols aux longueurs d'onde du lidar. Cette methode de restitution ne fait aucune hypothese sur la microphysique des particules diffusantes, est utilisable de jour et de nuit, possede un rapport signal sur bruit important a grande resolution spatiale et offre la possibilite de discriminer les aerosols et les nuages grace aux mesures multispectrales sur la verticale. Les comparaisons avec les mesures du radiometre MODIS montrent un bon accord statistique. Ces mesures d'epaisseur optique au-dessus de l'ocean et des nuages d'eau liquide ouvrent une nouvelle voie pour quantier le forcage radiatif direct des aerosols en presence de nuage, hors de portee des mesures radiometriques actuelles. Les premieres etudes que nous avons effectuees ont confirme que lors des episodes de feux observes pendant la campagne AMMA, le forcage est fortement positif sur le Golfe de Guinee (entre +5 et +10 W/m2 en moyenne diurne). Le forcage negatif en air non-nuageux au-dessus de l'ocean est inferieur d'un ordre de grandeur au forcage positif du aux aerosols transportes au-dessus des nuages. Le forcage radiatif positif observe sur le Golfe de Guinee est ainsi fortement dependant de la couverture nuageuse et les mesures a petite echelle de l'A-Train permettent de mieux le caracteriser a plus grande echelle. Ainsi, le rechauffement induit par l'effet direct des aerosols sera mieux pris en compte dans les modeles climatiques. L'emission d'aerosols absorbants (feux, pollution...) et leur transport a moyenne et grande echelle en altitude representent un point critique de l'evolution du systeme climatique et des interactions environnement-climat. L'hypothese usuellement admise d'un forcage direct negatif de -0, 5 W/m2 pour caracteriser l'effet radiatif des aerosols demande a etre examinee avec attention en etablissant une meilleure quantication de la contribution des aerosols absorbants (d'origine naturelle ou anthropique) au-dessus des nuages a l'echelle globale.

Pour mettre en oeuvre les services écosystémiques, notion clé de la gestion environnementale, de plus en plus d’acteurs se tournent vers la quantification et la spatialisation. Par sa dimension opérationnelle qui semble être naturelle pour beaucoup d'acteurs, la cartographie des services écosystémiques est souvent considérée comme un outil déjà opérant et neutre. Or, la représentation cartographique implique des choix qui ne sont pas neutres. En soulevant des doutes et des limitations techniques, qui reflètent bien souvent des failles de la notion, la cartographie peut aussi être considéréecomme une manière d'analyser de façon critique la notion. Cette thèse vise ainsi à étudier l’outil cartographique appliqué aux services écosystémiques afin de comprendre son apport potentiel pour la gestion environnementale. Pour ce faire, elle analyse de manière critique la dimension méthodologique de la notion de services écosystémiques et de sa cartographie. En outre, elle cherche à favoriser la compréhension des liens entre pratiques anthropiques et l'état du milieu naturel, notamment en déterminant les facteurs de contrôle qui permettent de quantifier les services. Cette thèse s’appuie sur le cas des espaces de déforestation en Amazonie brésilienne où les modifications paysagères sont rapides et récentes. Apartir d’images satellites à haute et moyenne résolution spatiale et de relevés terrain, des méthodes statistiques sont appliquées afin de cartographier un ou plusieurs indicateurs de services. Les résultats obtenus permettent de comprendre la répartition et la structuration spatiale de ces indicateurs, en relation avec l'appropriation de l'espace par les exploitantsagricoles et avec les éléments structurels du territoire. Ils soulignent également les limitations et les enjeux sous-jacents à la notion de services écosystémiques et son impact sur leur mise en application. / To implement ecosystem services, key notion of environmental management, more and more actors have turned to quantification and mapping procedures. Because of its operational dimension that seems to be natural for many actors,ecosystem service mapping is often considered as an already operational and neutral tool. Yet, cartographical representation involves choices that are not neutral. Since mapping can raise doubts and technical limitations that often reflect in the notion itself, it can be seen as a way to critically analyze the notion. This thesis aims to study the mapping toolapplied to ecosystem services in order to understand their potential contribution to environmental management. To do so, it critically analyses the methodological dimension of the ecosystem service notion and its mapping. Furthermore, it aims topromote understanding of the relationships between human practices and the state of the natural environment, notably through the determination of factors of control that enable the quantification of ecosystem services. This thesis is based on the study case of deforestation areas in the Brazilian Amazon, where the landscape has been changing rapidly andrecently. Based on satellite images at high and moderate spatial resolution and on sampling data, statistical methods are implemented in order to map one or several indicators of ecosystem services. The results obtained allow the understanding of spatial repartition and the structure of these indicators, in connection with the way farmers use their land and the structural components of the territory. They also highlight the limitations and issues underlying the notion of ecosystem services and its implementation.

Le bassin versant du lac de Mâle d'une superficie de 800 km² est situé en Mauritanie. Il est localisé dans la zone nord sahélienne et est sujet à une forte variabilité des précipitations annuelles de 150 à 350 mm.<br />L'idée générale de la thèse est de développer une nouvelle fonction de production reposant sur la topographie et sans aucune calibration. Nous supposons qu'il est possible de créer une fonction de production en prenant en compte la loi d'infiltratin déduite de mesures et par l'organisation de la microtopographie. Cette dernière présente un grand nombre de dépressions liées par micro-talwegs superficiels qui suivent la pente générale du bassin versant pour ensuite converger dans le réseau hydrographique.<br />L'objectif final est de simuler le volume d'eau ruisselé sur le bassin versant en fonction de chaque épisode pluvieux dans le but de gérer les réserves en eau stokées au niveau du barrage.

Nous étudions la variabilité de la pression partielle de CO2 à la surface de l'océan (pCO2) en nous servant de paramètres télédétectés (température de surface de la mer et couleur de l'océan) dans le but d'obtenir un aperçu de sa variabilité à petite échelle et de surveiller le flux air-mer de CO2 déduit de mesures satellitaires à l'échelle régionale. Nous analysons la variabilité spatiale et temporelle des flux air-mer de CO2 dans l'océan sud sur la région au sud de la Tasmanie et de la Nouvelle Zélande. Nous combinons mesures in situ et satellitaires afin d'estimer le flux de CO2 entre décembre 1997 et décembre 1998. Nous avons trouvé des anticorrélations entre la chlorophylle et pCO2 in situ dans les régions possédant un contenu en chlorophylle au dessus de 0.37 mg m-3 tandis que pCO2 est la plupart du temps corrélé négativement à la température de surface de la mer dans les régions pauvre en chlorophylle. Puis, nous déduisons les champs de pCO2 et du flux de CO2 des données satellitaires (température de surface de la mer et couleur de l'océan) grâce aux relations trouvées lors de cette étude et des distributions du coefficient d'échange du CO2 déduites de vent satellitaires. Nous estimons alors un flux absorbant annuel de -0.08 GtC an-1. Ce flux est moins absorbant que celui déduit des champs climatologiques du gradient de la pression partielle de CO2 de [Takahashi et al, 2002] et des mêmes distributions de coefficient d'échange (-0.13 GtC an-1).

Les instruments optiques a bord de satellite mesurent le rayonnement solaire reflechi par la mer et l'atmosphere. Ce rayonnement est fortement contamine par son interaction avec l'atmosphere dans les longueurs d'ondes qui interessent la couleur de l'ocean. L'elimination prealable de cette contanimation pour observer la veritable couleur de l'eau est appele correction atmospherique. Ce travail se focalise sur l'algorithme de correction atmospherique du capteur SeaWiFS. Il montre l'apport des methodes mathematiques que sont les reseaux de neurones artificiels et l'inversion variationnelle pour les algorithmes de correction atmospherique. Une premiere inversion par reseaux de neurones dans le proche infra-rouge permet de restituer les proprietes optiques des aerosols. Ces restitutions sont comparees, sur la mer Mediterranee, avec les produits SeaWiFS et validees avec des mesures au sol, montrant une meilleure estimation du coefficient d'Angstrom et une estimation egale de l'epaisseur optique. La deuxieme inversion se fait sur tout le spectre visible et proche infra-rouge en combinant reseaux de neurones et inversion variationnelle. Les cartes de chlorophylle-a sont comparees, sur la meme zone, a des donnees in-situ montrant une meilleure estimation des faibles valeurs que l'algorithme SeaWIFS.

L'impact des activités anthropiques sur la composition atmosphérique est devenu évident depuis la découverte, dans les années quatre-vingt, de la formation d'un trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Depuis lors d'autres menaces environnementales liées aux changements de la composition atmosphérique ont été mises en évidence. Parmi celles-ci, le réchauffement climatique global et la pollution de l'air sont au coeur de l'actualité. Depuis les débuts de l'aéronomie, de nombreux instruments de mesure de la composition atmosphérique ont été développés et déployés au sol, sur ballon, sur avion et sur satellite. Chacun de ces instruments possède ses avantages et ses inconvénients et donne accès à différents aspects d'une atmosphère quadridimensionnelle variable et structurée. Les propriétés telles que la résolution, l'échantillonnage et la gamme accessible des signaux géophysiques mesurés par les systèmes opérationnels varient en fonction de paramètres techniques comme la source de rayonnement, la gamme spectrale, la géométrie de visée, le type d'orbite,... et en fonction des conditions de mesure. Les observations provenant de différents systèmes sont complémentaires. La stratégie internationale actuelle d'observation de notre environnement global vise justement à exploiter cette complémentarité via l'implémentation d'un système coordonné de systèmes d'observation globale de la Terre: le GEOSS. Ce système de systèmes réunira et combinera les données provenant de différents systèmes d'observation de la Terre dans différents domaines (surface, océans, atmosphère, cryosphère,...) pour fournir une information intégrée utile à la société. Concernant la composition de l'atmosphère, la stratégie internationale IGACO a identifié différents moyens pour l'intégration des données. Ils incluent, entre autres, l'amélioration des algorithmes d'inversion, la caractérisation du contenu d'information réel des mesures, le développement de techniques facilitant la comparaison des mesures, la validation continue des données satellitales, le développement d'outils pour faciliter et améliorer le couplage des séries temporelles et l'ingestion des observations dans les modèles numériques de chimie et de transport. Quoique nécessaire, l'intégration des données provenant de systèmes différents n'est pourtant pas évidente. En effet, l'utilisation intégrée des données se confronte à la présence d'erreur générées par les différences d'échantillonnage et de lissage existant entre les signaux géophysiques capturés par des instruments différents. Le travail présenté dans ce manuscrit s'axe autour de cette stratégie d'intégration. Nous développons différents concepts et méthodes utiles à une analyse intégrée des données satellitales. Nous tentons également d'estimer de manière systématique l'impact des différences de lissage et d'échantillonnage dans les quatre dimensions de l'atmosphère: latitude, longitude, altitude et temps. Dans un premier temps, nous étudions de manière séparée deux des principaux éléments du système d'observation globale de la composition atmosphérique: les instruments mesurant le rayonnement rétrodiffusé par l'atmosphère au nadir et les instruments mesurant l'émission infrarouge au limbe. Les mesures UV-visible au nadir ont débuté dans les années septante avec les instruments de type BUV et continuent actuellement avec les séries européennes GOME-2 et chinoise SBUS/TOU. La technique BUV permet de mesurer le profil de l'ozone avec une bonne résolution horizontale mais une faible résolution verticale et une sensibilité variant avec l'altitude. C'est pourquoi nous analysons en détail le contenu d'information et la résolution verticale du profil d'ozone tel que mesuré par GOME, le premier instrument européen de type BUV. La technique d'observation a visée au limbe offre quant à elle une meilleure résolution verticale que la technique BUV, de l'ordre de 1 à 3 km, mais une faible résolution horizontale. C'est pourquoi nous étudions ensuite la résolution et les propriétés de lissage horizontal des mesures de l'instrument européen MIPAS. La validation géophysique des données satellitales est une des étapes essentielles à leur intégration dans un système d'observation globale. Dans la suite de ce travail, nous mettons en pratique les outils développés dans un exercice de validation géophysique des profils d'ozone MIPAS. En tenant en compte l'erreur de lissage horizontal, nous éclairons d'un jour nouveau le bilan d'erreur d'une comparaison. Dans les deux chapitres suivants nous nous intéressons non plus de manière séparée aux éléments du système d'observation global de l'atmosphère mais à leurs possibilités de couplage. Nous étudions d'abord la consistance entre sept jeux de profils d'ozone obtenus à partir d'instruments à géométrie de visée au limbe. Nous étudions les structures méridiennes et temporelles de jeux de données couvrant des régions géographiques et des périodes de temps très différentes en utilisant les réseaux au sol comme référence. Enfin, nous étudions comment les propriétés respectives des systèmes étudiés dans les chapitres précédents se retrouvent dans un produit hybride généré par un réseau neuronal.

Le radar à synthèse d'ouverture (RSO) constitue un instrument unique en télédétection des forêts, fort des propriétés physiques micro-ondes en sus d'atouts opérationnels. Néanmoins, l'utilisation de la sensibilité des mesures SAR aux variables d'intérêts in-situ n'est pas triviale et constitue de multiples axes de recherche dont l'étude de la configuration bistatique. Le succès de récentes acquisitions aéroportées (e.g campagne conjointe ONERA-DLR) ou hybrides témoigne d'une certaine résurgence pour la géométrie bistatique, principalement mis en avant pour des considérations opérationnelles. La question du potentiel physique des observables bistatiques reste cependant peu traitée. La thèse s'inscrit dans cet objectif, via l'étude de configurations bistatiques optimales pour améliorer l'inversion de paramètres in-situ d'intérêts, tout en considérant leur faisabilité. Dans ce cadre, la modélisation électromagnétique est fondamentale, illustrée ici par le développement du simulateur ad-hoc MIPERS dont les originalités par rapport aux modèles existants ont démontré toute leur importance pour analyser ces nouvelles observables. Des extensions novatrices des algorithmes de référence en monostatique basées sur l'intensité et l'interférométrie vectorielle pour une estimation directe de la biomasse ou via l'inversion de paramètres descriptifs de modèles de forêts sont alors proposées, à l'issue de formulations théoriques supportées par les résultats de simulations. Outre de futures campagnes expérimentales bistatiques, sont aussi mises en avant les perspectives innovantes de configurations multistatiques.