Les progrès effectués dans le domaine des instruments optiques permettent d’envisager désormais de placer des capteurs à moyenne résolution spatiale et haute résolution spectrale sur des orbites géostationnaires ce qui permettrait d’observer la Terre à la fois avec une moyenne résolution spatiale, une bonne résolution spectrale et une haute résolution temporelle, ce que ne permettent pas les satellites héliosynchrones. L'objectif de cette thèse est donc de simuler les images en luminance qui seraient acquises par un capteur géostationnaire hypothétique dédié à l'observation de la couleur de l'océan, afin de caractériser les images qui seraient acquises, de spécifier les futurs instruments et de valider des algorithmes de traitement sur des images réalistes. Pour parvenir à simuler les luminances spectrales qui seraient mesurées par le capteur, nous avons combiné les modèles de transfert radiatif directs de l'eau (Hydrolight) et de l'atmosphère (MODTRAN). Les données d’entrée d’Hydrolight ont été déduites des données provenant des cartes climatologiques de GlobColour (chlorophylle, matières minérales et organiques en suspension) pour simuler des images de couverture globale (Global Area Coverage) d'un capteur géostationnaire à basse résolution spatiale, moyenne résolution spectrale et haute résolution temporelle. L'analyse de ces images permet de déterminer la gamme de luminances pour chaque bande spectrale et pour différentes acquisitions au cours de la journée. Les résultats indiquent aussi les limites angulaires pour éviter le phénomène du sunglint et pour assurer un niveau minimum de luminance provenant de l'eau, contenu dans le signal mesuré. Les images en luminance ainsi simulées ont permis d’évaluer aussi la performance d’un algorithme d'estimation de concentration en chlorophylle de rapport de bandes dans les eaux au large. Les résultats montrent que l'erreur d'estimation est moyennement sensible aux angles d'observation et d’éclairement, importants dans les images géostationnaires. / Improvements of optical sensors now make it possible to launch medium spatial and high spectral resolution sensors on the Geostationary Earth Orbit (GEO). The GEO allows sensors to observe the Earth with high temporal resolution, unlike Low Earth Orbit (LEO) satellites. The objective of this thesis is to simulate radiance images that would be provided by a theoretical ocean color sensor, on a geostationary orbit, in order to characterize the images to be acquired, to specify the future instruments and to validate the image processing algorithms. For this purpose, we have combined a radiative transfer model for ocean waters (Hydrolight) and a radiative transfer model for the atmosphere (MODTRAN) to obtain simulated radiance images at the sea surface level and at the Top-Of-Atmosphere (TOA) level. The inputs of Hydrolight have been deduced from GlobColour Project data (chlorophyll, mineral suspended matter and organic matter) to simulate the Global Area Coverage (GAC) images of a geostationary sensor with low spatial resolution, medium spectral resolution and high temporal resolution. The analysis of these images enables to determine the radiance dynamic range for each spectral band over the day. The results indicate the angular limits to avoid the sunglint phenomenon and to ensure a minimum proportion of water leaving radiance in the measured TOA radiance. The simulated radiance images allow to evaluate the performance of an ocean color algorithm for chlorophyll concentration estimation in open waters. The results show that the error of chlorophyll estimation is moderately sensitive to observation and lighting angles, which are so important in geostationary images.

Notre travail s'intègre dans la tendance actuelle concernant le développement durable et la gestion intégrée des zones côtières. Plus précisément, nous nous sommes intéressés aux besoins de la communauté opérationnelle dépendante du littoral, et au développement et à l'évaluation de méthodologies ad hoc. Nous proposons un ensemble de procédures et d'outils de suivi et de simulation d'environnements littoraux, reposant sur l'utilisation conjointe de données de télédétection, de modèles numériques du transfert radiatif dans la mer et l'atmosphère et éventuellement de mesures in situ, permettant de dériver des informations pertinentes sur la distribution spatiale des propriétés optiques dans les eaux du cas II. Nous montrons que des méthodes robustes de traitement des images à haute résolution spatiale, facilement transposables d'un site à l'autre, sont au coeur du besoin pour un meilleur suivi du domaine littoral par télédétection. Nous dressons un panorama comparatif et critique des méthodes historiques et précisons le cadre opérationnel de leur application. Une analyse détaillée du transfert radiatif dans les eaux littorales turbides permet d'identifier les processus optiques prépondérants et dont la prise en compte est nécessaire à une modélisation satisfaisante de ces environnements. Nous proposons des approches innovantes reposant sur des solutions au problème inverse appliqué à l'optique marine. Ces procédures et méthodes sont intégrées dans un outil logiciel dédié, incluant différents modèles de simulation du transfert radiatif dans les eaux côtières, et un ensemble d'outils de traitement d'image de la couleur de la mer, adaptés au contexte de travail d'un utilisateur opérationnel. La robustesse des méthodes développées est évaluée au travers d'analyses de sensibilité. Cette approche nous a permis de prendre en compte les caractéristiques des capteurs futurs ayant un fort potentiel pour l'étude des zones côtières (MERIS, NEMO-COIS). L'intégration du prototype dans un Système d'Information Marin fournira à terme les conditions d'exploitation optimale de l'outil.

Les progrès effectués dans le domaine des instruments optiques permettent d'envisager désormais de placer des capteurs à moyenne résolution spatiale et haute résolution spectrale sur des orbites géostationnaires ce qui permettrait d'observer la Terre à la fois avec une moyenne résolution spatiale, une bonne résolution spectrale et une haute résolution temporelle, ce que ne permettent pas les satellites héliosynchrones. L'objectif de cette thèse est donc de simuler les images en luminance qui seraient acquises par un capteur géostationnaire hypothétique dédié à l'observation de la couleur de l'océan, afin de caractériser les images qui seraient acquises, de spécifier les futurs instruments et de valider des algorithmes de traitement sur des images réalistes. Pour parvenir à simuler les luminances spectrales qui seraient mesurées par le capteur, nous avons combiné les modèles de transfert radiatif directs de l'eau (Hydrolight) et de l'atmosphère (MODTRAN). Les données d'entrée d'Hydrolight ont été déduites des données provenant des cartes climatologiques de GlobColour (chlorophylle, matières minérales et organiques en suspension) pour simuler des images de couverture globale (Global Area Coverage) d'un capteur géostationnaire à basse résolution spatiale, moyenne résolution spectrale et haute résolution temporelle. L'analyse de ces images permet de déterminer la gamme de luminances pour chaque bande spectrale et pour différentes acquisitions au cours de la journée. Les résultats indiquent aussi les limites angulaires pour éviter le phénomène du sunglint et pour assurer un niveau minimum de luminance provenant de l'eau, contenu dans le signal mesuré. Les images en luminance ainsi simulées ont permis d'évaluer aussi la performance d'un algorithme d'estimation de concentration en chlorophylle de rapport de bandes dans les eaux au large. Les résultats montrent que l'erreur d'estimation est moyennement sensible aux angles d'observation et d'éclairement, importants dans les images géostationnaires.

Les eaux côtières impactées par les apports fluviaux jouent un rôle majeur dans l'export et l'enfouissement des particules terrigènes. La télédétection "couleur de l'océan" renseigne sur les concentrations en matières en suspension (MES) de surface. Pour améliorer les résolutions spatiale et temporelle, elle peut être combinée à des mesures in situ bio-optiques et la modélisation numérique. Le Rhône est la principale source d'apports d'eau douce et particulaires dans le Golfe du Lion (Méditerranée Occidentale). L'objectif de la thèse est l'étude de la variabilité saisonnière des apports en MES du Rhône et leur devenir sur le plateau continental. Des mesures in situ bio-optiques ont été réalisées à partir de navires océanographiques et de plateformes autonomes ProvBio. Les concentrations en MES sont estimées à l'aide des capteurs satellitaires MERIS et MODIS. Le modèle hydro-sédimentaire (Mars-3D) simule la circulation des masses d'eau et les apports liquides et particulaires du Rhône. Des proxys régionaux sont identifiés et éprouvés afin d'assurer un suivi de la dynamique des MES sur la colonne d'eau à partir de mesures bio-optiques in situ. Un algorithme régional est développé afin de cartographier les concentrations en MES à partir des mesures satellitaires. La combinaison de ces deux outils montre la dépendance de l'export des MES au débit liquide du Rhône et aux vents. En régime de crue, les MES sont essentiellement exportées en surface. Pour un débit fluvial faible à modéré et un vent fort, elles sont transportées près du fond. Le modèle hydro-sédimentaire a permis de mieux comprendre certains processus même si des améliorations sont encore requises.

L'acquisition de paramètres marins à partir des données spatiales de la couleur de l'eau nécessite l'élimination de la contribution de l'atmosphère au signal mesuré par le capteur. En effet, la majorité du rayonnement solaire mesuré par les instruments optiques dans les longueurs d'ondes qui intéressent la couleur de l'eau provient de la diffusion par les molécules de l'air et les aérosols atmosphériques. L'élimination de la contribution de l'atmosphère est appelée correction atmosphérique (CA). Pour les eaux claires, les méthodes de CA supposent une réflectance marine nulle dans le proche infra-rouge (PIR). Ceci permet d'estimer la réflectane de l'atmosphère et de l'extrapoler vers les bandes du visible, et donc de déterminer le signal marin qui contient les informations sur les propriétés optiques des eaux marines. Cette hypothèse n'est cependant pas vérifiée pour les eaux turbides, qui représentent la quasi totalité des eaux côtières. Par conséquent, de nombreux algorithmes de CA ont été développés pour les eaux côtières incluant des hypothèses alternatives. L'objectif de ce travail de thèse est de valider et d'améliorer ces méthodes de CA pour les images MODIS Aqua. Pour cela, diverses approches de CA développées pour les eaux cotières ont été comparées et validées : (1) l'algorithme standard de la NASA, (2) le "NIR Similary spectrum algorithm" qui inclut des hypothèes d'homogénéité spatiale des réflectances marines et atmosphériques, (3) l'algorithme qui utilise les bandes dans l'infrarouge moyen pour la CA dans les eaux très turbides, et (4) un algorithme utilisant un réseau de neurones artificiels. L'exercice de validation à partir de données in situ, et en fonction des types d'eaux, a permis d'identifier différentes pistes d'amélioration pour l'estimation du signal marin. L'un d'entre elles comprend l'utilisation de relations spectrales pour forcer les modèles de réflectances marines utilisés par les algorithmes CA pour estimer le signal marin dans le PIR. Des modifications ont été apportées aux modèles de réflectances marines de l'algorithme standard de la NASA et du "NIR Similarity spectrum algorithm". Chacun des modèles a été forcé avec des relations spectrales préalablement validées grâce à des données globales. Une étude de sensibilité et une validation de ces algorithmes modifiés à partir de données MODIS-Aqua dans la Manhe Orientale/Mer du Nord et la Guyane Française ont démontré que les modifications suggérées amélioraient les estimations du signal marin dans les eaux côtières optiquement complexes. / To acquire marine parameters from remote sensing ocean color data, the sensor-measured signal needs to be corrected for the atmospheric contribution. Indeed, the solar radiation reflected by air molecules and atmospheric aerosols is significant in the sensor bands of interest for ocean color applications. The removal of the atmospheric contribution is called the atmospheric correction (AC). In open ocean waters, the AC relies on the assumption that the water is totally absorbent in the near infrared (NIR) part of the spectral region, allowing to retrieve the atmospheric contribution and to extrapolate it to the visible spectral range, and thus to determine the marine signal that contains the information on the optical properties of seawaters. However, this assumption is not valid in highly productive and turbid coastal waters. Hence, AC approaches for coastal waters need to rely on alternative assumptions. This Ph. D. thesis has as main objective to validate and improve these AC methods developed for contrasted coastal waters, with a focus on MODIS Aqua images. First, a validation and comparison of existing AC methods, relying on diverse assumptions and methods, is performed. Therefore, four commonly used AC methods are selected, (1) the standard NIR AC approach of NASA, (2) the NIR similarity spectrum AC approach including assumptions of spatial homogeneity in the water and aerosol reflectance, (3) the switching algorithm using the short wave infrared bands for AC in highly turbid waters, (4) an Artificial Neural Network algorithm. With the help of a validation exercise based on in situ data and as a function of the water type, several areas of improvement are delineated, including the use of spectral relationships to constrain NIR-modelling schemes. Modified NIR-modelling schemes are suggested for the standard NASA and NIR similarity spectrum AC methods. Both are forced with globally valid spectral relationships. Sensitivity studies and validation exercises, using MODIS-Aqua images in the Eastern English Channel/North Sea and French Guiana waters, are conducted showing that the suggested modified NIR-modelling schemes improve the estimations of the marine signal in contrasted coastal waters.