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Modélisation et cartographie de la pollution marine et de la bathymétrie à partir de l'imagerie satellitaire

De
274 pages
Sous la direction de Abdelkader Abdellaoui
Thèse soutenue le 17 décembre 2009: Paris Est
Le contrôle de la qualité de l'eau est fondé naturellement et traditionnellement sur des mesures et des prélèvements in situ. Des images satellites étalonnées à partir des données mesurées in situ fournissent une information quantitative et continue sur le milieu aquatique et peuvent être employées pour estimer, avec une approximation raisonnable, les facteurs affectant la qualité de l’eau L’objectif de ce travail consiste à modéliser les propriétés optiques de l’eau de mer et les paramètres physico-chimiques qui caractérisent les eaux côtières. L'application est basée sur le développement d’un Système d’Information Marin caractérisant un système de gestion de base de données géoréférencié POlGIS dédié à la gestion de l'information marine dans le cas de contrôle, suivi et surveillance de la pollution. Nous présentons des modèles exprimant les variables indicatrices de la qualité des eaux du littoral Algérois et la réflectance calculée de chaque pixel à partir d’un modèle physique de correction radiométrique. Les mesures in- situ sont effectuées pour des zones de différentes qualités d’eaux et leurs réflectances sont calculées à partir des images satellites SPOT, Landsat TM, MSS, IRS1C et Seawifs Finalement, des modèles sont établies avec les réflectances permettent d’obtenir des images satellites indicatrices de la pollution et de la bathymétrie des zones côtières à partir du logiciel de traitement d’image PCSATWIN développé afin d’estimer pour chaque pixel le degré de pollution du milieu
-Pollution
-Images Satellitaires
-Réflectance
-Bathymétrie
-Modèle physique
In order to protect the natural medium and to control the pollution caused by such rejects, it is necessary to achieve a continuous survey of the reject zones. The goal of this study is a developed a methodology for modelling pollution and bathymetry from the digital satellite images.Indeed, our objective consists of the development of a software POLGIS intended for the management of the marine databases for the control and the monitoring of the pollution Satellite imagery can be used to estimate, with a reasonable accuracy, the factors affecting the water quality .It has a great importance to achieve the necessary continuous monitoring of the relevant area with an overall analysis of its pollution. A modelling analysis between the pollution contents and the reflectance calculated by the satellite images allow us to transform rough images into images treated and combined using a software of satellite image processing PCSATWIN developed in this study. This complex phenomena us developed an analytic model of radiatif transfer simulation in water coupled to an atmospheric model in order to simulate measure by satellite. This direct model permits to follow the solar radiance in his trajectory Sun-Atmosphere - Sea - Depth of sea- sensor. The goal of this simulation is to show for every satellite of observation (Spot, Landsat MSS, TM) possibilities that can offer in domain of bathymetry.The reflectance coefficient is calculated from satellite image, the detection and the possible determination of the zones contaminated by pollution using the space techniques constitute an effective means to intervene in order to ensure the monitoring of the Algerian coasts. The analysis shows us that each sensor offers useful information and that the combination between these various informations makes it possible to propose a procedure of maps establishment that can be interpreted as pollution maps
-Pollution
-Satellite imagery
-Reflectance
-Bathymetry
-Physical modelling
Source: http://www.theses.fr/2009PEST0065/document
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UNIVERSITE DU VAL DE MARNE PARIS XII FRANCE
Faculté des Lettres et Sciences humaines
Département de Géographie

Thèse
Présentée et soutenue publiquement par


Mme BACHARI HOUMA Fouzia



Le 17 Décembre 2009

Pour obtenir le grade de

Docteur de l'Université du Val de Marne Paris XII
Spécialité : Sciences de l’Univers et Environnement


Sujet de la thèse:

Modélisation et cartographie de la pollution
marine et de la bathymétrie à partir de
l'imagerie satellitaire.

Devant le jury:
M. OZER André, à l’Université de Liège,............................................. ….Président
M. BELTRANDO Gérard, Professeur, de l'Université paris7, ………. Rapporteur.
M. GALGANI François, Directeur de recherche à IREMER/LER/PAC,........Examinateur
M. MANGIN Antoine, Directeur scientifique ACRI Sophia-Antipolis, ….. Examinateur
M.ABDELLAOUI Abdelkader, HDR à l'Université Paris XII,...... .. Directeur de thèse
M. FASETTA Gille Arnaud, Professeur à l'Université Paris XII, ..........Examinateur
M. FOUACHE Eric, Professeur à l'Université Paris X, ......................... Examinateur
1



































C’est dans l’effort que l’on trouve la satisfaction et non dans la
réussite. Un plein effort est une pleine victoire.

Mohandas Karamchand Gandhi




2
Remerciements

Il m'est tout d'abord particulièrement agréable d'exprimer ma profonde
reconnaissance, mes plus sincères remerciements et ma gratitude à mon
directeur de thèse Docteur Abdelkader ABDELLAOUI qui a bien accepté
diriger mon travail et qui n'a cessé de prodiguer ses conseils judicieux et
permanents qui m'ont été d'une aide précieuse.
Je le remercie pour ses encouragements et pour le temps précieux qu’il m’a
consacré toutes les fois que cela était nécessaire à l’Université Paris XII, sans
oublier ses interventions pour me faciliter les démarches administratives de
mon inscription. Qu’il trouve ici le témoignage de ma vive reconnaissance et
ma profonde gratitude.

J’adresse mes plus sincères remerciements à André OZER, Professeur à
l’Université de Liège de m'avoir fait l'honneur de présider le jury de ma
thèse. Qu'il trouve ici l'expression de ma plus profonde gratitude et mes plus
vifs remerciements.

Je tiens également à remercier très chaleureusement les membres de Jury
de cette thèse qui m’ont fait l’honneur de juger ce travail;
• Docteur François GALGANI, Professeur à l’Université de Liège d’avoir
accepté d'être Examinateur et juger ce travail. Qu’il trouve ici l’expression de
mes plus vifs remerciements et sincères respects.
• Docteur Eric FOUACHE, Professeur à l'Université ParisX d’avoir accepté
juger ce travail ; je le remercie aussi pour son aide précieuse et j’exprime
mes profonds respects, mes sincères remerciements et toute ma
considération.
• Docteur Antoine MANGIN, Maître de Conférence à Sophia-Antipolis, Nice,
d’avoir accepté juger ce travail. Qu’il trouve ici l’expression de mes vifs
remerciements et mes sincères respects.
• Docteur Gérard BELTRANDO, Professeur à l’Université de Paris7 d’avoir
accepté d'être Rapporteur et juger ce travail. Qu’il me soit permis de lui
exprimer mes respects les plus profonds et ma reconnaissance.
• Docteur Gille Arnaud FASETTA, Professeur à l'Université Paris XII,
d’avoir accepté juger ce travail. Qu’il trouve ici l’expression de mes plus vifs
remerciements et sincères respects.

3
Je remercie vivement Docteur BACHARI Nour El Islam, Professeur en
physique de télédétection à l'Université d'Alger USTHB, de m'avoir apporté
son aide précieuse, pour tous ses conseils, critiques et encouragements
permanents. Je le remercie de m’avoir donné la chance de collaborer pour la
réalisation du logiciel de Simulation des données Satellites et de m’avoir
fourni son logiciel de traitement d’images satellites PCSATWIN, un outil très
précieux pour mes différentes applications dans le domaine marin.
Qu'il trouve ici l'expression de ma plus profonde gratitude et ma sincère
reconnaissance.
Je tiens d'exprimer ma profonde gratitude à Docteur Ahmed Hafid
BELBACHIR, professeur à l’université d’ORAN qui n'a pas hésité à m’aider
et qui a contribué de diverses manières à la réalisation et la progression de
cette thèse. Qu’il me soit permis de lui exprimer mes sentiments de profonds
respects et ma reconnaissance.

Je tiens aussi vivement à remercier sincèrement toutes les personnes de
l'Ecole Nationale Supérieure des Sciences de la Mer et de l’Aménagement du
littoral ( Ex:ISMAL) et les collègues de l’Université d'Alger USTHB en Faculté
des Sciences Biologiques qui, de prés ou de loin, m’ont porté leur précieux
aide et leur soutien moral durant toute la période de préparation de ce
travail. Qu’ils trouvent ici le témoignage de ma vive reconnaissance et ma
profonde gratitude.

Je remercie également les marins et navigateurs du navire océanographique
BENYAHIA, qui ont contribué à la réalisation des campagnes de
prélèvements et pour leur patience sympathie et aide lors des missions
difficiles effectuées dans le cadre de cette recherche. Qu’ils trouvent ici
l’expression de mes vifs remerciements et respects.


Bachari Houma Fouzia
4
Sommaire
Introduction ………………………………………………………………………………………… 1

Chapitre I : Campagnes océanographiques et échantillonnage
1. La baie d'Alger………………………………………………….. 10
1.1 Présentation du site d'étude………………………………………………………………… 10
1.2 Facteurs hydrodynamiques. 12
1.3 Nature de fond – Couverture sédimentaire …………………………………………….. 16
1.4. Echantillonnage et localisation des stations. ……………………………………… 17
2. La baie de Bousmail. 20
2.1 Description géographique et présentation du site. 20
2.2 Prélèvement d’eau et localisation des stations. 23
2.3 La baie d’El Djamila. 25
3. Analyse et mesure des paramètres physico-chimiques 28
3.1.Température. 28
3.1.Oxygène dissous 29
3.3.Potentiel d’hydrogène. 30
3.4. Salinité S 30
3.5. Conductivité électrique (C 31
3.6. Transparence de l’eau. 31
3.7. Turbidité 31
3.8. Matières en suspension (MES). 32
3.9. La Demande Chimique en Oxygène (DCO). 33
3.10 Matière organique particulaire (MOP). 33
4. Analyse des Nutriments. 34
5. Couleur de l’eau et paramètres biologiques. 37
6. Le phytoplancton Marin. 40
7. Télédétection et couleur de l’eau. 42
Chapitre II: Modélisation des mesures satellitaires 47
I. Modélisation de l’interaction du spectre solaire avec l’atmosphère…………………………… 48
1 Spectre 49
solaire…………………………………………………………………………………….............
2 Atténuation du spectre solaire par 50
l’atmosphère………………………………………..………………..
2.1 Radiations solaires au sol……………………………………….………………........... 51
2.2. Radiation globale au à la surface………………………… 51
2.3 Bruit 53
atmosphérique…………………………………………………………………………........... 53
3. Modélisation du rayonnement réfléchi par le sol.
II. Détermination de la réflectance des eaux de mer par simulation des données satellites. 55
1. Propriétés optiques des eaux de mer. 55
2. Propriétés optiques de l’eau dans le domaine des courtes longueurs d’onde. 56
3. Propriétés optiques des surfaces d'eau 58
3.1 Substances dissoutes ou en 59
5
suspension…………………………………………………………………
3.2 Modélisation de la signature spectrale de l'eau de mer ………… 60 4. Réflectance des surfaces marines. 63
5. Problèmes posés par l'étude bathymétrique. 64
5.1. Propriétés optiques des eaux marines 65
5.2. Eclairement au dessous de l’eau. 65
5.3. Les composantes du signal radiométrique. 66
6. Etude du rayonnement sur le trajet sol atmosphère satellite. 67
6.1. Radiation réfléchie par la surface d’eau. 67
68 6.2. Radiation diffusée d’un volume d’eau.
68 6.3. Radiation diffusée du fond.
6.4. Radiation totale diffusée à la surface de l’eau. 68
6.5. Radiation totale arrivant au satellite. 69
7. Conclusion 70
Chapitre III : Simulation des données satellitaires 71
1. Introduction 71
2. Analyse de la variation de la luminance avec les conditions angulaires. 73
2.1 Effet de l’angle zénithal 73
solaire. …………………………………………………………………...........
2.2. Effet de l’angle zénithal d’observation. …………………………………………… 74
3. L’analyse des effets atmosphériques………………………………………….……………….. 74
3.1. Effet de l’humidité relative……………………………………………….…………........... 75
32. Effet du paramètre de diffusion Fc…………………………………………………………. 75
4. Présentation de l'Outil développé sous logiciel « SDDS » 76
4.1 Analyse de l’interaction du rayonnement avec la masse d’eau. 77
4.2 Conversion en réflectance des données satellitaires brutes. 80
5. Signature spectrale de l’eau de mer 80
6. Simulation des données satellites SPOT XS et Landsat. 82
7. Estimation du bruit atmosphérique et correction radiométrique. 85
7.1. Application des corrections d’images aux satellites SPOT et TM &MSS Landsat. 85
7.2 Qualité des corrections radiométriques. 88
7.3 Application sur les images satellites. 89
8. Conclusion 89
Chapitre IV: Modélisation de base de données et PollutionGIS 92
1. Méthodologie du développement de PolGIS. 94
1.1 L’analyse spatiale. 95
1.2 Principe de développement. 95
2. Diagramme de classes participantes du cas d’utilisation : Gérer les cartes, les photos et les images 97
satellitaires
3. Identification des scénarios 100
4. Conception de PolGIS 106
5. Le prétraitement des données dans PolGIS. 107
5.1. Justification des choix techniques 114
6. Présentation des interfaces de l’application 115
7. Conclusion 119
Chapitre V: Analyse et Modélisation des Paramètres Terrain-Image 120
A.I. Application en baie d’Alger. 121

6 1. Analyse et variation des paramètres physico-chimiques en baie d’Alger. 121
2. Extraction de la réflecance de l'eau de mer. 132
2.1 Données et conditions atmosphériques. 132
2.2 Calage et échantillonnage. 133
2.3 Modélisation de la réflectance. 133
2.4 Calcul de la réflectance à partir de l’image satellite. 134
3. Résultats et discussion. 135
3.1 Analyse Physico_chimique 136
3.2 Analyse des réflectances 137
3.3 Modélisation des paramètres 138
3.4 Images et Cartes de pollution. 141
B II. Résultats de la Modélisation des Paramètres de la campagne océanographique 2003 144
1. Modélisation statistique : réflectances et paramètres 144
2. Cartes de pollution. 144
III. Application en Baie de Bousmail. 149
A. Variation des paramètres physico-chimiques. 149
B. Modélisation des paramètres physico-chimiques et des données satellitaires. 153
C. Application à la couleur de l'eau-Modélisation de la chlorophylle et du phytoplancton marin 161
en baie d'Alger.
1. Les éléments nutritifs. 162
2. Etude des paramètres biologiques. 164
2.1 Etude qualitative des populations phytoplanctoniques. 164
2.2 Etude quantitative des populations phytoplanctoniques. 164
3. Modélisation de la couleur de l'eau, chlorophylle a et phytoplancton marin. 173
4. Analyse des réflectances de l'eau de mer. 175
5. Couleur de la mer des eaux du cas1 sur une image Seawifs. 178
Chapitre IV : Modélisation de la bathymétrie par mesures satellitaires 184
A. Détermination de la bathymétrie dans la baie d'Alger. 185
1. Analyse physico-chimique et cartographie. 185
2. Cartes bathymétriques. 186
3. Extraction et calcul de la réflectance de l’eau. 189
3.1 Analyse de la variation de la luminance. 189
3.2 Application aux stations. 189
4. Corrélation et ajustement des fonctions représentatives. 191
5. Analyse statistique des paramètres. 193
5.1 Conversion en profondeur. 193
5.2 Extraction d’images bathymétriques. 196
B. Détermination de la bathymétrie dans la baie de Bousmail. 198
1. Carte bathymétrique de la baie de Bousmail 198
2. Analyse de la variation de la luminance. 199
3.Modélisation de la profondeur et mesures satellitaires 204
4.Modèles d'inversion en profondeur - Application PCSATWIN 206
C. Validation du modèle de simulation de la bathymétrie aux données satellites dans la baie de 208
Zemmouri.
D. Conclusion 211

7 Conclusion générale 213
Bibliographie 217
Annexes 236


8





















Introduction






9
Introduction générale

Le milieu marin représente un enjeu considérable en termes de développement socio-
économique. Ces dernières décennies, la pollution des océans à travers le monde est devenue un
sujet de préoccupation croissante à l'échelle internationale.
La mer méditerranée est soumise à un problème grave de pollution dû à l’accroissement des
apports anthropogéniques côtiers de ses pays riverains en voie d’industrialisation. La civilisation
moderne et l’activité de l’homme sont indéniablement les causes principales de la contamination
de l’hydrosphère. (Salomon, 2003; Houma et al., 2005(a); Lambert et al.,1981)
Les activités liées directement à la mer ont pris une place prépondérante, notamment dans les
collectivités côtières ; cependant, elles sont tributaires de la santé et de la productivité du milieu
marin. L’homme en investissant de plus en plus le milieu marin contribue au déséquilibre de ce
milieu. Les ressources vivantes et la biodiversité sont menacées par les pressions anthropiques en
termes d’aménagement du milieu côtier, de pollution et d’exploitation.
Cependant; les zones côtières sont exposées à des énormes risques: La pression démographique
où la majorité de la population mondiale est située près des côtes, la croissance des zones
urbaines, associée à une expansion rapide de l'industrie et du tourisme et à une exploitation
évasée des ressources marines. Cela a suscité une inquiétude généralisée à l'échelle planétaire
concernant le développement durable de ces espaces et leurs ressources naturelles. L’humanité a
pris conscience de la fragilité de cet environnement, d’autant plus que les ressources biologiques
sont souvent menacées d'où une partie importante des ressources économiques (tourisme, pêche,
activités portuaires), provient des zones côtières. (Farmer et al.,1993)

La côte et le littoral algériens et à l'instar de la majorité des zones côtières méditerranéennes, sont
sensibles aux changements environnementaux, aux changements créés par le développement
économique et aux changements d'utilisation du sol. La région algéroise est certainement l'une
des zones où l'altération de la qualité des eaux marines côtières est la plus perceptible. De 75 à
80% des pollutions marines sont d'origine terrestre, notamment agricole, parmi lesquelles environ
30% sont apportées par l’atmosphère. Le littoral Algérien est pratiquement touché par diverses
pollutions, on constate une densité urbaine importante sur la côte qui déverse ses rejets dans les
eaux marines et des usines qui rejettent leurs déchets industriels et contribuent à polluer le milieu
sous l’effet des substances toxiques et corrosives.
La pollution des mers n’est plus une hypothèse à débattre, mais une réalité à affronter !!!
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