Les plages sableuses sont des systèmes morphodynamiques dont la morphologie se réorganise continuellement sous l'effet des processus hydrodynamiques et des transferts sédimentaires. Dans un contexte d'élévation du niveau marin et de forte occupation des littoraux, comprendre leur capacité d'ajustement est essentiel pour anticiper l'érosion, la submersion et accompagner l'adaptation côtière. Pourtant, leur fonctionnement reste principalement documenté sur un nombre limité de sites instrumentés. Les barres sableuses modulent l'énergie des vagues atteignant le trait de côte, tandis que les états de plage renseignent sur le fonctionnement et les trajectoires d'ajustement du système. Cette thèse exploite l'imagerie satellitaire optique pour caractériser les barres, la morphologie submergée et les états de plage à grande échelle, en utilisant le déferlement comme signature observable de l'interaction entre hydrodynamique et morphologie. Le Normalised SandBar Index (NSBI) a d'abord été développé pour détecter automatiquement les zones de déferlement dans les images multispectrales. Sa validation à Duck montre que la position transversale des barres peut être suivie depuis l'espace avec une incertitude d'environ 20 m par rapport aux levés bathymétriques. Le déferlement permet aussi d'estimer la bathymétrie de la zone de surf en utilisant les profondeurs associées aux points de déferlement pour calibrer une inversion radiométrique fondée sur la couleur de l'eau. Évaluée sur ce même site, cette approche reconstruit la bathymétrie avec une erreur de l'ordre de 0,5 m. La distance X_b entre le trait de côte et le déferlement au large a ensuite été utilisée comme indicateur de l'extension de la zone de surf et, par conséquent, de l'état morphodynamique. Évaluée sur trente sites, elle distingue les principales configurations, des plages réflectives et terrasses de basse mer aux états intermédiaires barrés et dissipatifs, et permet d'en suivre l'évolution dans le temps. Cette approche conduit à distinguer l'état morphologique de l'état actif : le premier décrit les formes présentes, le second celles qui interagissent effectivement avec les vagues au moment de l'observation. Des relations empiriques permettent également d'estimer au premier ordre la pente de plage et la taille médiane des sédiments. L'approche a ensuite été étendue aux plages sableuses dominées par les vagues à l'échelle mondiale. Les observations Sentinel-2 ont permis de constituer environ 1,59 million de séries temporelles sur des transects espacés de 50 m, associant trait de côte, déferlement, X_b, vagues, marée et paramètres morphodynamiques dérivés. Pour analyser l'organisation de cette diversité, X_b a été combiné à des descripteurs du climat de vagues, du marnage et du contexte hydroclimatique continental dans une classification non supervisée par modèle de mélange gaussien (GMM). Huit régimes conjoints de morphodynamique et d'environnement sont identifiés. Leur composition en états de plage diffère nettement, des régimes dominés par les états réflectifs et les terrasses de basse mer à ceux majoritairement barrés ou dissipatifs. Ils se distinguent aussi par l'intensité et l'importance relative des composantes environnementales, certaines dominantes et d'autres plus équilibrées. Les séries temporelles produites permettent d'étudier plus systématiquement les barres, l'extension de la zone de surf active et les états de plage sur des côtes peu documentées. Elles ouvrent aussi la voie à l'étude de leur dynamique : les états persistants des états plus transitoires, identifier les trajectoires et transitions récurrentes et préciser le rôle de la disponibilité sédimentaire. Rendre ces dimensions observables à grande échelle ne suffit pas encore à expliquer leur fonctionnement, mais permet désormais de poser autrement les questions qui gouvernent l'évolution des plages sableuses. |
Sandy beaches are morphodynamic systems whose morphology is continuously reorganised by hydrodynamic processes and sediment transport. In the context of rising sea levels and an increasing coastal population, understanding their capacity to adapt is essential in order to anticipate erosion and coastal flooding, and support coastal adaptation. However, their dynamics have only been studied at a limited number of instrumented sites. Sandbars dissipate part of the incoming wave energy before it reaches the shoreline. Meanwhile, the state of the beach reflects its broader morphodynamic functioning, as well as its adjustment and transition patterns. This PhD uses optical satellite imagery to characterise sandbars, submerged morphologies and beach states on a large scale, identifying wave breaking as a key indicator of the interaction between hydrodynamics and morphology.
The Normalised SandBar Index (NSBI) was first developed to automatically detect wave-breaking zones in multispectral imagery. Validation at Duck shows that the cross-shore position of sandbars can be tracked from space with an uncertainty of approximately 20 m relative to bathymetric surveys. Wave breaking can also be used to estimate surf zone bathymetry, with the depths associated with breaking points being used to calibrate a radiometric inversion based on water colour. When evaluated at the same site, this approach reconstructs bathymetry with an error range of around 0.5 m.
The distance X_b between the shoreline and offshore wave breaking was then used as an indicator of surf zone extent and, consequently, of beach morphodynamic state. When evaluated across thirty sites, it distinguishes between the main configurations, ranging from reflective beaches and low-tide terraces to intermediate barred and dissipative states. This allows us to track their evolution over time. This approach differentiates between a static morphological state and its active state: the former describes the present forms, while the latter describes the forms that are interacting with waves at the time of observation. Empirical relationships also provide first-order estimates of beach slope and median sediment grain size.
This approach was then applied globally to wave-dominated sandy beaches. Sentinel-2 observations were used to create around 1.59 million time series along 50-metre-spaced transects, considering shoreline position, wave breaking, X_b, wave and tidal conditions, and derived morphodynamic parameters. In order to investigate how this diversity is organised on a large scale, X_b was combined with descriptors of wave climate, tidal range and continental hydroclimatic context in an unsupervised classification based on a Gaussian Mixture Model (GMM). Eight joint morphodynamic-environmental regimes were identified. The spatial composition of these regimes differs significantly in terms of beach states, ranging from regimes dominated by reflective states and low-tide terraces to predominantly barred or dissipative regimes. The regimes also differ in the intensity and relative importance of the environmental components, with some being dominated by a particular component and others reflecting more balanced contributions.
The resulting time series enable sandbars, the extent of the active surf zone, and beach states to be studied more systematically along poorly documented coastlines. They also facilitate the investigation of their dynamics, enabling the distinction between persistent and transient states, the identification of recurrent patterns and transitions, and the understanding of the role of sediment availability. While making these dimensions observable at large scales does not explain how they function, it does allow us to approach the question of how sandy beaches evolve differently. |