La cartographie du bilan radiatif urbain Q* est un axe de recherche de plus en plus étudié en raison de son impact reconnu sur le climat urbain. Q* est égal à la différence entre le rayonnement incident (i.e., éclairement) et qui sort (i.e., exitance) de la canopée urbaine, selon toutes les directions et sur la partie du spectre électromagnétique qui englobe l'essentiel du rayonnement solaire et de l'émission thermique terrestre. Il constitue un témoin direct du fonctionnement énergétique des villes. L'architecture 3D des villes explique l'impossibilité de mesures in-situ de Q* en tout point d'une ville. Cette remarque illustre le grand intérêt de la télédétection satellite, de par sa capacité d'observation fréquente de villes entières dans différents domaine spectraux, sous réserve de pouvoir dériver Q* de mesures satellites. Actuellement, l'amélioration continue des technologies d’observation de la Terre, des modèles 3D des villes, et de la modélisation 3D du transfert radiatif urbain ouvre une nouvelle voie de recherche dédiée à la cartographie de Q*, qui fait l'objet de cette thèse.
Durant cette thèse, une approche innovante et générique de création de cartes de Q* urbain a été conçue et appliquée à 3 villes : Londres (Royaume-Uni), Bâle (Suisse), et Héraklion (Grèce). L'approche adoptée repose sur la combinaison de l’imagerie satellite multispectrale et du modèle 3D de bilan radiatif DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer). Elle calcule tout d'abord des cartes de propriétés optiques et de température des matériaux urbains via une comparaison itérative d’images de luminance satellites et DART, simulées à partir d'un modèle urbain 3D incluant le relief, les bâtiments, et la végétation. La combinaison "architecture 3D urbaine" - "Cartographie des propriétés optiques et températures" est essentielle pour simuler avec précision (1) les effets radiatifs directionnels urbains, et donc les images satellites, ainsi que (2) la cartographie de Q*. Dans une deuxième étape, l'approche développée calcule Q* par intégration spectrale et sur l'espace des directions de propagation des rayons. De plus, une méthode basée sur le pré-calcul de cartes d'albédo direct et diffus a été conçue pour créer efficacement des séries temporelles de Q* pour tout pas de temps dans les courtes longueurs d'onde, à partir de cartes de propriétés optiques calculées à une date antérieure donnée.
La mise en œuvre de la méthodologie d'inversion des images satellites a permis de créer des séries temporelles de cartes de Q* de Bâle, Héraklion et d'une partie de Londres. Le projet H2020 URBANFLUXES de la Communauté Européenne a utilisé ces cartes pour développer une nouvelle méthode d’estimation des flux de chaleurs anthropogéniques (i.e. dus à l’activité humaine) urbains, via le calcul du bilan énergétique urbain, à partir d'images satellites. Les séries temporelles de cartes de Q* obtenues avec la méthode développée durant cette thèse ont été validées avec les mesures de rayonnement des tours de flux des 3 villes. Les résultats se sont avérés être très bons. Ainsi, la série temporelle de 321 cartes de Q* réalisées pour Bâle sur l'année 2016, présente une erreur relative absolue moyenne de 4.45%. Cette erreur relative vaut 4.35% pour les 278 cartes de Q* réalisées pour Londres en 2016. Sur une année, Q* varie d’environ 50 à 750 W/m² durant le jour, et entre -100 et -50 W/m² durant la nuit, selon la ville et la période de l’année. Cette validation n'a pas été possible pour Héraklion, car les tours de flux ne mesurent que l'éclairement (i.e., pas d'exitance). D'une manière générale, l’erreur relative entre les images DART et satellites, après inversion des propriétés optiques par la méthode développée, est inférieure à 1%, toutes bandes spectrales confondues. Ces résultats démontrent la possibilité de dériver des cartes de Q* à partir d'images satellites via l'emploi combiné du modèle de transfert radiatif 3D DART et de modèle 3D de l'architecture urbaine. |
Radiative budget Q* mapping is a more and more studied research theme because of its known impact on the urban climate. Q* is the difference between incoming (i.e. irradiance) and outgoing (i.e. exitance) radiation of the urban canopy, along all directions and on the spectral domain which covers most of the solar radiation and the surface thermal emission. It is a direct indicator of the urban energetic behaviour. The 3D architecture of cities explains the impossibility of in-situ measurements of Q* at every point of the city. This observation stresses out the great interest of remote sensing from space, because of its capacity to make frequent observations of whole cities in multiple spectral intervals, provided that we are able to derive Q* from satellite measurements. Nowadays, the constant improvements of Earth observations technologies, of 3D representations of cities, and of 3D modelling of radiative transfer open new research paths for Q* mapping, which is the subject of this PhD.
During this PhD, an innovative and generic approach for the creation of urban Q* has been developed and applied to 3 cities: London (UK), Basel (Switzerland), and Heraklion (Greece). The adopted approach is based on a combination of multispectral satellite imagery and of the 3D radiative budget model DART (Dicrete Anisotropic Radiative Transfer). At first, it derives maps of optical properties and temperature for urban materials using an iterative comparison of satellite and DART radiance images, simulated using a 3D urban mock-up including topography, buildings and vegetation. The combination of 3D urban architecture and optical properties and temperature maps is essential to simulate precisely (1) the urban directional radiative effects, and thus the satellite images, and (2) Q* maps. In a 2nd step, the developed approach derives Q* via a spectral integral and an integral over the directions of radiation diffusion. Furthermore, a method based on the precomputation of diffuse and direct albedo maps has been conceived to efficiently create Q* time series for any time step in the short wavelength, from optical properties maps computed for a given previous date.
Using this satellite images inversion method allowed to generate time series of Q* maps for Basel, Heraklion, and a part of London. The European Community H2020 project URBANFLUXES used these maps to develop a new estimation method for the urban anthropogenic heat flux (i.e. caused by human activity), from a derivation of the urban energy budget, using satellite images. The Q* maps time series obtained using the method developed during this PhD were validated using flux tower measurements in the cities of interest, and the results are very good. The absolute mean relative error for a time series of 321 Q* maps over the year 2016 for Basel is 4.45%. This error is equal to 4.35% for 278 Q* maps derived for London in 2016. Over a year, Q* varies approximately from 50 to 750 W/m² during the day, and from -100 to -50 W/m² during the night, depending on the city and the time of year. This validation was impossible for Heraklion, because the flux tower measured only the irradiance and not exitance. Generally, the relative error between DART and satellite images, after inversion of the optical properties from the developed method, is less than 1%, all spectral bands combined. These results demonstrate the ability to derive Q* maps from satellite images using both the DART radiative transfer model and a 3D representation of urban architecture. |