Modélisation et simulation de trains d'onde LiDAR "vert" : application à la détection de faibles lames d'eau en rivière

[Departement_IRSTEA]DS [TR1_IRSTEA]METHODO / SYNERGIEBathymetry on continental hydrographic networks is up to now limited to small areas. This is highly limiting hydrological or ecological studies on hydrographic networks. To enlarge rivers bathymetry surveys, Bathymetric LiDAR looks an interseting tool. But, if this technique has been widely used for coastal surveys, very few studies focus on water depth measurement quality and limits, in particular for rivers. We aimed here to study the theorical water depth minimum measurement using a green LiDAR full waveform model. To do so, we developed first a model introducing specificities for rivers. Those, we tried to assess from simulated full waveforms this inferior limit and its sensitivity to river parameters. The results exhibit an inferior limit of 10 centimeters in best cases, i.e. when water surface is rough. This allows us to conclude on the utility of bathymetric LiDAR for gravel-beds rivers usually having a mean depth around 40 centimeters.La connaissance de la bathymétrie et de la topographie des surfaces immergées est un point d'entrée incontournable dans l'amélioration de la connaissance des milieux aquatiques littoraux et continentaux (modélisation des écosystèmes, cartographie, modélisation des hydrosystèmes). Pour l'estimation de la topographie sur de grands linéaires de fleuves et rivières, le LiDAR bathymétrique apparaît comme une technique potentiellement intéressante. Cependant, s'il existe quelques références sur la précision de cette technique dans le cadre des zones littorales, peu de références précises existent sur les eaux continentales à ce jour, sur les fleuves et rivières en particulier. Evaluer du point de vue théorique les limites du LiDAR Bathymétrique est une première approche pour apprécier le transfert de cette technique vers les eaux continentales. Cette évaluation doit porter pour les fleuves et rivières sur la limite de discrimination de la lame d'eau pour de très faibles profondeurs, et ce pour des lames d'eau qui peuvent pentues et faiblement rugueuses. Effectuer ces études théoriques à travers l'analyse de trains d'ondes laser retour « vert » simulés (puissance retour en fonction du temps) avec les particularités des rivières, apparaît comme l'approche la plus adaptée. L'étude effectuée s'est déroulée en deux phases: une première a porté sur la modélisation puis la simulation de trains d'ondes pour différents paramètres de rivières; une seconde s'est intéressée à l'inversion de trains d'ondes simulés pour retrouver l'épaisseur d'eau. Cette inversion a été réalisée par approximation d'un mélange de lois de probabilités. Pour la partie simulation, on s'aperçoit sur les trains d'ondes simulés que la rugosité de la surface et du fond de la rivière, entraînent une modification de l'amplitude de la puissance, permettant une meilleure distinction entre surface et fond; En revanche les pentes maximales de la surface et du fond de la rivière, n'ont pas d'effets importants sur la forme du train d'ondes, sans grande conséquence sur la mesure. Pour la partie inversion, la limite obtenue de discrimination de la lame d'eau, pour une surface et un fond plat, avec une légère rugosité se situe aux alentours de 50 cm de profondeur. Cet ordre de grandeur limite la portée du LiDAR bathymétrique pour des rivières à faible fond et forte pente, telle la Durance, même si ces premiers résultats ne tiennent pas compte de l'apport d'autres longueurs d'onde LiDAR (PIR et Raman)