Application de la réflectométrie pour la mesure des variations de l’humidité du sol utilisation d’une seule antenne

Les mesures d’humidité du sol constituent des observations très importantes pour mener des études sur le climat, les prédictions météorologiques, les analyses des zones inondables et les recharges d’aquifères. En milieu agricole, une analyse en temps réel de l’état hydrique du sol permettrait à l’exploitant d’optimiser la gestion de ses parcelles (travail du sol, trai- tements, irrigation, etc.). Les différentes techniques de mesure actuelles présentent toutes des caractéristiques différentes en terme de résolution spatiale (i.e., la capacité d’un cap- teur à discerner un détail, ou, en d’autres termes, la plus petite surface représentée par une mesure), de résolution temporelle (i.e., la répétitivité de la mesure) et de précision (i.e., la qualité de la mesure effectuée). L’optimisation d’un de ces trois paramètres se fait malheu- reusement souvent au détriment des deux autres.

Ainsi, les sondes d’humidité classiques (de type Theta probe par exemple) fournissent uni- quement des mesures ponctuelles et très hétérogènes, peu représentatives d’une parcelle entière. En revanche, la précision est plutôt bonne (par exemple, pour les sondes Theta, la précision annoncée est de 2 % de volume d’humidité du sol avec des étalons spécifiques au sol), et les mesures peuvent être réalisées en continu. Avec l’avènement des techniques de té- lédétection, l’humidité du sol peut être mesurée à une échelle globale, mais c’est cette fois au détriment de la résolution temporelle et spatiale. Par exemple, même avec la mission SMOS : Soil Moisture and Ocean Salinity satellite (Kerr et al., 2010), la répétitivité est de 3 jours maxi- mum à l’équateur, et le côté d’un élément de surface fait en moyenne 43 km.La technique se base sur l’interaction des signaux GNSS qui se réfléchissent sur le sol et contiennent donc une information sur les caractéristiques de la surface réfléchissante, parti- culièrement le contenu en eau des premiers centimètres. Les interférences au niveau de l’an- tenne entre l’onde directe et l’onde réfléchie sont particulièrement visibles dans le rapport signal sur bruit SNR (Signal-to-Noise Ratio) enregistré par le récepteur (voir sections 3.4.2.2 page 60 et 5.2 page 112). Les variations de la nature de la surface et de ses propriétés vont modifier le signal GNSS réfléchi, et donc le SNR, que l’on va pouvoir ensuite analyser pour es- timer l’humidité du sol. Cette méthode d’estimation présente l’avantage majeur d’être appli- cable très aisément en utilisant n’importe quelle antenne GNSS classique (notamment celles des réseaux permanents), sans aucune modification de matériel.

Hauteur effective h de l’antenne par rapport à la surface réfléchissante

Dans le cas d’une réflexion sur une surface continentale, on observe une pénétration des ondes GNSS dans le sol avant réflexion. La profondeur de cette pénétration est directement liée à la nature de la surface réfléchissante, et principalement son contenu en eau (Larson et al., 2010). Les variations de l’humidité du sol vont donc modifier la profondeur de péné- tration des ondes, et provoquer ainsi de légères variations temporelles de la hauteur effectivef .Les variations temporelles de h estimées grâce au SNR sont donc un très bon indicateur des fluctuations du contenu en eau du sol autour de l’antenne (Chew et al., 2014).est la phase. H est la hauteur d’antenne mesurée sur le terrain (e.g., à l’aide d’un mètre-ruban) et est considérée comme fixe. En d’autres termes, H est la valeur de h que l’on obtiendrait théoriquement s’il n’y avait aucune pénétration des ondes GNSS dans le sol.Différentes campagnes de mesures ont montré que les paramètres Avarient tous les deux avec l’humidité du sol (Chew et al., 2014; Larson et al., 2008, 2010), en raison des variations de réflectivité que cette dernière va engendrer. L’impact de l’humidité surfacique sur φ.

L’expérience de Lamasquère

La méthode présentée dans ce chapitre a été testée in situ en traitant les données SNR collec- tées par une antenne géodésique installée dans un champs de soja situé près de Lamasquère (43°29’14.45″N ; 1°13’44.11″E) : voir figure 6.3. Lamasquère est une commune située au sud- ouest de la France, près de la ville de Toulouse, dans une zone surveillée par le laboratoire CESBIO (UMR 5126) dans le cadre du projet Sud-Ouest (Baup et al., 2012). Le climat dans cette région est tempéré avec une précipitation annuelle moyenne de 600 mm. La moyenne mensuelle est de 50 mm, avec un maximum de 80 mm au printemps et un minimum de 32 mm en été, d’après les mesures effectuées par la station météorologique n° 3145400 de Météo-France, l’agence Française de Météorologie, située à 15 km du site d’étude.par une antenne Leica AR10 et un récepteur GR25. Le sol autour de l’antenne durant cette période était sans aucune végétation.Dans mon étude, seul le SNR mesuré sur la fréquence L1 est analysé car c’est celui qui est généralement utilisé pour estimer l’humidité du sol vu que son amplitude est plus élevée que celle du signal de fréquence L2, et engendre donc un signal SNR plus élevé.La hauteur d’antenne au-dessus du sol varie entre 1,69 m et 1,70 m, avec une rugosité du sol de quelques centimètres, et on considère donc H = 1, 695 m. Il n’y a aucun masque dansl’environnement immédiat, excepté pour les satellites à très basse élévation où des arbres peuvent perturber le signal reçu par l’antenne (voir figure 6.3 (c)). C’est pour cette raison que seules les mesures issues de satellites d’élévation supérieure à 2° sont considérées dans la suite de mon étude.