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International audience; Lancée en novembre 2009, la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) est triplement ambitieuse par ses finalités : elle est destinée à mesurer systématiquement des quantités physiques - humidité du sol et salinité à la surface de la mer - de haute signification dans le système climatique ,son parti pris technique innovant de radiométrie interférométrique, ses choix en matière d'extraction des quantités recherchées, choix qui mettent en oeuvre des modélisations explicites du transfert radiatif. Même si l'évaluation exhaustive des résultats de SMOS devra attendre la fin de la mission et certainement au delà, le temps est venu d'apprécier les chances que les défis posés soient relevés avec succès.

International audience; We are planning to replace the French airplanes used for atmospheric research and remote sensing, and we wish to describe some of the current systems (aircraft, instrumentation and data processing) and give some examples of their use. The last part of the article looks the future. It is a summary of proposals made by the Scientific Committee for Atmospheric and Remote Sensing Research Aircraft of future needs, and infers the specifications required for the future aircraft and their instrumentation.; Alors que nous sommes en train de planifier le remplacement des avions français utilisés par la communauté scientifique en recherche atmosphérique et en télédétection, nous avons voulu présenter un état des lieux montrant les moyens disponibles (les avions, leur instrumentation et leurs filières de traitement des données) et quelques exemples de travaux scientifiques ayant bénéficié de ces outils. La dernière partie de l'article est tournée vers l'avenir. Elle présente une synthèse des travaux prospectifs réalisés par le Conseil scientifique des avions de recherche atmosphérique et de télédétection pour évaluer les besoins futurs de la communauté scientifique et en déduire les qualités et les performances requises pour les futurs avions de recherche et leur instrumentation.

Par rapport aux satellites d’observation de la Terre (Landsat, SPOT) à forte résolution spatiale, mais faible répétitivité temporelle, les satellites météorologiques NOAA-AVHRR ont l’avantage de permettre, grâce à 4 passages par jour, un suivi des cultures au cours de la saison de végétation. L’inconvénient majeur est la résolution spatiale limitée à 1 km2. Une étude a été effectuée sur les années 1983 et 1984 pour évaluer l’intérêt des indices de végétation dérivés des données NOAA, parallèlement aux données d’IR thermique analysées par ailleurs. Localisée dans la basse vallée du Rhône, elle a permis de caractériser l’évolution différenciée de petites régions au mode d’occupation du sol nettement contrasté. Une étude plus fine montre la possibilité de suivre les cycles culturaux dominants sur les surfaces quasiment homogènes et d’envisager une quantification de la production de matière sèche par les relations existant entre indice de végétation et productivité., Compared to earth observation satellites (Landsat, SPOT) with high ground resolution but low temporal frequency, NOAA-AVHRR meteorological satellites allow crop conditions to be monitored through the growing season thanks to 4 passes per day. The major limitation lies in the spatial resolution, limited to 1 km2. This study has been undertaken in order to test the value of NOAA-derived vegetation indices, in parallel to thermal IR data analysed elsewhere, for 1983 and 1984. Observations on the lower Rhone valley allowed characterization of the differential evolution of small regions with various land uses. A more detailed study at the smallest possible spatial scale opened the possibility of monitoring the growth cycles of the predominant crops within virtually homogeneous areas and of quantifying biomass production using relationship between vegetation indices and productivity.

In a climate change context, many studies are dealing with the observation of numerous physical parameters such as the soil temperature or the vegetation. The soil moisture is one of the observed variables for monitoring the evolution of the water cycle on Earth. Satellites help to meet this need. Among them, the first spatial mission specially designed for soil moisture monitoring at the global scale is the SMOS mission launched on November 2, 2009. The first part of this thesis deals with the validation of the SMOS soil moisture product. A comparison between soil moistures retrieved from satellite observations (SMOS, AMSR-E, and ASCAT), modeled soil moisture (ECMWF) and measurements is realized over four watersheds in the U.S. In a second phase, the SMOS soil moisture product is evaluated at the global scale by using the triple collocation method. The global SMOS error map is then linked to different parameters by using the methods of ANOVA and CART to investigate its origin. Thereafter, the SMOS soil moisture product is put into a temporal context. Two statistical methods are presented in order to link the SMOS and the AMSR-E soil moisture datasets over the four watersheds: CDF matching and the copulas. Finally, the last part comes back to the SMOS algorithm and to his innovations compared to those already existing. A simpler algorithm has been implemented and adapted to the L-band multi-angular SMOS observations. A comparison between the retrieved soil moisture from this simple algorithm and the SMOS product has allowed us to better understand the improvements that SMOS is capable of and how to improve the SMOS product.; Dans un contexte de changement climatique, de nombreuses études portent sur l'observation de plusieurs paramètres physiques tels que la température du sol ou la végétation. L'humidité du sol fait partie des traceurs observés pour surveiller l'évolution du cycle hydrologique sur Terre. Parmi les satellites d'observation de la Terre, la première mission à avoir été spécialement conçue pour l'observation de l'humidité des sols à l'échelle globale a été la mission SMOS lancée le 2 Novembre 2009. La première partie de ma thèse a porté sur la validation du produit d'humidité SMOS. Pour l'échelle locale, une comparaison entre des humidités retrouvées à partir d'observations satellite (SMOS, AMSR-E et ASCAT), des humidités modélisées (ECMWF) et des humidités mesurées sur quatre bassins versants test aux Etats-Unis. Dans un second temps, le produit d'humidité SMOS est évalué à l'échelle globale en utilisant la triple collocation. La carte globale de l'erreur SMOS est ensuite reliée à différents autres paramètres en utilisant les méthodes ANOVA et CART pour en déterminer la cause. Le produit d'humidité SMOS a ensuite été replacé dans un contexte historique. Deux méthodes sont présentées afin de relier les humidités SMOS et AMSR-E sur les quatre sites test aux États-Unis : le CDF matching et les copules. La dernière partie reviendra sur l'algorithme de SMOS et sur ses innovations par rapport à ceux déjà existants. Pour cela, un algorithme plus simple est mis en place et adapté aux acquisitions multi-angulaires de SMOS. Une comparaison entre les humidités retrouvées avec ce modèle simplifié et celles de SMOS permet de mieux comprendre les améliorations que SMOS est capable de fournir.

In a climate change context, many studies are dealing with the observation of numerous physical parameters such as the soil temperature or the vegetation. The soil moisture is one of the observed variables for monitoring the evolution of the water cycle on Earth. Satellites help to meet this need. Among them, the first spatial mission specially designed for soil moisture monitoring at the global scale is the SMOS mission launched on November 2, 2009. The first part of this thesis deals with the validation of the SMOS soil moisture product. A comparison between soil moistures retrieved from satellite observations (SMOS, AMSR-E, and ASCAT), modeled soil moisture (ECMWF) and measurements is realized over four watersheds in the U.S. In a second phase, the SMOS soil moisture product is evaluated at the global scale by using the triple collocation method. The global SMOS error map is then linked to different parameters by using the methods of ANOVA and CART to investigate its origin. Thereafter, the SMOS soil moisture product is put into a temporal context. Two statistical methods are presented in order to link the SMOS and the AMSR-E soil moisture datasets over the four watersheds: CDF matching and the copulas. Finally, the last part comes back to the SMOS algorithm and to his innovations compared to those already existing. A simpler algorithm has been implemented and adapted to the L-band multi-angular SMOS observations. A comparison between the retrieved soil moisture from this simple algorithm and the SMOS product has allowed us to better understand the improvements that SMOS is capable of and how to improve the SMOS product.; Dans un contexte de changement climatique, de nombreuses études portent sur l'observation de plusieurs paramètres physiques tels que la température du sol ou la végétation. L'humidité du sol fait partie des traceurs observés pour surveiller l'évolution du cycle hydrologique sur Terre. Parmi les satellites d'observation de la Terre, la première mission à avoir été spécialement conçue pour l'observation de l'humidité des sols à l'échelle globale a été la mission SMOS lancée le 2 Novembre 2009. La première partie de ma thèse a porté sur la validation du produit d'humidité SMOS. Pour l'échelle locale, une comparaison entre des humidités retrouvées à partir d'observations satellite (SMOS, AMSR-E et ASCAT), des humidités modélisées (ECMWF) et des humidités mesurées sur quatre bassins versants test aux Etats-Unis. Dans un second temps, le produit d'humidité SMOS est évalué à l'échelle globale en utilisant la triple collocation. La carte globale de l'erreur SMOS est ensuite reliée à différents autres paramètres en utilisant les méthodes ANOVA et CART pour en déterminer la cause. Le produit d'humidité SMOS a ensuite été replacé dans un contexte historique. Deux méthodes sont présentées afin de relier les humidités SMOS et AMSR-E sur les quatre sites test aux États-Unis : le CDF matching et les copules. La dernière partie reviendra sur l'algorithme de SMOS et sur ses innovations par rapport à ceux déjà existants. Pour cela, un algorithme plus simple est mis en place et adapté aux acquisitions multi-angulaires de SMOS. Une comparaison entre les humidités retrouvées avec ce modèle simplifié et celles de SMOS permet de mieux comprendre les améliorations que SMOS est capable de fournir.

Launched in November 2009, the main goal of the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission is to map global fields of surface soil moisture with an accuracy better than 0.04 m3/m3 land with a spatial resolution ranging from 35 km at nadir up to 55 km (43 km average) using L-band (1.4 GHz) radiometry. The large pixel size of satellite missions such as SMOS, introduces a number of scientific questions that requires a minimum of field measurements representative of the area seen by the sensor. Thus, the validation of SMOS data requires the maintenance of long term measurements over large areas. This is the role of Valencia Anchor Station (VAS), established by the University of Valencia in December 2001, whose principal objective is to characterize an area dedicated to the calibration and validation of Earth Observation missions. In the context of the validation of the SMOS products over land, the main objective of this thesis consists in accurately generating the Match-ups over the VAS area (equivalent to a SMOS pixel) to be compared with the SMOS real data. The Match-ups are defined as simulated passive microwave brightness temperatures using the surface variables as well as the characteristics of the VAS area. A coupled SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer) - radiative transfer model was developed for modelling the soil moisture and the resulting microwave emissions. The hydrological processes are simulated with a SVAT model named ISBA (Interactions between Soil Biosphere Atmosphere), while the microwave emission is simulated using the L-MEB (L-band Microwave Emission of the Biosphere) model upon which the SMOS Level 2 processor is based.; Lancée en novembre 2009, l'objectif principal de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) est de fournir une cartographie globale de l'humidité du sol avec une précision supérieure à 0.04 m3/m3 et avec une résolution spatiale comprise entre 35 km au nadir et 55 km (43 km en moyenne) en utilisant la radiométrie en bande L (1.4 GHz). La résolution spatiale des satellites tels que SMOS induit de nombreuses questions scientifiques qui nécessite un minimum de mesures de terrain représentatives de la zone vue par le capteur. C'est dans cette optique que la validation des données SMOS nécessite l'acquisition de nombreuses mesures sur une vaste zone. Dans ce sens, le site VAS (Valencia Anchor Station), défini par l'université de Valence (Espagne) en décembre 2001, a pour objectif principal de caractériser une surface dédiée à l'étalonnage et la validation des missions satellites d'observation de la terre. Dans le contexte de la validation des produits SMOS au-dessus des terres émergées, l'objectif principal de cette thèse est la génération de "Match-ups" sur la zone VAS (équivalente à un pixel SMOS), qui sont à comparer avec les données réelles SMOS. Les Match-ups sont des températures de brillance micro-ondes passives simulées en utilisant les variables et les caractéristiques de surface de la zone VAS. Ainsi, pour modéliser l'humidité du sol et la température de brillance associée, nous avons couplé un modèle SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer) avec un modèle de transfert radiatif. Les processus hydrologiques sont simulés avec le modèle ISBA (Interactions between Soil Biosphere Atmosphere), alors que l'émission micro-ondes est simulée avec le modèle L-MEB (L-band Microwave Emission of the Biosphere) qui est utilisé dans l'algorithme d'inversion des humidités de surface à partir des données SMOS.

Launched in November 2009, the main goal of the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission is to map global fields of surface soil moisture with an accuracy better than 0.04 m3/m3 land with a spatial resolution ranging from 35 km at nadir up to 55 km (43 km average) using L-band (1.4 GHz) radiometry. The large pixel size of satellite missions such as SMOS, introduces a number of scientific questions that requires a minimum of field measurements representative of the area seen by the sensor. Thus, the validation of SMOS data requires the maintenance of long term measurements over large areas. This is the role of Valencia Anchor Station (VAS), established by the University of Valencia in December 2001, whose principal objective is to characterize an area dedicated to the calibration and validation of Earth Observation missions. In the context of the validation of the SMOS products over land, the main objective of this thesis consists in accurately generating the Match-ups over the VAS area (equivalent to a SMOS pixel) to be compared with the SMOS real data. The Match-ups are defined as simulated passive microwave brightness temperatures using the surface variables as well as the characteristics of the VAS area. A coupled SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer) - radiative transfer model was developed for modelling the soil moisture and the resulting microwave emissions. The hydrological processes are simulated with a SVAT model named ISBA (Interactions between Soil Biosphere Atmosphere), while the microwave emission is simulated using the L-MEB (L-band Microwave Emission of the Biosphere) model upon which the SMOS Level 2 processor is based.; Lancée en novembre 2009, l'objectif principal de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) est de fournir une cartographie globale de l'humidité du sol avec une précision supérieure à 0.04 m3/m3 et avec une résolution spatiale comprise entre 35 km au nadir et 55 km (43 km en moyenne) en utilisant la radiométrie en bande L (1.4 GHz). La résolution spatiale des satellites tels que SMOS induit de nombreuses questions scientifiques qui nécessite un minimum de mesures de terrain représentatives de la zone vue par le capteur. C'est dans cette optique que la validation des données SMOS nécessite l'acquisition de nombreuses mesures sur une vaste zone. Dans ce sens, le site VAS (Valencia Anchor Station), défini par l'université de Valence (Espagne) en décembre 2001, a pour objectif principal de caractériser une surface dédiée à l'étalonnage et la validation des missions satellites d'observation de la terre. Dans le contexte de la validation des produits SMOS au-dessus des terres émergées, l'objectif principal de cette thèse est la génération de "Match-ups" sur la zone VAS (équivalente à un pixel SMOS), qui sont à comparer avec les données réelles SMOS. Les Match-ups sont des températures de brillance micro-ondes passives simulées en utilisant les variables et les caractéristiques de surface de la zone VAS. Ainsi, pour modéliser l'humidité du sol et la température de brillance associée, nous avons couplé un modèle SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer) avec un modèle de transfert radiatif. Les processus hydrologiques sont simulés avec le modèle ISBA (Interactions between Soil Biosphere Atmosphere), alors que l'émission micro-ondes est simulée avec le modèle L-MEB (L-band Microwave Emission of the Biosphere) qui est utilisé dans l'algorithme d'inversion des humidités de surface à partir des données SMOS.

This thesis has been developped in the framework of the SMOS (SoilMoisture and Ocean Salinity) mission preparation. Over land, SMOS willprovide global mapping of soil moisture from L-band (1.4 GHz)radiometric measurements. The principle for soil moisture monitoring is the high sensitivity of L-band measurements to soil water content. Vegetation contributes as well to the emission and its effects must to be considered to correctly estimate soil moisture. SMOS will provide measurements at multiple incidence angles and for two polarizations. This overdefined system will allow for several parameters retrieval, namely soil moisture and vegetation optical depth. This thesis aims at testing and improving when possible the existing microwave models for the emission of natural surfaces, taking into account the SMOS configuration, namely the multiangularity. The first part of this thesis deals with a bare soil surface. Two approaches (remote sensing and in situ sensors) have been compared. Then a new roughness model has been developped considering the angular and polarimetric signature of the emission. The second part of the thesis focuses on the emission of a natural fallow. Dew and diurnal variations of vegetation water content effects on the signal have been assessed.; Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la préparation de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). Sur les terres émergées, le satellite SMOS fournira une cartographie globale de l'humidité du sol à partir de données radiométriques en bande-L (1.4 GHz). Le principe physique repose sur la sensibilité de la bande-L au contenu en eau de la surface. Le couvert végétal contribue à l'émission en fonction de son contenu en eau, et ses effets doivent être corrigés pour estimer l'humidité du sol. Le satellite SMOS obtiendra des mesures à deux polarisations (horizontale et verticale) et à multiples angles d'incidence. Ce système surdéfini permettera l'inversion de plusieurs paramètres, notamment l'humidité du sol et l'opacité de la végétation. L'objectif de cette thèse est de tester et d'améliorer si possible les modèles micro-ondes pour les scènes naturelles, en tenant compte les particularités de la configuration SMOS, notamment la diversité d'angles d'incidence. La première partie est consacrée à l'émission d'un sol nu. Dans un premier temps, deux approches (télédétection et capteurs in situ pour estimer l'humidité du sol ont été comparées. Dans un deuxième temps, la signature angulaire et polarimétrique de l'émission d'un sol nu rugueux est étudiée, un modèle semi-empirique est développé pour prendre en compte des effets de la rugosité aux différents angles et polarisations. La seconde partie est consacrée à l'émission d'un couvert végétal. L'influence de la rosée et les variations journalières de teneur en eau de la végétation sur l'émission ont été analysées.