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Towards unprecedented spatiotemporal observations in hydrological systems using Uncrewed Vehicles
Date de parution
2023
Nombre de page
136
Mots-clés
- gestion des ressources en eau
- processus hydrogéologiques
- télédétection
- véhicules sans équipage
- véhicules aériens sans équipage
- véhicules de surface sans équipage
- UAV
- USV
- LiDAR
- hydrologie de la neige
- dynamique des océans
- propriétés du sol
- hyperspectral
- water resources management
- hydrogeological processes
- remote sensing
- uncrewed vehicles
- uncrewed aerial vehicles
- uncrewed surface vehicles
- UAVs
- USVs
- snow hydrology
- ocean dynamics
- soil properties
gestion des ressource...
processus hydrogéolog...
télédétection
véhicules sans équipa...
véhicules aériens san...
véhicules de surface ...
UAV
USV
LiDAR
hydrologie de la neig...
dynamique des océans
propriétés du sol
hyperspectral
water resources manag...
hydrogeological proce...
remote sensing
uncrewed vehicles
uncrewed aerial vehic...
uncrewed surface vehi...
UAVs
USVs
snow hydrology
ocean dynamics
soil properties
Résumé
L'amélioration de la gestion des ressources en eau a été un grand défi et l'utilisation appropriée de l'eau est d'une grande importance pour les écosystèmes et la population humaine dans le monde entier. Le changement climatique affecte le cycle de l'eau et donc l'utilisation de l'eau et les activités humaines dans le monde entier. Il est donc de plus en plus nécessaire de mieux surveiller les ressources en eau et de comprendre les processus hydrogéologiques qui se déroulent dans les systèmes hydrologiques et hydrogéologiques. La technologie de la télédétection a été intensivement utilisée pour surveiller les masses d'eau, mais jusqu'à présent principalement par le biais de satellites et d'avions pilotés.
Cependant, des limites subsistent en termes de résolution des données et de manque de données in situ dans les zones isolées et difficilement accessibles. Il est donc nécessaire de disposer de technologies plus avancées permettant d'observer l'eau à des échelles spatiales et temporelles plus fines. Dans ce contexte, les drones, avec leur technologie autonome innovante et leurs résolutions spatio-temporelles élevées, ouvrent une nouvelle ère dans l'étude des systèmes hydrogéologiques. Les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont été utilisés dans les études hydrogéologiques en raison de leur souplesse opérationnelle, notamment leur capacité à voler à basse altitude, dans des environnements difficiles et à tout moment, à faible coût. Cette souplesse permet de surmonter les faibles résolutions spatiales et temporelles des données satellitaires et les coûts élevés de l'acquisition de données par des avions pilotés. Outre les drones, les véhicules de surface sans pilote (USV) ont également été utilisés pour l'étude des océans en raison de leur autonomie et de leur navigation à longue distance. Leurs fréquences d'échantillonnage élevées et leur capacité à échantillonner directement la surface de l'océan et pas seulement quelques mètres en dessous, les rendent plus favorables que les plateformes de mesure in situ traditionnelles telles que les bouéesou d'autres bateaux habités.
L'objectif de cette thèse de doctorat est d'améliorer la compréhension des processus hydrogéologiques en utilisant cette technologie innovante des véhicules sans pilote. En combinant diverses plateformes et données de télédétection, nous avons produit de nouveaux ensembles de données pour la communauté scientifique avec des résolutions spatio-temporelles sans précédent. Nos études, qui utilisent ces données transportées par des véhicules sans pilote avec des résolutions spatio-temporelles sans précédent, prouvent l'efficacité et le potentiel de la technologie des véhicules sans pilote. Nous menons quatre études différentes liées à différents processus hydrogéologiques dans différents environnements. La première étude est une contribution technique aux techniques de cartographie de la neige à l'aide de la technologie LiDAR embarquée sur drone. La deuxième étude, qui est la toute première étude menée sur un terrain forestier escarpé à l'aide d'un LiDAR embarqué sur un drone, démontre l'effet de la structure de la canopée et du rayonnement solaire sur la formation de motifs de neige dans les pentes forestières escarpées. Nous avons également obtenu des contributions techniques précieuses pour des campagnes similaires à venir. La troisième étude porte sur la dynamique de la température de surface de la mer sur la côte californienne et prouve que Saildrone, un bateau de surface sans équipage, est capable de valider les produits satellitaires grâce à sa fréquence d'échantillonnage d'une minute. Il s'agit de la première étude comparant les produits satellitaires MODIS niveau 2 et MUR (Multi-scale Ultrahigh Resolution) niveau 4 sur la côte californienne et de la première étude évaluant la précision des niveaux de qualité MODIS niveau 2 sur la côte californienne. La dernière étude vise à cartographier la matière organique de la couche arable à haute résolution en exploitant les propriétés spectrales du sol ainsi que les analyses traditionnelles en laboratoire.
ABSTRACT
The improvement of water resources management has been a big challenge and the appropriate use of water is of high importance for the ecosystems and the human population globally. Climate change affects the water cycle and therefore water use and human activities around the world. There is therefore an increased need for better monitoring of the water resources and the understanding of the hydrogeological processes that take place in hydrological and hydrogeological systems. Remote sensing technology has been intensively used to monitor water bodies, but so far mainly via satellites and crewed aircraft.
However, there are still limitations in terms of data resolution and lack of in situ data in isolated and difficultly accessible areas. Therefore, there is a need for more advanced technologies that can observe the water at finer spatial and temporal scales. In this context, uncrewed vehicles with their innovative autonomous technology and their high spatiotemporal resolutions open a new era in the study of hydrogeological systems. Uncrewed aerial vehicles (UAVs) have been used in hydrogeological studies due to their operational flexibilities such as their ability to fly at low altitudes, in challenging environments, and whenever the user needs them at low costs. These flexibilities overcome the low spatial and temporal resolutions of the satellite data and the high costs of crewed aircraft data acquisitions. Besides the UAVs, uncrewed surface vehicles (USVs) have also been used in ocean studies due to their autonomous and long-range navigation. Their high sampling frequencies and their ability to directly sample the ocean surface and not just a few meters underneath, make them more favorable than traditional in situ measurement platforms such as buoys or other crewed boats.
The aim of this Ph.D. thesis is to improve the understanding of hydrogeological processes using this innovative technology of uncrewed vehicles. By combining various remote sensing platforms and data, we produced new datasets for the scientific community with unprecedented spatiotemporal resolutions. Our studies, using these uncrewed vehicle-borne data with their unprecedented spatiotemporal resolutions, prove the efficiency and potential of the uncrewed vehicle technology. We pursue four different studies related to different hydrogeological processes in different environments. The first study is a technical contribution to snow mapping techniques using UAVborne
LiDAR technology. The second study, which is the first-ever study conducted in steep forested terrain using UAV-borne LiDAR demonstrates the effect of canopy structure and solar radiation in the formation of snow patterns within the steep forested slopes. We also extract valuable technical contributions for similar future campaigns. The third study focuses on sea surface temperature dynamics on the California Coast and proves that Saildrone, an uncrewed surface boat, is capable of validating satellite products with its one-minute sampling frequency. It is the first study to compare MODIS level-2 with Multi-scale Ultra-high Resolution (MUR) level-4 satellite products over the California Coast and the first one to assess the accuracy of MODIS level-2 quality levels over the California Coast. The last study aims at mapping topsoil organic matter at high resolution by exploiting the soil spectral properties along with traditional laboratory analysis.
Cependant, des limites subsistent en termes de résolution des données et de manque de données in situ dans les zones isolées et difficilement accessibles. Il est donc nécessaire de disposer de technologies plus avancées permettant d'observer l'eau à des échelles spatiales et temporelles plus fines. Dans ce contexte, les drones, avec leur technologie autonome innovante et leurs résolutions spatio-temporelles élevées, ouvrent une nouvelle ère dans l'étude des systèmes hydrogéologiques. Les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont été utilisés dans les études hydrogéologiques en raison de leur souplesse opérationnelle, notamment leur capacité à voler à basse altitude, dans des environnements difficiles et à tout moment, à faible coût. Cette souplesse permet de surmonter les faibles résolutions spatiales et temporelles des données satellitaires et les coûts élevés de l'acquisition de données par des avions pilotés. Outre les drones, les véhicules de surface sans pilote (USV) ont également été utilisés pour l'étude des océans en raison de leur autonomie et de leur navigation à longue distance. Leurs fréquences d'échantillonnage élevées et leur capacité à échantillonner directement la surface de l'océan et pas seulement quelques mètres en dessous, les rendent plus favorables que les plateformes de mesure in situ traditionnelles telles que les bouéesou d'autres bateaux habités.
L'objectif de cette thèse de doctorat est d'améliorer la compréhension des processus hydrogéologiques en utilisant cette technologie innovante des véhicules sans pilote. En combinant diverses plateformes et données de télédétection, nous avons produit de nouveaux ensembles de données pour la communauté scientifique avec des résolutions spatio-temporelles sans précédent. Nos études, qui utilisent ces données transportées par des véhicules sans pilote avec des résolutions spatio-temporelles sans précédent, prouvent l'efficacité et le potentiel de la technologie des véhicules sans pilote. Nous menons quatre études différentes liées à différents processus hydrogéologiques dans différents environnements. La première étude est une contribution technique aux techniques de cartographie de la neige à l'aide de la technologie LiDAR embarquée sur drone. La deuxième étude, qui est la toute première étude menée sur un terrain forestier escarpé à l'aide d'un LiDAR embarqué sur un drone, démontre l'effet de la structure de la canopée et du rayonnement solaire sur la formation de motifs de neige dans les pentes forestières escarpées. Nous avons également obtenu des contributions techniques précieuses pour des campagnes similaires à venir. La troisième étude porte sur la dynamique de la température de surface de la mer sur la côte californienne et prouve que Saildrone, un bateau de surface sans équipage, est capable de valider les produits satellitaires grâce à sa fréquence d'échantillonnage d'une minute. Il s'agit de la première étude comparant les produits satellitaires MODIS niveau 2 et MUR (Multi-scale Ultrahigh Resolution) niveau 4 sur la côte californienne et de la première étude évaluant la précision des niveaux de qualité MODIS niveau 2 sur la côte californienne. La dernière étude vise à cartographier la matière organique de la couche arable à haute résolution en exploitant les propriétés spectrales du sol ainsi que les analyses traditionnelles en laboratoire.
ABSTRACT
The improvement of water resources management has been a big challenge and the appropriate use of water is of high importance for the ecosystems and the human population globally. Climate change affects the water cycle and therefore water use and human activities around the world. There is therefore an increased need for better monitoring of the water resources and the understanding of the hydrogeological processes that take place in hydrological and hydrogeological systems. Remote sensing technology has been intensively used to monitor water bodies, but so far mainly via satellites and crewed aircraft.
However, there are still limitations in terms of data resolution and lack of in situ data in isolated and difficultly accessible areas. Therefore, there is a need for more advanced technologies that can observe the water at finer spatial and temporal scales. In this context, uncrewed vehicles with their innovative autonomous technology and their high spatiotemporal resolutions open a new era in the study of hydrogeological systems. Uncrewed aerial vehicles (UAVs) have been used in hydrogeological studies due to their operational flexibilities such as their ability to fly at low altitudes, in challenging environments, and whenever the user needs them at low costs. These flexibilities overcome the low spatial and temporal resolutions of the satellite data and the high costs of crewed aircraft data acquisitions. Besides the UAVs, uncrewed surface vehicles (USVs) have also been used in ocean studies due to their autonomous and long-range navigation. Their high sampling frequencies and their ability to directly sample the ocean surface and not just a few meters underneath, make them more favorable than traditional in situ measurement platforms such as buoys or other crewed boats.
The aim of this Ph.D. thesis is to improve the understanding of hydrogeological processes using this innovative technology of uncrewed vehicles. By combining various remote sensing platforms and data, we produced new datasets for the scientific community with unprecedented spatiotemporal resolutions. Our studies, using these uncrewed vehicle-borne data with their unprecedented spatiotemporal resolutions, prove the efficiency and potential of the uncrewed vehicle technology. We pursue four different studies related to different hydrogeological processes in different environments. The first study is a technical contribution to snow mapping techniques using UAVborne
LiDAR technology. The second study, which is the first-ever study conducted in steep forested terrain using UAV-borne LiDAR demonstrates the effect of canopy structure and solar radiation in the formation of snow patterns within the steep forested slopes. We also extract valuable technical contributions for similar future campaigns. The third study focuses on sea surface temperature dynamics on the California Coast and proves that Saildrone, an uncrewed surface boat, is capable of validating satellite products with its one-minute sampling frequency. It is the first study to compare MODIS level-2 with Multi-scale Ultra-high Resolution (MUR) level-4 satellite products over the California Coast and the first one to assess the accuracy of MODIS level-2 quality levels over the California Coast. The last study aims at mapping topsoil organic matter at high resolution by exploiting the soil spectral properties along with traditional laboratory analysis.
Notes
Thesis committee :
• Prof. Philip Brunner, directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
• Prof. Philippe Renard, Université de Neuchâtel, Suisse
• Dr Tobias Jonas, SLF Davos, Suisse
• Dr Jorge Vazquez-Cuervo, JPL/Caltech, USA
Approved in March 2023
No de thèse : 3024
• Prof. Philip Brunner, directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
• Prof. Philippe Renard, Université de Neuchâtel, Suisse
• Dr Tobias Jonas, SLF Davos, Suisse
• Dr Jorge Vazquez-Cuervo, JPL/Caltech, USA
Approved in March 2023
No de thèse : 3024
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Type de publication
doctoral thesis
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