M.E.S : Manufacturing Execution System 27/01/2011Amine TAHRI - IR3 Xposé Ingénieurs2000.
Algorithmes de M.E.S. : la quête du Graal · Application to the South-West lagoon of New ......
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Algorithmes de M.E.S. :la quête du Graal
Paris – 17 Janvier 2011
Sylvain OUILLON, Jean-Pierre LEFEBVRE,
Leonardo DARDENGO, Florence LAHET,
Jean-Marie FROIDEFOND, Cécile DUPOUY,
Pascal DOUILLET, Serge ANDREFOUET,
Philippe FORGET, Anne PETRENKO
Le transport particulaire c'est ….
Un apport particulaire en mer par les fleuves de 20 109 tonnes par ansoit 630 tonnes/s
+ un apport de matériau dissous par les fleuves à la mer de 20% de la quantité de matériau particulaire
correspond à une érosion moyenne des terres estimées à 6 cm / 1000 ans+ production de particules d'origine biologique (coquillages, coraux, algues calcaires)
source : Milliman 1990
Enjeux • Particules = traceurs de la circulation => Hydrodynamique
• Erosion du lit et des berges, envasement de ports et canaux, morphodynamique
• Flux (éléments) => bilan géochimique, biogéochimie
• Flux (contaminants) => impacts sur les écosystèmes, écotoxicologie
• Impacts du changement climatique et des activités anthropiques
La dynamique particulaire dans les écosystèmes côtiers
• Quels sont les flux particulaires et les bilans sédimentaires dans un écosystème côtier soumis à différents forçages ? Ecosystème
• Quels sont les mécanismes du transport côtier d’une population hétérogène de particules ? Processus
Ebre 1997 , SPOT XS2
Couplages nécessaires
7 μm40 μm
1 10 100 1000
Distributiongranulométrique
Mesures in situ, Télédétection et Modélisationpour documenter
l'hydrodynamique et les particules
thèse de N. Durand, 2000
234 mg/l
55 mg/l
19 mg/l
4 mg/l
Rhône (crue de nov. 1994)Ouillon et al , 1997
Rhône et Golfe du Lion 2000-2001Ouillon & Petrenko, 2005
400 500 600 700 8000
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
Wavelength [nm]
R
rs [
sr-1
]
GirondeDoxaran et al 2002
400 600 800
0.005
0.010
0.015
0.020
Wavelength (nm)
Rrs
(sr-1
)
2.68 FTU1.61 FTU
1.65 FTU1.16 FTU1.37 FTU1.00 FTU
0.27 FTU
0.20 FTU0
Nouvelle-Calédonie 2002-2003Ouillon et al, 2004
Algorithmes(M.E.S.)XS1 XS2 XS3
XS1 XS2
Sensibilité spectrale SPOT-3Algorithmes pour SPOT-3 / Rhône 94
10 20 300
20
10
0
30
KM
10 nov 94
SPOT XS2
20
15
10
5 mg/l
10 20 300
20
10
0
KM
30
15 nov 94
Landsat TM3
25
15
Ouillon et al, 1997 - Forget et Ouillon, 1998
Modélisation-Analyse Télédétection des panaches fluviaux
Hyp : influence optique chl négligeablea (λ) = aw (λ) + ay (λ)bb (λ) = bbw (λ) + bbs (λ)
1. Eaux à dominante sédimentaire (Rhône en crue)
ay modèle de Bricaud et al. 1981bbs modèle de Mie (van de Hulst 1957) dépend de λ, granulométrie, C et mp indice de réfraction
R = 0.33b b
a + b b
Données : R , C
Modèle inverse pour déterminermp moyen , ay (λ0 )
R dépend de C* = C (mp2 – 1)2
Ambiguité / Non unicité de l'inversiondans les eaux très turbides
Forget et al, 1999, RSE
1-3 m
10-20 cm
2-10 m
Proche IR
Profondeur de pénétration de la lumière
Z euphotiquedépend de la turbidité
Prendre en compte la stratification dansl’inversion des données optiques
en eaux peu turbides
∫∫
λ
λ=λ
0
0
)dzf(z,
)dzC(z)f(z,)Coe(
Concept
• Ed (z) = Ed (0) e - Kd z
• En z, rétrodiffusion par les particules% Ed(z) et % C(z)
d’où la méthode Coe
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ λ−=λ ∫0 )dz',k(z'exp)f(z,
Zb
Zb
avec Z
Modélisation-Analyse Télédétection des panaches fluviaux
2. Méthode d'inversion pour eaux peu turbides et stratifiées (Ebre)
Question subsidiaire : Quel est l’effet de la stratification ?
Modèle 1 k(z,λ) = kλ
Modèle 2 k(z,λ) = αλ
/ Sd
Modèle 3 k(z,λ) = kλ
*. C(z)
k(λ) déterminé par optimisation R-Coe R-
R-
400 500 600 700
0.7
0.8
0.9
1
Wavelength (nm)
Corr
elat
ion
coef
ficie
nt r
Coemodels 1 to 3
Csurf
0 2 4 6 8 10 120
4
8
12
16
20
Coe (mg/l)
Rxs
i (%
)
Ebro - July 1997
k=0.52 XS1 r=0.858
k=1.08 XS2 r=0.914
Modélisation-Analyse Télédétection des panaches fluviaux
4. Méthode d'inversion pour eaux peu turbides et stratifiées (Ebre)
Télédétection des panaches fluviaux
Application à des données SPOT – EBRE 6 juillet 1997
XS1 : 0 – 2.80 m XS2 : 0 – 1.40 m
1.0
2.5
4.0
6.0
3030
25
20
15
10
5
05 10 15 20 25 300
KM
30
25
20
15
10
5
0
KM
5 10 15 20 25 30
1.0
2.5
4.0
6.0
0
Concentration en MES (mg/l)
Télédétection des panaches fluviaux
Application à des données SPOT – EBRE 6 juillet 1997
0 – 1.40 m 1.40 – 2.80 m
1.0
2.5
4.0
6.0
3030
25
20
15
10
5
05 10 15 20 25 300
KM
3025201510500
5
10
15
20
25
30
KM
1.0
2.5
4.0
6.0
Concentration en MES (mg/l)
Ecart entre estimation SPOT et mesures :2 % sur 0 – 1.40 m, 22 % de 1.40 à 2.80 m
Validation sur une station – 6 juillet 1997
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
TSM Concentration (mg/l)
Dep
th (m
)
Profile from measurementsTwo-layer profile from measurementsTwo-layer profile from Rxsi via CoesatTwo-layer profile from Coecalc
Ouillon, 2003
Inversion amélioréeCoe par régression - erreur < 25 %
Reconstitution d’un profil de MES sous la surface
Si poursuite : - variabilité spatio-temporelle des coefficients- prise en compte de chla et CDOM dans la méthode
400 600 800
0.005
0.010
0.015
0.020
Wavelength (nm)
Rrs
(sr-1
)
2.68 FTU1.61 FTU
1.65 FTU1.16 FTU1.37 FTU1.00 FTU
0.27 FTU
0.20 FTU0
Reflectance
Algorithme turbidity from reflectance
Standard error: 10.5 %
y = -13442x3 + 1815x2 - 11.236x + 0.2147R2 = 0.9455
00.5
11.5
22.5
3
0 0.02 0.04 0.06Rrs L7 b2 (sr-1)
Turb
(FTU
)
Les années 2000 : Algorithmes de MES en eaux claires
Ouillon et al. 2004, Coral Reefs
New Caledonia
166°10'E 166°20'E 166°30'E 166°40'E
22°20'S
22°30'S
171.6
67
8.521
3451
512
67
1.35
210
84
Application to the South-West lagoon of New Caledonia
Erodibility
Landsat ETM+
SPM
Uncertainty on SPM 20 % NC lagoon
166°10'E 166°20'E 166°30'E 166°40'E
22°20'S
22°30'S
< 0.2 mg/l0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
> 1.2
Model
Towards a global algorithm for SPM concentrations in tropical coastal waters…
New Caledonia
Remote sensing Bio-optical algorithms
Cuba
Fiji
400 600 8000
0.005
0.010
0.015
0.020
Rrs
(sr-
1 )
Wavelength (nm) Rrs 565 (sr-1)
10
100
0
1
0.10.01 0.02 0.03
Turb = 0.1863 exp (175.16 Rrs)
r2 = 0.901
a
Turb
idity
(FTU
) 10
100
1
0.1
Turb
idity
(FTU
)
Rrs 620 (sr-1)
0 0.01 0.02
Turb = 329589 Rrs3 + 11070 Rrs2
+ 368.56 Rrs
r2 = 0.980
b
400 600 8000
0.010
0.015
Rrs
(sr-
1 )
Wavelength (nm)
0.005
2
3.5
1
0
Turb
idity
(FTU
)
3
2.5
1.5
0.5
Rrs 620 (sr-1)
0 0.002 0.004 0.006
Turb = 0.5646 exp (297.48 Rrs)
r2 = 0.758
400 600 8000
0.010
0.020
Rrs
(sr-
1 )
Wavelength (nm)
30
0
Turb
idity
(FTU
)
20
10
Rrs 681 (sr-1)
0 0.01 0.020.0150.005
Turb = 1.0675 exp (222.11 Rrs)
r2 = 0.897
10
100
1
0.1
Turb
idity
(FTU
)
Rrs 510 / Rrs 681
0.1 1 10
Turb = 14.896 (R510/R681)-1.7677
r2 = 0.910
1-band algorithm
Ouillon et al. 2008, Sensors
3-band algorithm TURB3 algorithme with threshold
(a) Turb (1-band)(b) if Turb < 1 FTU : Turb (3-bands)
10
100
1
0.1TUR
B3 -
Mod
eled
Tur
bidi
ty (F
TU)
Measured turbidity (FTU)
10.1 10 100
NCCuba
Fiji10
100
1
0.1
Turb
idity
(FTU
)
Rrs620 . Rrs681 / Rrs412
110-110-210-310-410-5
Turb = 90.647 (Rrs620.Rrs681/Rrs412)0.594
r2 = 0.930
NCCuba
Fiji
10
100
1
0.1
Turb
idity
(FTU
)
Rrs 681 (sr-1)0 0.01 0.02
Turb = 3182.8 Rrs681 1.2542
r2 = 0.888
NCCuba
Fiji
Turb = -6204 103 Rrs6813 + 179.6 103
Rrs6812 + 36.49 Rrs681 + 0.452
r2 = 0.919
Mean bias 3.6 %rms 35 %
Mean quadratic error 1.42
Mean bias 4.4 %rms 30 %
Mean quadratic error 2.03
Towards a global algorithm for SPM concentrations in tropical coastal waters…
Remote sensing Bio-optical algorithms
The problem … There is no global algorithm to quantify Suspended Particulate Matter (SPM)
The solution …
To develop semi-analytical algorithms from inherent optical properties
Some new algorithmic developments…
S : SPM concentration
*
1
bp
np
ba
Aγ
ρ =
CCC+
=1γρ
*
*
p
bp
ab
C =
216.0'≈
ℜ=
Qfπγ
avec
reflectance
où
Can we go beyond the inversion of SPM ?
High influence of organic matter and grain size distribution on optics
Some new deals…
Binding et al., 2005
Bowers et al., 2009
Results: tidal influence on aggregation dynamics
0100
200300
400500
0
5
100
2
4
6
8
10
median Diameter (µm)height under water surface (m)
ratio
Vol
umic
Con
cent
ratio
n / t
otal
Vol
. Con
cent
. (%
)
0100
200300
400500
0
5
100
2
4
6
8
10
median Diameter (µm)height under water surface (m)
ratio
Vol
umic
Con
cent
ratio
n / t
otal
Vol
. Con
cent
. (%
)
Macroflocs
Macroflocs
High dissipation rate of turbulent kinetic
energy (TKE)
Cam River - wet season
Low dissipation rate of turbulent kinetic
energy (TKE)
Dynamique sédimentaire dans l'estuaire du Fleuve Rouge (Vietnam)
Delta du Fleuve Rouge(9e au monde pour débit solide)
et zone côtière avoisinante+
Baie d'Ha Long
Grande variété de masses d'eau
Delta duFleuve Rouge
HAIPHONG
HA LONG
Collaboration LEGOS avec Vietnam (IMER)depuis 2007
Projet EC2CO, ANR (soumis)USTH (nouvelle Univ. Hanoi)
Etude de faisabilité(2 campagnes en 2008 et 2009)
Ex :Rrs
baie de HaiphongMars 2009
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0350 400 500 600 700 800
Rrs
(sr
-1)
Wavelength (nm)
Projet VITEL (TOSCA, CNES) 2011-2013P.I. S. Ouillon, IRD LEGOS
Another Joint Program in numerical modelling HUS (Dinh Van Uu) - LEGOS (S. Ouillon – P. Marchesiello) 2010-2013
•MODELLING: ROMS (ocean model), WRF (atmospheric model), Wavewatch (wave model)
•BIO-OPTICAL Algorithms & REMOTE SENSING
•IN SITU DATA
PhD grant (USTH) of Nguyen Nguyet Minh, since March 2010
Hydrodynamics and suspended sediment transportin the Haiphong- Ha Long coastal area by numerical modelling
Atmospheric circulationmodel WRF
Sea Surface Height and surface currents
Conclusion
TélédétectionIncertitude actuelle dans l’estimation de CMES 20-25 %
de turbidité 15-20 %à partir de données multispectrales
acceptable pour l’analyse du transport et soutien à la modélisationpistes : inverser la surface spécifique des particules ; influence de la stratification en eaux
peu turbides ; effets contenu M.O. et granulométrie (S, C, turbulence…)
Modélisation du transport particulaire
• Longtemps contrainte par les limites des modèles hydrodynamiques• Très empirique – Incertitude modèle > Incertitude télédétection• Mesure de la distribution granulométrique nécessaire dans la colonne d’eau
améliorer l’ajustement local des paramètresexpliciter les paramètres à partir de données sédimentologiques, benthiques et
hydrodynamiquesaméliorer la connaissance (e.g. agrégats), approche nécessairement pluridisciplinaire
…soutiennent études de Processus et études Thématiques