Hostache, Renaud (2006) Satellite image analysis for three-dimensionnal flood hazard characterisation and hydraulic modelling support. PhD thesis Sciences de l'eau, ENGREF.

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Abstract

The Thesis aims at deploying methods of flood satellite image analysis beyond 2D flood area delineation in order to estimate water levels and to help hydraulic modelling.
Based on Raclot (2003) works with aerial photographs, which provide 20cm mean uncertainty, the water level estimation method uses satellite RADAR images of flood and a fine DEM. The method is composed of two steps: i) flood cartography and analysis of image hydraulic relevance for water level estimation, ii) fusion between relevant information resulting from the image with a fine Digital Elevation Model (DEM) and constraining the water levels extracted from image by concepts of coherence with respect to a hydraulic flow through a plain. It provides water level estimations with a 38cm mean uncertainty for a RADARSAT-1 image of a Mosel Flood (1997, France). In addition, validation works with an ENVISAT image of an Alzette river flood (Luxembourg, 2003) allowed us to calculate a Root Mean Square Error of 13 cm on the estimates of water levels.
To help hydraulic modelling, the PhD aims at reducing equifinality thanks to satellite images of flood. To meet this aim, a "traditional" step of calibration thanks to hydrographs is completed by comparison between simulation results and flood extends or water levels extracted from images. To deals with calibration uncertainties, Monte-Carlo simulations have been used. In perspective, the results of the thesis imply great benefits for flood evolution forecasting after acquisition of flood satellite images because the use of these images as initial conditions or calibration data provide better-constrained models.

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Table of content

Introduction générale - 1
Partie I. Aléa inondation, modélisation hydraulique et télédétection - 7
Introduction - 9
Chapitre 1. De l'aléa inondation à sa modélisation hydraulique - 11
1.1 Les inondations: ampleur, définitions et notion de risque - 11
1.2 La gestion et la modélisation hydraulique des inondations - 16
1.3 Données disponibles et données attendues dans la gestion et la modélisation hydraulique des inondations - 26
Chapitre 2. La télédétection par satellite - 35
2.1 Télédétection satellitaire optique passive - 35
2.2 Télédétection satellitaire radar à synthèse d'ouverture - 41
Chapitre 3. Apports des images satellitaires pour la gestion des inondations - 57
3.1 Caractérisation spatiale en deux dimensions d'inondations à partir d'images satellitaires - 58
3.2 Estimation de niveaux d'eau et de débit par télédétection - 66
3.3 Utilisation des images satellitaires pour l'aide à la modélisation hydraulique - 71
Conclusion - 75
Partie II. Méthodologies - 77
Introduction - 79
Chapitre 4. Cartographie de l'étendue et des limites d'inondation - 81
4.1 Pré-traitements des images satellitaires radar - 82
4.2 Classification "eau-non eau" sur les images - 84
4.3 Extraction d'une carte d'inondation certaine - 86
4.4 Extraction des bordures pertinentes pour une estimation des niveaux d'eau - 89
4.5 Conclusion - 92
Chapitre 5. Estimation des niveaux d'eau - 95
5.1 Estimation primaire des niveaux d'eau par croisement entre les segments informatifs et un MNT à haute résolution spatiale - 96
5.2 Construction d'une hiérarchie hydraulique dans la plaine d'inondation - 96
5.3 Mise en cohérence hydraulique - 102
5.4 Conclusion - 108
Chapitre 6. Intégration des caractéristiques spatiales extraites d'images satellitaires dans une procédure de calage d'un modèle hydraulique - 111
6.1 Introduction - 111
6.2 Modèle hydraulique, calage et donnée image - 112
6.3 Simulations Monte-Carlo et méthode GLUE - 113
6.4 Évaluation des simulations Monte-Carlo - 114
6.5 Conclusion - 121
Partie III. Application de la méthode, résultats et discussions - 123
Introduction - 125
Chapitre 7. Sites d'études et constitution de bases de données - 127
7.1 La Moselle entre Thionville et la frontière franco-germano-luxembourgeoise - 127
7.2 Les sites d'étude complémentaires - 133
Chapitre 8. Cartographie de l'étendue et des limites d'inondation - 143
8.1 Cartographie de l'étendue et des limites d'inondation - 144
8.2 Estimation des niveaux d'eau - 151
8.3 Intégration des caractéristiques spatiales extraites d'images satellitaires dans une procédure de calage d'un modèle hydraulique - 155
Chapitre 9. Qualité des résultats de la méthode, discussions et perspectives - 173
9.1 Qualité des résultats et des méthodes - 174
9.2 Bilan et perspectives - 183
Conclusion générale - 193
Références bibliographiques - 199
Table des illustrations - 211
Liste des tableaux - 216
Annexes : Documents et travaux complémentaires - 1
Annexe 1. Pluviométrie de février 1997 en lorraine - 3
Annexe 2. Barrages de Koenigsmacker et Apach - 4
A2.1 Barrage de Koenigsmacker - 4
A2.2 Barrage d'Apach - 9
Annexe 3. Cartes d'inondations obtenues à partir d'images ERS-1 pour le site d'étude de la Meuse - 13
Annexe 4. Résultats complémentaires des évaluations des simulations Monte-Carlo pour le site d'étude de la Moselle - 21
Annexe 5. Ordres de grandeur des coefficients de frottement de Strickler obtenus par M. Pradé - 25
Annexe 6. Carte d'inondation obtenue à partir d'une image SPOT-4 pour le site d'étude de l'Hérault. - 26

Statistiques de consultation

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