Caractérisation diélectrique micro-onde (1,4 GHz) des arbres et des sols

Abstract

Le découplage du signal d’émission micro-onde entre la végétation et le sol demeure une difficulté omniprésente pour toutes applications en télédétection. Pour améliorer les produits micro-ondes globaux (e.g. humidité du sol, état de gel/dégel du sol) en milieu forestier, une meilleure estimation de la permittivité électrique de la végétation et du sol est requise. Dans le cadre de ce projet, un nouveau prototype de sonde coaxiale à terminaison ouverte adaptée aux mesures sur le terrain a été développé. Nous montrons dans ce travail que la sonde est apte à mesurer la permittivité électrique en bande L (1.4 GHz) de la végétation et du sol.

La sonde affiche des incertitudes maximales de 3,3% pour une large plage de valeurs de permittivité. La permittivité complexe de sept espèces d’arbres différentes a été caractérisée dans des conditions de gel et de dégel. Les résultats montrent que la permittivité électrique du tronc des arbres est fortement corrélée avec l’état de gel/dégel de la végétation et que cet état de gel/dégel de la végétation est sensible aux courts événements de dégel hivernal. Il a aussi été démontré que les différences de permittivité électrique interespèces sont importantes. La sonde coaxiale à terminaison ouverte s’est également révélée suffisamment précise pour capturer le cycle diurne de teneur en eau à l’intérieur du tronc des arbres.

Les mesures de permittivité électrique de sols organiques en chambre froide mettent en évidence une hystérésis importante entre le cycle de gel et de dégel du sol. Un tel phénomène n’est pas considéré dans les modèles de permittivité du sol actuel ni dans les algorithmes de détection du gel/dégel des sols. La sonde devrait permettre d’améliorer la modélisation du transfert radiatif en milieu forestier et ainsi permettre d’améliorer les produits satellitaires en bande L.

The decoupling of the signal between vegetation and soil remains an omnipresent difficulty for all remote sensing applications in the microwave spectrum. To improve global microwave products (e.g. soil moisture, freeze/thaw soil state) in the forest environment, a better estimate of the permittivity of vegetation and soil is required. As part of this project, a new prototype of open-ended coaxial probe adapted for field measurements has been developed. The probe is designed to measure the L-band permittivity (1.4 GHz) of vegetation and soil. The probe displays maximum uncertainties of 3.3% for a wide range of permittivity values. The complex permittivity of seven different tree species was characterized under freezing and thawing conditions. The results show that the permittivity of tree trunks is strongly correlated with the freeze/thaw state of vegetation, the tree freeze/thaw state is sensitive to short winter thawing events and the inter species differences in permittivity are important. The open-ended coaxial probe is also precise enough to capture the diurnal cycle of water content within the tree trunks. The permittivity measurements of organic soils in cold chamber show a significant hysteresis between the freezing and thawing cycles. Such phenomenon is not considered in current soil permittivity models or in soil freeze/thaw detection algorithms. The probe will allow to improve radiative transfer models in forest environment and thus improve L-band satellite products.