# Contexte

Ce projet a fait l’objet d’une demande de financement en 1995/6. Nous n’avons pas encore obtenu le financement promis déjà réduit et ne présentons ici que la philosophie du projet en l’état.

Le projet réunit des membres de l’IGARUN (M. Robin, URA 1518, P. Pottier, URA 915), de l’Ecole d’Architecture de Nantes (J.P. Peneau, URA 1581) et de l’Ecole Centrale de Nantes (P. Mestayer, URA 1217).

Notre projet vient à l’appui d’un champ de recherche du pôle nantais "Physique et Images de la ville" du programme PIR VILLE, par le biais de l’utilisation de la télédétection aérospatiale. La ville ne cesse de gagner en extension et le nombre de citadins ne cesse de s’accroître. Une réflexion est largement engagée au niveau national et international sur la notion de ville et environnement et sur la notion d’écosystème urbain. Ces notions sont à triple sens : d’abord l’originalité de la marque urbaine dans son environnement (dont la marque climatique) ; ensuite la modification de l’environnement par la ville ; enfin, par effet rétro-actif, les impacts de l’environnement sur le développement urbain.

Dans ce cadre, notre réflexion s’articule dans un premier temps autour de la marque climatique de la ville. On sait que l’îlot de chaleur apparaît sur une ville du fait d’une transformation de l’interface biosphère-atmosphère (revêtements en durs : rues, parkings, bâtiments). Ceci entraîne une modification du rapport chaleur latente / chaleur sensible dans une proportion liée à divers paramètres dont certains sont structurels (taille de la ville ; rapport surface minérale/espaces verts dans la ville ; morphologie urbaine (tissu urbain lâche ou serré engendrant un piégeage radiatif par réflexions multiples) ; conditions géographiques locales (site de la ville : site de bord de mer, de montagne, de vallée...) et d’autres conjoncturels (charge en poussières et aérosols ; heure et saison ; conditions météorologiques (vent, pluie...).

A petite échelle, la figure 1 montre la mesure de divers pixels NOAA-AVHRR sur le département de Loire-Atlantique. Elle illustre parfaitement l’existence d’un îlot de chaleur d’après des mesures de surface quand on compare les taches urbaines et d’autres surfaces à trois dates.

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Figure 1 : mesures thermiques de diverses surfaces de Loire-Atlantique à l’aide de trois enregistrements NOAA - AVHRR

Les amplitudes thermiques jour/nuit d’après deux autres enregistrements satellitaires sur les mêmes surfaces (22/07/90 à 2h00 et à 14h) montre encore la façon dont s’individualise la ville par un échauffement et un refroidissement très rapide, à l’image des sols à nu (28° pour Nantes centre contre 23° dans le vignoble et 16° pour le lac de Grand Lieu).

A une échelle plus grande, on a déjà pu constater à plusieurs reprises que le climat de la ville est loin d’être uniforme dans l’agglomération nantaise : par exemple :

- la partie sud de la ville est caractérisée par un ensoleillement plus important, mis en évidence de façon durable par quelques marqueurs climatiques dont certains végétaux.

- dans certaines circonstances, on constate une distribution des précipitations sous forme liquide ou solide inégale dans l’agglomération : par exemple en 1984 une précipitation de grêle sous le vent de l’agglomération génératrice d’énormes dégâts dont le déclenchement est facteur à la fois de la rugosité de l’agglomération et du piégeage radiatif.

- l’îlot de chaleur lui-même suit une évolution particulière : on a pu par exemple le localiser au mois de janvier 1990 dans la partie ouest de l’agglomération en position inhabituelle.

- la diffusion des polluants suit des cheminements souvent complexes.

Du fait de la complexité de la prise en compte de tous les paramètres en jeu dans le climat urbain, on a voulu se limiter dans le projet à l’étude d’une composante du bilan radiatif que peut fournir l’imagerie satellitaire visible et proche infrarouge sur Nantes : l’albedo des différents types de surface en milieu urbain ; pour en comprendre l’origine : relations avec la structure/morphologie du bâti, relations avec la densité locale d’habitations. L’albedo de la canopée urbaine (le "sol" apparent vu de l’espace incluant sols réels et constructions) est le paramètre fondamental pour estimer les flux de chaleurs sensible et latente des tissus urbains vers l’atmosphère, qui pilotent les transformations des écoulements atmosphériques au-dessus de la ville. Sa cartographie précise est donc indispensable à toute simulation aérodynamique du transport et de la diffusion des polluants de l’atmosphère urbaine, qui pourrait faire l’objet d’une demande ultérieure.

# Objectifs scientifiques

Le laboratoire IMAR a constitué une base de données sur la morphologie des divers quartiers de l’agglomération nantaise à l’échelle du 25000ème sous Arc Info. Cette base a été construite à partir de photographies aériennes de l’IGN par photo-interprétation, digitalisation, construction topologique et attribution, après établissement d’une nomenclature adaptée au cas nantais.

Nous désirons compléter cette base urbaine dans une perspective écosystémique, en y introduisant une dimension climatique. Par exemple, nous avons déjà fait quelques test en utilisant une image Landsat TM dont nous avons extrait les températures. Nous avons croisé cette information avec la base de données sous Arc Info ce qui nous a permis d’analyser le comportement thermique des postes de nomenclatures retenus sur l’agglomération (figure 2 et figure 3). On devine les difficultés inhérentes aux problèmes de correspondance entre la segmentation thématique et la segmentation thermique de l’image qui ne convergent pas toujours et qui s’expriment sur ce graphique par le non parallélisme entre la dimension des surfaces et la valeur des écarts-type. Ceci nous fait préférer dans un premier temps l’utilisation d’images plus haute résolution et, en l’occurrence, l’imagerie spot.

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Figure 3 : état thermique des surfaces industrielles de l’agglomération nantaise - 1992

Notre objectif qui motive cette demande est de constituer une base de données des différents types de surface et de leur albédo en milieu urbain de façon à pouvoir évaluer les flux de chaleurs latente/sensible. Nous voudrions ensuite établir une cartographie précise de l’albédo à diverses dates, qui est fonction de la cinématique de la ville, pour mieux approcher la compréhension des diverses manifestations climatiques qui font l’originalité de l’agglomération nantaise. Cette première approche essentielle du climat de l’agglomération nantaise est un préalable vers une meilleure connaissance de l’écosystème urbain nantais. Cette connaissance, outre l’intérêt qu’elle apporte pour la recherche fondamentale, est en prise directe avec des applications par exemple en géographie de la santé : ainsi la notion de zonation du risque urbain en terme de qualité de l’atmosphère (cette qualité doit-être appréciée selon des normes fixées par les citadins qui intègrent notamment la sensation de chaleur, d’humidité, la sensibilité à la pollution urbaine, le tout débouchant sur l’idée de confort urbain et contribuant à l’image de marque de tel ou tel quartier).

# Méthodologie envisagée

On souhaite obtenir 4 images Spot au cours d’une même année à 4 saisons différentes pour établir une cartographie de la variabilité de l’albedo apparent et 2 images supplémentaires enregistrées à d’autres années de façon à bénéficier d’une palette de dates suffisante pour établir une cartographie de la cinématique de l’albedo en fonction de la mutation du tissu urbain

## Calcul de l’albedo en milieu urbain à partir d’images Spot HRV

Principe-type du calcul d’une estimation du bilan radiatif à l’aide d’une image Spot :

L’imageur HRV de SPOT travaille dans le vert (XS1 : 0.50-0.59µm), le rouge (XS2 : 0.61-0.68) et le PIR (XS3 : 0.79-0.89µm). On peut calculer l’apport en énergie au niveau du sol de la façon suivante :

- calcul des réflectances au sommet de l’atmosphère en fonction du compte numérique, du gain et de l’intercept, de l’angle d’élévation solaire ;

- passage en réflectance au sol ;

- estimation du rayonnement solaire au sol lors de l’enregistrement compte tenu du rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère, du coefficient de transmission et de l’inclinaison des rayons solaires ;

- classification des types de surface et calcul de leur albedo global

- e.utilisation de coefficients d’utilisation du rayonnement solaire pour estimer le bilan radiatif (acquis à l’aide de simulations sur les fichiers TRAPU).

La méthodologie est bien éprouvée pour l’étape a et d. Pour l’étape b et c, on utilise 6S. La coopération avec les équipes de l’URA 1581 et de l’URA 1217 intervient plus particulièrement au niveau de l’étape e. L’établissement des cartes d’albedo implique en effet la conjugaison de trois analyses :

- un catalogue de ces coefficients pour les divers quartiers-types de la ville, obtenu par des séries de simulations numériques détaillées des bilans radiatifs et thermiques aux échelles internes à la canopée ;

- la cartographie des quartiers à partir des résultats des simulations précédentes ;

- l’analyse des images Spot.

## Ré-itération de la méthode sur les autres images et établissement d’une comparaison dans l’année (cartographie de la variabilité de l’albedo apparente) et d’une année à l’autre (cartographie de la cinématique de l’albédo)

## Intégration des résultats dans une BD urbaine

- soit sous une forme attributaire venant enrichir des entités géométriques préalablement construites en fonction d’une problématique géographique autre : ensembles urbains isolés par photo-interprétation par exemple (notion de synthèse spatiale).

- soit sous forme d’une couche d’information avec le risque d’une non coïncidence des limites d’albedo avec les limites d’ensembles urbains par photo-interprétation

## Exploitation des résultats

Comparaison avec la morphologie urbaine, comparaison avec les densités d’habitations.

Mise au point d’hypothèses générales sur l’originalité climatique de l’agglomération nantaise en termes de bilan radiatif.