Télédétection optique des eaux côtières optiquement complexes et peu profondes : aperçu de la qualité de l'eau, de la hauteur de la colonne et de la composition benthique = Optical remote sensing of optically complex and shallow coastal waters : insight into water quality, column height and benthic composition

Mukherjee, Soham (2025). Télédétection optique des eaux côtières optiquement complexes et peu profondes : aperçu de la qualité de l'eau, de la hauteur de la colonne et de la composition benthique = Optical remote sensing of optically complex and shallow coastal waters : insight into water quality, column height and benthic composition. Thèse. [Rimouski], Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 179 p.

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Résumé

ABSTRACT : In the 21st century, coastal regions have become global hotspots for human settlements due to their unique environmental, social, and economic benefits. These areas serve as sinks for substantial organic matter from riverine and terrigenous sources, along with sedimentary mineralization, which influence coastal water quality in addition to anthropogenic stressors. However, global warming-manifested in rising sea levels, increasing temperatures, and sea ice melting-has profoundly impacted coastal ecosystems and water quality, especially in northern temperate regions. In shallow coastal zones, these changes also alter water depth and benthic structures, threatening numerous lifeforms. Monitoring water quality and benthic composition in such dynamic environments is challenging due to the vast spatial and temporal scales involved. Conventional biogeochemical and bio-optical sampling methods are often inadequate. To address this, remote sensing reflectance (Rrs) derived from airborne or satellite observations is widely used to estimate optically significant constituents (OSCs), such as chlorophyll-a concentration ([chl]), suspended particulate matter (SPM) and coloured dissolved organic matter (CDOM). In optically shallow waters, water depth and benthic substrate composition are also derived apart from the OSCs. In the 1980s, these parameters were retrieved using empirical approaches such as simple ratios of the spectral bands of a sensor; however, in recent times, semi-analytical (SA) inversion models based on radiative transfer (RT) theory for shallow waters are more frequently used. However, the SA models typically neglect naturally occurring inelastic scattering processes, such as sun-induced fluorescence (SIF) from [chl] and CDOM, which can significantly contribute to Rrs in CDOM-rich waters. Moreover, RT inversion is an "ill-posed" problem, where multiple combinations of OSCs, water depth, and benthic types can yield similar Rrs spectra, making the retrieval process ambiguous. Additionally, existing inversion models lack robust methods to quantify the uncertainty associated with retrieved parameters. The main objective of this thesis was to improve our understanding of dominant optical processes (scattering, absorption) in CDOM-rich optically shallow coastal waters (specifically at the Manicouagan Peninsula (MP) in Côte-Nord, Québec, where an extensive fieldwork campaign was carried out in Summer 2019 as part of the WISE-Man project) and develop a robust method to retrieve both estimates and associated uncertainty of OSCs and benthic information from spectral Rrs. The first article evaluated optical closure through extensive RT simulations using in situ inherent optical properties (IOPs) collected in MP's CDOM-rich waters. The analysis revealed significant uncertainties in measurements from the A-Sphere absorption meter and the BB9 volume scattering function (VSF) meter. The A-Sphere's absorption values were spectrally biased, potentially due to inelastic scattering effects of [chl] and CDOM within the integrating sphere in the presence of a monochromatic light source, while the BB9 struggled with weak light scattering by organic particles. The study also demonstrated that SIF from [chl] and CDOM contributes approximately 20% to the green and red spectral regions of measured Rrs. The second article introduced a novel probabilistic inversion framework called Semi-Analytical Bayesian Error Retrieval (SABER). SABER employed Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sampling to retrieve posterior distributions of OSCs, water depth, and benthic properties while quantifying retrieval uncertainties using the Maximum-a-Posterior (MAP) approach. The algorithm was tested on global in situ and synthetic datasets spanning eight optical water types, demonstrating robust performance in optically deep and shallow waters. Retrieval uncertainty was highest for chlorophyll concentration and lowest for particulate backscatter. The third article focused on SABER's performance and uncertainty sources in MP's optically complex waters. A se sitivity analysis revealed that the spectral slope of detrital absorption sdg and the presence of dark benthic substrates, such as eelgrass, were key drivers of retrieval uncertainty. By subtracting SIF-equivalent Rrs, estimated using a separate SA model, from observed Rrs before inversion, the accuracy of retrieved OSCs was improved. Water depth estimates were highly accurate when depths were within the optical penetration range. For benthic types, the region predominantly featured sand interspersed with eelgrass patches. Retrievals for sand were robust, but uncertainties for eelgrass presence were nearly tenfold higher due to weak signal strength. Overall, this thesis advanced the forward and inverse RT modeling for OSC and benthic property retrieval in optically complex, CDOM-rich shallow waters. While challenges remain, such as refining SA assumptions for shallow waters and adapting methodologies for satellite sensors, this work represents a significant step towards understanding radiative transfer in nearshore ecosystems. It lays the foundation for more robust monitoring and management of these vital coastal regions. -- Mot(s) clé(s) en anglais : coastal ecosystem, CDOM, optically shallow, radiative transfer, inverse problem, Sun-Induced Fluorescence, uncertainty, benthic reflectance, Saint Lawrence Estuary. --
RÉSUMÉ : Au 21ième siècle, les régions côtières sont devenues des centres névralgiques pour les établissements humains à l'échelle mondiale, en raison de leurs avantages environnementaux, sociaux et économiques uniques. Ces zones servent de réceptacles pour une quantité importante de matière organique provenant de sources fluviales et terrigènes, ainsi que de la minéralisation sédimentaire, influençant la qualité de l'eau côtière en plus des pressions anthropiques. Cependant, le réchauffement climatique - marqué par l'élévation du niveau de la mer, l'augmentation des températures et la fonte des glaces - a eu un impact profond sur les écosystèmes côtiers et la qualité de l'eau, en particulier dans les régions tempérées nordiques. Dans les zones côtières peu profondes, ces changements modifient également la profondeur de l'eau et les structures benthiques, menaçant de nombreuses formes de vie. Surveiller la qualité de l'eau et la composition benthique dans de tels environnements dynamiques est un défi, en raison des vastes échelles spatiales et temporelles des processus océanographiques. Les méthodes conventionnelles d'échantillonnage biogéochimique et bio-optique se révèlent souvent inadéquates. Pour y remédier, la réflectance mesurable par télédétection Rrs, dérivée d'observations radiométriques aéroportées ou satellitaires, peut être utilisée pour estimer les constituants optiquement significatifs (OSC), tels que la concentration en chlorophylle-a ([chl]), les matières en suspension (SPM), la profondeur de l'eau et la composition benthique. Ces paramètres sont obtenus par inversion mathématique de modèles semi-analytiques (SA) basés sur une approximation des équations de transfert radiatif (RT) pour les eaux peu profondes. Cependant, les modèles traditionnels négligent généralement les processus de diffusion inélastique naturels, tels que la fluorescence induite par le soleil (SIF) provenant du [chl] et de la matière organique dissoute colorée (CDOM), qui peuvent contribuer de manière significative au Rrs dans les eaux riches en CDOM. De plus, l'inversion RT est un problème « mal posé » : de multiples combinaisons d'OSCs, de profondeurs d'eau et de types benthiques peuvent produire des spectres Rrs similaires, rendant le processus d'inversion ambigu. Par ailleurs, les modèles actuels d'inversion manquent de méthodes robustes pour quantifier l'incertitude associée aux paramètres estimés. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer notre compréhension des processus optiques dominants (diffusion, absorption) dans les eaux côtières optiquement peu profondes riches en CDOM (notamment dans la péninsule de Manicouagan (MP) en Côte-Nord, Québec, où une vaste campagne de terrain a été menée à l'été 2019 dans le cadre du projet WISE-Man) et de développer une méthode robuste permettant d'estimer les caractéristiques optiques de la colonne d'eau (OSC) ainsi que les propriétés benthiques à partir des spectres de Rrs, tout en quantifiant l'incertitude associée à ces estimations. Le premier article évalue la fermeture optique à travers des simulations RT approfondies utilisant des propriétés optiques intrinsèques in situ collectées dans les eaux riches en CDOM de la MP. L'analyse a révélé des incertitudes importantes dans les mesures des instruments A-Sphere et BB9. Les valeurs d'absorption de l'A-Sphere étaient biaisées, probablement en raison des effets de diffusion inélastique dans la sphère intégrante, tandis que le BB9 avait des difficultés à mesurer la fonction de diffusion volumique (VSF) pour les particules organiques faiblement diffusantes. L'étude a également démontré que la SIF provenant du [chl] et du CDOM contribue à environ 20% aux régions spectrales verte et rouge de la Rrs mesurée. Le deuxième article introduit un cadre d'inversion probabiliste novateur appelé SABER (Semi-Analytical Bayesian Error Retrieval). SABER utilise l'échantillonnage par chaîne de Markov (MCMC) pour restituer les distributions postérieures des OSCs, des profondeurs d'eau et des propriétés benthiques, tout en quantifiant les incerti udes grâce à l'approche du Maximum a Posteriori (MAP). L'algorithme a été testé avec succès sur des ensembles de données in situ et synthétiques mondiaux couvrant huit types d'eau optique, montrant des performances solides dans les eaux profondes et peu profondes. L'incertitude des estimations était la plus élevée pour la concentration en chlorophylle et la plus faible pour la rétro-diffusion particulaire. Le troisième article se concentre sur les performances de SABER et les sources d'incertitude dans les eaux optiquement complexes de la MP. Une analyse de sensibilité a révélé que la pente spectrale de l'absorption détritique (sdg) et la présence de substrats benthiques sombres, comme les herbiers de zostères, étaient les principaux facteurs d'incertitude. Nous avons observé une amélioration de du modèle SABER quand la SIF, estimée de manière semi-analytique a priori, était soustraite de la Rrs. Les estimations de profondeur d'eau étaient précises lorsque les profondeurs étaient inférieures ou égales à la profondeur de pénétration optique. Pour les types benthiques, la région présentait principalement du sable avec des patchs intermédiaires de zostères. Les estimations pour le sable étaient robustes, mais les incertitudes pour les zostères étaient environ dix fois plus élevées, en raison d'un signal faible. Dans l'ensemble, cette thèse fait progresser les modèles RT directs et inverses pour la restitution des OSCs et des propriétés benthiques dans les eaux peu profondes complexes riches en CDOM. Bien que des défis subsistent, tels que l'amélioration des hypothèses SA pour les eaux peu profondes et l'adaptation des méthodologies aux capteurs satellitaires, ce travail représente une étape importante vers une meilleure compréhension du transfert radiatif dans les écosystèmes côtiers. -- Mot(s) clé(s) en français : Écosystème côtier, CDOM, eaux optiquement peu profondes, transfert radiatif, problème inverse, fluorescence induite par le soleil, incertitude, réflectance benthique, Estuaire du Saint-Laurent.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Bélanger, Simon
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Fichot, Cédric
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en sciences de l'environnement en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph. D.).
Mots-clés :	Littoral - Québec (Province) - Manicouagan, Péninsule - Télédétection; Littoral - Québec (Province) - Saint-Laurent, Estuaire du - Télédétection; Masses d'eau - Télédétection; Écologie benthique.
Départements et unités départementales :	Département de biologie, chimie et géographie
Date de dépôt :	16 sept. 2026 19:50
Dernière modification :	16 sept. 2026 19:51
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3627