Indices satellitaux et stress hydrique de la végétation by seg11239

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									Indices satellitaux et stress hydrique de la
       végétation méditerranéenne:
           du bosquet au pixel

  Dauriac*, Deshayes*, Gillon**, Moro***, Valette***
 *Cemagref-ENGREF **CEFE/CNRS ***INRA-IUFM

                  Projet GIS 2001-2,
         Convention DERF 61.45.11/01, 24 mois
                                               Sites d’étude

        • 30 sites du Réseau Hydrique ONF
        • 2 sites de garrigue : Causse d’Aumelas (Cemagref)
        • 1 site de maquis : Massif des Maures (INRA)
                                                                     Maquis de bruyère et d’arbousier
      Taillis de chêne vert (Quercus ilex)




                                                               Bruyère arborescente   Arbousier commun
Garrigue de chêne kermès (Quercus coccifera)                      (Erica Arborea)      (Arbutus unedo)

                                                                                                        2/19
  Thème 1. Variabilité de la teneur en eau

Suivi de la variabilité spatio-temporelle de la teneur en
eau (CEMAGREF-INRA)

   Mesure de la teneur en eau des feuilles
   de quatre espèces arbustives méditerranéennes sur deux
   zones d’étude, sur deux périodes (étés 2001 et 2002) :
    -   Causse d’Aumelas : chêne vert et chêne kermès
    -   Massif des Maures : arbousier et bruyère arborescente
   Suivi spatial et individuel des pieds




                                                                3/19
  Thème 1. Variabilité de la teneur en eau
                       a) niveau bouquet

Différence de comportement hydrique entre bouquets ?


                                Exemple de 6 bouquets suivis en
                                2003 dans le massif des Maures
 années     2001, 2002, 2003      100 m
espèces            3

effectifs   de 2 à 6 bouquets

distances    de 75 à 750 m


                                                              4/19
                             Thème 1. Variabilité de la teneur en eau
                                                                         a) niveau bouquet

                                      • Comportement inter-bouquet homogène pour
                                        la bruyère arborescente
                                      • Comportement inter-bouquet hétérogène pour
                                        l’arbousier
                                                                                                               1,45
                    1,15
                                                                                                               1,40                            bouquet B
                                                    bouquet B
                    1,10




                                                                                           Teneur en eau FMC
                                                                                                                                               bouquet D
Teneur en eau FMC




                                                                           2 bouquets en
                                                    bouquet D                                                  1,35
                    1,05
                                                                                                               1,30
                    1,00
                                                                               2002                            1,25
                    0,95

                    0,90                                                     d = 400 m                         1,20

                                                                                                               1,15
                    0,85

                                                                                                                      Arbousier
                                                                                                               1,10
                           Bruyère
                    0,80
                                                                                                               1,05
                    0,75
                                                                                                                   1-juil   17-juil   2-août    18-août 3-sept
                        1-juil   17-juil   2-août   18-août     3-sept

                                                                                                                                                                 5/19
       Thème 1. Variabilité de la teneur en eau
                               b) niveau peuplement            peuplement
     Niveau peuplement :
            Y a t’il une structure spatiale de la teneur en eau
            de la végétation et à quelle distance ?
                                     Exemple : 69 prélèvements de feuilles
                                      chêne kermès, Causse d’Aumelas, 4 sept. 2001
 années         2001 et 2003

espèces               4

effectifs      de 45 à 69 pieds

distances       de 5 à 1000 m

                                                                                6/19
      Thème 1. Variabilité de la teneur en eau

  Cartographie de la teneur en eau du chêne kermès


variabilité spatiale                    =                        variabilité temporelle
                                            52% 50%
                                                 50%




                                                Teneur en eau
  krigeage des relevés du 18 juillet 2001                                      moyenne de 8 pieds
                                                                48%
                                                                                        été 2001
                                                                46%



                                                                44%



                                                                42%


                                                40%
                                                 40%
                                            43% 13 juin
                                                   12-juin            3-juil    24-juil   14-août   4-sept   25-sept
                                                                                                                       16 oct
                                                                                                                        16-oct



                              100 m
                                                                                                                  7/19
              Thème 1 : synthèse

Métrologie de terrain
Au niveau spatial :
  au moins 30 individus répartis aléatoirement dans le
  peuplement (feuilles de lumière et de l’année)
Au niveau temporel :
  prélever entre 14 et 16 h et
  au moins 1 fois par semaine



        mesures de référence à comparer
        aux données satellitaires
                                                         8/19
   Thème 2. Spectroscopie de la teneur en eau
              d’échantillons secs
Comparaison entre valeurs mesurées et valeurs prédites par
spectroscopie proche infra-rouge sur échantillons secs (CNRS)
  Spectroscopie dans le proche infrarouge (400-2500 nm) des feuilles
  séchées et broyées de 8 espèces (2001 et 2002)
  Relation entre spectre obtenu et teneur en eau (FMC) initiale des
  feuilles fraîches
  Excellente modélisation quelle que soit l’espèce
       Calibration (r² = 0.93) et Validation (r² = 0.91)
  précision de la prédiction :
  erreur sur FMC prédite = 2 fois erreur sur mesure classique FMC


                                                                    9/19
                    Thème 2. Spectroscopie de la teneur en eau
                               d’échantillons secs
         Teneur en eau A. unedo et E. arborea - Maures, 2001
                                Site A - 2001                             Site B - 2001
                    160                                      160                Valeurs mesurées

                    140                Arbutus unedo         140
                                                                                Valeurs prédites
Teneur en eau (%)




                    120                                      120                    Arbutus
                                                                                    unedo
                    100                                      100

                     80                                       80

                     60                                       60
                          Erica arborea                            Erica arborea
                     40                                       40



                          Jun    Jul      Aug   Sep    Oct          Jun   Jul      Aug    Sep     Oct
                                                                                                10/19
Thème 3. Spectroscopie de la teneur en eau
           de feuilles fraîches
Analyse des réponses spectrales des feuilles selon leur
niveau de stress (CEMAGREF)
  Spectroradiométrie proche infrarouge (350-2500 nm) et mesure
  des composantes du rayonnement (réflectance, absorptance et
  transmittance)
  Relation entre spectre et niveau de stress hydrique des feuilles
  de trois espèces




                                                              11/19
Thème 3. Spectroscopie de la teneur en eau
           de feuilles fraîches
   r² entre la réflectance
  à une longueur d’onde      modèle global d’étalonnage
     et la teneur en eau       à 7 longueurs d’onde
    (indices FMC et EWT)        (r² = 0.9 SD/SECV > 3)
   visible PIR   MIR




                       r2
                                                         12/19
Thème 4. Télédétection de la teneur en eau
modélisation radiative : teneur en eau et réponse spectrale

  Simulation du taillis de chêne vert sur le Causse d’Aumelas :
  - Modèles : Prospect (feuille) + Géosail (couvert)
  - Analyse de sensibilité EFAST (5.000 tirages)


                                                        Paramètres
                                                        - chlorophylle
                                                        - matière sèche SLW
                                                        - teneur en eau EWT
              chlorophylle




                                      60%               - surface foliaire LAI
                                                        - angle zénithal solaire


                             1350nm         1900nm
                                                     (Danson et Bowyer, 2003)
                                                                          13/19
          Thème 4. Télédétection de la teneur en eau
         Grande variabilité des données satellitaires journalières
                        très bruitées : perturbations radiométriques & atmosphériques
                         Analyse de la dynamique temporelle sur 1 pixel
                        (site n°3 des Alpes-Maritimes, été 2001, exemple de MODIS)

                                               1 jour
          0,7                                                       0,27
            0,7                                                        0,6

          0,6
            0,6                                                     0,25
    Teneur en eau FMC




                                                                       0,5




                                                                             indice GVMI
Teneur en eauFMC




                                                                              indice GVMI
  Teneuren eau FMC
   Teneur en eau




          0,5
            0,5




                                                                                Indice GVMI
                                                                                 Indice GVMI
                                                                    0,23
                                                                       0,4
        FMC




          0,4
            0,4
                                                                    0,21
                                                                                                      indice GVMI
                                                                       0,3
          0,3
            0,3                                                                                Global Vegetation Moisture Index

          0,2
                                                                    0,19
                                                                       0,2                      (PIR + 0,1) – (MIR + 0,02)
            0,2
                                                                                                (PIR + 0,1) + (MIR + 0,02)
          0,1
            0,1                                                     0,17
                                                                       0,1
             3-juil 17-juil 31-juil 14-août 28-août 11-sept 25-sept
               3-juil 17-juil 31-juil 14-août 28-août 11-sept 25-sept                                      Ceccato et al., 2002
                                                                                                                            14/19
    Thème 4. Télédétection de la teneur en eau
•   Besoin d’amélioration des produits satellitaires
       Nouveaux traitements MODIS 1 jour :
               modèle de BRDF de la NASA, utilisé sur les synthèses à 16 jours, et
                appliqué aux données journalières
               écart-type des valeurs de réflectance : -50% R et -66% PIR
                                                                 Rouge                                                                               Proche infrarouge
                                                  Rouge                                                                                              PIR                                     site chêne vert
                                  10%
            Réflectance




                                                                                                                     38%
                                  9%
                                                                                                                     36%


                                                                                                                                                                                                 Hérault
                                  8%                                                                                 34%
                    réflectance




                                  7%                                                                                 32%




                                                                                                       réflectance
                                                                                                                                                                                                 été 2003
                                  6%                                                                                 30%
                                                                                                                     28%
                                  5%
                                                                                                                     26%
                                  4%
                                                                                                                     24%
                                  3%
                                                                                                                     22%
                                  2%                                                                                 20%
                                   10-juin   28-juin   16-juil   3-août   21-août   8-sept   26-sept                   10-juin   28-juin   16-juil     3-août   21-août   8-sept   26-sept




                                               sans modèle de correction
                                             avec corrections radiométriques
    Pour ce site, r² entre FMC et indice sat. passe de 37% à 74% (n=14)
                                                                                                                                                                                                               15/19
  Thème 4. Télédétection de la teneur en eau
     Perspectives : couplage VGT 1 et 2




                                        21 juillet
                                          2002
  VGT 1 - 10h30              VGT 2 - 11h40           VGT 2 - 10h
depuis juin 2002 : 2 capteurs VGT quasi identiques
au même moment 2 à 3 angles d'observation différents pour un
même site
     synthèses à 7 jours (Olivier Hagolle, CNES mai 2004)
          D10 : jusqu’à 10 observations par pixel
          H7 : jusqu’à 21 observations
                                                               16/19
Thème 4. Télédétection de la teneur en eau
   Perspectives : synthèses à 7 jours
3 sites = 3 pixels x 10 périodes
corrélation entre « teneur en eau » et « indices satellitaires »
   D10 en 2001 : r2 = 21% (n=32)
   H7 en 2002 : r2 = 73% (n=29)
                Teneur en eau FMC




                                                 indice GVMI
                                                               massif des Maures
                                                                   Été 2002




                                                                              17/19
 Thème 4. Télédétection de la teneur en eau
 Perspectives : potentialité de cartographier les variations
 de la teneur en eau des massifs forestiers
VGT-D10, été 2001




              site de Montpellier
            stress hydrique moyen     site des Maures
                                    stress hydrique fort
                                    faible
                     60 km
 VGT-H7, été 2002                   fort
                                                           18/19
         Projet GIS 2001-2 : Synthèse
Métrologie de terrain
  protocole de prélèvement optimisé
  identification des échelles spatiales et temporelles de variation
  de la teneur en eau de la végétation
Spectroscopie de feuilles
  intérêt du MIR et des nouveaux capteurs satellitaires
Télédétection
  nouveaux produits améliorés mais …
   … produits encore mal adaptés à l’objectif
  Besoin de correction des perturbations atmosphériques et
  radiométriques

                                                               19/19

								
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