Indices satellitaux et stress hydrique de la Indices satellitaux et stress hydrique de la végétation méditerranéenne: végétation méditerranéenne:

du bosquet au pixeldu 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

2/19

Sites d’étudeSites d’étude

• 30 sites du Réseau Hydrique ONF

• 2 sites de garrigue : Causse d’Aumelas (Cemagref)

Garrigue de chêne kermès (Quercus coccifera)

Taillis de chêne vert (Quercus ilex)

• 1 site de maquis : Massif des Maures (INRA)

Arbousier commun (Arbutus unedo)

Bruyère arborescente (Erica Arborea)

Maquis de bruyère et d’arbousier

3/19

Thème 1. Variabilité de la teneur en eauThème 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

4/19

Exemple de 6 bouquets suivis en 2003 dans le massif des Maures

100 m

distances

effectifs

espèces

années

de 75 à 750 m

de 2 à 6 bouquets

3

2001, 2002, 2003

Thème 1. Variabilité de la teneur en eauThème 1. Variabilité de la teneur en eau a) niveau bouqueta) niveau bouquet

Différence de comportement hydrique entre bouquets ?

5/19

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1-juil 17-juil 2-août 18-août 3-sept

Te

ne

ur

en

ea

u F

MC

bouquet B

bouquet D

Bruyère

2 bouquets en 2002

d = 400 m

• Comportement inter-bouquet homogène pour la bruyère arborescente

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

1,45

1-juil 17-juil 2-août 18-août 3-sept

Te

ne

ur

en

ea

u F

MC

bouquet B

bouquet D

Arbousier

• Comportement inter-bouquet hétérogène pour l’arbousier

Thème 1. Variabilité de la teneur en eauThème 1. Variabilité de la teneur en eau a) niveau bouquet a) niveau bouquet

6/19

peuplement

Exemple : 69 prélèvements de feuilles chêne kermès, Causse d’Aumelas, 4 sept. 2001

de 5 à 1000 mdistances

de 45 à 69 piedseffectifs

4espèces

2001 et 2003années

Thème 1. Variabilité de la teneur en eauThème 1. Variabilité de la teneur en eau b) niveau peuplementb) niveau peuplement

Niveau peuplement :Y a t’il une structure spatiale de la teneur en eau de la végétation et à quelle distance ?

7/19

Cartographie de la teneur en eau du chêne kermès

variabilité spatiale

100 m

Thème 1. Variabilité de la teneur en eauThème 1. Variabilité de la teneur en eau

40%

42%

44%

46%

48%

50%

12-juin 3-juil 24-juil 14-août 4-sept 25-sept 16-oct

Ten

eur

en e

au moyenne de 8 piedsété 2001

13 juin 16 oct40%

50%krigeage des relevés du 18 juillet 2001

43%

52%

= variabilité temporelle

8/19

Thème 1 : synthèseThème 1 : synthèse

Métrologie de terrainAu 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

9/19

Thème 2. Spectroscopie de la teneur en eauThème 2. Spectroscopie de la teneur en eaud’échantillons secsd’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

10/19

Thème 2. Spectroscopie de la teneur en eauThème 2. Spectroscopie de la teneur en eau d’échantillons secs d’échantillons secs

Teneur en eau A. unedo et E. arborea - Maures, 2001Site A - 2001

Ten

eur

en e

au (

%)

Site B - 2001

40

60

80

100

120

140

160

Jun Jul Aug Sep Oct

Arbutus unedo

Erica arborea

Jun Jul Aug Sep Oct

40

60

80

100

120

140

160 Valeurs mesurées

Valeurs prédites

Erica arborea

Arbutusunedo

11/19

Thème 3. Spectroscopie de la teneur en eauThème 3. Spectroscopie de la teneur en eau de feuilles fraîches 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

12/19

r² entre la réflectanceà une longueur d’onde

et la teneur en eau(indices FMC et EWT)

r2

modèle global d’étalonnage à 7 longueurs d’onde(r² = 0.9 SD/SECV > 3)

visible PIR MIR

Thème 3. Spectroscopie de la teneur en eauThème 3. Spectroscopie de la teneur en eau de feuilles fraîches de feuilles fraîches

13/19

Thème 4. Télédétection de la teneur en eauThème 4. Télédétection de la teneur en eau

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

1350nm 1900nm

60%

Paramètres- chlorophylle- matière sèche SLW- teneur en eau EWT- surface foliaire LAI- angle zénithal solaire

(Danson et Bowyer, 2003)

chlo

rop

hylle

modélisation radiative : teneur en eau et réponse spectrale

14/19

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

3-juil 17-juil 31-juil 14-août 28-août 11-sept 25-sept

Ten

eur

en e

au F

MC

0,17

0,19

0,21

0,23

0,25

0,27

Ind

ice GV

MI

Ten

eu

r en

eau

FM

C

ind

ice G

VM

I

Thème 4. Télédétection de la teneur en eauThème 4. Télédétection de la teneur en eau

Analyse de la dynamique temporelle sur 1 pixel(site n°3 des Alpes-Maritimes, été 2001, exemple de MODIS)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

3-juil 17-juil 31-juil 14-août 28-août 11-sept 25-sept

Ten

eur

en e

au

FM

C

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Ind

ice GV

MI

1 jour

Ten

eu

r en

eau

FM

C

ind

ice G

VM

I

indice GVMI

(PIR + 0,1) – (MIR + 0,02)(PIR + 0,1) + (MIR + 0,02)

Global Vegetation Moisture Index

Ceccato et al., 2002

Grande variabilité des données satellitaires journalièrestrès bruitées : perturbations radiométriques & atmosphériques

15/19

Thème 4. Télédétection de la teneur en eauThème 4. Télédétection de la teneur en eau

•

sans modèle de correctionavec corrections radiométriques

site chêne vertHéraultété 2003

Rouge

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

10-juin 28-juin 16-juil 3-août 21-août 8-sept 26-sept

réfl

ecta

nce

Proche infrarouge

20%

22%

24%

26%

28%

30%

32%

34%

36%

38%

10-juin 28-juin 16-juil 3-août 21-août 8-sept 26-sept

réfl

ecta

nce

Rouge PIR

Réfl

ecta

nce

Pour ce site, r² entre FMC et indice sat. passe de 37% à 74% (n=14)

Besoin d’amélioration des produits satellitairesNouveaux 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

16/19

Thème 4. Télédétection de la teneur en eau Thème 4. Télédétection de la teneur en eau Perspectives : couplage VGT 1 et 2Perspectives : couplage VGT 1 et 2

VGT 1 - 10h30 VGT 2 - 11h40 VGT 2 - 10h

21 juillet 2002

depuis juin 2002 : 2 capteurs VGT quasi identiquesau 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 pixelH7 : jusqu’à 21 observations

17/19

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)

Thème 4. Télédétection de la teneur en eau Thème 4. Télédétection de la teneur en eau Perspectives : synthèses à 7 joursPerspectives : synthèses à 7 jours

massif des MauresÉté 2002

Ten

eu

r en

eau

FM

Cin

dic

e G

VM

I

18/19

VGT-D10, été 2001

Thème 4. Télédétection de la teneur en eauThème 4. Télédétection de la teneur en eauPerspectives : potentialité de cartographier les variations de la teneur en eau des massifs forestiers

VGT-H7, été 2002

faible

fort60 km

site des Mauresstress hydrique fort

site de Montpellierstress hydrique moyen

19/19

Projet GIS 2001-2 : SynthèseProjet GIS 2001-2 : Synthèse

Métrologie de terrainprotocole de prélèvement optimisé

identification des échelles spatiales et temporelles de variation de la teneur en eau de la végétation

Spectroscopie de feuillesintérêt du MIR et des nouveaux capteurs satellitaires

Télédétectionnouveaux produits améliorés mais …

… produits encore mal adaptés à l’objectif

Besoin de correction des perturbations atmosphériques et radiométriques