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Suivi multi-échelle par télédétection et spectroscopieSuivi multi-échelle par télédétection et spectroscopiede l’état hydrique de la végétation méditerranéennede l’état hydrique de la végétation méditerranéenne
pour la prévention du risque de feu de forêtpour la prévention du risque de feu de forêt
UMR 3S Cemagref-EngrefMaison de la Télédétection - Montpellier
Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Directeur de thèseDirecteur de thèse C. Millier C. MillierRapporteursRapporteurs A. Bégué et S. Jacquemoud A. Bégué et S. JacquemoudExaminateursExaminateurs P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean
Soutenance de Fabien DauriacSoutenance de Fabien Dauriacpour l’obtention du titre depour l’obtention du titre de
Docteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’EauDocteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’Eau
Un été 2003 catastrophiquepour l’Europe méditerranéenne :
65.000 ha
62.000 ha
115.000 ha440.000 ha
Une surface totale brûlée équivalente à la superficie de la Corse !
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
SynthèseMesure directe de
l’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
Un accroissement régulierdu niveau de risque
• Modification de l’occupation des sols– extension des forêts et fermeture des paysages– urbanisation intensive du pourtour méditerranéen → recrudescence des départs de feu
• Changement du climat– réchauffement mondial (selon IPCC, 2001)
• observé de 1980 à 2000 : +0,4°C• simulé pour le XXIème siècle : +1,5 à +6°C
– allongement des périodes de sécheresse en zone méditerranéenne
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
SynthèseMesure directe de
l’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
La prévention du risque en France
Indicateur Organisme Zone Fréquence
Risque
météorologiqueMétéo-France
15 départements,
112 zones de 700 km²2 fois par
jour
Teneur en eau ONF15 départements,
30 sites ponctuels3 à 7 jours
• Des acteurs : Sécurité Civile et Forestiers : dispositif de prévention et de lutte, entretien des voies d’accès, débroussaillement des sous-bois, contrôle des points d’eau, patrouilles et tours de guet…
• Des indicateurs de risque d’incendie (éclosion et propagation)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
SynthèseMesure directe de
l’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
La prévention du risque en France
Indicateur Organisme Zone Fréquence
Risque
météorologiqueMétéo-France
15 départements,
112 zones de 700 km²2 fois par
jour
Teneur en eau ONF15 départements,
30 sites ponctuels3 à 7 jours
• Des acteurs : Sécurité Civile et Forestiers : dispositif de prévention et de lutte, entretien des voies d’accès, débroussaillement des sous-bois, contrôle des points d’eau, patrouilles et tours de guet…
• Des indicateurs de risque d’incendie (éclosion et propagation)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
SynthèseMesure directe de
l’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
Indicateur météorologiquedu risque (Météo-France)
• Cartographie du risque météorologique– basé sur le modèle de risque Canadien (3 réservoirs)– 4 paramètres météo(température, humidité, pluie, vent)
– 112 zones de risque (700 km² en moyenne)
– 6 niveaux de risque– 2 fois par jour
Animation : risque prévu
fort faible
24 juillet13 août 2001
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
La prévention du risque en France
Indicateur Organisme Zone Fréquence
Risque
météorologiqueMétéo-France
15 départements,
112 zones de 700 km²2 fois par
jour
Teneur en eau ONF15 départements,
30 sites ponctuels3 à 7 jours
• Sécurité Civile et Forestiers : dispositif de prévention et de lutte, entretien des voies d’accès, débroussaillement des sous-bois, contrôle des points d’eau, patrouilles et tours de guet…
• Des indicateurs de risque d’incendie (éclosion et propagation)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Indicateur de stress hydrique (ONF)
• Réseau Hydrique– mesure de la teneur en eau de la végétation– 30 stations de moins de 500 m² chacune– 20 espèces méditerranéennes différentes– pérennité du réseau depuis 1996– financé par le Ministère de l’Agriculture MAAPAR
• Teneur en eau = 1er facteur de risque– dans le démarrage
(inflammabilité)– dans la propagation
(combustibilité) d’un feu
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Un outil pour améliorerla spatialisation :
la télédétection
Intérêt de la télédétection
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
• Risque météorologique : 112 zones de 700 km² chacune• Teneur en eau de terrain : 30 sites ponctuels de 500 m²
• Observation de grandes surfaces• Plusieurs images par jour• Suivi de paramètres physiologiques
EnjeuDévelopper les méthodes de télédétection pour cartographier la teneur en eau de la végétation
Synthèse
Été 2003 : 16.000 ha brûlés dans le massif des Maures en qqs jours
- images SPOT 5 de résolution 5-10 m
- charte internationale espace et catastrophes majeures
Avant le feu19 juillet 2003
Sainte-Maxime
29 juillet (J+10)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Intérêt de la télédétection : cartographie des zones brûlées
Intérêt de la télédétection : suivi dela teneur en eau de la végétation
• Bilan de l’état de l’art (depuis 1990)
– sur certains sites et pour certaines périodes : bonnes corrélations Satellite ↔ Teneur en eau plantes– spectre étudié : visible et PIR (500-1000 nm) et T° Surf.– …mais de façon générale, résultats hétérogènes
Car les échelles d’observation sont très différentes– teneur en eau de terrain = 300 à 500 m²– pixel du satellite = 1,2 à 11 km²
• Nouvelles possibilités de la télédétection ?– bandes spectrales Moyen infrarouge (1200-2500 nm)
– résolution spatiale améliorée = 0,1 à 1,2 km²
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Objectif
• Définir les protocoles de mesure de terrain pour servir de références aux données satellitaires– identifier les protocoles de prélèvement adéquats– préciser les échelles spatio-temporelles de variation
• Définir les domaines spectraux permettant le suivi de l’état hydrique des plantes
• Tester les performances de capteurs satellitaires (NOAA-AVHRR, Terra-Modis et Spot-Végétation)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
Suivre la teneur en eau de la végétation par télédétection
Synthèse
Quelles échelles de variation de la teneur en eau ?
2. temporelle
3. spectrale
1. spatialeindividufeuille
pluriannuel
2001 2002 2003
tene
ur e
n ea
u
bouquet peuplement
4h 8h 12h 16h 20h
quotidien
tene
ur e
n ea
u
annuel
Juin Juill. Août Sept. Oct.
tene
ur e
n ea
u
400 nm 2400 nm
réfle
ctan
ce
spectre continu
Quelles échelles d’observation des satellites à basse résolution ?
2. temporelle
3. spectrale
1. spatiale
pixels de 500 à 1000 m de côté (de 25 à 100 ha)
400 nm 2400 nm
réfle
ctan
ce
bandes satellitaires - nombre et largeur des bandes
- domaines spectraux (visible, IR)
- images quotidiennes- plusieurs années d’archives
2001 2002 2003
pluriannuel
Indi
ce s
atel
litaire
Plan de l’exposé
1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique
2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge
3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution
4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Plan de l’exposé
1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique
2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge
3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution
4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Méthodes de prélèvement et calcul de la teneur en eau
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
indice EWTMasse fraîche – Masse sèche
Surface de la feuille=
• Teneur en eau surfacique : 1 échantillon = 1 feuille
(g.cm-2)Equivalent Water Thickness
indice FMCMasse fraîche – Masse sèche
Masse sèche=
• Teneur en eau massique : 1 échantillon ≈ 20 g de feuilles
(sans unité)Foliage Moisture Content
- Chêne vert : 0,6 < FMC < 0,8- Bruyère arborescente : 0,3 < FMC < 1,2
Exemples :
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (1/14)
Sites 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
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (2/14)
4 pieds (n=64)
chêne vert
2002
type et orientation
effectifs
espèce
année
critère
Variabilité spatiale de la teneur en eau : feuille
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
• Différence de comportement hydrique selon l’âge et le type de feuillage
feuille
8 pieds (n=131)
chêne vert
2001
âge
effectifs
espèce
année
critère
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (3/14)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
de 10 à 100 m
de 3 à 9 pieds
5
2001 et 2002
distances
effectifs
espèces
années
• Différence de comportement hydrique entre individus ?
individufeuille
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (4/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : individu
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
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
• Différence de comportement hydrique entre bouquets ?
individufeuille bouquet
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (5/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : bouquet
individufeuille bouquet 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
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
• Y a t’il une structure spatiale de la teneur en eau de la végétation et à quelle distance ?
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (6/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : peuplement
• âge : prélever les feuilles de l’année• exposition : prélever les feuilles de lumière (plutôt que d’ombre)• orientation : pas de préférence• précaution : minimiser le pourcentage de matériel ligneux
feuille- Préconisations sur les feuilles à prélever pour minimiser la dispersion des valeurs de teneur en eau
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (7/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : résultats
individu
- variation entre individus• pour une même espèce et un même site : teneur en eau significativement différente d’un individu à l’autre, même pour des pieds proches
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
13-juin 30-juin 17-juil 3-août 20-août 6-sept 23-sept 10-oct
Te
ne
ur
en
ea
u F
MC
pied B
pied D
pied E
pied HÉvolution de la teneur en eau de 4 pieds de
chêne kermès en 200110 < distance < 40 m
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (8/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : résultats
bouquet
- entre bouquets
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
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
BRUYERE
2 bouquets en 2002
d = 400 m
• Comportement inter-bouquet homogène pour le chêne kermès, 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
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (9/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : résultats
60 pieds d’arbousier18 sept. 2003
distances en mètre
peuplement
- dans un peuplement
• absence de structure spatiale de la teneur en eau de la végétation
• prélever assez d’échantillons pour représenter la variance de l’état hydrique (th. central limite : n>30)
• pas de carte d’interpolation
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
variance = 53
pépi
te p
ure
Synthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (10/14)
Variabilité spatiale de la teneur en eau : résultats
années 2002
espèces 2
sites 2
fréquence
1 à 2 heures
• Quelle est la variabilité journalière ?• Quel est le délai de réponse après une pluie ?
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
4h 8h 12h 16h 20h
quotidienne
tene
ur e
n ea
u
pluriannuelle
2001 2002 2003
tene
ur e
n ea
u
annuelle
Juin Juill. Août Sept. Oct.
tene
ur e
n ea
u2001-2002-2003
20
35
2 à 15 jours
Synthèse
Variabilité temporelle de la teneur en eauMesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (11/14)
- variation de la teneur en eau sur la journée
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives
• risque maximal entre 14 et 16 h locale- atmosphère chaude et sèche- teneur en eau des plantes minimale- majorité des départs de feu (source : BD Prométhée)
variations / journée = 20 à 50% variations / annéeSynthèse
Variabilité temporelle de la teneur en eau : résultatsMesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (12/14)
4h 8h 12h 16h 20h
quotidienne
tene
ur e
n ea
u
- variation de la teneur en eau sur la saison
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
juin-01 juillet-01 août-01 septembre-01T
eneu
r en
eau
FM
C0
10
20
30
40
50
60
Précip
itation
s (en m
m)
Bruyère arborescente (Erica arborea)
Arbousier (Arbutus unedo)
pluies
- variation de la teneur en eau après une pluie2 étés, 20 espèces, 35 sites n = 502en moyenne le délai de réponse = 6 jours
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Variabilité temporelle de la teneur en eau : résultatsMesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (13/14)
Métrologie de terrain : synthèse• Un échantillon optimisé :
– prélever les feuilles de lumière et de l’année
• Au niveau spatial :– au moins 30 individus répartis aléatoirement
dans le peuplement
• Au niveau temporel :– prélever entre 14 et 16 h et– au moins 1 fois par semaine
mesures de référence à comparer aux données satellitaires
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (14/14)
Plan de l’exposé
1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique
2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge
3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution
4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Acquis de la 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)
1350nm 1900nm
60%
Paramètres- chlorophylle- matière sèche SLW- teneur en eau EWT- surface foliaire LAI- angle zénithal solaire
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
(Danson et Bowyer, 2003)
chlo
rop
hylle
Synthèse
Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge (1/5)
Mesure de spectroscopie et indices de teneur en eau
Réflectances de feuilles de chêne kermès
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
longueurs d'ondes en nanomètres
Réflectances de feuilles de chêne kermès
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
longueurs d'ondes en nanomètres
Réflectances de feuilles de chêne kermès
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
longueurs d'ondes en nanomètres
Réflectances de feuilles de chêne kermès
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
longueurs d'ondes en nanomètres
visible proche infrarouge moyen infrarouge
feuille
• réflectances 400-2500 nm• 3 espèces• 294 feuilles• régression linéaire multiple
Teneur en eau(indices FMC-EWT)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge (2/5)
• protocole de mesure
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)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
visible PIR MIR
Synthèse
Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge (3/5)
Mesure de spectroscopie et indices de teneur en eau : résultats
Résultats : simulation de capteurs8 capteurs satellitaires de 3 à 15 bandes chacun
• ensemble des bandes : 2 groupes- ETM+, VGT, MODIS, MERIS : 65% < r² < 77%- AVHRR, AATSR, HRVIR, ASTER : 36% < r² < 56%
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge (4/5)
• intérêt réel du Moyen infrarouge pour l’estimation de la teneur en eau de la végétation
• intérêt des nouveaux capteurs satellitaires (VGT, MODIS, MERIS)
• attention toutefois car :– problème d’échelles (feuille couvert)– simulations partielles des capteurs– non prises en compte :
• architecture du couvert• perturbations de l’atmosphère
Spectroscopie : synthèse
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge (5/5)
Plan de l’exposé
1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique
2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge
3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution
4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
ModisRésolution de 500 m et 1000 m
Produits quotidiens +Synthèses 8 et 16 joursRéflectances 7 bandes
+ 1 température de surface
Données à basse résolutionVégétation VGTRésolution de 1000 mProduits quotidiens +Synthèse 10 j. (D10)
Réflectances 4 bandes
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (1/9)
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
Qualité des indices de teneur en eau issus de la télédétection (par confrontation aux données in situ)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
Analyse de la dynamique temporelle sur 1 pixel(site n°3 des Alpes-Maritimes, été 2001, exemple de MODIS)
Synthèse
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (2/9)
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
0,1
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 • 1 jour : très bruitées• car perturbations :
- radiométriques- atmosphériques
indice GVMI
(PIR + 0,1) – (MIR + 0,02)(PIR + 0,1) + (MIR + 0,02)
Global Vegetation Moisture Index
Ceccato et al., 2002
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
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
8 jours
Synthèse
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (3/9)
Qualité des indices de teneur en eau issus de la télédétection (par confrontation aux données in situ)
16 jours• 8 jours :différent de FMC• 16 jours :lissage important
Analyse de la dynamique temporelle d’un pixel(site n°3 des Alpes-Maritimes, été 2001, exemple de MODIS)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
• corrélations faibles (teneur en eau / indices satellitaires)• explications possibles :
- données inadaptées (bandes, résolution spatiale…)- corrections incomplètes (BRDF, atmosphère…)
• pas d’amélioration en utilisant des synthèses
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (4/9)
Qualité des indices de teneur en eau issus de la télédétection (par confrontation aux données in situ)
Qualité des indices de teneur en eau issus de la télédétection (par confrontation aux données in situ)
Été 2001 et 35 sites (ONF, Inra, Cemagref)
SARVI20,29162MODIS16 jours
GEMI0,25283MODIS8 jours
10 jours
1 jour
fréquence
SRWI0,301325MODIS
indicecorrélation r²effectifscapteur
NDII0,20239VGT
Analyse statistique sur un grand nombre de sites et de dates
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
• orbite : 26 j. Spot-VGT / 16 j. Terra-Modis
- si synthèse < orbite (1-8-10 jours)
manque de corrections (BRDF, atmosphère)- si synthèse = orbite (16-26 jours)
période trop longue / délai de 6 jours des plantes
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (5/9)
Qualité des indices de teneur en eau issus de la télédétection (par confrontation aux données in situ)
Été 2001 et 35 sites (ONF, Inra, Cemagref)
SARVI20,29162MODIS16 jours
GEMI0,25283MODIS8 jours
10 jours
1 jour
fréquence
SRWI0,301325MODIS
indicecorrélation r²effectifscapteur
NDII0,20239VGT
Analyse statistique sur un grand nombre de sites et de dates
• MODIS :- depuis juin 2003,
niveau 3 provisoire niveau 4 validé- meilleures corrections atmosphériques- meilleures corrections radiométriques (nouveau modèle BRDF)
Effets d’une amélioration des produits satellitaires
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
• VGT :- depuis mai 2002, S10 D10- meilleures corrections radiométriques (normalisation directionnelle)
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (6/9)
Effets d’une amélioration des produits satellitaires
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (7/9)
• 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
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)
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
VGT-D10, été 2001
Perspectives : potentialité de cartographier les variations de la teneur en eau des massifs forestiers
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (8/9)
• de manière générale, produits satellitaires Modis et VGT faiblement corrélés aux teneurs en eau de terrain
• manque encore de corrections pour les synthèses hebdomadaires
• évolution rapide des méthodes de correction : nouveaux produits VGT-D10, Modis niveau 4
• réelles potentialités de la télédétection pour cartographier l’état hydrique de la végétation
Télédétection : synthèse
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (9/9)
Plan de l’exposé
1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique
2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge
3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution
4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
SynthèseMesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
Synthèse1. Métrologie de terrain
• protocole de prélèvement optimisé• identification des échelles spatiales et temporelles de
variation de la teneur en eau de la végétation
2. Spectroscopie de feuilles• intérêt du MIR et des nouveaux capteurs satellitaires
3. Télédétection• nouveaux produits améliorés mais …• … produits encore mal adaptés à l’objectif• perturbations atmosphériques et radiométriques pour
les produits hebdomadaires VGT et Modis
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Conclusion
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
• La cartographie de la teneur en eau de la végétation par télédétection constitue potentiellement un indicateur pertinent pour la prévention des feux de forêt, en complément des indicateurs opérationnels actuels (Météo-France + ONF)
• Nous avons développé des méthodes permettant d’optimiser la représentativité des relevés de terrain
• Les cartes de teneur en eau peuvent être utiles :- en prévention pour les pompiers (surveillance des massifs où le
risque d’éclosion est élevé)- lors d’un sinistre, comme nouveau paramètre aux modèles
de propagation du feu• Les données de télédétection souffrent encore de limites
techniques fortes en voie d’amélioration (cf. Perspectives)
Plan de l’exposé
1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique
2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge
3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution
4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
SynthèseMesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
Perspectives : couplage VGT 1 et 2
VGT 1 - 10h30 VGT 2 - 11h40 VGT 2 - 10h
21 juillet 2002
• depuis juin 2002 : 2 capteurs VGT quasi identiques
• au même moment 2 à 3 angles d'observation différents pour un même site
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif Perspectives
synthèses à 7 jours (Olivier Hagolle, CNES mai 2004)D10 : jusqu’à 10 observations par pixelH7 : jusqu’à 21 observations
Synthèse
Perspectives (1/4)
• 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)
Perspectives : synthèses à 7 jours
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
massif des MauresÉté 2002
Ten
eu
r en
eau
FM
Cin
dic
e G
VM
I
Perspectives (2/4)
VGT-H7, été 2002
faible
fort60 km
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Perspectives (3/4)
Perspectives : potentialité de cartographier les variations de la teneur en eau des massifs forestiers
site des Mauresstress hydrique fort
site de Montpellierstress hydrique moyen
Spectroscopieproche infrarouge
Télédétectionà basse résolution
Mesure directe del’état hydrique
Contexte Objectif PerspectivesSynthèse
Perspectives (4/4)
Perspectives : potentialité de la télédétection pour prévenir le risque d’incendie de forêt
Météo-France ONFfaible
fort60 km
Spot-VGT H7 (r² =73%)
intégration dans un SIG pour une gestion opérationnelle du risque
Suivi multi-échelle par télédétection et spectroscopieSuivi multi-échelle par télédétection et spectroscopiede l’état hydrique de la végétation méditerranéennede l’état hydrique de la végétation méditerranéenne
pour la prévention du risque de feu de forêtpour la prévention du risque de feu de forêt
UMR 3S Cemagref-EngrefMaison de la Télédétection - Montpellier
Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Directeur de thèseDirecteur de thèse C. Millier C. MillierRapporteursRapporteurs A. Bégué et S. Jacquemoud A. Bégué et S. JacquemoudExaminateursExaminateurs P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean
Soutenance de Fabien DauriacSoutenance de Fabien Dauriacpour l’obtention du titre depour l’obtention du titre de
Docteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’EauDocteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’Eau