4.1 Présentation générale du programme ReSeDA
Le programme européen ReSeDA (Remote Sensing Data Assimilation) a débuté en 1996 en collaboration entre une dizaine de laboratoires européens, dont l'objectif concerne l'utilisation conjointe de la modélisation et des données de télédétection multispectrales et multitemporelles pour le suivi du fonctionnement des couverts végétaux. Jusqu'à présent, le déroulement du projet s'est principalement effectué autour de deux étapes, chaque laboratoire apportant ses compétences à l'une comme à l'autre :
• Une large campagne expérimentale devant fournir l'ensemble des données nécessaires au fonctionnement des modèles. Cette phase s'est déroulée entre fin 1996 et fin 1997.
• Le traitement et l'exploitation des résultats expérimentaux par les différentes équipes de recherche rassemblées à l'occasion en plusieurs groupes de travail en fonction de leurs objectifs scientifiques. En ce qui nous concerne, notre travail s'insère dans le groupe "intercomparaison des modèles TSVA" (Olioso et al., 2001a) rassemblant les équipes du CESBio, CETP, LTHE, Météo-France et de l'INRA Avignon. Les premiers résultats ont été obtenus sur les parcelles de blé (Olioso et al., 2001b).
Le site expérimental retenu lors du projet ReSeDA est situé près d'Avignon, dans la vallée du Rhône, au nord de la chaîne des Alpilles (Fig. 4.1). C'est une zone de cultures intensives d'environ 5 km sur 5 km, au relief peu marqué et constituée par une mosaïque de parcelles (de quelques hectares). Au moment de la campagne expérimentale, les principales classes végétales étaient essentiellement du blé (32%), du tournesol (20%), de la prairie (16%) et du maïs (9%) (Fig. 4.2). En conséquence, les cultures de blé et de tournesol ont bénéficié d'une attention particulière lors de la campagne expérimentale. Toutefois de manière générale et en relation avec le dispositif instrumental mis en place sur chacune des parcelles étudiées, on distingue :
• Les parcelles de référence pour l'étalonnage des modèles, bénéficiant d’un dispositif expérimental maximum lors de la campagne. Les mesures effectuées permettent d’estimer l'ensemble des propriétés et des caractéristiques du sol, de la végétation et de la proche atmosphère au-dessus du couvert végétal qui sont
Fig. 4.1 : Localisation géographique de l'expérience Alpilles-ReSeDA
nécessaires au bon fonctionnement des modèles TSVA. Seulement trois parcelles (blé 101, tournesol 121 et luzerne 203) ont été instrumentées de la sorte (Tab. 4.1)
• Les parcelles dites de "validation", légèrement moins instrumentées. Elles servent à la validation des modèles par application combinée des données collectées sur la parcelle traitée et des résultats obtenus lors de la phase d'étalonnage.
• Les parcelles dites de "télédétection", faiblement instrumentées et nécessaires à une validation à plus grande échelle des modèles.
Dans la suite de ce travail, nous nous intéresserons exclusivement aux cultures de blé ; certains problèmes expérimentaux spécifiques aux parcelles de tournesol étant encore non résolus (concernant notamment le LAI). Plus particulièrement, la parcelle d'étalonnage 101 (blé d'hiver), sur laquelle on dispose d'un maximum de données expérimentales, constituera la parcelle d'étude de la majeure partie de ce travail. La parcelle 120 (Blé irrigué) a aussi été utilisée pour la validation du modèle. Les périodes d'étude de ces deux parcelles sont indiquées dans le Tableau (4.2). Les dates initiales et finales ont été déterminées à partir du jeu de conditions initiales disponible, d'évènements climatiques (gel) ou d'origine anthropique (irrigation intempestive, fauche) contraignants (Braud et Chanzy, 2000). L'acronyme DOE indique le numéro du jour d'expérimentation (Day Of Experiment en anglais). La période d’étude de la parcelle 120 est séparée en deux car cette dernière a été inondée au cours d’une irrigation intempestive de la part de l'agriculteur.
Par ailleurs, un site météorologique a aussi été instrumenté. Il a fourni l'ensemble des mesures atmosphériques nécessaires aux modèles TSVA (rayonnements solaires direct et diffus, rayonnement atmosphérique, précipitations, vitesse du vent, températures et humidités de l'air à deux mètres). Ces mêmes mesures ont été aussi effectuées sur les parcelles d'étalonnage.
4.2 Mesures de terrain
Lors de la campagne Alpilles-ReSeDA, de nombreuses expérimentations in situ ont été mises en place dans le but de déterminer au mieux les caractéristiques de l'interface SVA. Les points suivants résument les principales mesures qui ont été effectuées et les principales difficultés expérimentales rencontrées. Il ne nous a pas paru primordial de détailler explicitement les protocoles expérimentaux. Des informations à ce propos pourront être trouvées dans le rapport final du projet ReSeDA (Baret, 2000), les travaux de thèse de Jacob (1999) ou l'ensemble des documents informels de la base de données .
4.2.1 Variables atmosphériques
L'ensemble des variables atmosphériques que l'on utilisera pour le fonctionnement du schéma SiSPAT-RS provient du site météorologique . Il s'agit des rayonnements solaires direct et diffus (0.3-3 µm), du rayonnement atmosphérique (3-100 µm), de la vitesse du vent à deux mètres, de la température et de l'humidité de l’air à deux mètres et des précipitations. Toutes ces données ont été échantillonnées avec un pas de temps de 20 minutes.
Ces mêmes variables (hormis le rayonnement atmosphérique) ont été aussi mesurées sur chacune des parcelles d'étalonnage. Toutefois, les mesures issues de la parcelle 101 n'ont pu
Tab. 4.1 : Caractéristiques des parcelles - (*) ND : Non Disponible (d’après Jacob, 1999)
Parcelle Départ de simulation (DOE) Fin de simulation (DOE)
101 (Blé d'hiver) 387 (21/01/97) 542 (25/06/97) 120 (Blé irrigué) 402 (05/02/97) 464 (08/04/97) 461 (05/04/97) 537 (20/06/97)
être utilisées dans la modélisation essentiellement pour cause de manques importants de données durant la période de simulation ; la reconstitution s'avérant complexe et peu précise lors de certaines périodes. L'utilisation dans les modèles de données provenant du site météorologique peut engendrer des erreurs liées notamment à des différences spatiales de précipitations, de rayonnement solaire pour les jours nuageux, et surtout de la température et de l'humidité au-dessus du couvert qui dépendent toutes deux fortement du développement et de l'état hydrique du couvert végétal. Dans ce dernier cas, des tests ont toutefois été menés à partir des mesures d'humidités spécifiques disponibles. Ils ont montré sur ces périodes peu de différences avec l'utilisation des données provenant du site météorologique (non présenté dans ce travail). D'autre part, la confrontation des mesures du rayonnement solaire sur l'ensemble des parcelles de mesures a montré l'uniformité de ce dernier sur le site (Jacob, 1999). Une erreur quadratique moyenne de 5 W.m-2 a été observée pour ces deux instruments par rapport à un pyranomètre Eppley de référence du centre météorologique de Carpentras. Au niveau des précipitations, l'analyse n'a pas encore été menée au sein du groupe de travail "Intercomparaison des modèles TSVA".
Le rayonnement atmosphérique n'a été quant à lui mesuré que sur le site météorologique à l'aide d'un pyrgéomètre Eppley. Le constructeur indique une précision de l'ordre de 5%.
4.2.2 Données Sol
Un gros travail a été mis en œuvre au cours de l'expérimentation afin de déterminer au mieux l'ensemble des propriétés du sol sur chacune des parcelles, ainsi que les variables qui serviront à la validation des modèles. Les points suivants s'attacheront à présenter de manière exhaustive les données expérimentales que nous utiliserons dans ce travail :
• Le contenu en eau volumique a été mesuré sur l'ensemble des parcelles par différentes méthodes (sondes à neutron, sondes capacitives, mesures gravimétriques). Nous utiliserons les mesures délivrées par les sondes à neutron et par les sondes capacitives ; les premières ayant fournies des données, au rythme moyen d'une semaine, tous les 10 cm de sol, et ceci jusqu'à une profondeur de 140 cm, et les secondes des données horaires pour différentes couches de sol mais sur des périodes plus courtes. Conjointement, des mesures horaires de température dans le sol sont aussi disponibles à diverses profondeurs. Ces deux types de mesures serviront à l'initialisation du modèle (Tab. 4.3 et Tab. 4.4), ainsi qu’à son étalonnage et à sa validation.
• Le profil vertical du potentiel matriciel a été estimé à l'aide de tensiomètres (7 pour les parcelles d'étalonnage et 5 pour les parcelles de validation). Ils ont été implantés à côté des sondes à neutron et en 5 lieux différents sur chaque parcelle.
• La granulométrie du sol a aussi été déterminée en laboratoire (INRA Arras) après collecte d'échantillon sur chacune des parcelles. Les données ont été analysées sur plusieurs couches verticales du sol (granulométrie détaillée) et ceci en tenant compte des hétérogénéités locales sur les parcelles (7 échantillons par parcelle). La granulométrie moyenne sur l'ensemble de la colonne sol a ensuite été estimée par moyenne pondérée des mesures de granulométrie détaillée sur les profondeurs respectives des couches des sols.