Comportements spectraux des couverts végétaux

En télédétection, chaque couvert végétal a un comportement propre qui peut être détecté. Ce comportement se réfère à l‟activité chlorophyllienne en générale, mais aussi aux propriétés optiques des végétaux, de leur organisation spatiale ainsi que des propriétés du sol sous jacent. Pour mieux comprendre ce comportement, il est important de comprendre les caractéristiques de ces couverts ainsi que des interactions que suscite le couple sol nu-végétation. Les caractéristiques radiométriques des couverts végétaux se situent à trois niveaux : la feuille, le couvert et les interactions sol-végétation.

7.2.1. Au niveau de la feuille

Les propriétés optiques des feuilles qui dépendent de la structure (externe et interne) et des éléments absorbant influencent fortement le comportement spectral de la feuille (Figure 7).

Figure 7 : Structure anatomique d'une feuille de blé montrant les dispositions biologiques de la feuille en relation avec le rayonnement électromagnétique (Guyot, 1989).

La structure de la feuille (Guyot, 1989), est constituée à l‟extérieur d‟une cuticule cireuse plus ou moins épaisse, d‟un épiderme supérieur formé d‟une rangée de cellules dont l‟ensemble forme une enveloppe protectrice de la feuille. A l„intérieur, on observe deux assises de cellules allongées qui désignent le parenchyme palissadique. Les cellules de ce parenchyme palissadique sont de forme irrégulière et contiennent principalement des chloroplastes. Plus en profondeur de la structure interne, il existe le parenchyme lacuneux. Ces cellules lacuneuses sont remplies d‟air et de vapeur d‟eau. L‟épiderme par conséquent porte les organes respiratoires qui sont les stomates. Le parenchyme palissadique est le siège de la plupart des chloroplastes, dans lesquels se déroule la réaction de photosynthèse. Les pigments de la chlorophylle (chlorophylle a et b) jouent un rôle essentiel dans la réaction de photosynthèse.

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Cette réaction permet à tous les végétaux chlorophylliens autotrophes de transformer l‟énergie lumineuse en énergie stockée sous forme chimique ou encore de glucides. Les éléments absorbants dans la feuille sont : le contenu en chlorophylle (Cab), le contenu en eau (Cw), le contenu en matière sèche (Cms) et le contenu en pigment brun. Le contenu en chlorophylle est constitué de la chlorophylle a et b qui affectent la réflectance dans le domaine du visible tandis que le contenu en eau par contre influence de manière importante l‟absorption dans le domaine l‟infra rouge moyen (1100 à 2500 nm) et le contenu en matière sèche est responsable de l‟absorption de la lumière dans les longueurs de 800 à 2500 nm. Ces différents éléments absorbants sont étroitement liés au comportement radiométrique dans les domaines du visible et de l‟infrarouge. Donc ils ont des conséquences sur les propriétés spectrales des feuilles.

7.2.2. Au niveau de la canopée du couvert végétal

La canopée ne se comporte pas de manière simple comme la feuille isolée à cause des interactions qui existent en son sein (Figure 8). En effet, dans une canopée, la réflectance d‟une plante donnée augmente. En plus de cette réflectance, il faut ajouter que l‟énergie transmise par une feuille peut être réfléchie par les feuilles qui se trouvent en dessous. Ceci provoque une hausse significative de la reflectance de l‟ensemble (Barriou et al., 1985).

Figure 8 : Schéma simplifié de l'effet de couches multiples de feuilles sur la réflectance (Barriou et al., 1985).

Cette complexité de la reflectance de la canopée est liée au fait qu‟il y ait la présence de plusieurs essences composées de différents individus à des stades de croissance divers. En plus de la diversité dans la canopée, il y a aussi les conditions d‟illumination qui influence la réponse radiométrique de la canopées de sorte qu‟elles ne se comportent pas comme une surface qui réfléchie dans toutes les directions. Plusieurs de ces effets conjugués peuvent perturber les mesures de la canopée entière, provoquant ainsi une variabilité de la réponse spectrale du couvert végétal. Ces perturbations s‟observent à plusieurs niveau dont propriétés du végétal lui même (orientation des feuilles, l‟âge du couvert), la géométrie de visée et les conditions de l‟environnement.

60 7.2.3. Au niveau des domaines spectraux

Les éléments absorbants induisent le comportement du couvert dans les trois domaines spectraux: visible, proche infra rouge et moyen infra rouge (Figure 9).

Dans le visible, le comportement particulier des végétaux est lié aux pigments chlorophylliens dans les feuilles (Bariou et al., 1985; Girard et Girard, 1999). Dans ce domaine les végétaux chlorophylliens présentent une réflectance faible au maximum de 15% à 550 nm (Figure 9) à cause de l‟absorption des chlorophylles a et b dans les longueurs d‟onde du bleu [430 à 450 nm] et du rouge [640 à 660 nm] (Figure 10b).

Figure 9 : Réponse spectrale des feuilles de blé dans le domaine du visible (400-700 nm), du proche infrarouge (700 à 1300 nm) et du moyen infrarouge (1300 à 2500 nm) (Guyot, 1989).

Figure 10 : Spectre d'absorption des pigments de la plante. (a): Autres pigments (carotènes, phycocyanine, phycoérythrines). (b): Principaux pigments (chlorophylle a et chlorophylle b) (Bariou et al., 1985).

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Les autres pigments (carotènes, xanthophylles) bien que absorbants dans le visibles sont masqués par l‟action de la chlorophylle a et b (Figure 10a). Leur effet s‟exprime si les végétaux sont à l‟état jeune, sénescent ou soumis à des stress ou des carences. Dans le visible, les actions de la chlorophylle a et b sont inverses à celle de à la réflectance et se recouvrent entre elles avec une forte absorption dans la longueur d‟onde du bleu et du rouge. Mais ce recouvrement n‟est pas parfait dans la longueur d‟onde du vert où la réflectance est plus élevée. Cela confère la couleur verte des végétaux chlorophylliens dans le visible. Dans ce domaine, la reflectance des feuilles vertes est toujours inférieure à celle des feuilles sèches permettant ainsi de détecter les maladies, les attaques parasitaires, les déficiences minérales qui affectent la teneur en chlorophylle des feuilles si le phénomène mesuré est très marqué. Dans le proche infra rouge, les pigments chlorophylliens n‟interviennent plus dans le comportement spectral de la feuille car la quantité de rayonnement absorbé est très faible. C‟est la structure interne en rapport avec les tissus et les arrangements des cellules (espace intercellaires) qui sont principalement responsables de la réflectance. Cela se traduit pour les végétaux verts par une faible absorption entre 5 et 10%, une forte réflectance entre 40 et 60% et une transmission qui de même ordre de grandeur que la réflectance (Jensen, 2000; Gaussman et al., 1976).

Les changements physiologiques qui accompagnent les phénomènes de maturation et de sénescence (diminution de la teneur en chlorophylle, la teneur en eau diminue et la structure interne se désorganise) sont responsables des changements de comportement des végétaux dans le Visible et le Proche infrarouge. Les végétaux sénescents ont des reflectances toujours plus fortes dans ces deux domaines spectraux que les végétaux verts et bien turgescents (Figure 11). Dans le proche infrarouge ce phénomène est lié à la combinaison des effets de changement de la structure interne et de la teneur en eau. La réflectance des plantes malades ou carencées diminue dans le moyen infrarouge et augmente dans le proche infrarouge. La diminution de la réflectance dans le moyen infrarouge correspond à la détérioration des cellules de la plante (Gausman et al., 1976).

Figure 11: Effets de sénescence sur la réflectance d'une feuille de blé (Gausman et al., 1976).

Dans le moyen infra rouge, le comportement des feuilles est principalement affecté par la teneur en eau des cellules Cette forte teneur en eau des plantes turgescentes diminue la

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réflectance dans le moyen infrarouge (Allen et al., 1969; Turker et Garrat, 1977) à cause de la forte absorption qui a lieu. Cela est un indicateur important pour détecter le stresse hydrique des plantes. A titre d‟exemple les bandes spectrales du moyen infrarouge de LANDSAT 4, 5 et 7 ont été utilisées dans le cadre d‟une étude pour détecter le stress hydrique dans les forêts de conifères (Pierce, Running, & Riggs, 1990). Cela pourrait être utilisé dans le cadre de la détection des foyers d‟infection du cacao Swollen shoot.

Il existe une relation étroite entre la réponse spectrale dans le proche infra rouge et la quantité de la biomasse verte (ou chlorophyllienne) et une relation inverse entre la réponse dans le visible (particulièrement dans la longueur d‟onde du rouge) et la biomasse verte. Ces comportements particuliers dans ces différents domaines spectraux permettent de distinguer les végétaux verts, des autres objets à la surface de la Terre. Mais l‟influence du sol peut être un facteur limitant pour la radiométrie de certains couverts.

7.2.4. Au niveau des interactions sol-végétation

Figure 12: Réflectance de la végétation et du sol sous jacent dans les différents domaines spectraux (visible, proche infrarouge, moyen infrarouge) (Guyot, 1995).

L‟interaction entre le couvert végétal et le sol sous jacent (Figure 12) peut être expliqué en fonction de trois type de couvrement du couvert végétale (Girard et Girard, 1999). Il s‟agit des recouvrements complets, des recouvrements faibles et des recouvrements intermédiaires. Pour les recouvrements complets, la végétation couvre le sol à 100% et sont caractérisés par un effet de saturation avec un indice foliaire de l‟ordre de 2 dans le visible et de l‟ordre de 8 dans le proche infrarouge. De plus les matières sèches sur pied et non chlorophyllienne se mélangent à la phytomasse aérienne chlorophyllienne pour modifier le comportement spectral de l‟ensemble des couverts. Dans le cas des couverts végétaux chlorophylliens moins couvrant, le sol contribue de manière importante au comportement de l‟ensemble du couvert sol-végétation. Dans ce cas, les sols dans le domaine du visible réfléchissent plus que les couverts végétaux et cela contrairement à ce qui se passe dans le domaine du proche infrarouge. En effet, si le sol sous jacent est très réfléchissant, il aura une forte contribution spectrale détectable dans le domaine du visible mais le comportement du couvert sera peu modifié dans le domaine de proche infrarouge. Par contre un sol peu réfléchissant, contribuera faiblement au comportement spectral dans le visible mais diminuera fortement celui-ci dans le proche infrarouge.

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Dans le cas des recouvrements intermédiaires, tous les comportements spectraux entre les deux précédents sont envisageables. A ces caractéristiques s‟ajoutent d‟autres phénomènes tels que la structure de la canopée, et pour les plantes cultivées l‟effet des rangs (Figure 13) qui diminuent considérablement la réflectance du couvert végétal (Guyot, 1995).