Couplage t´ el´ ed´ etection-mod´ elisation

Le couplage t´el´ed´etection-mod`eles de fonctionnement a ´et´e appliqu´e aux mod`eles de culture dans le domaine solaire principalement, aux mod`eles SVAT dans le domaine de IR thermique principalement mais aussi dans le domaine solaire, et aux mod`eles de transferts hydriques du sol dans le domaine des micro-ondes. Compte-tenu de l’analyse faite de l’apport potentiel de la t´el´ed´etection pour notre probl´ematique, l’infrarouge thermique est le seul susceptible d’apporter des informations pertinentes. Son avantage repose sur la possibilit´e de cartographier certaines variables d´eduites des rayonnements mesur´es. Dans la r´ealit´e, il n’est cependant pas possible de cartographier directement toutes les variables de l’interface Surface - V´eg´etation - Atmosph`ere recherch´ees. Ceci a conduit au d´eveloppement de diverses m´ethodologies afin de pallier ce d´eficit d’in-formation, soit en s’affranchissant de ces variables, soit en les estimant indirectement. Parmi ces approches adopt´ees, le couplage des mod`eles SVAT tels ISBA ou SiSPAT avec des donn´ees IR thermique repr´esente l’approche la plus d´eterministe mais elle reste tr`es complexe du fait des probl`emes dans les techniques d’assimilation et elle est tr`es coˆuteuse `a mettre en œuvre `a l’´echelle sub-r´egionale. En r´eponse la communaut´e scientifique a souvent adopt´e des approches plus simples utilisant l’IR thermique le plus souvent combin´e au domaine solaire, de type semi-empiriques bas´ees sur des relations simplifi´ees ou encore des approches interm´ediaires se basant sur la r´esolution du bi-lan d’´energie instantan´e, en faisant appel au d´eveloppement d’un important nombre de mod`eles pour caract´eriser, dans une espace limit´e th´eorique ou empiriquement, le statut hydrique des couverts v´eg´etaux et des sols. Par exemple l’indicateur WDI (d´ecrit `a posteriori) permet de retrouver l’ETR dans l’espace NDVI (SAVI) - (T<sub>s</sub> -T<sub>a</sub>). Beaucoup d’entre-eux requi`erent la pr´esence de surfaces ”extrˆemes” sur la sc`ene ´

etudi´ee (surfaces s`eches/bien aliment´ees en eau par exemple). Dans les derni`eres ann´ees diff´erents mod`eles bas´ees sur la t´el´ed´etection IR thermique ont ´et´e d´evelopp´es, dont nous pr´esentons les principaux dans ce qui suit par ordre chronologique :

1. STATUT HYDRIQUE DE LA VIGNE EN CONTEXTE M ´EDITERRAN ´EEN

– bas´ee directement sur l’´equation Penman-Monteith (Monteith, 1965) : un important nombre de travaux se sont bas´ees sur l’´equation 1.10 qui est une r´e´ecriture de l’´equation du bilan d’´energie pour d´eterminer le flux de chaleur latente. Des validations sur plusieurs type de couverts ont ´et´e publi´ees dans la litt´erature (Cleugh et al.,2007; Er-Raki et al.,2008; Goodrich et al., 2000; Mu et al.,2007) λE= ^{∆(Rn−G0) +} ρCpV P D ra ∆ +γ(1 +^rc ra) ^(1.10)

o`u V P D est le d´eficit de pression de vapeur en kPa), ∆ la pente de la courbe saturation de la pression de vapeur/temp´erature en (kPa˚C⁻1) etγ la constante psychom´etrique en kPa.

– Mod`ele de Granger and Grey (Granger and Gray, 1989). Ce mod`ele se rapproche aux mod`eles bas´ees sur l’´equation de Penman-Monteith mais avec la diff´erence que celui-ci inclut un terme dans l’´equation qui consid`ere une ´evaporation relative, en s’affranchissant de l’´evaporation potentielle.

ET R= ^{∆(Rn−G0)R} ∆R+γ ⁺

γRE_a

∆R+γ ^(1.11)

L’´equation1.11illustre l’addition du terme ´evaporation relativeRqui utilise une relation empirique se basant sur le pouvoir de dess`echement de l’airE<sub>a</sub>pour ˆetre estim´e. Il a ´et´e utilis´e par Wu et al. (2006) pour calculer l’´evapotranspiration d’une foret, puis valid´e par des mesures de flux de s`eve estimateur direct de la transpiration.

– SSiB (Simplified Simple Biosphere model) (Xue et al.,1991) : g´en`ere une simulation num´erique des interactions surface/atmosph`ere bas´ee sur le principe de conservation d’´energie et d’eau. Il a ´et´e originalement d´evelopp´e comme une composante de la couche superficielle de la surface pour des simulations clima-tiques, avec des valeurs atmosph´eriques d’entr´ee ad´equates, mais peut fonctionner de mani`ere autonome des autres mod`eles atmosph´eriques. Ce mod`ele est capable

1.2 Contexte scientifique

de g´en´erer des flux de surface, mais aussi des conditions d’environnement de sur-face comme l’humidit´e du sol (Goward et al.,2000).

– SEBI (Surface Energy Balance index) (Menenti and Choudhury, 1993) : il est `a la base une modification du CWSI (§1.2.1.5) ´etant bas´e sur le principe que la temp´erature de surface varie avec l’´evapotranspiration r´eelle. Pour une valeur d’alb´edo de surface donn´ee, et un jeu de caract´eristiques de conditions limites donn´ees (temp´erature potentielle, humidit´e et vitesse de friction), la temp´erature de surface maximale peut ˆetre calcul´ee en supposant une ´evapotranspiration nulle de la surface. Dans cette situation le flux de chaleur sensible H peut ˆetre d´etermin´e `a partir de l’´energie disponible Rn - G₀ en estimant les r´esistances a´erodynamiques par calcul it´eratif. D’autre part la temp´erature de surface mini-male peut ˆetre estim´ee `a partir de l’´evapotranspiration de r´ef´erence (ET0). Ainsi l’´evapotranspiration r´eelle peut ˆetre estim´ee comme une interpolation pond´er´ee de la temp´erature de surface observ´ee entre les valeurs calcul´ees de temp´eratures de surface maximale et minimale. Le mod`ele calcule les limites sup´erieures et inf´erieures. Dans van den Hurk (2001) deux applications de ce mod`ele ont ´et´e pr´esent´ees.

– WDI (Water Decifit Index)(Moran et al.,1994) : est bas´e sur la relation exis-tante entre la temp´erature de surface et le taux de couverture v´eg´etale, estim´e par un indice de couverture v´eg´etation (NDVI, SAVI). Le WDI est une exten-sion du CWSI ((§1.2.1.5) aux surfaces partiellement couvrantes. Il est caract´eris´e par un trap`eze dont les 4 extrˆemes sont d´etermin´es pour des situations extrˆemes sol/v´eg´etation couvrante pour des ´etats sec/bien aliment´ees en eau. Il requiert comme information des caract´eristiques de la surface consid´er´ee pour estimer les r´esistances a´erodynamiques n´ecessaires pour le calcul des droites du trap`eze. C’est une approche relativement simple qui permet d’estimer le ratio ETR/ET_m.

– TSEB (Two-Source Energy Balance) (Norman et al., 1995) : est bas´e sur l’approche `a deux sources d´ecrite dans Shuttleworth and Wallace (1985). Le mod`ele a une structure en parall`ele dans lequel les flux de chaleur sensible du sol et de la v´eg´etation ont une param´etrisation ind´ependante qui consid`ere les ´echanges

1. STATUT HYDRIQUE DE LA VIGNE EN CONTEXTE M ´EDITERRAN ´EEN

entre surfaces. Le mod`ele permet ainsi d’obtenir la contribution r´esultante des flux de chaleur turbulents d´etermin´es `a partir de la diff´erence temp´erature de surface - temp´erature de l’air (Ts - Ta) et de param´etrisation des r´esistances a´erodynamiques du sol et de la v´eg´etation. Cette approche permet d’avoir une signification physique meilleure (Kustas and Norman, 1999) que l’approche `a source unique d’estimation du param`etre kB⁻¹. Le mod`ele a ´et´e repris dans de nombreux travaux sous le nom de TSM (Two-Source-Model) (Crow et al.,2008;

Kustas et al., 2004; Li et al., 2005, 2006) qui a diff´erence de TSEB, n´eglige les ´

echanges entre surfaces, avec des r´esultats satisfaisants pour des cultures annuelles (coton, ma¨ıs et soja).

– SEBAL (Simplified Energy Balance Algorithm for Land) ( Bastiaans-sen et al., 1998b) : est un mod`ele bas´e sur une approche interm´ediaire, qui uti-lise en mˆeme temps des param´etrisations empiriques et physiques. Ce mod`ele a ´

et´e d´evelopp´e pour calculer la r´epartition de l’´energie `a l’´echelle r´egionale avec un minimum de donn´ees de sol. Les variables atmosph´eriques (temp´erature de l’air et et vitesse du vent) sont estim´ees `a partir de mesures de t´el´ed´etection en consid´erant la variabilit´e spatiale par les contrastes hydrologiques et ´energ´etiques. La d´etermination de zones humides et s`eches sur la zone ´etudi´ee est n´ecessaire pour extraire des valeurs seuils. Le mod`ele requiert en entr´ee la connaissance de rayonnement incident, temp´erature de surface, NDVI, et carte d’alb´edo obtenu directement `a partir de la t´el´ed´etection. Des relations semi-empiriques sont donc utilis´ees pour estimer l’´emissivit´e, la rugosit´e (Bastiaanssen et al.,1998a) et le flux de chaleur dans le sol `a partir du NDVI. Le flux de chaleur sensible est calcul´e `

a partir du flux d’inversion sur des unit´es de terrain non ´evaporantes (condi-tions s`eches) et des surfaces humides types. Le flux de chaleur latente est calcul´e comme le r´esidu du bilan d’´energie. Ce mod`ele a ´et´e utilis´e dans diff´erentes appli-cations pour estimer l’´evapotranspiration r´eelle surtout sur des couverts v´eg´etaux compl`etement couvrant et sur des zones relativement plates (Bastiaanssen et al.,

2000;Jacob et al.,2002b;Mohamed et al.,2004;van den Hurk,2001).

– S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance index)(Roerink et al.,2000) : c’est une m´ethode simplifi´ee d´eriv´e de SEBI pour estimer les flux de surface `a