CHAPITRE II : Suivi des cultures par télédétection radar - Complémentarité avec les images optiques
4.3. Estimation du LAI et de la hauteur d’une culture pluviale d’été
Cas du LAI
La Figure 100 présente la relation entre l’indice foliaire du tournesol et les coefficients de rétrodiffusion acquis en bande C, en polarisation HH. Une dynamique totale de 6 dB est observée durant la période végétative, alors que les valeurs de LAI passent de 0,6 à 3,7 m2.m-2. La sensibilité des coefficients de rétrodiffusion à l’indice foliaire diminue légèrement avec l’augmentation du paramètre. Elle est proche de 2,5 dB par unité de
LAI, pour les valeurs inférieures à 2 m2.m-2, au-delà elle est inférieure à 1 dB par unité de LAI. Avec un coefficient de détermination égal à 0,82, cette relation permet d’estimer le LAI du tournesol avec une erreur quadratique moyenne de 0,49 m2.m-2.
Figure 100 : Relations empiriques entre l’indice foliaire du tournesol, et les coefficients de rétrodiffusion, σ0C-HH..
La Figure 101 présente un bilan des performances des données multi-fréquences pour le suivi de l’indice foliaire, concernant la culture de tournesol. Quelle que soit la configuration, les relations empiriques prenant en compte une seule polarisation présentent des résultats acceptables, avec des coefficients de détermination compris entre 0,60 et 0,89, et une erreur relative inférieure à 20%. Les meilleurs résultats sont obtenus avec les acquisitions satellites réalisées en bande L (en polarisation HH). Il est à noter que ces données couvrent les premiers stades phénologiques du tournesol, jusqu’à des valeurs de LAI proches de 2,4 m2.m-2. En bande C, les différentes polarisations sont associées à des résultats assez proches, les co-polarisations présentant des coefficients de détermination supérieurs aux cross-polarisations (et inversement concernant les erreurs). Enfin, concernant la bande X, les meilleures performances (avec un R² de 0,60 et une erreur comparable aux autres fréquences) sont obtenues durant les premiers stades de développement de la culture, avant que le LAI n’atteigne les valeurs maximales (soit une saturation à 2,5 m2.m-2 contre 3,7 m2.m-2 au maximum).
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Figure 101 : Bilan des performances statistiques associées aux relations empiriques entre le LAI du tournesol, et les signaux satellites. Les valeurs maximales d’indice foliaire, ainsi que le niveau de saturation, sont indiqués au-dessus des indicateurs statistiques, en noir et gris respectivement.
Cas de la hauteur
La Figure 102 présente les relations obtenues entre la hauteur du tournesol et les données satellites (NDVI et coefficients de rétrodiffusion acquis en bande C, avec la polarisation HH). Sur cette culture, les meilleurs résultats sont associés aux données optiques, avec un coefficient de détermination de 0,93 et une erreur de 22 cm sur l’estimation de la hauteur. Concernant les données radar, la dispersion est importante : i) pour les hauteurs inférieures à 40 cm, et ii) pour les hauteurs maximales (alors que le capitule se met en place sur certaines parcelles). Le coefficient de détermination est alors inférieur à celui observé dans l’optique (0,75), et l’erreur sur la hauteur supérieure (43 cm).
Figure 102 : Relations empiriques entre la hauteur du tournesol et les signaux satellites, NDVI (a) et σ0 C-HH (b).
La Figure 103 présente un bilan des performances des données multi-fréquences pour le suivi de la hauteur concernant la culture de tournesol. Les performances statistiques obtenues en bande L sont similaires aux meilleurs résultats associés au NDVI. Toutefois, ces acquisitions ne couvrent que la première moitié du cycle cultural, où la hauteur n’excède pas 120 cm. En bande C, les différentes polarisations présentent des coefficients de détermination compris entre 0,65 et 0,76, et des erreurs inférieures à 15%. Enfin, la bande X présente des
144 résultats acceptables (avec un R² supérieur à 0,50 et une erreur comparable aux autres fréquences), pour des couverts n’excédant pas 140 cm.
Figure 103 : Bilan des performances statistiques associées aux relations empiriques entre la hauteur du tournesol, et les signaux satellites. Les valeurs maximales de hauteur, ainsi que le niveau de saturation, sont indiqués au-dessus des indicateurs statistiques, en noir et gris respectivement.
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5. CONCLUSION
Ce chapitre traite de la sensibilité des données micro-ondes (en se focalisant sur les aspects fréquence et polarisation) pendant le cycle phénologique des principales cultures de la zone d’étude (blé, colza, mais, tournesol, et soja). Les analyses sont basées sur les séries d’images acquises entre le semis et la récolte, par les satellites TerraSAR-X, Radarsat-2 et Alos pour le radar, et Formosat-2 et Spot-4/5, pour l’optique. Les signatures temporelles sont tout d’abord analysées, après correction angulaire (en bandes X et C) basée sur l’utilisation conjointe des données radar et optiques (NDVI). La sensibilité des signaux satellites vis-à-vis des paramètres des cultures est ensuite analysée, en considérant l'indice foliaire (dérivé des images optiques), et la hauteur des cultures (observée lors des acquisitions). Les influences des conditions du sol (rugosité et humidité) sont abordées tout au long du cycle de culture.
La correction angulaire tire profit des séries satellites (acquises dans les domaines optiques et micro-ondes) afin de sélectionner des paires d'images maximisant l'effet des angles d'incidence entre les acquisitions les plus proches, tout en réduisant l'effet des changements des conditions de sol. La normalisation angulaire de signaux radar montre qu'il est important de normaliser le signal radar pour les valeurs de NDVI faibles (< 0,4), en particulier pour les signaux co-polarisés acquis en bande C. Les coefficients de rétrodiffusion acquis en bande C, en polarisations HH ou VV, montrent une sensibilité angulaire qui varie entre 0,1 dB.°-1 (lorsque le NDVI est proche de 0,4) et 0,3 dB.°-1 sur sol nu (lorsque le NDVI est proche de 0,2). Concernant les coefficients de rétrodiffusion acquis en bande C, en polarisation croisée, ou en bande X, une sensibilité angulaire plus faible est observée pour les faibles valeurs de NDVI. Elle est comprise entre 0,08 et 0,18 dB.°-1. Quelles que soient les configurations radar considérées, la sensibilité angulaire est inférieure à 0,1 dB.°-1, pour les fortes valeurs de
NDVI (supérieures à 0,4).
Les analyses des séries temporelles optiques et radar (affranchies de la dépendance angulaire) montrent : i) une forte complémentarité de l’approche multi-capteurs/multi-spectrales durant le cycle phénologique, et ii) des comportements spécifiques des coefficients de rétrodiffusion vis-à-vis des cultures considérées. Pour chacun des couverts étudiés, au minimum une configuration radar peut être retenue afin de suivre les évolutions du couvert. Dans le cas du blé, outre l’étude du rapport de co-polarisation des coefficients de rétrodiffusion en bande C
(HH/VV), il apparait clairement que les signaux acquis en bande X, avec la polarisation HH offrent de grandes
perspectives pour le suivi de cette culture. La meilleure configuration radar pour le suivi du colza et du maïs est la bande C, en cross-polarisation. Enfin le tournesol et le soja sont associés à de fortes dynamiques, quelle que soit la polarisation considérée en bande C. L’analyse des séries temporelles montre également que certains stades phénologiques sont clairement identifiables (le développement des tiges, la floraison, la fructification, la sénescence, la récolte, les évènements de verse…).
Les coefficients de rétrodiffusion sont finalement confrontés à deux paramètres liés aux cultures, à savoir l’indice foliaire et la hauteur. Chacun des paramètres peut être estimé jusqu’aux valeurs maximales observées, les performances étant fonctions de la culture considérée. Les meilleures possibilités de suivi de la végétation sont associées aux cultures de soja et de tournesol, en utilisant respectivement des coefficients de rétrodiffusion
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C-VH et
C-HH (R²>0,75). Elles sont plus limitées dans le cas du maïs (
C-VH), ou des cultures d’hiver (
X-HH
pour le blé et
C-VH/HH pour le colza), mais restent toutefois acceptables (R²> 0,64). Les signaux en bande L (polarisation HH) offrent des perspectives très intéressantes pour l’estimation de la hauteur du tournesol, du soja, du colza, et pour l’estimation du LAI du soja et colza (R²>0.70). De plus, les données radar présentent une alternative à l’optique pour l’estimation de la hauteur, plus particulièrement concernant les cultures de blé, de soja et de tournesol.
L’ensemble des résultats de ce chapitre montre que les données micro-ondes offrent une alternative judicieuse en complément ou remplacement des données optiques.
CHAPITRE III : Evaluation et amélioration des modèles de