Les caractéristiques propres au couverts végétaux

7.3.1. Indices foliaires

L‟indice foliaire détermine le comportement radiométrique des couverts végétaux. Il caractérise la surface d‟échange (exemple : eau et carbone) et le rayonnement avec l‟atmosphère. IL est défini comme étant la surface cumulée sur toute la hauteur du couvert, des faces supérieures des feuilles par unité de surface de sol. Il est utilisé en écophysiologie pour modéliser le fonctionnement des couverts végétaux (Rosemberg et al., 1983). Cet indice varie entre 0 et 10 pour les cultures annuelles avec une valeur maximale qui dépasse 15 dans les régions forestières des tropiques. Il a un impact direct sur les couverts.

7.3.2. Géométrie du couvert

La réflectance d‟un couvert végétal dépend en grande partie de l‟angle d‟inclinaison des feuilles. Lorsque les feuilles sont dressées, il faut un indice foliaire beaucoup plus élevé pour masquer le sol que lorsqu‟elles sont étalées horizontalement. La sensibilité de la réflectance à l‟inclinaison des feuilles est beaucoup plus importante dans le proche infrarouge que dans le visible. Mais dans le visible, les feuilles ont une réflectance inférieure à celle du sol. Lorsque les feuilles sont redressées, la réflectance augmente en fonction de l‟indice donné. Par contre dans le proche infra rouge, on peut observer le phénomène inverse, car les feuilles ont une réflectance supérieure à celle du sol.

Figure 13: Orientation des rangs de cultures et leur réflectance en fonction de l'angle azimutal (CCT).

Dans un certains cas, lorsqu‟un couvert est bas ou qu‟une forêt subit une contrainte (déficit hydrique, déficience minérale, attaque parasitaire), les propriétés optiques des feuilles peuvent ne pas être affectées de façon sensible. Cependant, l‟effet de ces contraintes peut, bien souvent, être détecté dans le visible et le proche infra rouge car elles entraînent une modification du port des feuilles et/ ou de l‟indice foliaire. D‟après la Figure 13, la réflectance

64

est à son maximum lorsque les rayons sont parallèles à la direction des rangs et minimum lorsqu‟ils lui sont perpendiculaires (Figure 13). L‟amplitude de variation de la réflectance en fonction de l‟orientation des rangs dépend de deux facteurs : le domaine spectral et le taux de couverture du sol.

7.3.3. Inclinaison des feuilles

L‟inclinaison des feuilles est en fonction de la végétation, mais elle dépend fortement du stade de croissance et parfois de l‟heure de la journée. Cependant, la fonction de distribution des angles foliaires est utilisée pour décrire l‟inclinaison des feuilles (Sinoquest et Andrieu, 1993 ; Wit et al., 1965; Bunnick, 1981). L‟indice de surface foliaire (LAI, pour Leaf Area Index), l‟inclinaison des feuilles et la fraction photosynthétiquement active sont des caractéristiques propres aux couverts végétaux. Ces indices sont observables au champ et peuvent être mesurés. Par conséquent, les méthodes modernes utilisent les images satellites pour estimer certains paramètres biophysiques des couverts végétaux dont les indices de végétation.

7.3.4. Les indices de végétation

Les indices de végétation sont des indices radiométriques calculés à partir des images satellites. Ils sont utilisés dans plusieurs domaines d‟application: l‟estimation de la masse végétale qui couvre le sol, la description de l‟état phénologique de la couverture végétale, la prévision des récoltes et l‟évolution de la couverture végétale.

Ces indices permettent de suivre les interactions entre la géosphère, la biosphère, l‟atmosphère et la végétation. Ces interactions induisent des changements, qui sont perceptibles à travers les meilleurs indices. Ils s‟appuient essentiellement sur les différences de propriétés optiques de la végétation dans les trois domaines spectraux (visible, PIR, MIR) à partir des bandes spectrales des images satellites. Ces indices sont très fortement corrélés à l‟activité photosynthétique des plantes ainsi qu‟à leur structure (Asrar et al., 1989a; Gamon et

al., 1995) et peuvent aussi décrire des phénomènes complexes à partir de paramètres simples

(Bannari et al., 1995). Les indices de végétation sont classés en deux catégories (Baret & Guyot, 1991; Goel & Quin, 1994):

1- Les indices qui sont obtenus à partir du calcul d‟une pente comme par exemple RVI (Ratio Vegetation Index), NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), TSAVI (Transformed Soil Adjusted Vegetation Index).

2- Les indices qui sont caractérisés par une distance par exemple WDVI (Weighted Difference Vegetation Index), PVI (Perpendicular Vegetation Index).

Ces différents indices correspondent en général à des relations géométriques dans le plan des bandes spectrales du rouge et du proche infrarouge et discriminent de manière équivalente les couverts végétaux. Plusieurs de ces indices sont usuellement utilisés (Bariou et al., 1985 ; Girard et Girard, 1999; Jensen, 2000; Caloz et collet, 2001) mais dans le cadre de cette étude, nous nous limiterons à description de quelques uns.

65

Le NDVI ou : Normalized Difference Vegetation Index

Le NDVI est défini couramment par la formule : NDVI= (PIR-R) / (PIR+R). Cet indice est explicitement une différence normalisée entre les réflectances dans le rouge (R) et dans le proche infra rouge (PIR). Cet indice est souvent utilisé dans de nombreuses applications car il rend compte de l‟activité chlorophyllienne de la biomasse. Ce qui fait qu‟il n‟est efficace et pertinent que pendant les périodes de croissance végétative des plantes vertes.

Comme inconvénient majeur, cet indice est sensible aux perturbations atmosphériques et aux effets du sol sous jacent (Rouse et al., 1974 ; Tucker, 1979). Cela rend difficile son application pour des couverts végétaux moins couvrants et aussi pour des zones de couverture nuageuse fréquente au cours l‟année. Les valeurs de NDVI varient entre 0 et 1. Sur une image satellite, les fortes valeurs correspondent à des teintes claires et représentent la végétation qui a une activité chlorophyllienne tandis que les sols nus et les surfaces d‟eau libre apparaissent dans des teintes très foncées et correspondent à des valeurs faibles ou négatives de l‟indice.

Le NDVI3

Il existe également, un indice de construction similaire à celui du NDVI mais sur la base de la différence normalisée des canaux de moyen infrarouge et de proche infrarouge NDVI3 = (MIR-PIR) / (MIR+PIR). Ce dernier a l‟avantage d‟être moins sensible aux conditions atmosphériques que le NDVI et rend compte à la fois de l‟activité chlorophyllienne et de l‟état hydrique des plantes.

Le SR ou : Simple Rapport de canaux

L‟indice de végétation normalisé peut aussi dériver des simples rapports de canaux (SR). Cette relation est non linéaire et s‟exprime de la manière suivante:

L‟évolution de simple rapport de canaux (SR) est lente à saturer comparativement à l‟indice de végétation, lorsque que la canopée devient très dense. Par contre, le SR augmente le contraste entre le sol et la végétation quand les effets des conditions d‟illumination sont minimisés (Baret et Guyot, 1991). Mais l‟efficacité de ces indices est réduite quand la réflectance du sol varie sous la canopée. Pour palier à cela, d‟autres indices ont été construits pour réduire les effets du sol (Wiegand et al., 1992), parmi les quels il y a le PVI et MSR qui sont des transformations respectives de SR :

PVI ou : Indice perpendiculaire de végétation

Le PVI représente la distance perpendiculaire entre un point de coordonnées X=rouge et Y=PIR représentant la végétation et la droite des sols. Théoriquement PVI est nul pour un sol quasi nu, négatif pour l‟eau et positif pour la végétation (Richardson & Wiegang, 1977). Il est de plus en plus utilisé pour des applications forestières et agronomiques. Son expression est la suivante : 1 1 SR SR M SR 1 2 1 1 1 SR SR SR NDVI

66

Le terme pir, représente la réflectance dans la longueur d‟onde du proche infrarouge, r la la réflectance dans la bande spectrale et , la pente du sol nu. La différence entre l‟indice perpendiculaire de végétation et les simples indices de végétation est qu‟il mesure la distance des pixels par rapport à la droite des sols alors que les autres indices mesurent l‟angle de pixels de la végétation dans les bandes spectrales du rouge et du proche infrarouge en se référant à la ligne de sol.

Les relations entre les indices foliaires et les indices de végétation

La relation entre l‟indice de végétation normalisé (NDVI) et l‟indice de surface foliaire est une relation linéaire. Dans cette relation, le maximum de NDVI correspond au maximum de l‟indice foliaire (LAI) du couvert (Justice, 1986). L‟indice foliaire peut être calculé à partir des valeurs normales de NDVI comme suit :

Avec le maximum (max), le minimum (min) et i la valeur de la période d‟observation. Cette relation n‟est pas toujours linéaire surtout lorsque les indices de végétation approchent le niveau de saturation, c‟est à dire que pour un indice foliaire s‟étendant de 2 à 6. La variation de l‟indice foliaire dépend aussi du type de couvert et des conditions environnementales (Carlson & Riply, 1998). En considérant la relation non linéaire, les indices foliaires estimés à partir de l‟indice de végétation sont fortement dépendants de la géométrie de la canopée, des propriétés optiques des feuilles, du sol, de la position du soleil et de la couverture des nuages. Dans ce cas, la variation du NDVI est comme une fonction de l‟indice foliaire (LAI) et peut être exprimé par la loi de Béer (Guyot et al., 1991).

7.3.5. Autres indices de végétation

En dehors des indices de végétation décrits ci-dessus, il existe plusieurs autres indices qui décrivent les couverts végétaux. Il s‟agit du SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index ou indice de végétation ajusté au sol), de TSAVI (Transformed Soil Adjusted Vegetation Index ou indice de végétation ajusté au sol et transformé) et le MSAVI (Modified Soil Adjusted Vegetation Index ou indice de végétation ajusté au sol et modifié) qui représentent le groupe des indices qui minimisent les effets de sol (Huete, 1988 ; Baret et al., 1989; Qi et al., 1994). Il y a aussi les groupes des indices qui minimisent les effets atmosphériques parmi lesquels on peut citer : GEMI (Global Environmental Monitoring Index ou indice de suivi global de l‟environnement) et ARVI (Atmospherically Resistant Vegetation Index ou indice de végétation résistant à l‟atmosphère) développés respectivement par Pinty (Pinty et Verstraete, 1991) et Kaufman (Koufman et Tanré, 1992).

1

b

r

pir

PVI

67

8 ZONE D’ETUDE:TOGO