Y (indices de teneur en eau) (Martens et Naes 1989) Elles permettent donc de réduire le
3. S PECTROSCOPIE PROCHE INFRAROUGE DES FEUILLES FRAÎCHES DE VÉGÉTATION MÉDITERRANÉENNE ET
3.2. P ROTOCOLES ET MATÉRIELS
3.2.3. MATÉRIELS EXPÉRIMENTAUX 1 L E SPECTRORADIOMÈTRE
L’appareil utilisé est un spectroradiomètre portable de marque ASD© (Analytical Spectral Devices©) à barrettes de diodes (Tableau 24).
Tableau 24. Caractéristiques techniques du spectroradiomètre ASD FieldSpec™FR (d’après ASD, 2002)
Critères Caractéristiques
Composants 3 spectromètres
Longueurs d’onde 350-1000 nm 1000-1800 nm 1800-2500 nm Matériaux barrette de silice de 512 photodiodes InGaAsbarrette 28 barrette InGaAs étendue
Résolution spectrale 3 nm 10 nm
Largeur d’échantillonnage 1,4 nm 2 nm
Nombre total de canaux bruts 1512
Nombre total de canaux interpolés 2151 au pas de 1 nm
Précision des longueurs d’onde +/- 1 nm
Temps d’acquisition 10 spectres par seconde
L’échantillon est illuminé par un rayon polychromatique (lampe halogène) dispersé par un monochromateur. Les trois barrettes composées de diodes photosensibles sont placées dans le plan de dispersion du monochromateur. Chaque diode enregistre donc l’intensité de la lumière correspondant à une longueur d’onde donnée.
Le spectroradiomètre ASD© s’utilise avec plusieurs types de modèles d’exploitation FieldSpec™ qui diffèrent selon leur gamme de mesures. Nous avons utilisé le modèle FR qui permet les applications les plus larges. Les spectres, exportés en format « texte », sont ensuite traités au moyen du logiciel Matlab®, choisi pour sa rapidité d’exécution (nécessité d’inverser des matrices de plus de 2000 x 2000).
Pour notre protocole, chaque spectre mesuré par le spectroradiomètre correspond à la moyenne de 30 acquisitions.
3.2.3.2. LE COUPLAGE D’UNE SPHÈRE D’INTÉGRATION
Nous utilisons comme source lumineuse une lampe halogène QTH de 50 watts, filtrée par un système de prismes et de lentilles. Le rayonnement incident est ensuite réfléchi par la surface de l’échantillon.
Deux cas se présentent alors (Figure 45) :
▪ Si l’énergie qui pénètre une ou plusieurs particules de la feuille est réfléchie dans toutes les directions, nous sommes dans le cas de la réflexion diffuse (lambertienne). ▪ Si la lumière est réfléchie selon une seule direction et si l’angle de la lumière réfléchie
est égal à l’angle d’incidence du rayon, nous sommes dans le cas de la réflexion spéculaire. Celle-ci peut s’avérer gênante et venir perturber la mesure de la composante diffuse.
Figure 45. Réflexion spéculaire (à gauche) et diffuse (à droite)
La variation angulaire de la réflectance des feuilles est intermédiaire entre ce qui est observé pour une surface diffuse et pour une surface spéculaire. En effet, le rayonnement sortant de la feuille est composé d'une fraction diffusée par les tissus internes et variant en fonction de la longueur d'onde, et d'une fraction due à la réflexion spéculaire à la surface de la feuille et qui ne varie pas spectralement.
Pour minimiser la réflexion spéculaire et considérer un rayonnement réfléchi diffus, on utilise soit une configuration optique désaxée à l’aide de miroirs elliptiques, soit la somme des rayonnements réfléchis par l’intermédiaire d’une sphère d’intégration.
Dans notre cas nous utilisons une sphère d’intégration externe LI-1800-12 reliée au spectroradiomètre par une fibre optique (EUROSEP Instruments, 2001). La sphère se caractérise par une forte sensibilité, des étalonnages robustes et des mesures bien reproductibles d’échantillon à échantillon, notamment dans le cas d’échantillons hétérogènes. L’intérieur est recouvert d’une couche de sulfate de baryum (BaSO4), matériau permettant une
réflectance et une diffusion maximales de la lumière. Nous précisons toutefois que le BaSO4
a tendance à s’humidifier en captant la vapeur d’eau de l’atmosphère, nécessitant des corrections supplémentaires.
Pour la mesure, chaque feuille est placée à l’extérieur de la sphère. Les différents composants de la sphère sont placés selon deux configurations pour mesurer soit la réflectance (capteur et lampe du même côté), soit la transmittance de l’échantillon (lampe et capteur situés de part et d’autre de l’échantillon).
3.2.3.3. AUTRES MATÉRIELS
Pour mesurer la surface des feuilles nous utilisons un planimètre laser (CI-203 Portable Laser
Area Meter). La surface de chaque feuille correspond à la moyenne de deux mesures. La
précision de l’appareil est de l’ordre de 0,1 mm2. Étant donnée la faible masse des
échantillons (<0,2 g), nous utilisons une balance de précision à 10-4 g pour mesurer les
masses fraîches et sèches de nos échantillons.
3.2.3.4. ERREURS ET INCERTITUDES
3.2.3.4.1 ÉTALONNAGE ET CORRECTION DES MESURES DE TRANSMITTANCE
Selon la loi de Kirschoff la somme de Réflectance+Absorptance+Transmittance est égale à 1. Néanmoins la répartition de ces trois composantes de la lumière incidente est variable selon la longueur d’onde. L’absorptance est majoritaire dans la partie visible de la lumière (400- 700 nm) ; la réflectance et la transmittance sont majoritaires dans le proche infrarouge (750- 1300 nm).
En 2001, les spectres obtenus présentent des incohérences. La somme de la réflectance et de la transmittance pour une face de feuille donnée est souvent supérieure à 1, notamment dans les gammes de longueurs d’onde de 800 à 1200 nm ! L’étalonnage de l’appareil est nécessaire car la sphère comporte des petites imperfections en elle-même et n’est donc pas parfaitement diffuse et réfléchissante.
Dans le cas de la mesure de la réflectance, la valeur relevée est étalonnée aux bornes de la plage de mesure, avec une référence blanche ρ = 1 (pastille de sulfate de baryum) et une
référence noire ρ = 0 (bouchon noir). Attention : le sulfate de baryum est loin de réfléchir
100% de la lumière, en particulier dans le proche et moyen infrarouge. De même, il est difficile de fabriquer des échantillons absorbant entièrement la lumière (cônes peints en noir ou lames de rasoir en piège optique) . En ce qui concerne notre protocole, l’appareil est étalonné en réflectance tous les 20 échantillons.
Dans le cas de la mesure de la transmittance, la feuille échantillon est éclairée à l’extérieur de la sphère et la lumière la traversant (rayonnement transmis) est réfléchie et intégrée par la surface interne blanche de la sphère. Ce rayonnement transmis est mesuré par le spectroradiomètre en un point de la sphère. On remarque qu’il n’y a pas d’étalonnage disponible avec l’appareil. De plus, lors de la mesure de la transmittance, la configuration de la sphère pose problème car un bouchon noir (absorbant) ferme un orifice de la sphère, laquelle n’est donc plus totalement réfléchissante.
Pour mesurer l’effet de ce bouchon, Verney-Carron (2002) caractérise un échantillon-étalon de calque en transmittance diffuse pour le matériel employé. Elle commence par déterminer les propriétés optiques du calque par l’intermédiaire du modèle de Stokes en le superposant sur fond standard (blanc, gris ou noir). Elle mesure ensuite au spectroradiomètre la réflectance puis la transmittance. Elle montre alors que pour la partie non bruitée du spectre (entre 350 et 1800 nm), la valeur mesurée est supérieure à la valeur théorique. L’erreur sur la réflectance est minime (1,6% en moyenne) alors que celle sur la transmittance n’est pas négligeable (11,2% en moyenne) (Figure 47). La courbe de correction des transmittances est donc appliquée à l’ensemble des spectres pour les redresser.
Figure 47. Facteur de correction des spectres en réflectance et transmittance de 400 à 1800 nm (d’après Verney-Carron, 2002)
3.2.3.4.2 COMPORTEMENT DE L’ÉCHANTILLON AU COURS DE LA MESURE
La manipulation consiste à effectuer 10 opérations dans un temps minime.
Liste chronologique des tâches :
• choisir et détacher une feuille de la branche prélevée en garrigue
• peser la feuille (poids humide 1)
• mesurer la réflectance de la face supérieure
• mesurer la réflectance de la face inférieure
• changer la configuration de la sphère pour permettre la mesure de la transmittance
• mesurer la transmittance de la face inférieure
• mesurer la transmittance de la face supérieure
• peser la feuille à nouveau (poids humide 2)
• mesurer la surface de la feuille (2 fois)
• stocker dans un sachet et étiqueter
L’échantillon manipulé est soumis à un éclairement puissant (50 watts) produisant un dessèchement rapide de l’échantillon pendant la mesure. La différence entre la masse de l’échantillon en début et en fin d’expérience est significative : l’échantillon perd en moyenne 1,5% de sa masse. Par rapport à la variation annuelle de l’état hydrique de la feuille, c’est énorme : près de 10% de la variation annuelle obtenue en quelques minutes de manipulation ! Ainsi seule la réflectance de la face supérieure des feuilles est comparée aux indices d’état hydrique calculé (FMC et EWT). Cette mesure de réflectance est consécutive à la pesée, limitant ainsi le dessèchement et les erreurs. Le spectre obtenu correspond bien à l’état hydrique de la feuille lors de la pesée. En revanche cela n’est pas le cas pour les autres mesures spectrales redondantes et moins précises.
3.2.3.4.3 PRÉCISION DES MESURES SPECTRALES
Il est difficile de calculer une précision des mesures spectrales. Elles dépendent du réglage et de la qualité des appareils de mesure, des conditions d’expérience. Certaines conditions sont restées relativement constantes pendant les mesures : laboratoire climatisé, échantillons à température stable. Les phases de calibrage des capteurs ont été réalisées en suivant les instructions des fabricants. La précision des longueurs d’onde est de 1 nm et la résolution spectrale de 3 à 10 nm interpolée au pas de 1 nm (Tableau 24).
3.2.3.4.4 PRÉCISION DES INDICES DE TENEUR EN EAU
Nous calculons les deux indices FMC et EWT pour décrire l’état hydrique des feuilles. La précision de ces indices dépend de la propre précision du matériel utilisé (balance, planimètre) et de la variabilité du paramètre à observer (Figure 48).
Figure 48. Balance électronique et planimètre laser
Dans le cadre général du suivi spatio-temporel de l’état hydrique de la végétation, présenté au chapitre 2, nous prélevons pour chaque échantillon un grand nombre de feuilles (20 grammes par boite) et la précision de la mesure est bonne (± 1,2.10-3 en moyenne pour
l’indice FMC).
En revanche pour le calcul de l’indice FMC d’une seule feuille, même avec une balance de bonne précision, l’erreur de mesure est plus forte (± 3,2.10-3) (Tableau 25).
Tableau 25. Indices de teneur en eau et précision
Indice s
∆1 : erreur max.
moyenne Application numérique
∆2 : variations
annuelles ∆2 / ∆1
FMC ± 3,2.10-3 si FMC=0,85 alors 0,8468<FMC<0,8532 ± 4.10-1 125
EWT ± 4,2.10-5 si EWT=0,0135 alors 0,013458<EWT<0,013542 ± 6.10-3 143
Il est important de comparer la précision des mesures à la variabilité annuelle des indices pour une même espèce. Dans ce cas, l’erreur de calcul des indices FMC et EWT est très acceptable car plus de cent fois inférieure à la variation annuelle de l’indice.