Objectifs

En ce qui concerne l'état de l'art, l'une des principales limites de la modélisation du bilan hydrique des cultures est le manque de données d'irrigation sur des zones larges, dont tous les flux d'eau dépendent essentiellement des apports en eau. Cependant, la télédétection s'est avérée très utile pour le suivi des variables de surface clés afin de résoudre le bilan couplé d’eau-énergie. En particulier, les images thermiques instantanées sont capables de détecter les états de surface qui peuvent être intégrés dans le bilan couplé d’eau-énergie afin de résoudre ses composants.

L'objectif général de cette thèse consiste donc à estimer les principales composantes du bilan hydrique des systèmes agricoles, tels que l'ET, le RZSM et l'irrigation, à l'échelle de la parcelle (100 m) sur une base journalière et sur de larges zones (le périmètre irrigué de quelques kilomètres d’extension). A cette fin, le couplage entre les données optiques/thermiques issue de la télédétection et un modèle basé sur la FAO est proposé en tenant compte des principaux avantages suivants: i) la disponibilité de données optiques/thermiques à une résolution spatiale appropriée pour le suivi des cultures, ii) la simplicité des méthodes contextuelles à l’aide des données optiques/thermiques dans

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l'estimation de l’ET et le suivi du stress hydrique végétal, et iii) l'utilité des données optiques/thermiques comme approximation de la RZSM et de la SSM.

Cette thèse de doctorat a joué un rôle important dans le projet REC intitulé "Root zone soil moisture Estimates at the daily and agricultural parcel scales for Crop irrigation management and water use impact - a multi-sensor remote sensing approach, http://rec.isardsat.com". Ce projet (mars 2015 - mars 2019) a été soutenu par le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de la Commission européenne (H2020) dans le cadre de l'action Marie Sklodowska-Curie Research and Innovation Staff Exchange (RISE). Le projet a été réalisé par une collaboration internationale et multisectorielle entre: CESBIO (Centre d'Etudes Spatiales de la Biosphère) - Toulouse, Université Cadi Ayyad - Marrakech, isardSAT et LabFerrer - Catalogne. Ma thèse a donc directement nourri les objectifs du projet REC qui étaient: i) d'estimer la RZSM sur une base journalière à l'échelle de la parcelle agricole et ii) d'évaluer quantitativement les différentes composantes du bilan hydrique à l'échelle de la parcelle agricole à l’aide des données de télédétection facilement disponibles.

LMI-TREMA (Laboratoire Mixte International – Télédétection et Ressources en Eau en Méditerranée semi-Aride) à Marrakech vise à améliorer la gestion de l'eau destinée à l'irrigation en développant des outils permettant une utilisation rationnelle de l'eau. Pour ce faire, LMI-TREMA dispose depuis 2002 de plusieurs sites expérimentaux dans la plaine du Haouz, au Maroc (Jarlan et al., 2015), qui ont été utilisés pour tester les approches proposées dans cette thèse. LMI-TREMA travaille en étroite collaboration avec l'agence publique régionale ORMVAH (Office Régional de Développement Agricole du Haouz), responsable depuis 1966 de la conception et de la construction de grands périmètres irrigués et de leur gestion, ainsi que du développement agricole sur une superficie de 7000 km2 _{dans le Haouz.}

Bien que l'irrigation à l'échelle de la parcelle agricole soit un forçage critique pour le suivi de la gestion de l'eau dans les zones agricoles irriguées, elle est l'une des composantes du bilan hydrique les moins étudiées en termes d'estimation aux échelles spatiales intégrées. Par conséquent, une étape clé dans le développement de l'approche est l'estimation de l'irrigation puisqu'aucune méthode n'est encore disponible pour estimer le timing et les quantités d'irrigation à l'échelle de la parcelle et à l'échelle journalière, et que tous les flux d'eau dépendent essentiellement des apports en eau. L'approche de modélisation repose sur la synergie entre les données optiques de télédétection, les méthodes contextuelles et un modèle de bilan hydrique pour inverser d'abord l'irrigation, puis les autres composantes du bilan hydrique. Deux zones sont utilisées pour valider l'approche de modélisation développée dans cette thèse: une région semi-aride au Maroc et une région aride au Chili.

Cette thèse suit une approche par étapes et est structurée en trois étapes principales et complémentaires.

Dans un premier temps (Chapitre 3), une étude de faisabilité est réalisée à l'échelle in situ sur une parcelle de blé d'hiver en intégrant des données optiques/thermiques dans un modèle de bilan hydrique basé sur la FAO-56. Cette approche vise à estimer l'irrigation à l'échelle journalière au cours de la saison agricole afin de forcer le modèle de bilan hydrique des cultures et d'estimer la RZSM et l’ET journalières tout au long de la saison. Étant donné que cette approche est mise en œuvre au moyen d'observations in situ sur une base journalière, elle est évaluée pour différentes fréquences d'observation allant de 1 à 16 jours pour ressembler la disponibilité de l'observation par télédétection.

L'application de l'approche précédente aux données Landsat correspond à la deuxième étape (Chapitre 4) de cette thèse. Dans cette étape, les objectifs spécifiques sont les mêmes que dans la première étape, à la différence que les quantités et le timing d'irrigation, l'ET et la RZSM sont estimés sur de grandes superficies. A cette fin, des changements importants sont adoptés pour mettre en œuvre l'approche avec des données de télédétection facilement disponibles sur trois zones de la région semi-aride du centre du Maroc. Cinq sites expérimentaux couverts par des champs de blé d'hiver avec différentes techniques d'irrigation (goutte à goutte, inondation et sans irrigation) sont utilisés pour valider l'approche. Cette approche vise à estimer, pour la première fois, l'irrigation à l'échelle de la parcelle agricole sur une base journalière sur de larges superficies à partir de données de télédétection facilement disponibles pour une mise en œuvre opérationnelle ultérieure.

Dans la troisième étape (chapitre 5), une méthode opérationnelle de désagrégation des données thermiques est présentée afin d'estimer l'ET tous les 8 jours. La méthode est développée et évaluée dans une région aride du Chili sur de vignes et un verger d'oliviers. La désagrégation est un élément clé de l'approche que nous proposons ainsi que de nombreuses méthodes d'ET à l’aide de télédétection thermique. Ainsi, la disponibilité des données thermiques à une résolution spatiale et temporelle appropriée est d'un intérêt primordial pour le suivi de la gestion de l'eau à l'échelle du terrain. Dans le même ordre d'idées, la dernière étape de cette thèse implique la mise en œuvre de l'approche d’estimation des données d'irrigation en utilisant des données thermiques désagrégées comme données d'entrée afin d'assurer la disponibilité des principales données d'entrée tous les 8 jours et même tous les 4 jours en combinant les données Landsat-7, -8 et LST désagrégées.