Post-traitement des données issues de la proxidétection

Sur la base de la littérature, deux indices spectraux dans le domaine du visible et un dans l’infrarouge thermique ont été utilisés :

 le NDVI, qui permet de suivre une éventuelle évolution de la structure du houppier

 le PRI, qui est plus récent et plus prospectif, est directement liée à une modification pigmentaire provoquée par un stress

 la différence (Tv-Ta) qui est l’un des premiers indices spectraux utilisé pour l’évaluation de l’état hydrique du couvert. (cf. paragraphe II.2.4)

Des études antérieures ont démontré que le signal mesuré du PRI dépend de l’intensité du rayonnement incident arrivant sur les feuilles (diffus ou direct) et de l’angle solaire. Pour éliminer ces effets rayonnement, nous avons choisi la tranche horaire entre 11h et 13h (heure TU) qui coïncident avec la hauteur maximale du soleil et l’intensité maximale du rayonnement incident de la journée (Figure IV.3). Dans un premier temps, seules les journées dites « claires », en absence de passage nuageux, ont été étudiées pour s’affranchir dans une première étape d’un effet de l’intensité et de la qualité de Rg (le pourcentage de rayonnement diffus, forte variabilité du Rg incident). La sélection de ces jours se base sur un seuil du rayonnement attendu en ciel clair, (Rso).

Le Rso est une fonction linéaire du rayonnement atmosphérique (Ratm) dont la pente est

l’indice de clarté (Allen et al., 1994):

𝑅𝑠𝑜= (0.75 + 2 ∗ 10−5_{∗ 𝑧)𝑅𝑎𝑡𝑚 (IV. 6)}

Où z est l’altitude [m].

Une journée est considérée comme « claire » quand le rayonnement global mesuré et moyenné sur le créneau horaire 11-13 h est supérieur à 𝛼𝑅𝑠𝑜. Plusieurs valeurs de α ont

été testées (0.75- 0.8- 0.85- 0.9) pour réaliser une étude de sensibilité. Afin d’affiner les résultats, le coefficient de variation du rayonnement a été calculé sur la période 11-13 h et un seuil a été défini sur la base de la dynamique journalière de Rg pour améliorer le filtre des jours sans passages nuageux. Finalement, nous avons sélectionné pour le reste de l’étude des journées dites « claires », les jours ayant un α de 0.8 et un coefficient de variation inférieur à 10 % (Annexe IV. 2).

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Figure IV.3: Un exemple de l’évolution du PRI et du rayonnement incident sur la journée dite

« claire » du 18/08/2014 ; le rectangle grisé correspond à la tranche horaire choisi pour le calcul des moyennes journalières (entre 11 h et 13 h) ; les traits noirs correspondent aux

heures où l’hauteur angulaire du soleil est égal à 20 ° et 50 ° respectivement.

Pour prendre en compte l’effet de la structure (LAI, teneur en pigments) sur la valeur PRI, trois approches de correction du signal ont été appliquées pour extraire la part liée au cycle des xanthophylles :

- La première et la plus classique est inspirée des travaux de Soudani et al. (2014), Gamon and Surfus (1999) et de Gamon & Berry (2012). Elle consiste à calculer delta PRI (équation (IV. 7), qui est la différence entre la valeur moyennée entre 11 h et 13 h et un PRImatin ou PRI0.

𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 𝑃𝑅𝐼 = 𝑃𝑅𝐼_11−13ℎ− 𝑃𝑅𝐼0 (IV. 7)

Figure IV.4: La relation entre aPAR et PRI déterminée par Soudani et al. (2014) ; le PRI0

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Soudani et al. (2014) se sont appuyés pour l’estimation du PRI0 sur une relation linéaire entre aPAR et PRI obtenue sur chaque journée. Cette ordonnée à l’origine (PRI0) de la droite de régression de cette relation (Figure IV.4) varie selon la saison en fonction des modifications saisonnières des caractéristiques structurales (biochimie et LAI) de la canopée.

Or, dans le cadre de cette plantation d’oliviers, aucune relation significative Rg/PRI n’a pu être mise en évidence. Ce résultat peut être expliqué par le positionnement du capteur PRI. Contrairement à Soudani et al. (2014) où le capteur était installé à 7 m de la canopée d’une forêt d’un LAI de 5.5 m².m-_², les mesures du PRI sont réalisées ici par un capteur, caractérisé par un faible angle de visée (Field Of View (FOV)) de 25 ° et installé à une hauteur de 1.5 m au-dessus de la couronne d’un arbre isolé. En plus, nous avons utilisé le rayonnement global au lieu de l’aPAR qui est difficile à estimer pour un houppier d’arbre et dans le cas d’arbres isolés.

Aussi, une autre alternative a été testée sur la base des travaux de Magney et al. (2016b) sur des couverts de blé en Amérique du Nord. Selon cette méthode, le PRI0 a été estimé en moyennant les valeurs mesurées pour des faibles hauteurs angulaires du soleil (<50 °), en début de journée, lorsque le rayonnement est encore suffisamment faible pour considérer que le signal PRI n’inclut pas des effets associés aux processus de photosynthèse.

Dans notre cas, plusieurs tests sur la méthode de calcul ont été réalisés (un créneau horaire fixe et constant sur l’année, un créneau de 1 h30 variant entre 6 h et 9 h selon la saison, des créneaux de 30 minutes, 1h et 1 h30 variant selon différents seuils sur l’angle solaire). Finalement, celle basée sur la moyenne de la ou les valeurs de matinée du PRI pour des hauteurs angulaires du soleil inférieures à 20° et un rayonnement incident supérieur à 100 W.m-_{² a} été retenue. La figure IV.3 illustre une augmentation significative du rayonnement global pour des angles solaires compris entre 20 ° et 40 °. Le palier du PRI matin correspond plutôt à des angles solaires <20 ° d’où le choix de ce seuil pour notre étude.

- La deuxième méthode présente l’avantage d’utiliser la totalité des journées de mesure quelle que soit l’intensité du rayonnement incident. Par analogie avec l’ITP, cette approche repose sur la pondération du PRI moyen mesuré entre 11 h et 13 h par un PRIpot qui correspond à la valeur minimum attendue en absence de contrainte hydrique pour une valeur de rayonnement incident donnée (équation (IV. 8). Pour ce faire, nous avons sélectionné les jours ayant des contenus en eau utile du sol supérieurs à 40 % de la réserve utile calculée entre 0 et 40 cm. Cette valeur a été choisie sur la base des travaux de Chebbi et al. (2018) qui ont montré la capacité des oliviers à extraire de l’eau en profondeur pour assurer le taux transpiratoire. Le diagramme de dispersion montre que la variation de ce PRI_POT, ou PRI minimum enregistré en absence de conditions limitantes en eau, en fonction du rayonnement incident n’est pas significative sachant que le nombre de points ayant un rayonnement inférieur à 600 W.m-_{² ne dépasse pas 6 points (voir Annexe IV. 9). Nous avons}

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retenu la valeur d’une journée ayant à la fois un contenu en eau du sol non- limité et un rayonnement maximum pour être cohérent avec la plage horaire 11-13 h.cette valeur de PRI_POT est égale à 0.106.

𝐼_𝑃𝑅𝐼(𝑚𝑖𝑛 𝑠𝑠 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠) =𝑃𝑅𝐼_𝑃𝑂𝑇 − 𝑃𝑅𝐼11−13ℎ

𝑃𝑅𝐼_𝑃𝑂𝑇 (IV. 8)

Pour réaliser une étude de sensibilité du I_PRI au PRI_POT, d’autres méthodes d’estimation du PRI_POT ont été testées (voir Annexe IV. 9)

- Contrairement aux deux méthodes précédentes qui sont purement empiriques, la troisième approche s’appuie sur une base plutôt physique dont l’objectif est de prendre en compte l’effet de la structure associée à la variation du rayonnement dans la journée sur le signal du PRI. A l’aide du modèle DART de transferts radiatifs 3D (Gastellu-Etchegorry et al., 1996), on simule donc un

PRI dont les variations ne sont dues qu’à l’interaction du rayonnement mesuré

in-situ avec la scène construite représentant la structure de la canopée de l’arbre instrumenté sans prendre en compte l’effet de son fonctionnement. La scène est de 20 m par 20 m, qui est la valeur de l’écartement entre les arbres de la parcelle étudiée. L’olivier, objet 3D importé, est situé au centre et est entouré de sol nu (Figure IV.5).

(a) (b)

Figure IV.5: La maquette de l’olivier (a) et la scène DART vu de dessus (b) DART propose 3 types de cellules pour remplir la maquette :

 des cellules « turbides » qui représentent les feuilles de l’arbre et l’air.

 des cellules « opaques » qui simulent le sol, les branches et le tronc de l’arbre.  et des cellules mixtes qui contiennent une combinaison des deux autres types.

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(a) (b)

Figure IV.6: Les catégories de cellules simulées par DART : (a) cellule turbide et (b) cellules

opaques (DART manual user’s)

Ce modèle nécessite en entrée un spectre moyen de réflectance et de transmittance des objets "feuilles", "tronc" et "sol", des données des paramètres de structure, de quantité de chlorophylle, de pigments et de teneur en eau. Les propriétés optiques du sol sont obtenues à partir des mesures in-situ du spectroradiomètre Analytical Spectral device (ASD). Le spectre obtenu est typique d’un sol sableux avec deux bandes d’absorptions de l’eau ayant des longueurs d’ondes de 1.45 et 1.95 µm. pour le spectre du tronc, la réflectance maximum est autour de 40% et les pics d’absorption sont moins marqués (Bernard Mougenot : communication personnelle). La réflectance des feuilles d’olivier n’est pas mesurée sur le site en plus d’être peu documentée dans la littérature. Elle est caractérisée particulièrement par une forte réflectance dans le visible grâce aux poils blanchâtres et une faible transmittance vu l’épaisseur du limbe et la concentration en pigments (Baldini et al., 1997). Pour estimer le spectre moyen de réflectance et de transmittance des feuilles, en collaboration avec l’équipe de DART au CESBIO, nous avons utilisé le modèle PROSPECT (Feret et al., 2008). Les entrées du modèle sont les paramètres de structure, la teneur en chlorophylle et en pigments ainsi que la teneur en eau issues de la bibliographie. Ces paramètres ont été ajustés par Touhami (2014), afin de produire un spectre cohérent avec des observations sur des oliviers au Maroc et les instructions des travaux antérieurs (Baldini et al., 1997; Baldy et al., 1986; Rallo et al., 2014; Tucker and Garratt, 1977). En outre, les propriétés de l’atmosphère qui y règne ont été inversées à partir des mesures du rayonnement global (Gastellu-Etchegorry, 2018 : communication personnelle). Les spectres obtenus sont indiqués sur la figure IV.7.

123 (a)

(b)

Figure IV.7: Les spectres foliaires de la face supérieure (a) et de la face inférieure (b) avec

lesquels les simulations DART ont été réalisées (Touhami, 2014) ; les traits bleu et rouge correspondent aux bandes de réflectance utilisées pour le calcul du PRI (531 et 570 nm

respectivement.

Quant à l’indice dans le thermique, les valeurs de Tv-Ta ont été calculées sur la période d’étude. Le traitement des données de Tv est détaillé dans II.2.4. Nous avons choisi la moyenne sur la tranche horaire 11-13 h, qui correspond au maximum du rayonnement, pour pouvoir les comparer avec les données de PRI (Figure IV.8).

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Figure IV.8: Exemple de l’évolution du rayonnement global et de T_v-T_a sur la journée du 23/04/2014 ; le rectangle grisé correspond à la tranche horaire choisi pour le calcul des

moyennes journalières (entre 11 h et 13 h)