CHAPITRE II : Suivi des cultures par télédétection radar - Complémentarité avec les images optiques
3. SIGNATURES TEMPORELLES RADAR ET OPTIQUE DES CULTURES
3.2. Apports des différentes polarisations pour le suivi des cultures saisonnières
3.2.1. Suivi des cultures pluviales d’hiver
Cas du colza
Pendant la saison de culture du colza (Figure 81a), les coefficients de rétrodiffusion acquis en polarisation croisée ( °VH ou °HV) présentent une dynamique de 6 dB (contre 3 dB en co-polarisation °VV ou °HH). Au cours des premiers stades de développement (compris entre les jours 51 à 105), seules quelques variations sont observées, elles sont inférieures à 1,5 dB. Durant la même période, le NDVI atteint les valeurs maximales, proches de 0,75. Le signal radar ( °VH) augmente entre les jours 122 et 150, période qui correspond à la fin de floraison, et au développement des graines. Durant cette phase, l'architecture complexe du couvert se met progressivement en place. Le développement progressif de structures sans orientations préférentielles conduit à un maillage complexe, qui explique l’augmentation du signal. Le NDVI présente alors de faibles variations, avec des valeurs proches de 0,7. Au cours du développement du colza, le signal acquis en cross-polarisation n'est pas affecté par les variations d'humidité de surface.
Figure 81 : Évolutions temporelles des coefficients de rétrodiffusion acquis en bande C ( 0 VH et 0
VH/VV), pour le colza. Les précipitations, l’humidité du sol, le NDVI et la hauteur de la culture sont présentés dans l’approche mono-parcelle a). La dispersion des signaux est représentée par une bande grisée dans l’approche multi-parcelles b). Les lignes verticales ainsi que la lettre R indiquent la date (ou période) de récolte.
Avec une augmentation linéaire d'environ 5 dB entre les jours 64 et 140, le rapport entre les polarisations VH
et VV est particulièrement intéressant pour le suivi de cette culture (Figure 81a). Au cours de la sénescence (du jour 150 jusqu'à la récolte), le rapport sature à des valeurs proches de -4 dB, alors que le NDVI décroit jusqu’à 0,4. La diminution de la teneur en eau de la végétation, ou les variations d'humidité de surface n’induisent alors
123 aucun effet significatif. Le passage végétation sénescente à sol nu avec résidus de culture, est clairement identifiable avec une baisse de plusieurs dB. La différence entre les images acquises avant et après récolte est de 6 dB en polarisation croisée, et 3 dB en considérant le rapport de polarisation. Cette diminution importante du signal radar est expliquée par la faible rugosité du sol, combinée aux conditions sèches du sol, courantes lors de la période de récolte.
Les évolutions temporelles observées sur les douze parcelles sont semblables à la tendance observée sur la parcelle sélectionnée (Figure 81b). Les signaux acquis en polarisation croisée sont stables dans l'espace, comme en témoignent les faibles écarts types observés tout au long du cycle de végétation (0,8 dB en moyenne). La variabilité est légèrement plus importante avec le rapport de polarisation, durant la période comprise entre les jours 51 à 105. Elle est associée à l'hétérogénéité des conditions du sol (ayant un impact sur la polarisation VV). Cette dispersion diminue avec le développement de la culture, en raison de la réduction de la profondeur de pénétration du signal dans la végétation Ulaby et al., 1986. Concernant le NDVI, la variabilité est maximale durant les premiers stades de phénologiques, elle diminue avec le développement de la végétation.
Sur cette culture, les comportements des signaux radar sont d’une part contrastés, et différents de l’évolution des données optiques. Ils offrent par conséquent des possibilités de suivi de la culture complémentaires au NDVI, en combinant les dynamiques observées en polarisation croisée et celles du rapport VH/VV.
Cas du blé
Durant la saison de culture du blé, les coefficients de rétrodiffusion acquis avec la polarisation VV varient de 10 dB (Figure 82a). Deux périodes particulièrement intéressantes sont observées lors du développement de la culture. La première, comprise entre les jours 85 et 122, correspond à la phase d’élongation des tiges. Le contenu en eau de la végétation est alors maximal, supérieur à 90%. Pendant cette phase, alors que l’indice de végétation atteint des valeurs maximales proches de 0.8, le signal radar diminue linéairement. Le NDVI et les coefficients de rétrodiffusion saturent à la même période. Puis, le signal radar ( °VV) augmente régulièrement, durant la période comprise entre les jours 150 jusqu’à la récolte. La sénescence de la culture est alors identifiée par la diminution du NDVI, qui atteint des valeurs voisines de 0,25 avant la récolte. Ce comportement des coefficients de rétrodiffusion (particulièrement avec la polarisation VV) est associé à une augmentation de l'absorption par la culture lorsque la végétation est humide, et à l'effet inverse, quand la végétation est sèche (Cookmartin et al., 2000). Sur cette parcelle, le signal radar ne semble pas affecté par les variations d’humidité de surface.
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Figure 82 : Évolutions temporelles des coefficients de rétrodiffusion acquis en bande C ( 0VV et 0HH/VV), pour le blé. Les précipitations, l’humidité du sol, le NDVI et la hauteur de la culture sont présentés dans l’approche mono-parcelle a). La dispersion des signaux est représentée par une bande grisée dans l’approche multi-parcelles b). Les lignes verticales ainsi que la lettre R indiquent la date (ou période) de récolte.
Sur les soixante-dix parcelles (Figure 82b), la diminution du signal est clairement visible au cours cycle phénologique. Elle est toutefois associée à une importante variabilité, comme l’ensemble des valeurs acquises durant la saison de culture, avec un écart-type moyen proche de 1,4 dB. Le décalage de développement de la végétation au sein des différentes parcelles, ainsi que la différence des niveaux de biomasse et de hauteur des cultures expliquent d’une part, la variabilité observée, et la difficulté à discerner une tendance claire lors de la sénescence. L'inflexion qui suit l’événement pluvieux, est une nouvelle fois uniquement visible sur les soixante-dix parcelles. L'effet de l'humidité du sol est moins important avec une polarisation verticale (par rapport à la polarisation l'horizontale), les coefficients de rétrodiffusion étant dominés par la composante végétation.
L'évolution temporelle du rapport °HH/VV présente deux phases distinctes (Figure 82a). Lors des premiers stades de développement de la culture, les valeurs sont proches de 0 dB. Elles augmentent linéairement au cours de l'élongation des tiges, puis une légère baisse est observée, enfin le signal diminue fortement (7 dB) jusqu’à la récolte. Une tendance similaire est observée sur les soixante-dix parcelles avec une augmentation d'environ 4 dB entre les jours 64 à 105 (Figure 82b). Pendant cette période, le NDVI augmente également, passant de 0,5 aux valeurs maximales. Le comportement observé avant la récolte sur la parcelle d’intérêt (Figure 82a) ne doit pas être considéré comme une généralité. Sur cette parcelle, l’évolution du signal radar s’explique en partie par la verse du blé (chute du blé en raison de la période venteuse) induisant de fortes valeurs en polarisation VV, et de faibles valeurs concernant le ratio. Sur les soixante-dix parcelles, aucune différence significative n'est observée dans les domaines optiques ou micro-ondes. En outre, tous les signaux satellites saturent à la même date (jour 100). Le NDVI présente une variation significative au cours de la sénescence ; période également soulignée par
125 une légère augmentation des coefficients de rétrodiffusion acquis avec la polarisation VV. Les variations d'humidité du sol n'affectent pas le NDVI, ou le rapport de polarisation quelle que soit l'échelle d'étude.