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Évaluation de la très haute résolution spatiale pour le
suivi de l’état hydrique des cultures : projet Telerieg
Audrey Jolivot
To cite this version:
Audrey Jolivot. Évaluation de la très haute résolution spatiale pour le suivi de l’état hydrique des cultures : projet Telerieg. Sciences de l’environnement. 2011. �hal-02596737�
Evaluation de la Très Haute Résolution
spatiale pour le suivi de l’état
hydrique des cultures
Projet Telerieg
Audrey JOLIVOT
Directeur du projet : Sylvain LABBE (CEMAGREF – UMR TETIS)
Tuteur SILAT : Marie-Christine BOIS (AGROPARISTECH – UMR TETIS)
Rapporteurs : François COLIN(SUPAGRO – UMR LISAH)
Jean-Stéphane BAILLY(AGROPARISTECH – UMR TETIS – UMR LISAH)
SYSTEMES D'INFORMATIONS LOCALISÉES POUR L'AMÉNAGEMENT DES TERRITOIRES
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CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Lettre de mission
Commanditaire
Sylvain Labbé
Cemagref – UMR TETIS
04 67 54 87 47
Tutrice
Marie-Christine Bois
AgroParisTech – UMR TETIS
04 67 54 87 68 [email protected]
Etudiant Silat
Audrey Jolivot
Chef de projet
06 26 58 46 11 [email protected]Evaluation de la Très Haute Résolution Spatiale
pour le suivi de l’état hydrique des cultures
Contexte
Le projet Télérieg, projet européen sur trois ans (2009-2011) a pour but d’améliorer la gestion des ressources en eau dans le domaine agricole grâce à l’utilisation de la télédétection. Ce projet s’appuie sur la zone SUDOE, c'est-à-dire le Sud Ouest de l’Europe : Portugal, Espagne, Sud Ouest de la France.
Durant les deux premières années du projet, les études ont été menées à l’échelle de la plante puis de la parcelle expérimentale. Ma mission (3ème année du projet) portera sur la parcelle
agricole.
Finalité du projet
Etudier l’état hydrique de la plante via la télédétection afin d’aller vers une utilisation raisonnée de l’eau d’irrigation sans compromettre les rendements.
Objectifs du projet
- Gérer la programmation des collectes de données (relevés de terrain, images aériennes) - Valider l’utilisation de la télédétection via la comparaison entre les images thermiques et les
données terrain de suivi hydrique ;
- Etendre l’utilisation de l’imagerie thermique a de plus petites échelles.
Livrables
- Une base de données organisée et cataloguée contenant l’ensemble des images aériennes et les mesures terrain
- Une analyse de l’usage de Très Haute Résolution Spatiale dans la détermination du stress hydrique des cultures
Clause de confidentialité
Un accord de confidentialité a été signé le 02/02/2011, entre le Cemagref et moi-même, par lequel je « m’engage à ne pas diffuser, publier, communiquer à des tiers tout ou parties des résultats des travaux que j’effectuerai au Cemagref, ainsi que des informations que je pourrai obtenir, sans l’accord écrit du Cemagref ».
CemOA
: archive
ouverte
d'Irstea
Table des matières
Lettre de mission ... 2
Table des matières... 3
Liste des figures ... 4
Liste des tableaux... 4
I. Introduction ... 5
I.1. Le contexte de la mission ... 5
I.2. L’objectif de la mission... 5
II. Approche contextuelle... 6
II.1. Télédétection et stress hydrique des cultures ... 6
II.2. Deux unités de recherche complémentaires ... 7
II.3. Les acquis des deux premières années du projet... 7
III. Méthodologie ... 8
III.1. Analyse des besoins... 8
III.2. Mise en place de la démarche... 9
III.3. Acquisition des données... 12
III.4. Les indices de stress hydrique... 16
IV. Mise en œuvre de la méthode ... 18
IV.1. Acquisition des données... 18
IV.2. Elaboration des indices de stress hydrique (Blé dur) ... 21
IV.3. Analyse des données ... 23
IV.4. Elargissement de la méthode ... 25
V. Discussion ... 26
V.1. Analyse de la méthode ... 26
V.2. Analyse des données ... 26
V.3. Bilan ... 27 Conclusion et perspectives... 28 Remerciements ... 29 Bibliographie... 30 Annexes... 32 Résumé... 50 Abstract ... 50 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Liste des figures
Figure 1 : Espace Sudoe ………. 5
Figure 2 : Schéma du fonctionnement du système d’évapotranspiration d’une plante ……… 6 Figure 3 : Méthodologie……… Figure 4 : Localisation des sites d’étude ………... 10 8 Figure 5 : Système d’acquisition. ………... Figure 6 : Relevé de la position des mires avec un DGPS………. Figure 7 : Mise en place et mesure des cibles thermiques……… Figure 8 : Station Campell……… Figure 9 : Représentation du calcul du WDI……….… Figure 10 : Représentation du calcul du S-SEBI ………. Figure 11 : Régression linéaire entre les températures au sol et des PVA………. Figure 12 : Planning des acquisitions des données……… Figure 13 : Calcul du WDI (a) et du S-SEBI (b) (Castries, Vol 2)………... Figure 14 : Représentation du WDI (Castries)……… Figure 15 : Simulation avec le modèle Pilote ……….. Figure 16 : Régression linéaire entre le WDI et l'ETR/ETM………... Figure 17 : Dispersion du WDI des parcelles irriguées et non irriguées (vol 2)…...…………...
12 12 13 15 16 16 19 20 21 21 22 23 24
Liste des tableaux
Tableau 1 : Les parcelles d'étude……….….. Tableau 2 : Résolution des images acquises……….……….. Tableau 3 : Dates des vols réalisés sur les parcelles d'étude……….……….. Tableau 4 : Avantages et inconvénients des cibles……… Tableau 5 : Relation entre les indices de télédétection et les mesures de terrain………. Tableau 6 : Offre satellitaire en IRT (2011)………...
10 12 18 18 24 25 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
I. Introduction
I.1. Le contexte de la missionDepuis près de cinquante ans, nous observons une hausse des températures moyennes à la surface du globe : c’est le réchauffement climatique. Cette hausse des températures a occasionné durant les dernières années canicules et sécheresses dans de nombreuses zones, entraînant souvent des pénuries d’eau. Or, il s’avère que l’agriculture, première activité consommatrice d’eau dans le monde, consomme deux fois plus d’eau qu’il ne lui serait nécessaire (Fernandez & Verdier, 2004).
C’est à partir de ce constat qu’est basé le projet Telerieg dont l’objectif est de mieux maîtriser l’apport en eau dans les cultures et donc l’irrigation tout en maintenant de bons rendements.
Avec un budget de plus de 1.8 millions d’euros sur une durée de trois ans (2009-2011), Telerieg est réalisé dans l’espace sud ouest européen (SUDOE, Fig. 1) : Espagne, Portugal et France. Neuf organismes sont partenaires dans ce projet :
l’Association Climatologique de la Moyenne Garonne et du Sud Ouest (ACMG), l’Association Nationale des Producteurs de Noisettes (ANPN), l’Institut Agronomique Méditerranéen (IAM), le Cemagref, le Centro Operativo e de Tecnologia de Regadio (COTR), l’Instituto Murciano de Investigacion y Desarrollo Agrario y Alimentario (IMIDA), l’Instituto de Investigacion y Tecnologia Agroalimentarias (IRTA), l’Instituto Superior de Agronomia (ISA) et l’Instituto Valenciano de Investigaciones
Agrarias (IVIA).
Pour mener à bien cette étude, le projet Telerieg souhaite mettre en avant une nouvelle manière d’appréhender le diagnostic du stress hydrique à grande échelle via la télédétection. De plus, les parcelles ne sont pas toujours homogènes et ne nécessitent pas le même apport en eau sur toute la parcelle. Les images aériennes pourraient donc apporter un grand nombre d’informations concernant les variations intra-parcellaires (pas toujours décelées par les mesures in situ). Les méthodes d’irrigation pourraient alors être optimisées.
I.2. L’objectif de la mission
Depuis trois ans, de nombreuses expérimentations ont été réalisées par le Cemagref, en partie en proxi-détection sur des parcelles expérimentales (site de Lavalette, Montpellier). Chaque année du projet a eu pour but de valider l’usage de la télédétection à une échelle spécifique : en 2009 au niveau de la plante, en 2010 au niveau de la parcelle expérimentale. Cette année, l’objectif est d’étendre les connaissances acquises les années précédentes à l’échelle de la parcelle d’exploitation agricole et ainsi de valider l’usage de la télédétection dans la détection des surfaces stressées. C’est ce que nous allons essayer de mettre en avant dans ce rapport.
Figure 1 : Espace Sudoe
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II. Approche contextuelle
II.1. Télédétection et stress hydrique des culturesCe projet de recherche repose sur les principes fondamentaux du concept d’agriculture de précision. Ce dernier est basé sur le constat de l’existence de variabilités intra-parcellaires. Il propose une gestion raisonnée des apports en intrants (dont l’eau) par l’optimisation spatio-temporelle des apports à la parcelle pour assurer une gestion durable de l’environnement, tout en maintenant la productivité. Pour cela, l’état, notamment hydrique, de la culture doit être déterminé. D’un point de vue physiologique, la plante en
situation de déficit hydrique, ferme ses stomates afin d’éviter la déshydratation et la destruction de ses tissus (Fig. 2). L’évapotranspiration est alors réduite puis stoppée, ce qui conduit à une augmentation de la température de surface des feuilles : l’énergie solaire reçue par la plante provoque un échauffement de la surface foliaire (Labbé et al., 2009). Cette fermeture des stomates limite l’absorption du gaz carbonique et donc la photosynthèse et la production de matière sèche de la plante.
En lien avec le fonctionnement hydrique des plantes, diverses études ont montré que la température de la canopée est liée à la teneur en eau des plantes (Jackson et al. 1977). Les capteurs infrarouge thermique, en enregistrant l’énergie émise par les corps, permettent, via la loi de Stéphan – Boltzman1, de mesurer la température de surface des feuilles et de la canopée. Cela
signifie qu’il est possible de connaitre l’état hydrique de la plante et ainsi de détecter un éventuel stress hydrique, et cela sur de grandes surfaces si les mesures sont effectuées au dessus du couvert à l’aide de capteurs imageurs aéroportés (caméra thermique) ou satellitaires. L’irrigation pourrait ainsi être modulée dans l’espace (intra- et inter-parcellaire) en fonction de l’état hydrique des plantes, ce qui par conséquent optimiserait la consommation en eau.
Depuis une trentaine d’années, de nombreux indices ont été développés afin de mesurer le stress hydrique des plantes à partir de mesures effectuées dans le domaine infrarouge thermique. Nous pouvons citer le SDD : Stress Degree Day (Idso et al. 1977), le TSD : Temperature Stress Day (Gargener et al. 1981), le CTV : Canopy Temperature Variability (Clawson and Blad 1982) ou
1 La loi de Stéphan-Boltzman démontre que l’émission d’un corps noir est fortement dépendante de sa
température élevée à la puissance 4.
Mb = σT4 où Mb est l’existence d’un corps noir (W.m²), T la température du corps noir (K) et σ la constante de Boltzman, égale à 5.67032*10-8 W.m-².K-4
Figure 2 : Schéma du fonctionnement du système d’évapotranspiration d’une plante (à gauche)
et illustration de la fermeture d’un stomate en cas de stress hydrique (à droite)
Labbé et al. 2009 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
le CT : Canopy Temperature (Berliner et al. 1984), indices se basant essentiellement sur la température du couvert végétal et ne prenant pas en compte les conditions environnementales. Afin de tenir compte de l’influence des conditions météorologiques ambiantes dans le calcul du stress hydrique, Idso et al. (1981) ont développé le CWSI (Crop Water Stress Index). L’utilisation de cet indice est cependant limitée aux cultures couvrantes. C’est pourquoi, Moran et al. (1994) ont développé le WDI (Water Deficit Index) qui permet de tenir compte du taux de couverture végétale et donc peut être utilisé sur tout type de couvert végétal. Le taux de couverture végétale peut être estimé à partir d’un indice de végétation issu de mesures de télédétection tel que le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Le S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index, Roerink et al., 1999), quant à lui, s’appuie sur l’albédo pour tenir compte de la présence ou nom de végétation.
II.2. Deux unités de recherche complémentaires
La participation du Cemagref dans le projet Telerieg se fait au travers de deux Unités Mixte de Recherche (UMR) TETIS et G-EAU, télédétection et agronomie.
L’UMR TETIS est une unité rassemblant les connaissances dans le domaine de l’analyse spatiale et plus particulièrement en télédétection, c'est-à-dire l’analyse d’images acquises par voie aéroportée ou satellitaire. L’unité a mis à disposition le matériel d’acquisition d’images (caméra thermique, appareils photos), les logiciels de traitement d’images (ArcGis9.3 (ESRI), Erdas) ainsi que le matériel de positionnement (DGPS). C’est au sein de cette unité qu’ont été élaborés les protocoles de traitement des données aériennes du projet.
L’UMR G-EAU, dont l’équipe est composée en partie d’agronomes, apporte les connaissances en agriculture, irrigation et comportement des plantes face au stress hydrique. C’est avec leurs conseils que nous avons réalisé les mesures in situ : choix des mesures, mise à disposition du matériel de mesures agronomique. C’est également au sein de l’UMR G-EAU qu’a été développé le modèle de culture permettant de simuler le bilan hydrique, utilisé dans le cadre de l’étude.
II.3. Les acquis des deux premières années du projet
Durant les deux premières années du projet Telerieg, les études ont été réalisées au niveau de la plante (proxi-détection) et de parcelles expérimentales. Les connaissances acquises à l’échelle de la plante étaient nécessaires à l’extrapolation de l’étude à l’échelle de la parcelle. Les protocoles d’acquisition des données ont ainsi été élaborés et testé sur de petites surfaces. Suite à ces premières études, il a été décidé de poursuivre le projet à plus grande échelle. Les cultures suivies sont les mêmes : blé dur et pommiers, mais cette année, à l’échelle de la parcelle d’exploitation. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
III. Méthodologie
Afin de valider l’usage de la télédétection dans le suivi de l’état hydrique des cultures, la méthode adoptée, suite aux acquis des deux premières années du projet, est la comparaison de prises de vue aériennes (PVA) à des données de référence : les mesures in situ de l’état hydrique des plantes. Pour chacun de ces types d’informations, nous calculerons des indices de stress hydrique qui seront alors comparés l’un à l’autre. L’étude portera sur des cultures de blé dur et de pommiers.
Mon travail sera donc composé de trois parties (Fig. 3) :
- organiser la collecte des données (images aériennes et mesures in situ) ; - calculer les indices de stress hydrique à partir de ces données ;
- comparer ces indices afin de valider l’utilisation d’images aériennes.
Figure 3 : Méthodologie
III.1. Analyse des besoins
Pour mettre en œuvre la méthode, nous avons besoin de deux types de données : des images aériennes de nos zones d’études et des mesures de stress hydrique faites sur les sites d’études. Les images aériennes doivent être acquises dans les domaines du visible et du proche infrarouge afin de quantifier la couverture végétale et dans l’infrarouge thermique pour mesurer la température du couvert végétal.
Afin d’acquérir les images aériennes, l’UMR TETIS a fait appel à une société externe : L’AvionJaune. Cette société montpelliéraine est spécialisée dans l’acquisition d’images aériennes. Son travail a été à maintes reprises reconnu dans divers projets de l’unité. Elle a été retenue après appel d’offres comme prestataire de service pour cette partie du projet.
Concernant les mesures de terrain, l’appui d’agronomes est indispensable quant à la compréhension du fonctionnement de la plante, mais également dans le choix des mesures à réaliser. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
III.2. Mise en place de la démarche
La méthode envisagée implique une certaine organisation en amont de la collecte de données. Un important travail de coordination devait être mis en œuvre afin d’initialiser l’étude et de mettre en relation les différents partenaires autour de ce projet. Pour cela, chacune des campagnes (blé dur et pommiers) a débuté par une réunion de coordination des équipes sur le déroulement et l’organisation à mettre en place. Cela consistait en la présentation de l’équipe (les partenaires n’étant pas les mêmes pour les deux campagnes), le choix des parcelles, le nombre et le calendrier prévisionnel des acquisitions aériennes et des mesures terrain à réaliser, ainsi que les contraintes.
III.2.1. Les partenaires
Afin de mener à bien le projet, le Cemagref a développé divers partenariats, certains dès le début du projet Telerieg, d’autres cette année dans le but d’élargir l’échelle d’analyse.
- La chambre d’agriculture de l’Hérault : La CA34 dispose d’une bonne connaissance sur l’agriculture du département et de nombreux exploitants agricoles avec des informations concernant leur activité (type de culture, d’irrigation…). Cette expertise et ces contacts nous ont été très utiles afin de sélectionner les parcelles d’études chez des agriculteurs à proximité de Montpellier.
- Les agriculteurs : En nous permettant d’installer notre matériel et de faire nos mesures dans leurs parcelles, les exploitants ont fortement contribué à l’acquisition des données. Ils nous ont également permis de disposer de données précises sur les itinéraires techniques de leurs cultures (dates de semis, quantité et type d’engrais, quantité d’eau apportée..), données nécessaires à l’analyse et la compréhension des mesures réalisées dans leurs champs. Enfin ils ont accepté d’adapter leurs dates d’irrigation (ou non) en fonction de certaines de nos contraintes de mesures.
- L’Institut National de la Recherche Agronomique : L’UMR AGAP (Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes), partenaire du projet sur la partie Pommiers, est également intéressé par l’aspect télédétection afin de mettre en évidence les variétés (génotypes) les plus résistants au manque d’eau. Il nous apporte ainsi des conseils en agronomie quant aux mesures, au matériel ou encore aux méthodes nécessaires à l’étude.
- Le Centre d’Expérimental Horticole de Marsillargues : Le CEHM est une structure professionnelle d’expérimentation et d’information, au service de la filière Fruits & Légumes du Midi Méditerranéen ayant pour objectif l’amélioration de la compétitivité des productions. Grâce au réseau mis en place par le CEHM, nous avons pu travailler sur trois parcelles de pommiers d’exploitants agricoles, ainsi que sur une parcelle expérimentale de centre, mais également obtenir des données agronomiques et météorologiques de la zone.
C’est donc en collaboration avec les différents partenaires que j’ai pu mettre en place la mission qui m’était confiée : l’acquisition, le traitement des données et l’évaluation de la méthode.
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III.2.2. Les sites d’étude
Le choix des parcelles agricoles de blé dur et de pommiers s’est fait selon les critères suivants : - les parcelles d’étude doivent être comparables en tout point (variété, type de sol), seul
l’apport en eau doit les différencier (quantité ou méthode) ;
- proximité de Montpellier (éviter la perte de temps dans les trajets vu la fréquence des mesures à réaliser) ;
- connaissance de l’itinéraire technique (apport, d’engrais, date de semence…) ; - possibilité de moduler les irrigations.
Parcelles de blé dur (Figure 4, Tab. 1)
Suite à ces critères, la Chambre d’Agriculture nous a proposé deux exploitations de blé dur : La Grange aux Pins situées entre Prades et Montferrier et le domaine de Fontmagne à Castries. Nous nous sommes mis d’accord avec les agriculteurs afin de garder une parcelle non irriguée, ce qui nous permet ainsi d’avoir sur chaque site une parcelle irriguée (qui permettra la comparaison) et une parcelle potentiellement stressée. Une cinquième parcelle, de bonne qualité hydrique, est mise à disposition sur le site de Prades : elle ne nécessite généralement pas d’irrigation, nous la prenons comme parcelle Témoin. Les agriculteurs s’engagent à nous informer des évènements à venir sur ses parcelles (apport d’engrais, irrigation..).
Vergers
Concernant l’étude sur les pommiers, les vergers retenus sont : - Une parcelle expérimentale du CEHM (Marsillargues)
- Trois parcelles de producteurs : une vingtaine de parcelles autour de Marsillargues font partie du réseau du CEHM. Nous avons choisi trois d’entre elles ayant des caractéristiques proches (âge, variété), mais ayant des modes d’irrigation différents (micro aspersion / goutte à goutte).
Tous les vergers étant irrigués, ce sera donc le mode (goutte à goutte ou micro-aspersion) et la quantité d’eau apportée qui seront étudiés.
III.2.3. III.2.4. Blé dur Pommiers 2 sites 2 sites 5 parcelles - 2 irriguées - 2 non irriguées - 1 témoin (potentiellement irriguée) 4 parcelles - 1 parcelle expérimentale - 3 parcelles d’exploitation
Tableau 1 : Les parcelles d'étude Figure 4 : Localisation des sites d’étude
(ANNEXE A : Présentation des parcelles d’étude)
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III.2.3. Les dates de vol
Les périodes d’acquisitions aériennes ont été déterminées en fonction du développement de la culture et des périodes préconisées pour l’irrigation. Pour le blé deux vols sont programmés : un vol témoin en début de campagne, le second après l’irrigation.
Pour les pommiers les dates ont été déterminées par l’INRA dont le protocole nécessitait plus de contraintes dues à un suivi expérimental de différents génotypes de pommiers dont une partie était irriguée et l’autre était mise en stress durant deux mois. Quatre vols sont donc prévus : avant la période de stress (fin juin), deux durant le stress (début juillet et début aout) et un dernier à la reprise de l’irrigation.
Les dates précises sont ajustées au cours de la campagne en fonction de la météo et de l’évolution du stress hydrique. Avant chaque vol, une nouvelle réunion est programmée afin de se mettre d’accord sur le déroulement : date, heure, vecteur (ULM ou hélicoptère), itinéraire, altitude, analyse du précédent vol, disponibilité du matériel...
III.2.4. Les contraintes
Certaines contraintes ont dû être prises en considération dans l’organisation des campagnes.
La météorologie est une des contraintes les plus fortes : les PVA doivent être réalisées lors de belles journées, sans nuage (risque d’ombre sur les PVA, peu de contrastes sur les images IRT) et sans vent (chute des températures de surface lors de rafales). Il faut également tenir compte des conditions climatiques des jours précédents : il faut éviter de voler après une période de pluies si l’on veut cartographier le stress hydrique. Or la principale dépense résidait dans l’acquisition des images aériennes. Il faut savoir que chaque mission coute environ 3000€ (moyen aéroporté (ULM / hélicoptère), pilote, opérateur de prise de vue, pré-traitement des images) et chaque report de vol le jour même pouvait entrainer un surcout dû à l’immobilisation de l’appareil (environ 600€). Il était donc indispensable de tenir compte de tous ces éléments avant de programmer un vol.
Au-delà des conditions météo, il faut s’adapter à la disponibilité du matériel (partagé avec d’autres laboratoires) et des différentes équipes. En effet lors de chaque vol, une dizaine de personnes était mobilisée : pilote d’hélicoptère, opérateur de prises de vue, opérateurs au sol.
Enfin, certaines mesures au sol doivent être réalisées dans des conditions particulières : lumière diffuse (coucher du soleil), avant le lever du jour, au midi solaire. Nous avons dû adapter nos missions en fonction du type de mesures.
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III.3. Acquisition des données III.3.1. Les images aériennes
a) Le matériel d’acquisition
Les PVA sont acquises par la société l’AvionJaune à bord d’un ULM (Ultra Léger Motorisé) ou par hélicoptère, dans lesquels un opérateur dispose du matériel nécessaire à l’acquisition des images dans le visible (Rouge, vert, bleu : RGB), le Proche Infrarouge (PIR) et l’Infrarouge Thermique (IRT).
Les appareils utilisés sont deux appareils photographiques numériques du commerce du type Sony A850, dont un a été modifié pour capter les longueurs d’ondes dans le PIR (Lebourgeois et al. 2008) et une caméra thermique (FLIR Systems) (Fig. 5).
L’altitude de vol a été déterminée en fonction de la résolution spatiale recherchée. Cette résolution varie selon les types de culture et selon les capteurs (Tab. 2). Dans le cas des pommiers, la résolution a été définie de telle sorte que les
arbres soient visibles individuellement sur les images thermiques.
b) Mesures nécessaire au pré-traitement des images
- Géoréférencement des parcelles
Pour pouvoir être utilisées, les photographies doivent être ortho-rectifiées afin d’être superposables et géo-localisables (travail réalisé par l’AvionJaune). Dans le but de faciliter ce travail, des repères (ou mires) sont disposés dans la parcelle. Il s’agit de plaques de bois de 50*50 cm recouvertes d’aluminium et disposées de manière régulières dans la parcelle. Grâce à l’aluminium, elles sont très reconnaissables sur les prises de vue aériennes (PVA) autant dans le visible que dans le thermique. Les
coordonnées précises des mires sont relevées via le DGPS. (Fig. 6) - Corrections atmosphériques
Les PVA acquises dans l’IRT nécessitent également des corrections atmosphériques. En effet lorsqu’elles sont acquises par voie aéroportée (300m ou 600m dans notre cas), les images IRT présentent des températures de surfaces différentes de celles observées au sol. Ces effets sont dus à la présence de l’atmosphère entre la cible et le capteur. Afin de corriger ces effets, l’Onera a développé un code de simulation atmosphérique (Matisse) permettant de calculer la
Résolution Blé dur (alt. de vol : 900m) Pommiers (alt. de vol : 300m)
Visible / PIR 10 cm 3 cm
IRT 1 m 30 cm
Fauchée 340 m 100 m
Figure 6 : Relevé de la position des mires avec un DGPS Figure 5 : Système d’acquisition. Montage comprenant les deux appareils photo et la caméra thermique Tableau 2 : Résolution des images acquises
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température apparente d’un objet en fonction de l’altitude de prise de vue (Marti, 2011). N’ayant pas accès aux données nécessaires à cette méthode, nous avons employé une méthode de comparaison des températures : nous avons effectué, simultanément aux vols, des mesures de températures de surface in situ sur des cibles « chaudes » et « froides ». Cette « vérité terrain » est ensuite comparée aux températures mesurées par la caméra thermique en vol et la régression linéaire entre ces deux variables est utilisée comme « fonction de transfert » pour corriger les images thermiques des effets atmosphériques.
Nous disposons donc sur chaque site des cibles « chaudes » et « froides » qui sont à priori les points de températures extrêmes de la scène. Ces cibles doivent être suffisamment grandes (au minimum 4m²) pour être vues du ciel et pour être représentées par plusieurs pixels sur l’image (Fig. 7).
Lors de chaque passage d’avion, nous notons :
- L’heure de passage (heure universelle donnée par un GPS) ;
- La température de chaque cible mesurée avec un radio-thermomètre (Fluke) ; - La température de l’air.
Figure 7 : Mise en place et mesure des cibles thermiques
a. Installation de la cible froide (papier aluminium) et de la cible chaude (bâche noire) b. Image thermique à 600m des cibles thermiques
c. Mesure au radio thermomètre (Fluke) de la cible froide (polystyrène)
Cette démarche montre qu’au-delà du prix du vol, chaque mission est très coûteuse en temps : préparation des missions (achat, fabrication, test du matériel), accès aux parcelles, mise en place du dispositif (ANNEXE B : Déroulement d’une mission d’acquisition de PVA).
III.3.2. Les éléments de comparaison : les mesures in situ de l’état hydrique de la culture
Afin de valider l’utilisation des images aériennes pour l’estimation du stress hydrique, nous avons effectué une campagne de mesure de terrain visant à obtenir des indicateurs d’état en eau des plantes. C’est avec l’appui de l’UMR G-EAU que nous avons réalisé ces mesures in situ. Sur les conseils des agronomes de l’équipe, nous avons donc mesuré :
- Au niveau de la plante : sa teneur en eau, son potentiel hydrique, sa température de surface, sa surface foliaire ;
- Au niveau du sol (surface racinaire) : l’humidité.
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Le taux de chlorophylle est lui aussi mesuré à l’aide d’un Spad dans le but d’obtenir un indicateur de l’état azoté de la plante et de s’assurer de l’absence de stress croisé (eau * azote). Les protocoles de mesure et le matériel sont détaillés ci-dessous pour chaque type de mesure. La récolte de ces données de terrain a été assurée par les équipes du Cemagref (TETIS et G-EAU) de manière hebdomadaire, ainsi que le jour de chaque vol (ou J+/- 1). Les mesures sont réalisées sur chaque parcelle à l’emplacement du tube à neutrons.
L’humidité du sol peut être quantifiée de plusieurs manières :
- le tensiomètre : la tension ou pression de l’eau du sol est mesurée via un tube poreux dans le sol. Elle caractérise l’accessibilité de l’eau du sol pour la plante à une profondeur donnée. L’eau du sol se met en équilibre avec celle de la sonde et fait varier la pression, mesurée par une colonne de mercure.
- le Diviner : un tube en matériau synthétique est placé dans le sol jusqu’à une profondeur de 1m à 1.5m. Les mesures sont fondées sur la variation des propriétés diélectriques (capacitives) du sol en fonction de sa teneur en eau.
- la sonde à neutron : cette technique robuste a été privilégiée malgré ses contraintes réglementaires. Un tube métallique est inséré dans le sol. Une sonde émettant des neutrons est introduite dans le tube. Les atomes de neutron, en percutant les atomes d’hydrogènes (qui ont une masse voisine) perdent de leur énergie. La quantité de neutrons « ralentis » revenus à la sonde nous informe sur la teneur en eau du sol. Ces mesures, couplées aux apports en eau (pluies, irrigation) permettent de calculer l’évapotranspiration réelle (ETR).
- les prélèvements gravimétriques sont effectués à la tarière manuelle à la mise en place des tubes ou à la tarière pneumatique pour les cas difficiles à la récolte. La pesée des échantillons de sol prélevés par couches de 10cm avant et après passage à l’étuve fournissent la teneur en eau pondérale (g d’eau/g de sol). En parallèle, des mesures ont été réalisées au gammadensimètre pour déterminer la densité et calculer la teneur en eau volumique (cm3 d’eau / cm3 de sol). Ces mesures ont été utilisées pour calibrer la sonde à neutron pour les différents sites.
Dans notre cas, le tensiomètre et le Diviner ont été posés tardivement sur les parcelles, le sol était alors déjà trop sec pour positionner les tubes à la profondeur requise. Ces mesures ne sont donc pas utilisées.
La température de surface de la plante est mesurée grâce à un radio-thermomètre (Heitronics
KT19 ou Fluke). La différence de température entre l’air et la plante donne une bonne idée de l’état hydrique de la plante de manière simple et rapide.
La surface foliaire (LAI, Leaf Area Index) caractérise la surface de feuilles de la culture par unité
de surface au sol. La mesure est réalisée avec le Licor 2000, appareil comparable à un objectif FishEye. Il calcule le rapport de rayonnement capté au dessus du couvert végétal et celui capté
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sous le feuillage. La mesure ne doit pas être perturbée pas les éventuelles ombres du feuillage, il est donc préférable de la réaliser sous une lumière diffuse, au coucher du soleil par exemple. Cette valeur, donnant une indication sur le taux de couverture végétale, est comparable au NDVI.
Le potentiel hydrique de la plante est mesuré grâce à la chambre à pression. La feuille glissée
dans la boite étanche et mise sous pression, laissera échapper une goutte de sève lorsque la pression sera suffisamment forte pour équilibrer la pression avec laquelle la feuille retient la sève. Moins il y a d’eau dans la plante plus il faudra de pression pour observer la gouttelette. Cette mesure est réalisée soit avant le lever du soleil pour avoir le potentiel de base, soit à midi pour observer des différences entre des cultures soumises à différents états de stress.
La teneur en eau est le pourcentage d’eau présent dans la plante (taux d’humidité). Il est calculé
à partir d’échantillons de feuilles pesés rapidement après le prélèvement, mis à l’étuve pendant 48h à 60°C et repesés. La différence de poids correspond à la quantité d’eau initialement présente dans la plante. Cette mesure doit être représentative de l’état hydrique de la plante. Elle est donc réalisée au passage de l’avion.
Une estimation du rendement a été calculée juste avant la récolte mécanique de l’agriculteur par
prélèvement d’un échantillon sur une surface connue puis extrapolé à l’ensemble de la parcelle.
Chambre à pression Sonde à neutrons Tensiomètre Mesure de LAI
III.3.3. Les données météorologiques
Enfin, notre étude sur l’irrigation ne pouvait être complète et efficace sans une connaissance précise des conditions météorologiques durant les campagnes. Pour cela nous avons besoin des données pluviométriques mais également de la température, l’humidité de l’air ainsi que l’évapotranspiration potentielle (ETP). Ces informations permettent de déterminer la quantité d’eau fournie par le climat et la demande évaporative à laquelle est soumise la culture. La température permet de prendre en compte les conditions climatiques sur le développement de la culture. Afin d’obtenir ces données, nous avons acquis deux stations météorologiques Campbell que nous avons placées sur certaines parcelles d’études (Fig. 8). Les autres données proviennent des stations météorologiques de nos partenaires.
Figure 8 : Station Campell
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III.4. Les indices de stress hydrique
Dans cette partie sont décrites les différentes étapes permettant le calcul des indices de stress hydrique issus des PVA et des données terrain.
III.4.1. Issus des PVA
Les cultures suivies étant des cultures non couvrantes, il était nécessaire d’utiliser des indices prenant en compte la couverture végétale. Nous décidons donc de calculer les indices du WDI et du S-SEBI. Le calcul de ces indices est basé sur des formules complexes nécessitant de nombreuses mesures, trop lourdes à mettre en place dans le cadre de cette étude, nous décidons donc de calculer les indices de manière empirique :
Le calcul du Water Deficit Index (WDI) se base
sur la représentation de la couverture végétale (NDVI ou SAVI) par rapport à la différence de température de surface (issue de l’infrarouge thermique) et de l’air (mesurée lors de la prise de vue aérienne) : Ts-Ta. Le
nuage de point ainsi tracé délimite les droites d’un trapèze représentatif des quatre états de sol : végétation sèche, végétation humide, sol nu sec et sol nu humide (Fig. 9). Pour un point C donné à l’intérieur du trapèze, le WDI est alors calculé d’après la formule :
WDI = CA / BA = 1- (ETR/ETM)
Le Simplified Surface Energy Balance Index (S-SEBI) est calculé d’après la relation entre la
réflectance de la lumière sur la surface étudiée (albédo) et la différence Ts-Ta. Les limites supérieure et inférieure
enveloppant le nuage de points correspondent aux situations de surface parfaitement sèche (Hmax) et
parfaitement alimentées en eau (LEmax) (Fig. 10).
Le S-SEBI est alors calculé d’après la formule :
S-SEBI = TH – TS / TH – TLE
où TS est la température de surface, et TH et TLE sont
respectivement les températures maximale et minimale dans la gamme d’albédo mesuré.
Ces indices sont compris entre 0 et 1 : 0 1
WDI S-SEBI Stress Stress Bon état hydrique Bon état hydrique
Figure 9 : Représentation du calcul du WDI (de M. Galleguillos Torres, 2010,
d’après Moran et al. 1994)
Figure 10 : Représentation du calcul du S-SEBI (issu de M. Galleguillos Torres, 2010,
d’après Roerink et al. 1999)
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III.4.2. Issus des mesures de terrain
En agronomie, le stress hydrique est calculé à partir du rapport entre l’évapotranspiration réelle (ETR) et l’évapotranspiration maximale de la plante si celle-ci était en situation de satisfaction hydrique optimale (ETM).
- L’ETR tient compte de stock hydrique du sol (dont les pluies et l’irrigation). Pour coller au mieux avec la réalité, les drainages et le ruissellement sont également pris en compte.
- L’ETM est calculée à partir de l’évapotranspiration potentielle (ETP) corrigé par un coefficient de culture (Kc ) déterminé en fonction du type de culture, de son stade de développement et relié à
l’indice foliaire (LAI).
- L’ETP est le pouvoir évaporant de l’atmosphère sur un sol avec couvert végétal disposant de l’eau en abondance. Il est fourni par la station météo de Lavalette.
L’ETR/ETM est compris entre 0 et 1, où 0 correspond à un état de stress hydrique maximum et 1 à un confort hydrique.
Pour la campagne de blé dur, ces informations relatives à l’évapo-transpiration sont simulées par le modèle Pilote (Mailhol et al., 1997, 2004) à partir des mesures réalisées sur le terrain. Ce modèle, permet ainsi de simuler le bilan hydrique à partir d’une conduite réelle ou d’une stratégie d’irrigation prédéfinie (date et quantité d’eau apportée). Le modèle est validé par comparaison entre les stocks en eau observés et simulés (Yebba, 2011). Il fournit une estimation au pas journalier de l’état de stress de la culture et en fin de cycle du rendement.
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IV. Mise en œuvre de la méthode
La mise en place des campagnes et l’acquisition des données sont présentées pour les deux cultures : blé dur et pommiers. En revanche, seuls les résultats de la campagne de blé dur seront présentés dans ce rapport en raison du temps imparti pour les traitements de données.
IV.1. Acquisition des données IV.1.1. Acquisitions aériennes
a) Les dates de vol
Deux acquisitions ont été réalisées par parcelle de blé, trois au dessus des vergers (Tab. 3). - L’état hydrique des parcelles de blé n’ayant pas évolué de la même manière sur les deux sites, nous avons du réaliser la deuxième acquisition à deux dates différentes.
- Le quatrième vol initialement prévu sur les pommiers sera finalement annulé : la reprise de l’irrigation effaçant toute trace de stress hydrique, l’étude perd son intérêt.
- Sur l’ensemble des vols programmés, deux ont dû être annulés le jour même pour cause de mauvaises conditions climatiques et être re-programmés les jours suivants.
b) Données nécessaires au pré-traitement des images aéroportées
Nous avons vu précédemment que deux étapes étaient nécessaires à l’acquisition d’images de bonne qualité : le géoréférencement et les corrections atmosphériques.
- Géoreférencement : Dans les champs de blé dur, huit mires sont disposés dans chaque champ.
Les vergers étant de taille plus petite, nous avons disposé, lors du premier vol, seulement quatre mires, une à chaque coin. Or, la fauché de la PVA étant plus petite sur les pommiers, certaines images ne contenaient pas de points de repère. Il était donc impossible de les géoréférencer. Nous avons alors décidé de positionner sept mires par verger, dont trois dans les rangées de pommiers.
- Corrections atmosphériques : Lors de chaque vol, nous avons testé différents matériaux
jusqu’à obtenir le meilleur résultat quant à la température apparente mesurée et la facilité de mise en œuvre (Tab.4).
Cible Matériaux Avantages Inconvénients Températures apparentes observées (°C)
Drap / bâche
noir(e) Facilement transportable, chauffe vite Attention à la qualité de la bâche [60 ;65] [40 ;46] (dépend du type de bâche)
Chaude
Route Sur place ! Pas forcément à coté de la
parcelle [42 ;44]
Drap mouillé S’évapore trop vite, invisible
sur les images [23 ;26]
Papier
aluminium Température très froide apparente
(émissivité < 0.1)
Difficile à mettre en œuvre (utilisation de rouleaux de cuisine collés sur la bâche)
[-32 ;-23]
Froide
Plaques de
polystyrène Température froid, facilement apparente
transportable et
rapidement mis en place
[14 ;23]
Blé dur Pommiers
2 vols par sites : - 1er avril : Castries et Prades - 13 mai : Prades - 20 mai : Castries 3 vols : - 21 juin - 11 juillet - 7 août
Tableau 3 : Dates des vols réalisés sur les parcelles d'étude
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Les cibles finalement utilisées sont les plaques de polystyrène, la bâche noire et la route (si à proximité).
Les mesures de température aériennes de cibles chaudes et froides sont comparées aux mesures au sol. Les images IRT sont ensuite corrigées via l’équation issue de la transformation linéaire entre ces deux extrêmes (figure 11).
y = 0,6158x + 11,352 R2 = 0,997 -20 0 20 40 60 -40 -20 0 20 40 60 80 Température au sol T e m pé ra tu re P V A
IV.1.2. Les mesures de terrain
En parallèle aux acquisitions aériennes, les mesures in situ ont été réalisées tout au long de la campagne : d’avril à juin pour le blé et de juin à fin août pour les pommiers (Figure 12).
Ces données sont vérifiées afin d’être validées avant analyses. Il arrive que certaines mesures paraissent aberrantes (exemple : la valeur de l’ETR/ETM est comprise entre 0 et 1, or nous obtenions des valeurs entre -0.4 et 1.4). Plusieurs éléments peuvent expliquer cela : au cours de la campagne plusieurs opérateurs se répartissent l’acquisition des mesures (en fonction des disponibilités de chacun), ce qui peut engendrer des fluctuations dans la prise de mesure et donc dans le calcul de l’ETR. De plus les mesures ont pu être perturbées par les variations climatiques (rafale de vent, passage de nuages..), ou par des problèmes techniques avec les appareils de mesures.
Toutes ces informations (nom de l’opérateur, météo, problèmes rencontrés) sont notées sur les fiches terrain et doivent être prises en considération lors de l’analyse des données.
IV.1.3. Stockage des données
L’ensemble de ces données (images aériennes et mesures de terrain) est stocké dans un répertoire accessible par l’ensemble de l’équipe. Il s’agit d’un FTP (File Transfer Protocol) accessible par internet et sécurisé par un mot de passe.
Les données sont répertoriées en fonction du type d’information (mesures terrain, images aériennes) et par campagne (blé dur, pommiers). Elles seront décrites et cataloguées ainsi que les protocoles d’acquisition associés afin de faciliter leur utilisation par la suite.
Figure 11 : Régression linéaire entre les températures au sol et des PVA
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Figure 12 : Planning des acquisitions des données CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
IV.2. Elaboration des indices de stress hydrique (Blé dur) IV.2.1. A partir des images aériennes
Les indices WDI et S-SEBI sont calculés pour chacune des dates d’acquisition de PVA. Chaque point du graphique représente un pixel de la scène. Les équations des droites nécessaires au calcul du WDI et du S-SEBI (droite des sols secs et humides) ont été déterminées par régression quantile (1% et 99% du Ts-Ta) selon un algorithme développé avec le logiciel R par V. Lebourgeois (communication personnelle).
Après une étude approfondie des nuages de points permettant le calcul du WDI et du S-SEBI sous le logiciel Erdas (correspondance des pixels de l’image et leur emplacement dans le graphique), nous observons une concordance entre ce qui est observé sur le terrain et ce que décrit le graphique (Fig. 13). Cependant on constate qu’il est difficile d’obtenir les conditions correspondant aux quatre sommets du trapèze sur nos images : il n’y a par exemple pas de sol nu humide.
Figure 13 : Calcul du WDI (a) et du S-SEBI (b) (Castries, Vol 2)
Les équations des droites obtenues à partir de ces graphiques nous permettent ensuite de calculer l’indice de stress hydrique pour chaque pixel de la scène et de mettre en évidence l’évolution de l’état hydrique de la culture (Fig. 14). (ANNEXE C : Evolution temporelle du WDI)
a.
b.
Figure 14 : Représentation du WDI (Castries) CemOA : archive ouverte d'Irstea / CemagrefPour chacune des cartes réalisées, la valeur de l’indice est récupérée à l’endroit précis où des mesures ont été réalisées : au minimum un point par parcelle (à la position du tube de sonde à neutrons), mais également à quelques autres points que nous avions jugés intéressants lors de l’observation des premières photos aériennes (zones paraissant plus ou moins sèches) et où nous avons également réalisé des mesures de terrain. Les valeurs sont extraites en moyennant les valeurs des pixels dans un rayon d’un mètre autour du point de mesure (distance choisie après plusieurs essais (deux et trois mètres) dont les résultats étaient similaires).
IV.2.2. A partir des données in situ
Les agronomes de l’UMR G-EAU utilisent les mesures de terrain afin de paramétrer le modèle Pilote et ainsi estimer l’indice d’évapotranspiration (ETR/ETM). La modélisation de l’état hydrique de la culture ne sera idéale que si tous les autres paramètres sont connus. Or certains éléments n’ont pas pu être mesurés au cours de l’étude : le drainage, le ruissellement, la profondeur d’enracinement… du fait de la lourdeur de mise en œuvre de ce type de mesures. Ces paramètres ont été ajustés de façon que les données du modèle coïncident au mieux avec les données de terrain (Fig. 15). Une simulation par parcelle est ainsi obtenue.
100 150 200 250 300 350 400 18/12/2010 06/02/2011 28/03/2011 17/05/2011 S to ck h y d ri q u e ( m m ) Simulé Mesuré Ce =0.976 RMSE= 6.2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 18/12/2010 06/02/2011 28/03/2011 17/05/2011 L A I Simulé Mesuré Ce = 0.836 RMSE = 0.35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 18/12/2010 06/02/2011 28/03/2011 17/05/2011 E TR / E T M Simulé
Figure 15 : Simulation avec le modèle Pilote du stock hydrique, du LAI et de l’ETR/ETM de la parcelle irriguée de Castries
Le 2ème vol de Castries a eu lieu pendant la période d’irrigation, qui a été étalée sur deux
jours. Les deux premières bandes ont été irriguées à J-1, la première moitié de la troisième bande était en cours d’irrigation le jour du vol, la deuxième moitié n’était pas encore irriguée (Fig. 14). Cette situation nous a ainsi permis d’avoir trois états hydriques sur la même parcelle : nous avons alors simulé trois modèles, en fonction des dates d’irrigation.
Au total, sept simulations ont été réalisées : - Prades : Irriguée, Non irriguée et Témoin
- Castries : Non irriguée, Irriguée J-1, Irriguée J et Pas encore irriguée. (ANNEXE D : Simulations issues du modèle Pilote)
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IV.3. Analyse des données
IV.3.1. Validation de l’usage de la télédétection
a) Mesures aériennes et évapotranspiration
Pour valider la méthode nous avons mis en relation les deux indices calculés par télédétection (WDI et S-SEBI) et l’indice d’évapotranspiration simulé à partir des données mesurées (ETR / ETM), qui est l’indicateur agronomique le plus révélateur de l’état hydrique de la plante.
La mise en relation des deux indices montre des tendances cohérentes avec ce qui est attendu. Cependant lorsque l’on utilise toutes les valeurs disponibles, les coefficients de détermination (R²) sont assez faibles (WDI : 0.64 et S-SEBI : 0.61). Une observation plus approfondie des données est alors nécessaire. Il semblerait que les mesures des parcelles non irriguées perturbent l’analyse (Fig. 16) :
- On constate que les simulations issues du modèle de culture collent relativement mal avec les données mesurées (Annexe D). En effet le modèle Pilote n’est pas paramétré pour simuler des indices de cultures en situation de fort stress hydrique.
- Cette constatation se retrouve également au niveau du WDI qui ne représente aucune valeur supérieur à 0.7, valeurs correspondant à un stress hydrique (ou 1-WDI < 0.3 sur la Fig. 16). Le calcul du WDI, qui tient compte du NDVI et donc du taux de chlorophylle, est perturbé par la présence de feuilles jaunes. Se basant sur la réflectance du PIR quasi inexistante (absence de chlorophylle) il suppose alors une absence de végétation pour des zones théoriquement en stress hydrique.
Les valeurs issues des parcelles non irriguées ne paraissent donc pas suffisamment fiables pour les intégrer à l’étude. En supprimant ces valeurs, nous obtenons des coefficients de corrélation plus élevés : WDI : 0.8 et S-SEBI : 0.75, sans pour autant modifier la droite de régression. Les indices de télédétection semblent ainsi être de bons indicateurs de l’évapotranspiration de la plante.
Figure 16 : Régression linéaire entre le WDI et l'ETR/ETM
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b) Mesures aériennes et autres mesures terrain
Les autres mesures réalisées sur le terrain sont également mises en relation avec le WDI et le S-SEBI : le stock hydrique du sol, la teneur en eau des plantes, le potentiel foliaire des plantes. Même si l’on constate que généralement les tendances sont conservées, les résultats sont peu satisfaisants (Tab. 5) (ANNEXE E : Régressions linéaires entre les indices issus des images aériennes et les mesures terrain).
( ) : relation inverse à la logique
Tableau 5 : Relation entre les indices de télédétection et les mesures de terrain Nous avons vu précédemment que la qualité des données pouvait être impactée par le protocole de mesure (IV.1.2). Pour vérifier l’exactitude des mesures, nous mettons en relations deux données mesurant la quantité d’eau dans la plante : la teneur en eau et le potentiel foliaire. D’après nos mesures, elles semblent liées (ρ=0.97), ce qui nous laisse penser que les valeurs sont correctes. Cependant aucune de ces mesures ne semblent liée au WDI ou au S-SEBI, elles ne le sont pas non plus avec l’ETR/ETM (Teneur en eau : R²=0.2 et potentiel foliaire : R² = 0.02). Cela nous amène à penser que le WDI et le S-SEBI seraient de bons indicateurs de l’évapotranspiration mais pas de la quantité d’eau dans la plante. Nous pouvons supposer que les feuilles du haut de la plante (feuilles principalement vues par télédétection), plus exposées à la chaleur, perdent plus vite leur eau et arrêtent de transpirer avant les feuilles du bas. Or les feuilles utilisées pour les mesures de teneur en eau et de potentiel foliaire ont été prélevées à tous les niveaux de la plante.
c) Bilan
Si l’on compare les dispersions de WDI des deux populations (Irrigué / Non Irrigué, 2ème vol) on observe clairement
une discrimination entre elles (Fig. 17).
Ces résultats sont encourageants quant à l’utilisation d’images aériennes pour aider à la détermination de l’état hydrique des cultures. Nous constatons également que, sur nos données, globalement, le WDI est un meilleur indicateur que le S-SEBI. Ces résultats sont d’autant plus intéressants que l’on observe un net lien entre les valeurs du WDI du deuxième vol et le rendement avec un R² de 0.87, contre 0.18 entre le rendement et le NDVI. Cela ouvre de nombreuses perspectives quant aux conseils que l’on pourra livrer aux agriculteurs.
R² WDI p-value S-SEBI p-value Nb points ETR/ETM (tous les points) 0,64 0.0004 0,61 0.0009 15
ETR/ETM
(sans parcelles non irriguées) 0,8 0.0002 0,75 0.0006 11 Teneur en eau des feuilles 0,06 0.6 0,01 0.8 8
Potentiel foliaire 0.06 0.8 (0.23) 0.5 4
Stock hydrique du sol 0,32 0.04 0,5 0.04 13
Figure 17 : Dispersion du WDI des parcelles irriguées et non irriguées (vol 2)
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IV.3.2. Etude de variabilité spatiale
Maintenant que nous avons montré que le WDI et le S-SEBI apportent une indication sur l’état hydrique des cultures, voyons ce que nous apprend la variabilité spatiale de ces indices. L’analyse par effectifs égaux permet de distinguer les zones ayant le meilleur état hydrique ainsi que les zones les plus critiques. Cette information est particulièrement intéressante dans le cadre de l’irrigation de précision : elle nous permet d’apporter de précieux conseils aux exploitants quant à l’optimisation de l’irrigation. Au-delà de compenser l’apport en eau dans les zones les plus « sèches », cela permettra également de limiter l’apport d’eau là où il est déjà suffisant. (ANNEXE F : Evolution de la variabilité spatiale).
IV.4. Elargissement de la méthode
A partir d’un nombre restreint de parcelles agricoles, nous avons montré que la télédétection permettait une approche correcte de l’estimation de l’état hydrique des cultures à l’échelle de la parcelle grâce à des images aériennes prises d’avion. A cette échelle, il est possible d’observer des variabilités de stress hydrique intra-parcellaire et de conseiller les exploitants quant à l’irrigation à apporter. Cependant, le coût de l’analyse (acquisition des images et traitement des données) reste assez onéreux pour un agriculteur. Désormais, avec les nouvelles technologies et l’ère des satellites, nous pourrions envisager une étude à plus grande échelle et ainsi coupler l’analyse auprès de plusieurs exploitations.
J’ai ainsi réalisé une étude des offres satellitaires pouvant répondre à notre problématique. Rappelons que pour mener à bien l’analyse, nous avons besoin des canaux Rouge, PIR et IRT. La plupart des satellites acquièrent des images dans le visible et le PIR, avec des résolutions très acceptables (Spot, QuickBird, Landsat…). En revanche l’offre dans le thermique est beaucoup plus réduite (Tab. 6).
Actuellement, la meilleure résolution en thermique est de 60m (contre 30cm via hélicoptère). Cela est insuffisant pour une analyse précise des variations intra-parcellaire. D’autant plus que la fréquence d’acquisition n’est pas modulable. Nous avons vu que de bonnes conditions météorologiques (absence de nuages) étaient gage de qualité dans l’analyse du stress hydrique. Le besoin en eau des cultures se joue au jour prêt. Or avec une telle fréquence d’acquisition, nous pourrions passer à coté du jour optimal d’irrigation.
Cependant, l’offre satellitaire évolue très rapidement : le satellite Mistigri (version béta) puis Tirex (Thermal InfraRed Explorer) apporteront d’ici 2015 une réponse plus adaptée dans le domaine de l’Infrarouge Thermique. Nous aurons alors accès à des images de meilleure résolution : 50m, acquises avec une fréquence de 1 à 2 jours. Cette qualité d’image n’apportera pas une information aussi précise que par un système léger aéroporté, mais permettra une analyse au niveau inter-parcellaire de l’état hydrique des cultures.
Satellite Résolution dans le thermique Fréquence d’acquisition Aster 90*90m 16 jours Landsat 7 60*60m 16 jours Meteosat 4*4km 15 min NOAA (AVHRR/3) 1.1km
Tableau 6 : Offre satellitaire en IRT (2011)
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V. Discussion
Tout au long de ce projet nous avons tenté de montrer l’utilité des images aériennes dans la détection de stress hydrique. Les résultats obtenus sont encourageants : les coefficients de détermination montrent une bonne relation entre les indices de télédétection et l’évapotranspiration.
V.1. Analyse de la méthode
Ces résultats sont bien sûr discutables, tout d’abord vu le peu de valeurs utilisées dans l’analyse. Nous avons acquis de nombreuses mesures sur le terrain tout au long de la campagne (ce qui a permis de paramétrer le modèle Pilote) mais sur peu de points et peu les jours de vol. Afin d’avoir un plus grand nombre d’éléments de comparaison avec les images aériennes, il serait intéressant :
- de multiplier les mesures de teneur en eau et de potentiel foliaire (non simulés par le modèle) sur un plus grand nombre de points les jours de vols ;
- de réaliser les analyses de sol sur plus de points par parcelle afin de paramétrer au mieux le modèle de culture ;
- d’installer le tube Diviner et le tensiomètre plus tôt dans l’étude afin d’avoir plus d’information sur l’humidité du sol.
Les indices de télédétection semblent être de bons indicateurs de l’évapotranspiration mais à notre niveau aucun lien n’est établi avec la quantité d’eau dans la plante. Nous pouvons alors nous demander si la teneur en eau est uniforme dans la plante ? Pour répondre à cette question, il serait intéressant de réaliser les mesures de teneur en eau à différentes hauteurs (feuilles au soleil / feuilles à l’ombre par exemple).
Concernant le calcul du WDI, nous avons constaté l’absence de l’un des quatre états de sol possible : le sol nu humide. Il serait intéressant de réaliser l’étude en ayant tous les états, peut-être en prenant des PVA à plus haute altitude afin d’élargir la scène et ainsi augmenter les chances d’avoir tous les états de sol. Enfin une correction appliquée sur le NDVI pourrait améliorer la simulation pour les cultures sénescentes en tenant compte de la présence de feuilles jaunes.
V.2. Analyse des données
Les données de références (données in situ) ont été simulées à partir d’un modèle de culture. Or la modélisation du bilan hydrique est très complexe. Pour obtenir une simulation parfaite il faudrait que seul l’état hydrique soit inconnu, ce qui n’est pas le cas : le ruissellement, les drainages ou encore l’enracinement n’ont pas pu être mesurés dans le cadre de l’étude, ils ont donc été estimés jusqu’à ce que le modèle colle au mieux avec les données mesurées.
Il faut également tenir compte de l’hétérogénéité des parcelles. La mesure du stock hydrique a été réalisée sur un seul point par parcelle (complexité de mise en œuvre). En observant les cartes des indices calculés à partir des images aériennes, on se rend bien compte que les cultures ne se comportent pas de la même manière sur toute la parcelle (ex : la parcelle non
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irriguée de Prades). On comprend alors que même si le modèle simule bien les données pour une partie de la parcelle, ces résultats ne sont pas applicables à son ensemble.
V.3. Bilan
Malgré ces limites, on peut conclure que le WDI et le S-SEBI représentent correctement le stress hydrique avec des coefficients de détermination de 0.8 et 0.75 respectivement en lien avec l’ETR/ETP. De plus, nous avons pu observer que les valeurs simulées d’ETR/ETP saturent souvent à 1, alors que les indices de télédétection nuancent mieux l’état hydrique de la plante. Pour un ETR/ETM = 1, nous obtenons des valeurs de WDI comprises entre 0.8 et 0.9. Les indices WDI et S-SEBI pourraient permettre de mieux discriminer les états de stress hydrique que le modèle de culture actuel.
A partir de ces résultats, il sera intéressant d’étudier comment cet outil pourra être utilisé auprès des agriculteurs dans le conseil en irrigation.
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Conclusion et perspectives
Cette troisième année du projet Telerieg a permis d’une part de mettre en pratique les méthodes initiées au cours de la première partie du projet, mais également de mettre en évidence l’efficacité de l’usage d’images aériennes dans la détection du stress hydrique des cultures. Cette étude a d’autant plus montré l’intérêt de la télédétection face à la lourdeur d’acquisition des données in situ. On constate qu’au-delà du gain de temps, les indices calculés à partir des PVA apporte une meilleure discrimination de l’état hydrique de la plante que les données simulées.
A ce jour, seules les données sur le blé dur ont été analysées. L’analyse des données des pommiers, dont l’acquisition des données se termine lors de la rédaction de ce rapport, viendra compléter prochainement l’étude. Il sera alors possible, nous l’espérons, de conforter les premiers résultats, tout en permettant une analyse complémentaire quant au type de culture (couvrante : le blé dur / non couvrante : les pommiers).
Nous avons pu constater un lien entre les indices et le rendement de la culture. Cette dernière observation intéresse tout particulièrement les exploitants dont la productivité est le principal objectif. Or, à partir des cartes de variabilité spatiale des indices, il semble possible de déterminer les zones les moins productives. La connaissance de ces zones pourrait permettre par la suite aux exploitants de prendre les mesures nécessaires pour améliorer les conditions hydriques et donc de production de ces zones.
L’utilisation d’images aériennes reste toutefois une démarche assez onéreuse. Il serait intéressant d’évaluer le gain en quantité d’eau et donc de prix qu’apporte la démarche par rapport au prix de la démarche elle-même. Il pourrait par exemple être envisagé des regroupements d’exploitants afin de partager les coups d’une mission d’acquisition aérienne.
Une restitution de ces résultats sera faite prochainement auprès des exploitants agricoles ayant contribué à l’étude. Un poster présentant la méthode sera également réalisé et mis à disposition de la Chambre d’Agriculture afin de faire connaître cet outil innovant qui pour le moment pourrait paraitre du luxe mais qui sera certainement essentiel à la conduite de culture si le réchauffement climatique perdure.
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Remerciements
Je tiens à remercier tout particulièrement Sylvain Labbé pour la confiance qu’il m’a donnée dans la gestion de ce projet mais également pour les conseils de ce Mac Gyver de la MTD !
Un grand merci à Pierre Ruelle pour sa patience et sa disponibilité. Pierre et Cyril Dejean ont eu la lourde tâche de m’expliquer « l’agronomie » : Merci pour leurs précieux conseils et les explications sur le fonctionnement de la plante !
Les WDI et S-SEBI n’ont plus de secret pour moi grâce à Valentine et ses programmes R. Merci pour ton aide !
Merci à Agnès pour sa gentillesse et ses remarques pertinentes tout au long de ma mission.
Je souhaite remercier chaleureusement Renaud, Ouafa et Nicolas sans qui les missions sur le terrain auraient été beaucoup moins conviviales.
Ces six mois de mission auraient été bien tristes sans la joyeuse équipe de stagiaires : Alex, Thibaud, Tristan, Lilia, Valérie, Thomas ainsi que les SILAT 2010/2011 : Merci pour tous ces moments de bonne humeur et de fou rire !
Merci à toute l’équipe enseignante pour cette année riche en apprentissage, toujours dans la bonne humeur et la convivialité !
Enfin je souhaite remercier Jean-Philippe Tonneau qui m’a orienté vers cette formation et qui a cru en moi !
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