Use of mulispectral remote sensing data (optical, thermal, radar) for water budget modeling of crops : application to wheat and sunflower in South-West of France
Apport des données multispectrales (hyperfréquences, thermique, optique) pour le suivi hydrique des cultures : application aux couverts de blé et de tournesol
Résumé
The south-west of France has been identified as a region for which climate change effects will be the harder to mitigate. Agriculture is already representing 41% of the water use in the Adour-Garonne watershed and will have to adapt to the effects of climate change on the water cycle: more irregular precipitations, lowering of the rivers rate of flow... New methods for monitoring will be necessary for the responsible use of water. Loss to the atmosphere is the major constraint of the water budget in agricultural areas. This evapotranspiration flux is part of the coupled water and energy budget of the surface; in particular, it allows one to identify water stress events. The estimation of evapotranspiration flux at a large scale relies on remote sensing images or a modeling of exchanges at the surface, sometime both. The wavelength domains used allow sampling of different surface properties. Microwave used in radar is sensitive to the target geometry and its water content. It is also insensitive to cloud cover. Visible images are used to monitor vegetation development with spectral indexes. Thermal infrared gives information of surface temperature and can detect water stress. The combined use of these three wavelength domains, each with its respective strength, in a water and energy budget modeling scheme could allow to better monitor surface processes. This study focuses on the complementarities of the three wavelength domains in a case of wheat and sunflower monitoring in south west of France over the year 2010. It is focused on the spatial and temporal variability of a visible based vegetation descriptor (the GAI: Green Area Index), surface temperature (Ts) and C-band backscattering coefficient over 13 fields of wheat and 6 fields of sunflower. This variability allows us to select various parameterizations of the water and energy budget model SEtHyS. The study is organized as follow: - We first studied the sensitivity of C-band backscattering coefficient to the spatial and temporal variability of 2 surface properties: top soil moisture and GAI. The 4 radar polarizations as well as 2 polarization ratios are covered. - We adapted the [surface temperature-vegetation index] method for a temporal use of the entire remote sensing dataset. Using this method we retrieved an index we called RTVDI (Relative Temperature Vegetation Difference Index) which we used to rank fields and extract patterns. - We finally used the SEtHyS model to try and reproduce the RTVDI variability previously observed. The first approach is realized using the model in direct mode to identify sensitive parameters for water budget modeling. The radar sensitivity study confirmed the vegetation monitoring ability of C-band radar. Thresholds on height allowed identifying periods when radar is sensitive to top soil moisture. The modified trapezoid method allowed selecting groups of fields with variable hydric properties.[...]
Le Sud-Ouest de la France est la région pour laquelle le changement climatique aura les effets les plus difficiles à mitiger. L'agriculture est déjà à l'origine de 41 % des prélèvements en eau du bassin Adour-Garonne et devra s'adapter aux conséquences du changement climatique sur cette ressource : précipitations plus irrégulières, baisse des débit des cours d'eau. Pour cela la mise en place de nouveaux outils de suivi et de diagnostique sera nécessaire à la gestion durable de la ressource. Dans le cas des surfaces agricoles, le bilan hydrique est fortement contraint par les pertes vers l'atmosphère que représente le flux d'évapotranspiration, qui est une composante du bilan couplé d'eau et d'énergie de la surface. Le suivi de l'évapotranspiration permet en particulier d'identifier les périodes de stress hydrique. L'estimation de l'évapotranspiration à grande échelle est basée sur l'exploitation des images de télédétection spatiale ainsi que l'utilisation parfois combinée de la modélisation physique des transferts à la surface. Selon le domaine de longueur d'onde utilisé en observation de la Terre: visible, infrarouge-thermique ou hyperfréquences, nous avons accès à des propriétés ou caractéristiques différentes de la surface. Le domaine des hyperfréquences (radar) à la particularité d'être peu sensible à la présence d'un couvert nuageux, ce qui n'est pas le cas pour le visible et l'infrarouge thermique. Le radar présente aussi une sensibilité à la structure géométrique de la cible et au contenu en eau. Le domaine visible et proche infrarouge permet de suivre l'évolution de la couverture végétale à l'aide d'indices spectraux. Quant au domaine infrarouge thermique, il permet d'évaluer la température de surface et peut détecter des situations de stress hydrique. La combinaison des trois domaines de longueur d'onde, avec leurs apports respectifs, avec un modèle de bilan d'eau et d'énergie pourrait permettre de mieux suivre les processus du bilan d'énergie de la surface. L'étude menée s'intéresse aux complémentarités des 3 domaines spectraux sur un cas réel de suivi de cultures de blé et de tournesol sur le sud ouest de la France au cours de l'année 2010. Nous étudions plus précisément les variabilités spatiale et temporelle d'un indice de végétation (le GAI), de la température de surface (Ts) et du coefficient de rétrodiffusion radar en bande-C sur un ensemble de 13 parcelles de blé et de 5 parcelles de tournesol. L'exploitation de cette variabilité spatio-temporelle nous permet de sélectionner des scénarios de simulation du bilan hydrique spatialisé avec le modèle de bilan d'eau et d'énergie SetHyS (Suivi de l'État Hydrique de la Surface) contraint par les indicateurs issus des images de télédétection. [...]
Origine : Version validée par le jury (STAR)