Télédétection de la végétation

La végétation joue un rôle fondamental pour la vie terrestre en synthétisant de la matière organique par le processus de photosynthétique. Son développement dépend des conditions climatiques et de la richesse des sols, mais aussi des pressions exercées par la vie animale et l'homme plus particulièrement. Elle est étudiée à l'échelle mondiale grâce aux images fournies par les satellites d'observation de la terre : la lumière émise par le soleil est en partie réfléchie par le couvert végétal puis détectée et analysée. Parce que les plantes absorbent fortement la lumière visible et très peu la lumière proche infrarouge, leurs propriétés optiques permettent de les distinguer de leur environnement. Pour tirer le maximum d'information des images de télédétection optique, notre équipe s'est spécialisée dans l'étude des propriétés optiques des feuilles qui sont les principaux organes photosynthétiques des plantes.

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Image de la terre en couleur véritable, faite avec le capteur MODIS (http://science.hq.nasa.gov/).
La végétation couvre 65% des terres émergées.

Propriétés optiques spectrales des feuilles, le modèle PROSPECT

Le modèle Prospect simule les facteurs de réflexion et de transmission des feuilles en fonction de la longueur d'onde. Les paramètres d'entrée sont les contenus biochimiques (eau, chlorophylle et matière sèche) et un indice de structure (quantifiant les espaces d'air intercellulaires). Le modèle est calibré (indice de réfraction et coefficient spécifique d'absorption) à partir de bases de données contenant des mesures de propriétés optiques et de contenus biochimiques de centaines de feuille. En raison de ses performances et de sa simplicité, Prospect est largement utilisé pour simuler le facteur de réflexion de couverts végétaux contenant des milliers de feuilles. Il est généralement associé à d'autres modèles pour tenir compte des effets du sol, et aboutir à un modèle complet de transfert radiatif dans le couvert végétal. Prospect est aussi utilisé en inversion pour estimer les contenus biochimiques à partir des mesures de réflexion et transmission. Une thèse a débuté en 2006 dans le but d'identifier les signatures spectrales des différents pigments foliaires in vivo (chlorophylle a et b, caroténoïdes, etc.).

Le modèle Prospect modélise la feuille par un ensemble de couches parallèles séparées par de l'air, et simule les facteurs de réflexion, de transmission et d'absorption résultant.

Propriétés optiques directionnelles des feuilles

Une thèse a été lancée en 2003 sur la mesure et la modélisation du facteur de réflexion bi-directionnel des feuilles. Les feuilles sont des objets qui diffusent la lumière : l'énergie réfléchie ou transmise se répartit dans toutes les directions. Cependant, les différents mécanismes à l'origine de la réflexion produisent des structures dans les variations directionnelles du facteur de réflexion des feuilles. La réflexion de surface, ou spéculaire, produit de fortes variations directionnelles qui sont indépendantes de la longueur d'onde et déterminées par l'indice de réfraction et la rugosité de la surface foliaire. La réflexion de volume est marquée spectralement par l'absorption des principaux constituants foliaires et ne varie que faiblement avec les directions d'éclairement ou d'observation. La modélisation physique de ces deux composantes est utilisée pour caractériser la structure et le contenu biochimique des feuilles. Elle est couplée au modèle Prospect pour fournir un modèle spectral et directionnel des propriétés optiques des feuilles. Les applications concernent la biospectroscopie, l'écophysiologie et la simulation du transfert radiatif dans le couvert végétal, avec notamment l'estimation de la quantité de lumière réfléchie spéculairement et de l'angle solide dans lequel cette réflexion s'effectue.

Comparaison de photographies (en haut) et du facteur de réflexion en fonction de la direction d'observation (en bas), pour trois feuilles de différentes rugosités et d'aspect plus ou moins brillant (spéculaire).

Membres de l'équipe impliqués:
Stéphane Jacquemoud (Responsable, IPGP, Professeur Paris 7)
Jean-Baptiste Feret (Doctorant, début en 2006)
Laurent Bousquet (Doctorant, début en 2003)