Bilans de Carbone et d ’eau en région Midi-Pyrénées : le chantier Sud-Ouest

Fonctionnement aux échelles du paysage et de la région

Des tensions croissantes s’exercent sur les ressources hydrique et végétale sous l’effet conjugué de l’augmentation des besoins (démographie et en irrigation) et de la réduction des ressources (sécheresse passagère et/ou liée aux changements climatiques).

Si la gestion des situations de crise est essentiellement du ressort des responsables politiques, ceux-ci ont besoin pour guider leur action, d’outils fiables et d’indicateurs objectifs sur l’état et l’évolution des surface, des ressources (ex : en eau) et de la production agricole. Les capteurs qui opéreront à la fois à hautes résolutions spatiale et temporelle
offrent à cet égard de nouvelles perspectives.

Dans ce contexte, notre objectif est triple :

La cartographie annuelle de l’occupation et de l’usage des terres peut être réalisée avec la chaîne logicielle de classification supervisée appliquée aux images,mais aussi en utilisant des données multi-sources.	Plan de l'occupation des sols - année 2008 - à partir d'une série d'images FORMOSAT acquises entre février et septembre (31 classes) Document : D. Ducrot, C. Marais-Sicre & J.F. Dejoux copyright CESBIO	Suivi du travail du  sol des parcelles agricoles par télédétection optique et radar Document F. Baup - D. Ducrot copyright CESBIO
En matière de classification nous travaillons avec les spécifications suivantes :
une exigence de cohérence entre les classifications réalisées annuellement afin par exemple de caractériser au mieux les rotations de cultures et les évolutions. La cartographie à l’aide de données à moyenne résolution (MERIS, VEGETATION) afin de tirer parti des archives existantes et de couvrir à faible coût de grandes régions (ex : Fluxpyr). La caractérisation de l’usage des terres et des pratiques : irrigation, labours superficiels, persistance des chaumes et des déchets de récolte. Il est à prévoir une évolution des pratiques agricoles dans les années à venir qu’il convient d’être en mesure de caractériser en raison de leur impact sur les flux et bilans et pour élaborer des outils de suivi de la mise en oeuvre des politiques agri-environnementales. l'intérêt du radar pour l'analyse du type de travail du sol (labour déchaumage, préparation du lit de semence...) et pour, à terme réaliser des classifications en temps quasi-réel (expérimentation MCM10) : Les données radar complètent les données optiques et thermiques, en effet, le radar est particulièrement intéressant pour suivre les param biophysiques par temps nuageux. Ce besoin correspond au développement méthodologique pour les applications opérationnelles. La possibilité de réaliser la cartographie de l’occupation des terres à l’aide de méthodes non supervisées afin d’être en mesure de traiter des données anciennes pour lesquelles les enquêtes de terrain ne sont pas disponibles ou sous-représentatives...

A l’heure actuelle la communauté scientifique dispose de nombreux produits biophysiques de type fAPAR,La fraction de rayonnement solaire absorbée par les plantes dans le domaine spectral permettant la photosynthèse est couramment dénotée fAPAR, un acronyme dérivé de l'anglais (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation). Cette variable biophysique est directement reliée à la productivité primaire de la végétation et peut être utilisée pour suivre l'état et l'évolution de la couverture végétale dans le temps et dans l'espace. Indice foliaire (LAI),L’indice foliaire (LAI) est défini comme la moitié de la surface foliaire totale par unité de surface au sol (Chen and Black, 1992). albédos , L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire incidente. humidité du sol) obtenus à partir d’observations multi-capteurs et multi-temporelle dans les domaine optique (VEGETATION, MODIS. . .) et microonde (ENVISAT, RADARSAT, TERRASAR, ALOS, SMOS...)		Evolution de l'indice folliaire (LAI) entre le mois de mars et le mois d'octobre Document : M. Claverie, V. Demarez, B. Duchemin copyright CESBIO
Pour analyser toutes les potentialités offertes par l'approche multicapteur dans les différents domaines optique, thermique et radar pour le suivi des paramètre biophysiques des cultures et des sols cultivés, une campagne spécifique d'acquisition et de relevés terrain a été organisée en 2010 (MCM10)

Ces produits sont fournis via des chaînes de traitement opérationnelles utilisant des modèles qui relient les données satellitaires (BRDF Fonction de Distribution de la réflectance bidirectionnelle (BRDF) :
elle décrit la dépendance directionnelle de l'énergie réfléchie.
La BRDF est une propriété optique fondamentale. Elle caractérise
l'énergie diffusée dans l'hémisphère au dessus de la surface étudiée
en fonction du rayonnement incident.) aux paramètres de surfaces. Ces modèles sont soit empiriques, soit basés sur d’importantes simplifications en terme de processus physiques et de description du milieu (type SAIL Le modèle SAIL est un modèle de transfert radiatif (i.e., de type turbide : Verhoef, 1984, 1985)
qui cherche à modéliser le comportement optique d’une canopée. ) , ce qui pose la question de la validité des produits obtenus. Ainsi, face à la production pléthorique de ces produits biophysiques est apparu un besoin de validation de ces produits. Des projets tels que VALERI VAlidation of Land European Remote sensing Instrument , entièrement dédié à la validation, ou des parties de projets consacrés à la validation (MODIS, CEOS, SAFLAND) ont vu le jour. Les premiers essais de validation ont révélé toute la difficulté et l’étendue du travail. Parmi les principales conclusions, on peut retenir :

Notre travail se situe dans ce contexte et concerne en particulier les points 2 et 3. L’objectif est double :

1. utiliser la modélisation pour comprendre comment la mesure satellitaire basse résolution est reliée
   aux caractéristiques des surfaces. Dans ce cadre, les stratégies d’échantillonnage pour la validation
   des produits satellitaires pourront être évaluées.
2. proposer d’améliorer les méthodes d’extractions actuellement utilisées dans les chaînes de traitement. Cela passe notamment par l’amélioration des modèles de BRDF.

Cartographie de l’humidité du sol par télédétection micro-onde

micro-ondes actives : Terrasar-X Document F. Baup - copyright CESBIO

micro-ondes passives : capteur SMOS - unité : nb de m3 d'eau / m3 de sol Document CESBIO

Afin d’atteindre l’échelle du paysage et de la région, l’effort de modélisation s’accompagnera de la mise en oeuvre de techniques de couplage des modèles aux observations spatiales. Outre l’obtention des conditions aux limites (ex : cartes d’occupation des sols) et de certaines variables de forçage (ex : rayonnement solaire), les mesures de télédétection multispectrales seront exploitées suivant quatre approches différentes et complémentaires :

développement de modèles spatialisés spécifiques aux cultures à partir de séries à haute répétitivité temporelle de variables biophysiques.
Evolution de la biomasse sèche (kg/m2) entre le mois de mars et le mois d'octobre (Modèle SAFY) Document : M. Claverie, V. Demarez, B. Duchemin copyright CESBIO		(kg / m2)
	Modèle spatialisé des flux d'eau (ICARE) Document P. Auckenthaler et V. Rivalland - 2009- copyright CESBIO

La complexité des modèles et la variété des données utilisées dépendent fortement du but poursuivi. Des modèles complexes nécessitant un nombre élevé d’observations présentent un intérêt pour la compréhension des phénomènes et la recherche méthodologique, mais ils seront difficilement généralisables sur de grandes superficies ou dans un cadre opérationnel. Des modèles simplifiés, impliquant peu de paramètres, et fortement contraints par des observations spatiales seront probablement plus efficaces pour effectuer des diagnostics et des prévisions à courte échéance. Par contre l’étude de scénarios de long terme et/ou impliquant un changement des conditions actuelles (e.g. doublement du CO2) impose d’utiliser des modèles offrant une représentation robuste et probablement détaillée des processus. C’est un des objectifs du chantier Sud-Ouest que de progresser sur ces questions de méthode et de complexité des modèles.