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

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Exemple

couplage entre modèle cultural et modèle hydrologique

Etude de l'impact de l'hydrologie de sub-surface sur la croissance des cultures: implication sur la spatialisation de la productivité agricole et le surplus azoté spatialisé dans les parcelles

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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 :

 

1/ Occupation des terres et typologie des paysages pour caractériser l’occupation du sol et l’usage des terres

 

 

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.

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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

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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 :

  1. une exigence de cohérence entre les classifications réalisées annuellement afin par exemple de caractériser au mieux les rotations de cultures et les évolutions.
  2. 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).
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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...

 

2/ Variables biophysiques

A l’heure actuelle la communauté scientifique dispose de nombreux produits biophysiques de type fAPARbulle,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)bulle,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 bulle, 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...)

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)

Le suivi des ressources en eau est également étudié, Il s'agit de comprendre et de modéliser la variabilité spatiale des réponses hydrologiques et éco-physiologiques et ainsi permettre une cartographie des capacités de   stockage des sols en eau à large échelle. Une campagne débutée durant l'été 2012 a été organisée pour spatialiser la réserve utile en eau des sols dans les paysages agricoles. Il s’est concrétisée par la cartographie de la conductivité électrique des sols (campagne RFU 2012)

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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

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Ces produits sont fournis via des chaînes de traitement opérationnelles utilisant des modèles qui relient les données satellitaires (BRDF bulle 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 SAILbulle 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 VALERIbulle 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 :

  1. l’apparition de problèmes liés à la comparaison de produits de même nature issus de capteurs différents qui restent difficiles à interpréter.
  2. La nécessité de poursuivre la réflexion sur les stratégies de validation qui dépendent par exemple des types de milieux considérés.
  3. un besoin d’améliorer les modèles utilisés pour l’obtention de ces produits, par la prise en compte
    pour les modèles de BRDF par exemple, de la structure spatiale des couverts.

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

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micro-ondes actives : Terrasar-X

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

Document CESBIO
[+] sur la conduite de cette étude...
Cette étude est conduite en utilisant le modèle DART, simulateur 3D multispectral de BRDF qui fonctionne à différentes échelles spatiales, de la parcelle (m²) au paysage (km²). Le travail s’appuie sur l’utilisation de différents types de mesures acquises in-situ (LAI, azote, de BRDF de sol) pour différents types de couverts agricoles à différents stades phénologiques, données spatiales et cartes d’occupation du sol issues du traitement des données SPOT. Les résultats attendus de cette étude concernent les méthodologies d’estimation de variables comme l’indice foliaire à partir de données acquises à haute et basse résolution, utilisables par les modèles de fonctionnement aux échelles du paysage et de la région.

 

3/ Couplage modèles-télédétection pour la modélisation éco-hydrologique spatialisée

Afin d’atteindre l’échelle du paysage et de la région, l’effort de modélisation s’accompagne 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 :

  1. Evaluation des sorties de modèles, comme l’indice foliaire, ou d’observables comme les réflectances et les températures radiatives, par comparaison aux produits et mesures de la télédétection.
  2. Pilotage direct des modèles par les produits de la télédétection, par exemple « forçage » de l’indice foliaire. Cette technique de correction de modèles imparfaits est probablement la voie la plus rapide pour atteindre des résultats aux échelles du paysage et de la région.
  3. Estimation des conditions initiales ou de facteurs externes par des techniques d’optimisation : Moulin et al. (1995) ont par exemple montré qu’il était possible d’estimer les dates de semis des cultures annuelles en minimisant l’écart entre les indices de végétation simulés et observés. L’apport d’eau par irrigation peut également être estimé (Duchemin et al., 2002). Des paramètres du milieu comme la réserve utile pourraient également être accessibles.
  4. Etalonnage de paramètres internes des modèles (ex : résistances stomatiques) par des techniques d’optimisation.

développement et validation de modèles spatialisés spécifiques aux cultures à partir de séries à haute répétitivité temporelle de variables biophysiques.

1/SAFY : cas d'un modèle de culture simplifié 1D avec un nombre de paramètres réduit.

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)


[+] sur notyre démarche

Ces différentes approches seront développées et testées sur les parcelles expérimentales à l’aide des modèles ICARE (Gentine et al. 2007) et SAFYE (Duchemin et al. 2008), puis appliquées sur tout ou partie de la zone d’étude.

L’objectif est d’obtenir dans un premier temps des cartes de biomasses et de besoin en eau des cultures à l’échelle du carré FORMOSAT, puis du carré SPOT et, à terme, de la région Sud-Ouest. Ce travail s’appuiera sur les données spatialisées (cartes de sols, MNT, cartes d’OS, . . .) collectées via l’OSR ainsi que sur les mesures in-situ (flux, LAI, biomasses) collectées via le chantier Sud-Ouest.

Nous travaillerons ensuite à faire évoluer SAFYE afin de pouvoir spatialiser des flux de carbone (GPP, respirations autotrophe et hétérotrophe).

2/TNT : couplage de stics (modèle de culture 1D) avec un modèle hydrologique qui spatialise les transferts latéraux de l'eau dans les versants.

couplage entre modèle cultural et modèle hydrologique

Série d'images FORMOSAT-2

Une série de données LAI (indice foliaire) dérivée des séries d'image Formosat-2 est utilisée pour obtenir un profil de croissance de LAI pour chaque pixel Formosat-2 (8*8m).
Cette variable biophysique observées pour chaque date d'acquisition d'image Formosat-2 (cercles noirs) est interpolée dans le temps pour chaque pixel: la courbe rouge représente la moyenne de l'interpolation des LAIs des cultures de blé (gauche) et de tournesol (droite).

Une carte du LAI interpolé est représentée tous les 10 jours (carte de gauche) et comparée au simulation décadaire du LAI-TNT2 (carte de droite).

Document : S. Ferrant, S. Gascoin & V. Bustillo

copyright CESBIO

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[+] sur notyre démarche

étude de l'impact de l'hydrologie de sub-surface sur la croissance des cultures: implication sur la spatialisation de la productivité agricole et le surplus azoté spatialisé dans les parcelles

Afin d'étudier les interactions entre hydrologie de sub-surface et croissance des cultures, nous développons des méthodes d'assimilation des données satellites haute résolution spatiales et temporelles type Sentinel-2 dans des approches de modélisation des systèmes de cultures, couplées à une modélisation hydrologique de bassin versant.

Dans l'exemple présenté sur le gif animé ci-dessus, le modèle agro-hydrologique TNT2 (Topography-based Nitrogen Transfert and Transformations), développé à l’Unité mixte de Recherche Sol Agro et hydrosystème Spatialisation, calibré classiquement sur les débits et flux de nitrate dans la rivière pour la période 2006-2010, est utilisé pour spatialiser la croissance des cultures dans le temps et l'espace.

Ce modèle décrit, au pas de temps journalier et à l’échelle de la maille, l’organisation latérale et verticale des écoulements de l’eau dans le bassin versant, la croissance des plantes en fonction des conditions pédoclimatiques, les transferts et les biotransformations de l’azote dans le sol et le sous-sol.

La comparaison montre une bonne capacité du modèle à reproduire le cycle de croissance des cultures, mais montre qu'il y a une calibration spécifique nécessaire des situations pedoclimatiques : les hétérogénéités de croissance observées dans les versants sont associées à des stress hydriques liés à la position et la profondeur du sol dans les versants.

Une amélioration de la prise en compte des conditions pedoclimatiques semble nécessaire dans le modèle afin de mieux reproduire l'hétérogénité observée. Par exemple, le couplage agro-hydrologique semble favoriser une hydromorphie systématique au niveau des chemins d'écoulement de l'eau. Ces zones sont très souvent saturées ce qui limite le développement de la culture. Le phénomène n'est pas systématiquement observé sur le terrain et n'est pas révélé par l'observation satellite. Une amélioration des modélisations va passer par l'inversion de la réserve utile et une meilleure modélisation des chemins de l'eau en testant différents arbres de drainages.

En conclusion : 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.

 

 

 

 

     
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