Télédétection hyperspectrale et inversion des paramètres biochimiques au niveau des feuilles et du couvert végétal

Les écosystèmes jouent un rôle essentiel dans les échanges d'eau, d'énergie et de gaz à effet de serre entre le sol, la végétation et l'atmosphère. La capacité à détecter les variations des processus écosystémiques, tels que le stockage du carbone, le cycle des nutriments, la productivité primaire nette et la décomposition de la litière, est indispensable à la définition des cycles biogéochimiques globaux et à l'identification des changements climatiques. Dans les modèles d'écosystèmes forestiers, ces processus sont liés à la composition biochimique du couvert forestier, notamment aux concentrations d'azote, de lignine et de cellulose.

donc, La compréhension des pigments présents dans les feuilles des plantes est une condition préalable importante pour améliorer l'évaluation et la quantification de la physiologie et de la vitalité des plantes.L'estimation de la composition chimique de la canopée à l'aide de méthodes d'échantillonnage de terrain traditionnelles étant longue et inadaptée aux études régionales et mondiales à grande échelle, la technologie de télédétection pour la biochimie des feuilles (nutriments, pigments), en tant qu'indicateur de phénomènes de stress ou de ravageurs, de maladies des plantes et d'autres catastrophes, intéresse depuis longtemps les gestionnaires forestiers et les écologistes.

Figure 1. Détection des paramètres biochimiques au niveau de la forêt et de la canopée.

Trois types de pigments déterminent la couleur des feuilles par absorption sélective de la lumière : la chlorophylle (deux types principaux chez les plantes supérieures, la chlorophylle a et la chlorophylle b), les caroténoïdes (dont le β-carotène et la xanthophylle) et les anthocyanes. La teneur et la composition de ces pigments sont liées à l’état physiologique des feuilles et varient en proportions au cours de la différenciation et de la sénescence foliaires. Certaines conditions peuvent entraver leur formation, comme les carences nutritionnelles et les effets de stress abiotiques – pollution atmosphérique à l’ozone ou au dioxyde de soufre, métaux lourds, attaques virales ou pénuries d’eau – qui peuvent entraîner des modifications des propriétés optiques de la végétation. La concentration en chlorophylle indique la photosynthèse et le taux maximal potentiel d'assimilation du dioxyde de carbone. Les caroténoïdes contribuent à la capture de la lumière, mais jouent également un rôle photoprotecteur et indiquent une photosynthèse réduite.L'azote et la lignine sont respectivement corrélés à la répartition du carbone et aux taux de recyclage des nutriments, par leur influence sur les vitesses de décomposition. La concentration en chlorophylle est également fortement corrélée à l'azote ; elle est donc devenue un paramètre clé pour l'étude des couverts végétaux.

De nombreuses études ont démontré une corrélation entre les données acquises par spectromètres imageurs et les propriétés biochimiques des feuilles. Les premières recherches utilisaient principalement la régression pas à pas pour établir des relations prédictives entre les données de télédétection à bande spectrale étroite et les variables biochimiques d'intérêt (par exemple, la cellulose, la chlorophylle, la lignine, l'azote et l'amidon). Des études ultérieures ont proposé des techniques alternatives, notamment l'estimation des variables biochimiques à l'aide de modèles de réflectance.

Le passage de l'échelle de la feuille à celle de la canopée introduit de fortes interférences, dues notamment à la structure de la canopée (indice de surface foliaire, distribution angulaire des feuilles) et à la nature du sol. Par rapport aux conditions contrôlées du laboratoire, les données aéroportées ou spatiales sont affectées par des facteurs tels que la variabilité de l'ensoleillement et des conditions atmosphériques, ainsi que par les caractéristiques de l'instrument (rapport signal/bruit, largeur de bande spectrale, géométrie d'observation). L'ensemble de ces facteurs engendre de nombreuses difficultés pour la détermination de la composition biochimique des feuilles à partir de données de télédétection. Néanmoins, des études ont montré que les mesures d'irradiance spectrale des canopées végétales sont corrélées aux variations de leur composition chimique, notamment aux concentrations de lignine, d'azote et de cellulose.

Figure 2. Diagramme de dispersion montrant la relation entre différents indices de réflectance et la teneur totale en chlorophylle.