La télédétection désigne un
ensemble de techniques permettant d'étudier à distance des
phénomènes ou objets. La télédétection
spatiale, qui nous intéresse plus particulièrement, permet
l'acquisition d'un signal (rayonnement électromagnétique
réfléchi ou émis), transformé en images afin de
l'étudier. C'est seulement un siècle après la
première photographie aérienne (Gao, 1996) que les
premières applications spatiales voient le jour avec l'observation
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météorologique. Dans les années 1970, le
satellite Landsat1 permet d'observer la surface terrestre et ouvre la voie vers
une évolution continue de la télédétection. Depuis,
les résolutions se sont affinées, les plages de fréquences
ont augmentées et les capteurs se sont diversifiés (optique,
radar, laser).
Les deux principaux outils de
télédétection spatiale pour observer la
végétation sont le radar et le capteur optique.
Les capteurs radar sont des capteurs actifs. Ils envoient un
rayonnement électromagnétique et en réceptionnent une
partie, une fois réfléchie sur la surface terrestre. Ils ont
l'avantage de pouvoir fonctionner de nuit car la source d'énergie
reçue n'est pas lumineuse. Cela augmente les possibilités de
prise de vue. Ces techniques sont jusqu'à maintenant utilisées
majoritairement sur la détection de biomasse forestière (Hussin
et al., 1991 ; Luckman et al., 1998 ; Rignot et al.,
1995). Elles viennent aussi en appui à l'imagerie optique dans le
cas de suivi de cultures (Dusseux et al., 2014 ; Joshi et al.,
2016). Si cette technique est fiable pour les végétations
arborées, elle l'est encore trop peu pour le suivi de biomasse
herbacée dont les variations durant la croissance sont trop faibles pour
être détectées.
Les capteurs optiques sont dits passifs. Le capteur
réceptionne les ondes électromagnétiques du soleil
réfléchies par la surface de la terre (Gao, 1996). C'est en
analysant la quantité d'énergie absorbée ou
réfléchie dans certaines longueurs d'ondes que nous pouvons
étudier certains phénomènes terrestres. Le spectre du
visible (observable à l'oeil nu) n'est qu'une partie du spectre du
rayonnement solaire (Figure 8). Pour l'étude de la
végétation se sont les spectres du visible et l'infrarouge qui
sont utilisés.
Figure 8: Spectre du rayonnement solaire.
Dans le spectre du visible (400-700 nm), c'est
essentiellement la pigmentation des végétaux qui conditionne les
propriétés optiques des végétaux (Joshi et al.,
2016). Ils réfléchissent dans le vert et absorbent dans les
longueurs d'ondes correspondant au bleu et au rouge (Figure 9). De 700 à
1 300 nm, les végétaux émettent fortement dans le spectre
du proche infrarouge. Dans
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le moyen infrarouge, on observe trois pics d'absorption de
l'eau qui renseignent sur le stress hydrique.
Figure 9: Courbe de réflectance d'une
feuille dans le visible et l'infrarouge 2.7.2. Imagerie multi-spectrale
pour l'estimation de biomasse
L'imagerie multi-spectrale est sans doute l'offre la plus
développée en ce qui concerne l'emprise des images, la
capacité de revisite ou encore le rapport coût-efficacité
(Kumar et al., 2015). Les nombreux capteurs offrent pléthore de
possibilités, tant en termes de résolution spatiale que
temporelle mais aussi en termes de longueurs d'ondes couvertes. Depuis les
années 2000, l'ESA (Agence Spatiale Européenne) et le CNES
(Centre National d'Études Spatiales) ont à eux seul lancé
dix satellites avec capteur optique pour le suivi de la surface terrestre. Nous
trouvons les SPOT5, 6 et 7, Pléiades 1 et 2 et Venus gérés
par le CNES ; Sentinel2A, B et 3 et Proba-V gérés par l'ESA. Les
images issues de ces satellites peuvent être gratuites ou payantes
suivant les capteurs. La résolution offerte peut aller de 100 à
0,5 m et la capacité de revisite peut-être journalière
à tri-mensuelle.
En combinant les différentes bandes spectrales qui
réagissent différemment suivant l'état de la plante, il
est possible de calculer des indices de végétation (IV)
permettant d'analyser l'état d'un couvert. Ce sont en
général le rouge et l'infrarouge qui sont utilisés dans
ces indices. Une plante réfléchie très peu du rayonnement
solaire dans les longueurs d'ondes correspondant au rouge. Cette bande sert en
quelque sorte d'étalon dans le calcul d'indices. A l'inverse
l'activité chlorophyllienne d'une plante aura pour conséquence
une forte réflectance dans le proche infrarouge. Sa présence dans
un indice de végétation renseignera donc sur l'état de
production chlorophyllienne de la plante. Nous pourrons ainsi avoir des
renseignements sur l'état de santé
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de la plante, mais nous pourrons également disposer
d'une information quantitative très utile relative à la
biomasse.
Les premiers indices utilisés, étaient simples,
sous forme de différences ou de ratios entre les bandes spectrales (RVI,
DVI). Le NDVI (Indice de végétation par différence
normalisée) (Rousse et al., 1974 ; Tucker, 1979) est à ce titre
l'indice le plus largement utilisé pour l'étude de cultures
(Collet, 2001 ; Pettorelli et al., 2005). Il représente un bon
indicateur de la productivité primaire de la végétation
terrestre.
Plus récemment, Gao (1996) combine le NDVI et la DVI
afin d'obtenir le RDVI (Indice de végétation de différence
renormalisée) qui peut réagir en présence d'un faible ou
d'un fort couvert végétal, héritant ainsi des avantages
respectifs du DVI et du NDVI. D'autres indices (SAVI, TSAVI, OSAVI, MSAVI) font
partie d'une famille d'indices permettant de limiter l'impact de la
réflectance du sol. Ils peuvent être utiles pour des cultures
présentent sur des sols très réfléchissants comme
du sable mais aussi en début de repousse lorsque la
végétation est peu couvrante.
Enfin le NDWI (Différence normalisée de
l'indice de l'eau) (Gao, 1996) réagit à la concentration en eau
du couvert étudié.
