Suivi multi-échelle par télédétection et spectroscopie de l’état hydrique de la végétation...

Suivi multi-échelle par télédétection et spectroscopieSuivi multi-échelle par télédétection et spectroscopiede l’état hydrique de la végétation méditerranéennede l’état hydrique de la végétation méditerranéenne

pour la prévention du risque de feu de forêtpour la prévention du risque de feu de forêt

UMR 3S Cemagref-EngrefMaison de la Télédétection - Montpellier

Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Directeur de thèseDirecteur de thèse C. Millier C. MillierRapporteursRapporteurs A. Bégué et S. Jacquemoud A. Bégué et S. JacquemoudExaminateursExaminateurs P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean

Soutenance de Fabien DauriacSoutenance de Fabien Dauriacpour l’obtention du titre depour l’obtention du titre de

Docteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’EauDocteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’Eau

Un été 2003 catastrophiquepour l’Europe méditerranéenne :

65.000 ha

62.000 ha

115.000 ha440.000 ha

Une surface totale brûlée équivalente à la superficie de la Corse !

Spectroscopieproche infrarouge

Télédétectionà basse résolution

SynthèseMesure directe de

l’état hydriqueContexte Objectif Perspectives

Un accroissement régulierdu niveau de risque

• Modification de l’occupation des sols– extension des forêts et fermeture des paysages– urbanisation intensive du pourtour méditerranéen → recrudescence des départs de feu

• Changement du climat– réchauffement mondial (selon IPCC, 2001)

• observé de 1980 à 2000 : +0,4°C• simulé pour le XXIème siècle : +1,5 à +6°C

– allongement des périodes de sécheresse en zone méditerranéenne





La prévention du risque en France

Indicateur Organisme Zone Fréquence

Risque

météorologiqueMétéo-France

15 départements,

112 zones de 700 km²2 fois par

jour

Teneur en eau ONF15 départements,

30 sites ponctuels3 à 7 jours

• Des acteurs : Sécurité Civile et Forestiers : dispositif de prévention et de lutte, entretien des voies d’accès, débroussaillement des sous-bois, contrôle des points d’eau, patrouilles et tours de guet…

• Des indicateurs de risque d’incendie (éclosion et propagation)





Indicateur météorologiquedu risque (Météo-France)

• Cartographie du risque météorologique– basé sur le modèle de risque Canadien (3 réservoirs)– 4 paramètres météo(température, humidité, pluie, vent)

– 112 zones de risque (700 km² en moyenne)

– 6 niveaux de risque– 2 fois par jour

Animation : risque prévu

fort faible

24 juillet13 août 2001



Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif PerspectivesSynthèse

La prévention du risque en France

Indicateur Organisme Zone Fréquence

Risque

météorologiqueMétéo-France

15 départements,

112 zones de 700 km²2 fois par

jour

Teneur en eau ONF15 départements,

30 sites ponctuels3 à 7 jours

• Sécurité Civile et Forestiers : dispositif de prévention et de lutte, entretien des voies d’accès, débroussaillement des sous-bois, contrôle des points d’eau, patrouilles et tours de guet…

• Des indicateurs de risque d’incendie (éclosion et propagation)




Indicateur de stress hydrique (ONF)

• Réseau Hydrique– mesure de la teneur en eau de la végétation– 30 stations de moins de 500 m² chacune– 20 espèces méditerranéennes différentes– pérennité du réseau depuis 1996– financé par le Ministère de l’Agriculture MAAPAR

• Teneur en eau = 1er facteur de risque– dans le démarrage

(inflammabilité)– dans la propagation

(combustibilité) d’un feu




Un outil pour améliorerla spatialisation :

la télédétection

Intérêt de la télédétection



Mesure directe del’état hydriqueContexte Objectif Perspectives

• Risque météorologique : 112 zones de 700 km² chacune• Teneur en eau de terrain : 30 sites ponctuels de 500 m²

• Observation de grandes surfaces• Plusieurs images par jour• Suivi de paramètres physiologiques

EnjeuDévelopper les méthodes de télédétection pour cartographier la teneur en eau de la végétation

Synthèse

Été 2003 : 16.000 ha brûlés dans le massif des Maures en qqs jours

- images SPOT 5 de résolution 5-10 m

- charte internationale espace et catastrophes majeures

Avant le feu19 juillet 2003

Sainte-Maxime

29 juillet (J+10)




Intérêt de la télédétection : cartographie des zones brûlées

Intérêt de la télédétection : suivi dela teneur en eau de la végétation

• Bilan de l’état de l’art (depuis 1990)

– sur certains sites et pour certaines périodes : bonnes corrélations Satellite ↔ Teneur en eau plantes– spectre étudié : visible et PIR (500-1000 nm) et T° Surf.– …mais de façon générale, résultats hétérogènes

Car les échelles d’observation sont très différentes– teneur en eau de terrain = 300 à 500 m²– pixel du satellite = 1,2 à 11 km²

• Nouvelles possibilités de la télédétection ?– bandes spectrales Moyen infrarouge (1200-2500 nm)

– résolution spatiale améliorée = 0,1 à 1,2 km²




Objectif

• Définir les protocoles de mesure de terrain pour servir de références aux données satellitaires– identifier les protocoles de prélèvement adéquats– préciser les échelles spatio-temporelles de variation

• Définir les domaines spectraux permettant le suivi de l’état hydrique des plantes

• Tester les performances de capteurs satellitaires (NOAA-AVHRR, Terra-Modis et Spot-Végétation)




Suivre la teneur en eau de la végétation par télédétection

Synthèse

Quelles échelles de variation de la teneur en eau ?

2. temporelle

3. spectrale

1. spatialeindividufeuille

pluriannuel

2001 2002 2003

tene

ur e

n ea

u

bouquet peuplement

4h 8h 12h 16h 20h

quotidien

tene

ur e

n ea

u

annuel

Juin Juill. Août Sept. Oct.

tene

ur e

n ea

u

400 nm 2400 nm

réfle

ctan

ce

spectre continu

Quelles échelles d’observation des satellites à basse résolution ?

2. temporelle

3. spectrale

1. spatiale

pixels de 500 à 1000 m de côté (de 25 à 100 ha)

400 nm 2400 nm

réfle

ctan

ce

bandes satellitaires - nombre et largeur des bandes

- domaines spectraux (visible, IR)

- images quotidiennes- plusieurs années d’archives

2001 2002 2003

pluriannuel

Indi

ce s

atel

litaire

Plan de l’exposé

1. Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique

2. Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge

3. Mesure indirecte par télédétection à basse résolution

4. Synthèse et Conclusion5. Perspectives




Méthodes de prélèvement et calcul de la teneur en eau




indice EWTMasse fraîche – Masse sèche

Surface de la feuille=

• Teneur en eau surfacique : 1 échantillon = 1 feuille

(g.cm-2)Equivalent Water Thickness

indice FMCMasse fraîche – Masse sèche

Masse sèche=

• Teneur en eau massique : 1 échantillon ≈ 20 g de feuilles

(sans unité)Foliage Moisture Content

- Chêne vert : 0,6 < FMC < 0,8- Bruyère arborescente : 0,3 < FMC < 1,2

Exemples :

Synthèse

Mesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (1/14)

Sites d’étude

• 30 sites du Réseau Hydrique ONF• 2 sites de garrigue : Causse d’Aumelas CEMAGREF

Garrigue de chêne kermès (Quercus coccifera)

Taillis de chêne vert (Quercus ilex)

• 1 site de maquis : Massif des Maures INRA

Arbousier commun (Arbutus unedo)

Bruyère arborescente (Erica Arborea)

Maquis de bruyère et d’arbousier





4 pieds (n=64)

chêne vert

2002

type et orientation

effectifs

espèce

année

critère

Variabilité spatiale de la teneur en eau : feuille




• Différence de comportement hydrique selon l’âge et le type de feuillage

feuille

8 pieds (n=131)

chêne vert

2001

âge

effectifs

espèce

année

critère

Synthèse





de 10 à 100 m

de 3 à 9 pieds

5

2001 et 2002

distances

effectifs

espèces

années

• Différence de comportement hydrique entre individus ?

individufeuille

Synthèse


Variabilité spatiale de la teneur en eau : individu

Exemple de 6 bouquets suivis en 2003 dans le massif des Maures

100 m

distances

effectifs

espèces

années

de 75 à 750 m

de 2 à 6 bouquets

3

2001, 2002, 2003




• Différence de comportement hydrique entre bouquets ?

individufeuille bouquet

Synthèse


Variabilité spatiale de la teneur en eau : bouquet

individufeuille bouquet peuplement

Exemple : 69 prélèvements de feuilles chêne kermès, Causse d’Aumelas, 4 sept. 2001

de 5 à 1000 mdistances

de 45 à 69 piedseffectifs

4espèces

2001 et 2003années




• Y a t’il une structure spatiale de la teneur en eau de la végétation et à quelle distance ?

Synthèse


Variabilité spatiale de la teneur en eau : peuplement

• âge : prélever les feuilles de l’année• exposition : prélever les feuilles de lumière (plutôt que d’ombre)• orientation : pas de préférence• précaution : minimiser le pourcentage de matériel ligneux

feuille- Préconisations sur les feuilles à prélever pour minimiser la dispersion des valeurs de teneur en eau





Variabilité spatiale de la teneur en eau : résultats

individu

- variation entre individus• pour une même espèce et un même site : teneur en eau significativement différente d’un individu à l’autre, même pour des pieds proches




0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

13-juin 30-juin 17-juil 3-août 20-août 6-sept 23-sept 10-oct

Te

ne

ur

en

ea

u F

MC

pied B

pied D

pied E

pied HÉvolution de la teneur en eau de 4 pieds de

chêne kermès en 200110 < distance < 40 m

Synthèse



bouquet

- entre bouquets




0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1-juil 17-juil 2-août 18-août 3-sept

Te

ne

ur

en

ea

u F

MC

bouquet B

bouquet D

BRUYERE

2 bouquets en 2002

d = 400 m

• Comportement inter-bouquet homogène pour le chêne kermès, pour la bruyère arborescente

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

1,45

1-juil 17-juil 2-août 18-août 3-sept

Te

ne

ur

en

ea

u F

MC

bouquet B

bouquet D

ARBOUSIER

• Comportement inter-bouquet hétérogène pour l’arbousier

Synthèse



60 pieds d’arbousier18 sept. 2003

distances en mètre

peuplement

- dans un peuplement

• absence de structure spatiale de la teneur en eau de la végétation

• prélever assez d’échantillons pour représenter la variance de l’état hydrique (th. central limite : n>30)

• pas de carte d’interpolation




variance = 53

pépi

te p

ure

Synthèse



années 2002

espèces 2

sites 2

fréquence

1 à 2 heures

• Quelle est la variabilité journalière ?• Quel est le délai de réponse après une pluie ?




4h 8h 12h 16h 20h

quotidienne

tene

ur e

n ea

u

pluriannuelle

2001 2002 2003

tene

ur e

n ea

u

annuelle

Juin Juill. Août Sept. Oct.

tene

ur e

n ea

u2001-2002-2003

20

35

2 à 15 jours

Synthèse

Variabilité temporelle de la teneur en eauMesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (11/14)

- variation de la teneur en eau sur la journée




• risque maximal entre 14 et 16 h locale- atmosphère chaude et sèche- teneur en eau des plantes minimale- majorité des départs de feu (source : BD Prométhée)

variations / journée = 20 à 50% variations / annéeSynthèse

Variabilité temporelle de la teneur en eau : résultatsMesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (12/14)

4h 8h 12h 16h 20h

quotidienne

tene

ur e

n ea

u

- variation de la teneur en eau sur la saison

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

juin-01 juillet-01 août-01 septembre-01T

eneu

r en

eau

FM

C0

10

20

30

40

50

60

Précip

itation

s (en m

m)

Bruyère arborescente (Erica arborea)

Arbousier (Arbutus unedo)

pluies

- variation de la teneur en eau après une pluie2 étés, 20 espèces, 35 sites n = 502en moyenne le délai de réponse = 6 jours




Variabilité temporelle de la teneur en eau : résultatsMesure directe et multi-échelle de l’état hydrique (13/14)

Métrologie de terrain : synthèse• Un échantillon optimisé :

– prélever les feuilles de lumière et de l’année

• Au niveau spatial :– au moins 30 individus répartis aléatoirement

dans le peuplement

• Au niveau temporel :– prélever entre 14 et 16 h et– au moins 1 fois par semaine

mesures de référence à comparer aux données satellitaires





Plan de l’exposé







Mesure directe del’état hydrique

Contexte Objectif PerspectivesSynthèse

Acquis de la modélisation radiative : teneur en eau et réponse spectrale

Simulation du taillis de chêne vert sur le Causse d’Aumelas :- Modèles : Prospect (feuille) + Géosail (couvert)- Analyse de sensibilité EFAST (5.000 tirages)

1350nm 1900nm

60%

Paramètres- chlorophylle- matière sèche SLW- teneur en eau EWT- surface foliaire LAI- angle zénithal solaire




Contexte Objectif Perspectives

(Danson et Bowyer, 2003)

chlo

rop

hylle

Synthèse

Mesure indirecte par spectroscopie proche infrarouge (1/5)

Mesure de spectroscopie et indices de teneur en eau

Réflectances de feuilles de chêne kermès

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

longueurs d'ondes en nanomètres


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400



0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400



0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400


visible proche infrarouge moyen infrarouge

feuille

• réflectances 400-2500 nm• 3 espèces• 294 feuilles• régression linéaire multiple

Teneur en eau(indices FMC-EWT)






• protocole de mesure

r² entre la réflectanceà une longueur d’onde

et la teneur en eau(indices FMC et EWT)

r2

modèle global d’étalonnage à 7 longueurs d’onde(r² = 0.9 SD/SECV > 3)





visible PIR MIR

Synthèse


Mesure de spectroscopie et indices de teneur en eau : résultats

Résultats : simulation de capteurs8 capteurs satellitaires de 3 à 15 bandes chacun

• ensemble des bandes : 2 groupes- ETM+, VGT, MODIS, MERIS : 65% < r² < 77%- AVHRR, AATSR, HRVIR, ASTER : 36% < r² < 56%






• intérêt réel du Moyen infrarouge pour l’estimation de la teneur en eau de la végétation

• intérêt des nouveaux capteurs satellitaires (VGT, MODIS, MERIS)

• attention toutefois car :– problème d’échelles (feuille couvert)– simulations partielles des capteurs– non prises en compte :

• architecture du couvert• perturbations de l’atmosphère

Spectroscopie : synthèse






Plan de l’exposé









ModisRésolution de 500 m et 1000 m

Produits quotidiens +Synthèses 8 et 16 joursRéflectances 7 bandes

+ 1 température de surface

Données à basse résolutionVégétation VGTRésolution de 1000 mProduits quotidiens +Synthèse 10 j. (D10)

Réflectances 4 bandes





Mesure indirecte par télédétection à basse résolution (1/9)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

3-juil 17-juil 31-juil 14-août 28-août 11-sept 25-sept

Ten

eur

en e

au F

MC

0,17

0,19

0,21

0,23

0,25

0,27

Ind

ice GV

MI

Ten

eu

r en

eau

FM

C

ind

ice G

VM

I

Qualité des indices de teneur en eau issus de la télédétection (par confrontation aux données in situ)





Analyse de la dynamique temporelle sur 1 pixel(site n°3 des Alpes-Maritimes, été 2001, exemple de MODIS)

Synthèse


0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7


Ten

eur

en e

au F

MC

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Ind

ice GV

MI

1 jour

Ten

eu

r en

eau

FM

C

ind

ice G

VM

I • 1 jour : très bruitées• car perturbations :

- radiométriques- atmosphériques

indice GVMI

(PIR + 0,1) – (MIR + 0,02)(PIR + 0,1) + (MIR + 0,02)

Global Vegetation Moisture Index

Ceccato et al., 2002

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7


Ten

eur

en e

au F

MC

0,17

0,19

0,21

0,23

0,25

0,27

Ind

ice GV

MI

Ten

eu

r en

eau

FM

C

ind

ice G

VM

I





8 jours

Synthèse



16 jours• 8 jours :différent de FMC• 16 jours :lissage important

Analyse de la dynamique temporelle d’un pixel(site n°3 des Alpes-Maritimes, été 2001, exemple de MODIS)





• corrélations faibles (teneur en eau / indices satellitaires)• explications possibles :

- données inadaptées (bandes, résolution spatiale…)- corrections incomplètes (BRDF, atmosphère…)

• pas d’amélioration en utilisant des synthèses




Été 2001 et 35 sites (ONF, Inra, Cemagref)

SARVI20,29162MODIS16 jours

GEMI0,25283MODIS8 jours

10 jours

1 jour

fréquence

SRWI0,301325MODIS

indicecorrélation r²effectifscapteur

NDII0,20239VGT

Analyse statistique sur un grand nombre de sites et de dates





• orbite : 26 j. Spot-VGT / 16 j. Terra-Modis

- si synthèse < orbite (1-8-10 jours)

manque de corrections (BRDF, atmosphère)- si synthèse = orbite (16-26 jours)

période trop longue / délai de 6 jours des plantes



Été 2001 et 35 sites (ONF, Inra, Cemagref)

SARVI20,29162MODIS16 jours

GEMI0,25283MODIS8 jours

10 jours

1 jour

fréquence

SRWI0,301325MODIS

indicecorrélation r²effectifscapteur

NDII0,20239VGT

Analyse statistique sur un grand nombre de sites et de dates

• MODIS :- depuis juin 2003,

niveau 3 provisoire niveau 4 validé- meilleures corrections atmosphériques- meilleures corrections radiométriques (nouveau modèle BRDF)

Effets d’une amélioration des produits satellitaires





• VGT :- depuis mai 2002, S10 D10- meilleures corrections radiométriques (normalisation directionnelle)


Effets d’une amélioration des produits satellitaires






• Nouveaux traitements MODIS 1 jour :- modèle de BRDF de la NASA, utilisé sur les synthèses à 16 jours, et appliqué aux données journalières- écart-type des valeurs de réflectance : -50% R et -66% PIR

sans modèle de correctionavec corrections radiométriques

site chêne vertHéraultété 2003

Rouge

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

10-juin 28-juin 16-juil 3-août 21-août 8-sept 26-sept

réfl

ecta

nce

Proche infrarouge

20%

22%

24%

26%

28%

30%

32%

34%

36%

38%

10-juin 28-juin 16-juil 3-août 21-août 8-sept 26-sept

réfl

ecta

nce

Rouge PIR

Réfl

ecta

nce

Pour ce site, r² entre FMC et indice sat. passe de 37% à 74% (n=14)





VGT-D10, été 2001

Perspectives : potentialité de cartographier les variations de la teneur en eau des massifs forestiers


• de manière générale, produits satellitaires Modis et VGT faiblement corrélés aux teneurs en eau de terrain

• manque encore de corrections pour les synthèses hebdomadaires

• évolution rapide des méthodes de correction : nouveaux produits VGT-D10, Modis niveau 4

• réelles potentialités de la télédétection pour cartographier l’état hydrique de la végétation

Télédétection : synthèse






Plan de l’exposé







SynthèseMesure directe del’état hydrique


Synthèse1. Métrologie de terrain

• protocole de prélèvement optimisé• identification des échelles spatiales et temporelles de

variation de la teneur en eau de la végétation

2. Spectroscopie de feuilles• intérêt du MIR et des nouveaux capteurs satellitaires

3. Télédétection• nouveaux produits améliorés mais …• … produits encore mal adaptés à l’objectif• perturbations atmosphériques et radiométriques pour

les produits hebdomadaires VGT et Modis





Conclusion





• La cartographie de la teneur en eau de la végétation par télédétection constitue potentiellement un indicateur pertinent pour la prévention des feux de forêt, en complément des indicateurs opérationnels actuels (Météo-France + ONF)

• Nous avons développé des méthodes permettant d’optimiser la représentativité des relevés de terrain

• Les cartes de teneur en eau peuvent être utiles :- en prévention pour les pompiers (surveillance des massifs où le

risque d’éclosion est élevé)- lors d’un sinistre, comme nouveau paramètre aux modèles

de propagation du feu• Les données de télédétection souffrent encore de limites

techniques fortes en voie d’amélioration (cf. Perspectives)

Plan de l’exposé







SynthèseMesure directe del’état hydrique


Perspectives : couplage VGT 1 et 2

VGT 1 - 10h30 VGT 2 - 11h40 VGT 2 - 10h

21 juillet 2002

• depuis juin 2002 : 2 capteurs VGT quasi identiques

• au même moment 2 à 3 angles d'observation différents pour un même site





synthèses à 7 jours (Olivier Hagolle, CNES mai 2004)D10 : jusqu’à 10 observations par pixelH7 : jusqu’à 21 observations

Synthèse

Perspectives (1/4)

• 3 sites = 3 pixels x 10 périodes

• corrélation entre « teneur en eau » et « indices satellitaires »

• D10 en 2001 : r2 = 21% (n=32)

• H7 en 2002 : r2 = 73% (n=29)

Perspectives : synthèses à 7 jours





massif des MauresÉté 2002

Ten

eu

r en

eau

FM

Cin

dic

e G

VM

I

Perspectives (2/4)

VGT-H7, été 2002

faible

fort60 km





Perspectives (3/4)

Perspectives : potentialité de cartographier les variations de la teneur en eau des massifs forestiers

site des Mauresstress hydrique fort

site de Montpellierstress hydrique moyen





Perspectives (4/4)

Perspectives : potentialité de la télédétection pour prévenir le risque d’incendie de forêt

Météo-France ONFfaible

fort60 km

Spot-VGT H7 (r² =73%)

intégration dans un SIG pour une gestion opérationnelle du risque

Suivi multi-échelle par télédétection et spectroscopieSuivi multi-échelle par télédétection et spectroscopiede l’état hydrique de la végétation méditerranéennede l’état hydrique de la végétation méditerranéenne

pour la prévention du risque de feu de forêtpour la prévention du risque de feu de forêt

UMR 3S Cemagref-EngrefMaison de la Télédétection - Montpellier

Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Le 28 mai 2004 à Montpellier devant le jury suivant :Directeur de thèseDirecteur de thèse C. Millier C. MillierRapporteursRapporteurs A. Bégué et S. Jacquemoud A. Bégué et S. JacquemoudExaminateursExaminateurs P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean P. Ceccato, M. Deshayes et H. Jeanjean

Soutenance de Fabien DauriacSoutenance de Fabien Dauriacpour l’obtention du titre depour l’obtention du titre de

Docteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’EauDocteur de l’ENGREF spécialité Sciences de l’Eau

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