Apport de la modélisation pour l’estimation de la teneur en pigments foliaires par télédétection

FERET devant le jury : Laurence Picon Président du Jury Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry Rapporteur Rémi Michel Rapporteur Gregory Asner Examinateur Frédéric Baret Examinateur Christophe François Directeur de thèse Stéphane Jacquemoud Directeur de thèse Résumé : La mesure et le suivi de la teneur en pigments foliaires présentent un intérêt dans des domaines aussi variés que l’écologie, l’agriculture ou les sciences de la Terre. Les méthodes de télédétection mises au point jusqu’à présent se limitent à la chlorophylle et manquent souvent de robustesse car validées sur un nombre limité de données. A l’échelle de la feuille, le nouveau modèle PROSPECT-5 permet d’estimer la teneur en chlorophylle et en caroténoïdes à partir de mesures de réflectance et transmittance de manière plus précise que les méthodes basées sur les indices spectraux publiés dans la littérature. La validation du modèle effectuée sur un jeu de données regroupant près de 1500 feuilles démontre aussi sa capacité à synthétiser des propriétés optiques réalistes qui peuvent être utilisées pour calculer de nouveaux indices spectraux, très simples et plus performants. A l’échelle de la canopée, le calcul d’indices sensibles à la teneur en chlorophylle et au LAI grâce au modèle couplé PROSPECT-5 + 4SAIL diminue la dépendance vis-à-vis des données expérimentales, ce qui constitue une économie de temps et d’argent. L’estimation de la teneur en caroténoïdes nécessiterait une étude plus approfondie et des données supplémentaires. L’utilisation de ces indices comme information a priori permet d’améliorer la précision de l’inversion pour l’estimation de la teneur en chlorophylle et du LAI par rapport à une inversion simple ou l’utilisation d’indices spectraux. Enfin le modèle et la méthode d’inversion mis au point sont appliqués sur les images de capteurs opérationnels (CAO) ou en projet (VENµS, SENTINELLE-3) pour obtenir des cartes de chlorophylle et de LAI. Abstract : The assessment and monitoring of foliar pigment content is highly relevant for applications in ecology, agriculture and Earth sciences. Current methods based on remote sensing only permit chlorophyll assessment and they lack robustness due to limited and specific experimental data. At the leaf scale, the upgraded PROSPECT-5 model allows chlorophyll and carotenoid assessment using reflectance and transmittance measurements and outperforms spectral indices published in the literature. The validation of the model carried out using nearly 1500 leaf samples also proves its ability to simulate highly realistic leaf optical properties. These modeled properties can thus be used to compute new spectral indices very simple and more efficient. At the canopy scale, synthetic datasets can be set up using the coupled PROSPECT-5 + 4SAIL model to compute vegetation indices for LAI and chlorophyll content retrieval, and then decrease the dependence on experimental data, saving time and money. The assessment of carotenoids content could not be studied at the canopy scale like at the leaf scale because no ground validation was available. The use of spectral indices as prior information when inverting PROSAIL increases the accuracy of the chlorophyll content and LAI retrieval compare to the inversion without prior information or the use of spectral indices. Lastly, the model and the method developed for its inversion are applied to images of operational (CAO) or future sensors (VENµS, SENTINELLE-3) to obtain maps of chlorophyll content and LAI.