VR2 : Changements climatiques et changements des pratiques agricoles Tâche 1 : Observation par télédétection - UMR LETG 6554 CNRS COSTEL; Rennes 2

VR2 : Changements climatiques et changements des
                 pratiques agricoles
      Tâche 1 : Observation par télédétection

     S. Corgne, R. Lecerf, A. Thomas, P. Dusseux, L. Hubert-Moy,
                      O. Planchon, C. Bonnefoy
         UMR LETG 6554 CNRS [COSTEL; Rennes 2]

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1. Cadre général de l’étude

  Contexte général

  Les changements d’occupation et d’utilisation des sols ont des conséquences
   avérées sur l’environnement et sur le climat.

  Les relations complexes entre le changement climatique et les changements
   d’occupation des sols sont complexes.

  Elles mettent en évidence que ces changements apparaissent tour à tour
   comme un des facteurs explicatifs du changement climatique et comme une
   conséquence de ce dernier.

  La télédétection est aujourd’hui un outil d’observation privilégié pour étudier
   les changements d’occupation des sols.

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1. Cadre général de l’étude

  Objectifs généraux
  Exploitation d’images à moyenne et à haute résolution spatiales pour
   identifier et suivre les changements d’occupation des sols depuis 2000 en
   relation avec la variable climatique

  Objectifs spécifiques

 (1) Mise en place d'une chaîne d'acquisition et de traitement automatique de
     séries temporelles d'images sur l‘Ouest de la France

 (2) Elaboration d'une base de variables biophysiques permettant d'analyser les
     changements d'occupation des sols en lien avec la variabilité climatique

 (3) Suivi des changements d’occupation et d’utilisation des sols à deux échelles :
 - Grand Ouest
 - Sites d’étude
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2. Matériels et méthodes (Grand Ouest)
 Méthodologie générale (Adapté de Lecerf, 2008)
                            - Images brutes à 250 m
  Acquisition des données   et 500 m de résolution
                            spatiale

                            - Masque des nuages
                            - Sélection des images          - Images journalières
       Prétraitements       - Corrections atmosphériques    - Séries temporelles
                            - Projection

                             - Transfert radiatif          - Variables biophysiques
        Traitements                                        - Métriques temporelles

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2. Matériels et méthodes (Grand Ouest)

 Images satellitaires

-    Capteurs MODIS (NASA) placés sur le satellites EOS-AM (Terra, 1999) + EOS PM
     (Aqua, 2004)
-    Fauchée : 2330 km
-    Répétitivité : 1 à 2 jours
-    36 bandes spectrales:

 Bandes du Rouge (1) et PIR (2) : 250 mètres
 Bandes du bleu (3), du vert et (4) de l’IRM (5-6-7) : 500 mètres
 Bandes 8 à 36 (Bleu, IRM, IRT) : 1000 mètres

-    Niveau de traitement des données : L1B (images de luminance journalières non
     géo-référencées)
-    Mode d’acquisition : Serveur de la NASA (ftp://ladsweb.nascom.nasa.gov/)
                                                                             5

2. Matériels et méthodes (Grand Ouest)

 Méthodologie

(1) Prétraitements

-    Sélection des images en fonction de la couverture nuageuse (masque sur les
     nuages)

-    Extraction de l’espace d’étude (Grand Ouest)

- Application de corrections atmosphériques (Modèle 6S)
 Passage de valeur de luminance à des valeurs de réflectance au sol

-    Corrections géométriques (projection spatiale : le Lambert 2 étendu)

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2. Matériels et méthodes (Grand Ouest)
 Méthodologie

(2) Extraction des variables biophysiques

-    Couplage de deux modèles de transfert radiatif (TR)

 Les modèles de TR permettent de simuler la réflectance à partir de différents
  paramètres biogéochimiques des feuilles et de la structure des couverts
 Le modèle de transfert radiatif PROSPECT (Modèle de réflectance des propiétés
  optiques des feuillles)
 Le modèle de transfert radiatif SAIL (Modèle de réflectance des couverts)

-    Inversion des modèles de transfert radiatif

 Principe général
- Inversion effectuée à l’aide d’un réseau de neurones pour obtenir à partir des
    valeurs de réflectance des images des variables biophysiques             7

2. Matériels et méthodes (Grand Ouest)
 Méthodologie

(3) Post-traitements

 Filtrage des valeurs aberrantes, interpolation des valeurs manquantes (nuages,
  artefacts,…) et lissage des séries temporelles par synthèse décadaire

-    Calculs des métriques temporelles

-    Objectif général : Mise en évidence de la phénologie des couverts végétaux à
     partir de séries temporelles de variables biophysiques

 Détermination du début de croissance de la végétation, de son maximum
  d’activité chlorophyllienne et de sa fin de croissance
 Application des métriques temporelles aux séries temporelles de fCover.

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2. Matériels et méthodes (Grand Ouest)
 Méthodologie
(3) Post-traitements
- Exemple de métrique temporelle sur le fCOVER
 Le minimum annuel : date à laquelle la végétation commence son activité
    photosynthétique.
 Le minimum suivant correspondant à la date à laquelle la végétation termine son
    activité photosynthétique.

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3. Résultats
 A l’échelle du grand ouest

- EXTRACTION DES VARIABLES BIOPHYSIQUES : EXEMPLE DE MAI 2010

LAI                             fCOVER                          fAPAR
 LAI                              fCOVER                          fAPAR

-LAI (Leaf Area Index) = Surface Foliaire par Unité de Surface
-fCOVER (fraction of Vegetation Cover) = fraction de couverture végétale au sol
- fAPAR (fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation) = fraction du rayonnement
électromagnétique absorbée par les surfaces terrestres pour la photosynthèse
- Bs (Soil Brightness) = facteur de brillance des sols
                                                                                      10

3. Résultats
 A l’échelle du Grand Ouest

                   2000

 Données acquises et produites
  pour la période 2000-2010

                                 2010   11

3. Résultats
 A l’échelle du grand ouest
EXTRACTION DES VARIABLES BIOPHYSIQUES SUR LE GRAND OUEST

 - Evolution du fCOVER de 2000 à 2011

  Importante variabilité temporelle du fCover entre 2000 et 2010
  fCOVER élevé durant l’hiver 2006/2007 (doux et pluvieux)
  Impact du climat demeure difficile à évaluer à cette échelle
                                                                    12

3. Résultats
 A l’échelle du grand ouest
EXTRACTION DES VARIABLES BIOPHYSIQUES SUR LE GRAND OUEST

Date de fin de croissance de la végétation vue par MODIS sur le Grand-Ouest (Ex : 2010)

-Gradient relativement marqué entre la frange océanique nord-ouest (entre 300 et 350 jours),
et les régions du sud est (250 à 300 jours)

- Explications : Climat + occupation et usage des sols différents (domination des prairies dans
                                                                                            13
                                                                                                le
NO et céréalières (maïs compris) dans le SE

3. Résultats
 A l’échelle du grand ouest
 - Impact climatique significatif sur les dates de croissance en cas d’aléa majeur

Exemples : Années sèches de 2005 et 2006
                                                                                     14
 Sénescence relativement précoce de la végétation

3. Résultats
 A l’échelle des sites d’étude
                                    Deux sources de données satellitaires

                                        MODIS (Moyenne résolution)

                                   Les séries temporelles de fCOVER

                                        Satellites Haute et Très haute
                                             résolution Spatiale
                                     (SPOT5, Landsat, IRS-LISS, GeoEye…)

                                   Les séries temporelles de variables
                                  biophysiques sur deux des six sites

                                   Les cartographies d’occupation et
                                  d’utilisation des sols réalisées à l’échelle
                                  parcellaire sur les six sites
                                                                        15

3. Résultats
 A l’échelle des sites d’étude
 - EXEMPLE DU BASSIN VERSANT DU YAR (FCOVER MODIS)

 Impact de la canicule de l’été 2003 :

 - Forte baisse des taux de couverture végétale (absence d’irrigation du maïs et stress hydrique
 majeur pour les prairies)                                                                 16

3. Résultats
 A l’échelle des sites d’étude
                 - EXEMPLE DU BASSIN VERSANT DU YAR (P. DUSSEUX)
Focus sur les modes de gestion des prairies (très sensibles aux aléas climatiques)

  2010 (5 IMAGES HRS)
 - Activité agricole sur les prairies (BV Yar): mi-mars à octobre (profils évoluant selon les modes
 de gestion + climat)

 -Impact possible du changement climatique :

 Période d’exploitation rallongée
 Baisse de croissance de la végétation durant l’été et donc déficit de production en herbe
                                                                                          17
 pour les troupeaux

3. Résultats
  Variables biophysiques
EXTRACTION DES VARIABLES BIOPHYSIQUES SUR L’AOC DE SAUMUR-
ANGERS (MODIS)
-> ANR‐TERVICLIM et GICC‐TERADCLIM (H. Quénol)

                                                                   FORTE VARIABILITÉ LIÉE
                                                                   NOTAMMENT AU CLIMAT

Exemples :
En 2005: Forte diminution de la couverture végétale en automne potentiellement en lien
avec un stress hydrique
 Printemps 2008 (pluvieux et doux): Augmentation du fCOVER et des taux de couverture
végétale                                                                              18

3. Résultats
  Variables biophysiques
  EXTRACTION DES VARIABLES BIOPHYSIQUES SUR L’AOC DE SAUMUR-ANGERS (MODIS)

    Forte variabilité des taux de fCOVER durant l’été sur la période 2000 -2010   19

3. Résultats
 Variables biophysiques
- SUIVI DU FCOVEREN 2005 SUR L’AOC DE SAUMUR-ANGERS (MODIS)

                                        floraison

                                                       Véraison

                      débourrement

- Année la plus sèche de la période étudiée :

 Faibles valeurs du fCover en général surtout après juillet (stress hydrique?)
 Travaux en cours (C. Bonnefoy, E. Neethling , G. Barbeau)                       20

4. Bilan et perspectives

  AUTOMATISATION D’UNE CHAINE D’ACQUISITION ET DE TRAITEMENTS D’IMAGES MODIS SUR
 LE GRAND OUEST DE LA FRANCE (2000 À 2010)

 MISE EN ÉVIDENCE DES DYNAMIQUES INTER ET INTRA-ANNUELLES DE LA VÉGÉTATION À
 L’ÉCHELLE RÉGIONALE SUR LE GRAND-OUEST (MODIS) ET À L’ÉCHELLE LOCALE SUR SIX SITES
 TESTS (DONNÉES HRS ET THRS)

 A L’ÉCHELLE DU GRAND OUEST, LES RÉSULTATS MONTRENT CLAIREMENT L’IMPACT DE LA
 VARIABILITÉ CLIMATIQUE SUR LES CHANGEMENTS D’OCCUPATION DES SOLS

 A    L’ÉCHELLE LOCALE, D’AUTRES FACTEURS INTERVIENNENT (LES POLITIQUES
 ENVIRONNEMENTALES, LE CHANGEMENT DE SYSTÈME D’EXPLOITATION AGRICOLE, LE CONTEXTE
 ÉCONOMIQUE…)

  POURSUITE DU SUIVI SATELLITAIRE (MODIS ET HRS) SUR LE GO ET LES SITES D’ÉTUDE
 POUR UNE MEILLEURE COMPRÉHENSION DES RELATIONS          ENTRE   LES   CHANGEMENTS
 D’OCCUPATION DES SOLS ET LE CHANGEMENT CLIMATIQUE
                                                                                21