Cartographie de produits biophysiques pour le suivi de la végétation sur la France à 20 m de résolution

Le catalogue THEIA s’enrichit de cartographies de produits biophysiques de la végétation adaptés à la compréhension dynamique des écosystèmes français, obtenues grâce au satellite SENTINEL-2. Développés à l’INRAE et au CDS THEIA CNES, ces produits biophysiques clés en main complètent l’offre de la SNAP Toolbox de l’Agence spatiale européenne, qui permettait jusqu’ici de traiter une ou des images acquises par le satellite et de fournir les produits correspondants. Elles s’inscrivent dans les travaux du Groupe d’experts Propriétés de la Végétation.

Un enjeu scientifique et environnemental essentiel

La cartographie globale et régulière de variables biophysiques de la végétation — telles que le LAI (Leaf Area Index), le fAPAR (fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation), la fraction de couverture végétale et le contenu en chlorophylle — constitue un pilier de l’observation de la Terre par satellite. Ces quatre paramètres décrivent l’état, la structure et le fonctionnement des écosystèmes terrestres, et sont essentiels pour comprendre les interactions entre biosphère, climat et activités humaines.

• Le LAI (Indice de surface foliaire) : défini comme la surface foliaire verte unilatérale par unité de surface de sol, m²/m², il est le paramètre clé pour quantifier les échanges d’eau et de carbone.
• Le fAPAR : (fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation) mesure la capacité d’interception du flux de lumière incident dans la bande 400-700 nm et utilisé pour la photosynthèse. Il indique l’efficacité avec laquelle la végétation absorbe l’énergie solaire.
• La Fraction de Couverture (FVC) décrit la partition entre le sol nu et la végétation en visée verticale. Elle permet en particulier de discriminer précisément la contribution de l’évaporation directe du sol nu de celle de la transpiration cuticulaire et stomatale de la biomasse végétale au sein du bilan d’évapotranspiration totale.
• Le Contenu en Chlorophylle du couvert végétal (CCC) constitue un révélateur de l’état physiologique de la végétation, en particulier en relation au stress azoté.

Une approche scientifique robuste

L’approche scientifique de ces produits est basée sur l’utilisation d’apprentissage machine à partir de simulations réalisées grâce au modèle de transfert radiatif de la végétation PROSAIL, couplant les modèles PROSPECT (simulation des propriétés optiques des feuilles) et SAIL (prise en compte de l’architecture du couvert et des propriétés optiques du sol). Cette approche a été largement validée par la communauté scientifique et déjà proposée pour des produits opérationnels à moyenne résolution spatiale (300m-km).

Applications et perspectives

Le LAI comme le fAPAR sont considérés comme des Variables Essentielles du Climat (ECVs) par l’Organisation mondiale de la météorologie et de l’Agriculture (EAVs) par GEOGLAM (Group on Earth Observations Global Agricultural Monitoring Initiative). Avec le FVC et le CC, ce sont des indicateurs biophysiques indispensables pour :

• Évaluer la capacité des forêts et des cultures à agir comme des puits de carbone (production primaire et rendement), une donnée vitale pour le suivi des accords sur le climat.
• Détecter les changements environnementaux et les perturbations (déforestation, dégradation des écosystèmes, sécheresses et stress, impact des incendies sur la végétation)
• Suivre l’état des cultures, alimenter les outils d’aide à la décision pour une fertilisation et une irrigation raisonnées, estimer les rendements agricoles (sécurité alimentaire)

Les produits sont générés aux dates d’acquisition de SENTINEL-2. Les travaux futurs visent à améliorer l’algorithme (domaine de validité, stabilité temporelle) ainsi qu’à la production de séries temporelles régulières.

Les produits constituant cette cartographie sont disponibles sur la France entière. Ils sont tuilés selon la même grille que les produits Sentinel-2.

Afin de limiter la volumétrie, ces produits sont distribués avec des valeurs entières réparties entre 0 et 255 (UInt8). Afin de retrouver les valeurs physiques flottantes, il faut appliquer les valeurs de gain et d’offset, renseignées dans les entêtes de tous les fichiers tif.

Chacune des variables est associée à un masque de qualité, indiquant la confiance dans la valeur estimée de la variable. Cette confiance est issue d’un masque d’occupation des sols. La confiance est codée avec des valeurs entières entre 1 et 4, 1 étant une confiance faible dans l’estimation et 4 ayant une confiance élevée.

Référence

Frédéric Baret, Olivier Hagolle, Bernhard Geiger, Patrice Bicheron, Bastien Miras, Mireille Huc, Béatrice Berthelot, Fernando Niño, Marie Weiss, Olivier Samain, Jean Louis Roujean, Marc Leroy,
LAI, fAPAR and fCover CYCLOPES global products derived from VEGETATION: Part 1: Principles of the algorithm, Remote Sensing of Environment, Volume 110, Issue 3, 2007, Pages 275-286, ISSN 0034-4257, https://doi.org/10.1016/j.rse.2007.02.018.

F. Baret, M. Weiss, R. Lacaze, F. Camacho, H. Makhmara, P. Pacholcyzk, B. Smets,
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Volume 137, 2013, Pages 299-309, ISSN 0034-4257, https://doi.org/10.1016/j.rse.2012.12.027.

Li, W.; Weiss, M.; Waldner, F.; Defourny, P.; Demarez, V.; Morin, D.; Hagolle, O.; Baret, F. A Generic Algorithm to Estimate LAI, FAPAR and FCOVER Variables from SPOT4_HRVIR and Landsat Sensors: Evaluation of the Consistency and Comparison with Ground Measurements. Remote Sens. 2015, 7, 15494-15516. https://doi.org/10.3390/rs71115494