14 février 2023 | Atelier régional Télédétection, Agriculture & Environnement
14 mai 2022 | Atelier Les utilisations de la télédétection pour les zones irriguées
Enjeux sociétaux et questions de recherche
Selon le dernier exercice de projection mondiale à 2050 de l’Organisation pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), la population mondiale va croître considérablement dans les prochaines décennies. Pour y répondre, la production agricole mondiale devra augmenter d’environ 70 % d’ici 2050,par rapport au niveau de production de 2005 (FAO, 2011). Environ 80 % de cette augmentation devra provenir de l’accroissement des rendements et de l’intensification agricole, telle que l’augmentation des cycles culturaux par année et/ou le raccourcissement des périodes de jachère.
Ces évolutions doivent faire face au changement climatique (caractérisé par la variabilité des précipitations et un nombre croissant d’événements extrêmes) et à ses conséquences (évolution des distributions de plantes et les maladies à transmission vectorielle, et variabilité accrue du rendement des cultures), à la concurrence pour les terres (concurrence accrue entre l’alimentation et la production de bioénergie), et aux pressions environnementales qui leur sont associées (e.g., surexploitation des ressources en eau du sol, dégradation de la qualité de l’eau, et dégradation des sols). En conséquence, en plus de la nécessité d’augmenter la production agricole, l’agriculture aura pour défi majeur l’amélioration de la gestion des ressources naturelles, en particulier par l’adoption de pratiques plus respectueuses de l’environnement, telles que l’intensification écologique ou l’agriculture de conservation.
Dans ce contexte, il existe un large panel d’applications de la télédétection pour l’agriculture :
- le suivi des cultures à l’échelle régionale et mondiale, pour les marchés ;
- le suivi des cultures dans les pays à risque, pour la sécurité alimentaire ;
- la cartographie de l’occupation et de l’utilisation des sols, et de leur dynamique, pour les politiques publiques et les questions environnementales ;
- l’estimation des variables biophysiques pour l’agriculture de précision, le phénotypage, et les bilans du carbone et de l’eau ;
- la cartographie des pratiques agricoles et des systèmes de culture, pour la modélisation des cultures et les questions environnementales.
Chaque domaine d’application soulève un nombre de questions de recherche :
- Cartographie du domaine cultivé, des groupes de culture (e.g., culture d’hiver ou d’été), des espèces cultivées : En raison de la variabilité des pratiques agricoles et des conditions de croissance, mais surtout en raison de calendriers culturaux synchrones, la cartographie des espèces cultivées est encore un champ de recherche en particulier dans les régions du monde où les champs sont petits et les cultures hétérogènes (cultures mixtes, hétérogénéité intra-parcellaire). De nouvelles méthodes telles que l’approche orientée-objet, ou l’utilisation de données multi-temporelle et multi-source sont explorées pour améliorer la cartographie des cultures. Enfin, l’intégration de statistiques agricoles est aussi un axe de recherche pour l’estimation des surfaces cultivées par télédétection.
- Le suivi des cultures : aux échelles régionales et globales, le suivi des cultures est essentiellement basé sur l’analyse de séries temporelles de l’indice de végétation normalisé (NDVI) qui permet de détecter des anomalies de croissance. Actuellement, le projet GEOGLAM fournit des cartes plus informatives avec des cartes sur la phénologie des cultures, les conditions de croissance par région et les facteurs climatiques associés pour les quatre principales cultures commerciales mondiales (blé, maïs, riz et le soja). Cependant, il est attendu un effort important de recherche pour le suivi de culture dans les pays à risque.
- Estimation des rendements : A ce jour, il n’existe pas de système d’estimation de rendement opérationnel par télédétection appliqué à fine échelle. A l’échelle européenne, il y a des approches développées dans le centre européen d’ISPRA qui permettent de gérer les stocks des grandes cultures par des prévisions faites à larges échelles en utilisant des données de télédétection basse résolution et des modèles de cultures (voir pour plus de détail http://mars.jrc.ec.europa.eu/mars/About-us/AGRI4CAST ou encore https://ec.europa.eu/jrc/en/research-topic/crop-yield-forecasting). A l’échelle régionale, il y a un manque qui est largement expliqué par le déficit de séries temporelles d’images à résolution décamétrique. Différentes pistes de recherche seront à revoir à la lumière des futures données Sentinel-2, telles que l’utilisation de relations empiriques avec des données de terrain ou des données statistiques, le modèle simplifié de Monteith, ou le couplage avec des modèles de plante.
- Estimation des variables bio-physiques de surface : e.g. LAI (Leaf Area Index, NPP (Net Primary Production, fAPAR ( fraction de rayonnement solaire absorbée par les plantes), contenu en Azote, contenu en chlorophylle et en eau des plantes.
- Estimation de variables environnementales : e.g. type de sol, humidité du sol …
- Systèmes de culture et de pratiques agricoles : la cartographie par télédétection de l’organisation des parcelles dans l’espace (taille des parcelles et diversité des espèces cultivées) et les pratiques agricoles (e.g., détermination de la date de semis, des principaux apports en fertilisants ou en eau, et du nombre de cycles culturaux par an,) sont des champs de recherche en développement
Quelques produits Theia sur l’agriculture
Produits et services associés
CES concernés
Actualités Theia sur l’agriculture
Applications
- TOSCA Systcult (V. Lebourgeois, CIRAD TETIS)
L’objectif de ce projet est de préparer la future mission satellitaire SENTINEL-2 en développant des produits cartographiques pour les systèmes de sécurité alimentaire dans les pays à risque. Ce travail s’appuie sur des missions satellitaires existantes (SPOT & PLEIADES) et propose d’explorer de nouvelles pistes méthodologiques en traitement et analyse de données de télédétection multi-sources permettant (i) la cartographie de différents systèmes de cultures, et (ii) une meilleure estimation de la production agricole. Il est réalisé sur une zone d’étude située dans les Hautes Terres malgaches, près d’Antsirabé. - TOSCA DynAfrique (A. Bégué, CIRAD TETIS)
L’objectif de ce travail est (i) de caractériser par télédétection la dynamique de la production agricole en Afrique de l’Ouest par l’analyse des bassins d’iso-tendance d’indices de végétation (NDVI) et les statistiques agricoles nationales, et (ii) de donner des pistes d’explication de cette dynamique par l’analyse des variations climatiques, des changements d’occupation du sol et des pratiques agricoles. - TOSCA TRECS (V. Soti, CIRAD AIDA)
- TOSCA CALVADOVS : Centre d’ALgorithmie et de Validation pour les Données VENμS et Sentinelle 2. (Hagolle O, CESBIO, co-proposants : CNRM Toulouse, UMR EMMAH Avignon) 2014-2015. Les objectifs sont de rendre certaines méthodes (de correction atmosphériques et détection des nuages, de classification d’occupation des sols, d’estimation des besoins en eau et de rendements) plus opérationnelles en se basant sur : – des codes informatiques testés, validés et documentés, – de rendre ces outils disponibles en open source, pour la communauté scientifique, – de tester l’applicabilité et la robustesse de ces méthodes sur différents sites – et de définir et normaliser les protocoles de mesure et de validation
- TOSCA EVA2-IRT : EVAluation des produits EVApotranspiration issus de l’Infra Rouge Thermique (Boulet G, CESBIO Toulouse, Olioso A, UMR EMMAH Avignon, JP Lagouarde, ISPA Bordeaux) Projet qui s’inscrit dans le cadre de la préparation d’une future mission spatiale dans l’infrarouge thermique (IRT) à la suite du projet MISTIGRI, et de la validation des produits EvapoTranspiration Réelle (ETR) issus des données IRT à Haute (HR : MISTIGRI, ASTER, Landsat…) et Basse (BR : Sentinelle 3, MODIS, MSG…) Résolutions
- FP7 SIGMA (A. Bégué, CIRAD TETIS)
Le projet européen SIGMA (Stimulating Innovation for Global Monitoring of Agriculture ; http://www.geoglam-sigma.info) est un projet de recherche en appui à GEOGLAM (GEO GLobal Agriculture Monitoring). La participation du CIRAD dans ce projet porte sur l’utilisation des données de télédétection pour cartographier les systèmes agricoles à l’échelle régionale, et pour spatialiser le modèle de culture de céréales pluviales SARRA-H en Afrique de l’Ouest. - FP7 SIRRMED 2011-2014 Projet qui visait à développer des méthodes pour mieux gérer l’irrigation à l’échelle régionale sur le pourtour méditerranéen Participation UMR EMMAH INRA Avignon A Olioso coordination d’un WP sur le Développement d’outils opérationnels : – BV-net :pour estimer les variables biophysiques (LAI, fAPAR, fCover à partir de réseaux de neurones et de modèles radiatifs, et EVASPA : estimation de l’évapotranspiration à partir de l’utilisation de l’infrarouge thermique.
- Agroforesterie (C. Lelong, CIRAD TETIS)
- JECAM (CIRAD) Le CIRAD participe au réseau JECAM (http://www.jecam.org/) de sites de référence pour le développement de méthodes pour des applications dans le milieu de l’agriculture. Le CIRAD est porteur ou participe à 6 sites : Burkina-Faso (céréales pluviales), Madagascar (riziculture d’altitude), Kenya (agroforesterie), Sénégal (céréales sèches), Brésil Sao-Paulo (Eucalyptus), Brésil-Tocantins (intégration élevage-agriculture-forêt). Le site JECAM de Madagascar (région d’Antisirabé) a été sélectionné comme site test du projet ESA Sentinel2-Agri.
- Projets « AïCHA » : Adaptation de l’agriculture irriguée au changement climatique en Inde. (INRA SAS, COSTEL Rennes, UMR EMMAH Avignon, AGIR Toulouse, IISC Bangalore, Inde, et al)(Coord: L Ruiz, Alban Thomas) 2012-2015 projet financé par le CEFIPRA 2012-2015 (coord Sekhar Muddu, IISc Civil Engineering Bangalore et L. Ruiz, INRA-SAS Rennes) ; projet financé par l’ INRA ACCAF 2012-2014 (coord Alban Thomas, INRA-LERNA Toulouse). Le projet vise un modèle intégré (agronomie, hydrologie, économie) associé à des scénarios d’évolution des systèmes de culture, pour évaluer les performances de politiques de gestion de l’eau au niveau de l’exploitation agricole et d’un bassin versant d’un site expérimental en Inde. Méthodologie combinant télédétection, enquêtes de terrain et modélisation inverse afin d’inférer la distribution spatiale des paramètres biophysiques et les déterminants socio-économiques du choix des systèmes de culture. Un modèle de décision de l’agriculteur sera développé afin d’évaluer l’adaptabilité des systèmes de culture au changement climatique et à celui du contexte (voir https://inra-dam-front-resources-cdn.brainsonic.com/ressources/afile/262574-6651e-resource-poster-aicha.htmléconomique).
Postdoc Sreelash Krishnan Kutty, (de l’IISc Bangalore, Inde) : 02/2014-01/2016 Spatial Estimates of soil hydraulic properties at a catchment scale using satellite data and inversion of a crop model » en poste actuellement à l’UMR EMMAH Avignon - ANR RUEdes Sols 2015-2018 (Coord:I Cousin INRA Orléans, participants,UMR EMMAH Avignon, CESBIO , AGIR INRA Toulouse, ARVALIS , CETIOM et al) Estimation de la réserve en eau des sols par mesures directes et inversion de modèles de cultures à l’échelle de la parcelle agricole et du territoire et utilisation de la télédétection dans les modèles de culture (assimilation de données)
- Projet ScenaRice (financé par Agropolis) (Coord JM Barbier, UMR innovation Montpellier,et S Bocchi, UNIMIT Univ Milan, Participants : UMR EMMAH (F Ruget, D Courault), IREA remote Sensing department Milan Italie, Africa Rice Center Bénin, CIRAD Madagascar 2012-2015 Evaluation intégrée des systèmes de production durable de riz. Exploration des futurs plausibles, probables et possibles pour les systèmes de production de riz durable. (un Wp comprend l’utilisation de modèles de cultures et de données de télédétection (M Boschetti).
Phénotypage
- PHENOMENA (B de Solan, UMT CAPTE UMR EMMAH Avignon) 2014-2016 Ce projet a pour objectif de combiner un modèle croissance des cultures 4D avec un modèle de fonctionnement afin d’améliorer le phénotypage à haut débit du champ par le biais de capteurs de proxidétection. Ce travail s’appuiera sur deux modèles existants : le modèle de fonctionnement SIRIUS et le modèle de développement de l’architecture du blé ADEL. La mise en œuvre passera par la plateforme OpenAlea, dédiée à la modélisation structurelle et fonctionnelle des plantes.
Thèses
Thèses sur les pays à risques
- Caractérisation de la dynamique des « systèmes de culture » en zone soudano-sahélienne de l’Afrique de l’ouest par modélisation spatialisée des cultures et analyse de séries temporelles d’images satellites | Camille Jahel (2016) | Thèse de doctorat de l’Institut des Sciences et Techniques du Vivant et de l’Environnement (AgroParisTech), CIRAD
- Caractérisation spatio-temporelle et analyse des déterminants de la production agricole en Afrique de l’Ouest par télédétection | Leroux Louise (2015) | Thèse de doctorat de l’Institut des Sciences et Techniques du Vivant et de l’Environnement (AgroParisTech), CIRAD
- Entre désertification et reverdissement du Sahel : Diagnostic des observations spatiales et in situ | Dardel Cécile (2014) | Thèse de l’Université Toulouse III Paul Sabatier
- Cartographie et caractérisation des paysages agricoles au Mali par télédétection basse résolution (imagerie MODIS) | Vintrou Elodie (2012) | Thèse de doctorat de l’Institut des Sciences et Techniques du Vivant et de l’Environnement (AgroParisTech)
Thèses sur l’estimation des rendements
- Estimation des rendements, des besoins et consommations en eau du maïs dans le Sud-Ouest de la France: apport de la télédétection à hautes résolutions spatiale et temporelle | Battude Marjorie (2017) | Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III
- Prévision du rendement des céréales à partir des mesures de télédétection spatiale, application sur le bassin de Merguellil |Chahbi Aicha (2015) | Thèse de l’Institut National d’Agronomie de Tunis
- Estimation de la production potentielle de biomasse de canne à des fins énergétiques par modélisation et télédétection| Morel Julien (2014) | Thèse de doctorat de l’Université La Réunion
- Modélisation spatialisée de la production, des flux et des bilans de carbone et d’eau des cultures de blé à l’aide de données de télédétection : applications au sud-ouest de la France | Veloso Amanda (2014) | Thèse de l’Université Toulouse III Paul Sabatier
- Application à l’agriculture de la prévision saisonnière : évaluation à l’échelle de la France | Nicolas Canal (2014) | Direction : JC Calvet, CNRM Toulouse | Thèse de l’Université Toulouse III Paul Sabatier
- Estimation spatialisée de la biomasse et des besoins en eau des cultures à l’aide de données satellitales à hautes résolutions spatiale et temporelle| Martin Claverie (2012) | Direction : V Demarez B Duchemin Cesbio Toulouse | Thèse de l’Université Toulouse III Paul Sabatier
- Apport des données satellites radar (TERRASAR, ENVISAT, ALOS) multifréquences et multipolarisation pour l’estimation des bilans hydriques et carbonés en zones agricoles en milieu tempéré | Fieuzal Remy (2013) | Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III
- Estimation spatialisée de la biomasse et des besoins en eau des culturesà l’aide de données satellitales à haute résolution spatiale et temporelle : application aux agrosystèmes du Sud-Ouest de la France | Claverie Martin (2012) | Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse-III
Thèses sur l’agriculture de précision
Apports de la télédétection très haute résolution par drone pour l’agriculture de précision – Application à la culture de la canne à sucre sur l’île de La Réunion | Lebourgeois Valentine (2009) | Thèse de Doctorat, Université de La Réunion, St Denis (FR)
- Peut-on appliquer le concept d’agriculture de précision à la viticulture ? Tisseyre Bruno (2012) | HDR de l’Université Montpellier II / SupAgro, Montpellier
Thèses sur les variables bio-physiques / phénotypage
- Potentiel de l’imagerie hyperspectrale de proximité comme outil de phénotypage : application à la concentration en azote du blé | Vigneau Nathalie (2010) | Thèse de Doctorat en Sciences Agronomiques, SupAgro, Montpellier, soutenue le 13 Déc. 2010 à Montpellier, 125 p.
- Phénotypage haut débit par imagerie multispectrale au verger : Etude du déterminisme génétique de la réponse à la contrainte hydrique d’une population d’hybrides de pommiers (Malus x domestica Borkh.) | Virlet Nicolas (2014) | Thèse de doctorat du Centre international d’études supérieures en sciences agronomiques, soutenue le 3 juillet 2014 à Montpellier (FR), INRA, 204 p. + annexes.
Thèses sur les pratiques culturales / systèmes agricoles
- Modélisation Mixte et télédétection multi-résolution de l’évapotranspiration du sol Stefan Vivien (2016) Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III
- Développement et validation de méthodologies pour le suivi des états de surface des sols agricoles nus par télédétection radar (bande X)
| Gorrab Azza (2016) | Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III | Co-tutelle internationale avec: Université de Carthage, Institut National Agronomique de Tunisie (INAT) - Reconstitution de séries temporelles d’image de télédétection à haute résolution spatiale pour le suivi de l’occupation et l’usage des sols en milieu agricole intensif | Gong Xing (2015) | Thèse de l’Université Rennes 2 Haute Bretagne
- Estimation spatialisée de l’évapotranspiration à l’aide de données Infragouge thermique à haute et basse résolution| Bigeard Guillaume (2014) – Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III
- Modélisation spatialisée de la production, des flux et des bilans de carbone et d’eau des cultures de blé à l’aide de données de télédétection : application au sud-ouest de la France | Veloso Amanda (2014) | Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III
- Exploitation de séries temporelles d’images satellites à haute résolution spatiale pour le suivi des prairies en milieu agricole
| Dusseux Pauline (2014) | Thèse de l’Université Rennes 2 Haute Bretagne - Élaboration des scénarios d’irrigation en réponse à une diminution de la ressource hydrique disponible et quantification de l’impact de ces scénarios sur la production agricole et la recharge des nappes | M. Alkassem Alosman (2013-2015) | Direction : A. Olioso, S. Ruy, UMR EMMA Avignon
- Utilisation de la télédétection optique et radar pour le suivi et la gestion de prairies irriguées | M El Hajj (2013-2015) | Direction : Nicolas Baghdadi, IRSTEA, UMR TETIS, Montpellier
Suivi par télédétection radar de l’irrigation sur 3 parcelles (6k, 6i, b1) du Domaine du Merle près de Salon de Provence. L’imagerie radar permet d’identifier les zones d’eau libre à la surface des parcelles (zones délimitées par un contour rouge sur la figure) : la parcelle 6k représente la lame d’eau en cours de progression, la parcelle b1 est entièrement submergée, sur la parcelle 6i les zones dépressionnaires recouvertes d’eau après l’irrigation sont visibles. (El Hajj et al, 2014)
- Apport de la télédétection spatiale à l’analyse de la performance des systèmes d’irrigation en zones semi-arides | MH Kharrou, 2014 |Thèse soutenue le 8 décembre 2014, à l’université des sciences de Marrakech | Direction Jarlan L, Cesbio, S Khabba Univ Marrakech
- Estimation spatialisée de l’évapotranspiration et suivi de l’irrigation en milieu semi-aride à l’aide des données de l’infrarouge thermique| Chirouze, J. (2013) | Resp G Boulet, Cesbio, Université Paul Sabatier Toulouse
- Estimation régionale de l’évapotranspiration de la plaine de Kairouan (Tunisie) à partir de données satellites multi-capteurs | Amri Rim (2013) | Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse III / Institut National Agronomique de Tunisie
Publications
- Validation of coarse spatial resolution LAI and FAPAR time series over cropland in southwest France. Claverie, M., Vermote, E.F., Weiss, M., Baret, F., Hagolle, O. and Demarez, V., 2013. Remote Sensing of Environment, 139(0): 216-230.
- Irrigated Grassland Monitoring using a Time Series of TerraSAR-X and COSMO-SkyMed X-band SAR data,. El Hajj M,Baghdadi N,Belaud G,Zribi M,Cheviron B,Courault D,Hagolle O, Charron F, 2014. Remote Sens. 2014, 6(10), 10002-10032; 1003-1032
- An image-based four-source surface energy balance model to estimate crop evapotranspiration from solar reflectance/thermal emission data (SEB-4S). Merlin O., Chirouze J., Olioso A., Jarlan L., Chehbouni G., Boulet G., 2014. Agricultural and Forest Meteorology, 184, 188-203.
- POT-VEGETATION GEOV1 biophysical parameters in semi-arid agro-ecosystems . Raymaekers, D., A. Garcia, C. Di Bella, M. E. Beget, C. Llavallol, P. Oricchio, J. Straschnoy, M. Weiss and F. Baret(2014). International Journal of Remote Sensing 35(7): 2534-2547.
- EVASPA (EVApotranspiration Assessment from SPAce) tool: An overview . Gallego-Elvira B., Olioso A., Mira M., Reyes-Castillo S., Boulet G., Marloie O., Garrigues S., Courault D., Weiss M., Chauvelon P., Boutron O., 2013. Procedia Environmental Sciences, 19, 303–310.