Utilisation d'un système léger d'acquisitions aéroportées dans les domaines optiques réflectif et thermique pour la caractérisation de l'état hydrique et nutritionnel des cultures : application à la culture de la canne à sucre à la Réunion

par Valentine Lebourgeois

Thèse de doctorat en Traitement du signal et de l'image

Sous la direction de Agnès Bégué.

Soutenue en 2009

à La Réunion .


  • Résumé

    La caractérisation de la distribution spatio-temporelle de l'état hydrique et nutritionnel des cultures constitue un élément clé pour la gestion raisonnée des intrants et les applications en agriculture de précision. Les images à très haute résolution acquises par télédétection dans les domaines optique réflectif et thermique permettent l'obtention d'informations spatialisées sur les paramètres bio-physicochimiques décrivant l'état des cultures. C'est le thème de recherche de cette thèse qui explore l'utilisation d'un système d'acquisition multispectral aérien, flexible et à bas prix, pour le suivi de l'état des cultures de canne à sucre à l'Ile de la Réunion. Ces travaux répondent à un double objectif méthodologique, à la fois technologique et agronomique. La partie technologique a concerné la mise au point d'une chaîne de traitement permettant de passer du signal acquis par un système aéroporté à une grandeur quantifiée et donc comparable dans le temps et l'espace. Le système d'acquisition d'images multispectrales est composé d'un ULM équipé d'appareils photographiques numériques du commerce pour les acquisitions dans le domaine optique réflectif (bleu, vert, rouge, rededge, proche infrarouge) et d'une caméra thermique pour les mesures dans l'infrarouge thermique. Pour convertir le signal acquis en une mesure radiométrique quantifiée, nous avons mis au point des méthodes de correction des distorsions radiométriques d'origine environnementales (éclairement solaire, atmosphère…) ou internes aux capteurs (vignettage, compression d'images) qui affectent les images. Dans l'infrarouge thermique, ces méthodes ont été validées à partir de mesures in situ de températures de surface. Dans l'optique réflectif, nous avons examiné l'impact des corrections radiométriques sur la qualité des relations liant des indices spectraux de végétation à des variables biophysiques de surface. Dans la partie agronomique, nous avons évalué le potentiel de ces mesures multispectrales pour diagnostiquer l'état de stress des couverts de canne. Nous avons montré, à partir de données in situ (Crop Water Stress Index empirique sur culture couvrante) et de données aéroportées (Water Deficit Index sur culture partiellement couvrante) la capacité des indices basés sur la température de surface à caractériser l'état hydrique de la canne à sucre. Pour cela nous avons développé des méthodes originales de calcul de ces indices afin de pouvoir les appliquer en milieu humide et sur des plantes présentant un stress croisé (eau * azote). L'état azoté de la culture a pu également être caractérisé à partir du rapport des signaux acquis dans les bandes Bleu et Rouge. Les résultats, en bon accord avec les mesures de terrain (évapotranspiration, couleur des feuilles, humidité de la plante) permettent d'envisager le couplage futur de ces indicateurs d'état avec des modèles agronomiques pour aboutir à un conseil technique adapté.

  • Titre traduit

    Use of an ultra-light airborne acquisition system in the spectral and thermal domains for the characterisation of crop nutrient and water status: Application to sugarcane crops in Reunion Island


  • Résumé

    Spatial and temporal characterisation of crop nutrient and water status is of great importance for input management and precision agriculture applications. Very high resolution images remotely-sensed in the spectral and thermal domains provide information about the spatial variation of bio-physical and chemical parameters that describe crop status. This thesis explores the use of a flexible and low-cost airborne multispectral acquisition system for the monitoring of sugarcane crop status in Reunion Island. A dual objective was pursued in this study, both technological and agricultural. The technological part concerned the development of a processing chain allowing the translation of the signal acquired by the airborne system into quantified values usable for spatial and temporal comparisons. The multispectral image acquisition system was made up of an ultra-light aircraft equipped with commercial digital cameras for acquisition in the blue, green, red, rededge and near infrared bands, and with a thermal infrared camera for surface temperature measurements. In order to convert the acquired signal into a quantified radiometric value, we developed methods for the correction of the environment-dependent (solar radiation, atmosphere) and camera-related (vignetting effects, image compression) radiomet ric distortions that affect the images. In the thermal infrared band, these methods were validated using in situ measurements of surface temperatures. In the other bands, we examined the impact of our radiomet ric corrections on the quality of the relationships between spectral vegetation indices and surface biophysical variables. In the agricultural part, we evaluated the potential of these multispectral measurements for the diagnosis of stress in sugarcane crops. Using in situ (empirical Crop Water Stress Index on fullyvegetated crops) and airborne (Water Deficit Index for partially-covered canopies) data, we showed the ability of indices based on surface temperature to characterize the water status of sugarcane. This involved the development of original calculation methods of these indices to allow their application in humid conditions and on crops affected by a combined stress (water * nitrogen). The nitrogen status of the crop was also successfully characterised using the ratio of the signals acquired in the Blue and Red bands. The results were in good agreement with field measurements (evapotranspiration, leaf colour, plant humidity), and open the possibility of future coupling of these vegetation status indicators with crop growth models, yielding valuable decision-making tools.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (174 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie en fin de chapitres. Annexes

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  • Disponible pour le PEB
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