Vers une nouvelle approche optique pour la caractérisation des sols par spectrométrie visible et proche infrarouge

Towards a new optical system to characterize soils by Visible and Near Infrared Spectroscopy

• Auteur / Autrice : Alexia Gobrecht
• Direction : Véronique Bellon-Maurel, Jean-Michel Roger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 01/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ITAP Information et Technologie pour les Agro-Procédés INRAE SupAgro Montpellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdul mounem Mouazen, Bernard Barthes, Ryad Bendoula
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexander Broadfoot McBratney, Ana Garrido-Varo

Mots clés

Mots clés libres

Spectroscopie Visible - Proche Infra Rouge

Polarisation de la lumière

Diffusion

Sols

Carbone

Visible - Near Infrared Spectroscopy

Light Polarization

Scattering

Soils

Carbon

Résumé

Avec l'objectif de réduire de la quantité de gaz à effets de serre dans l'atmosphère, les pouvoirs publics encouragent les pratiques ayant vocation à séquestrer du carbone dans les sols (reforestation, changement de pratiques agricoles). Pour en évaluer les réels bénéfices, des outils analytiques rapides, précis et peu coûteux sont nécessaires pour pouvoir comptabiliser précisément les stocks de carbone et leur évolution dans le temps. La Spectroscopie proche infrarouge (SPIR) est une technologie analytique adaptée à ce cahier des charges mais relève encore du domaine de la recherche en science du sol.Cette thèse s'est focalisée sur la première étape de cette méthode analytique: la formation du signal. Les sols étant des milieux très complexes, en termes de composition chimique et de structure physique, le signal spectroscopique est négativement impacté par les phénomènes de diffusion. Les conditions de la loi de Beer-Lambert n'étant plus remplies, les modèles chimiométriques pour prédire la teneur en carbone des sols sont moins précis et robustes. Nous proposons un système optique de mesure spectrale original et adapté aux milieux très diffusants, qui se base sur le principe de polarisation de la lumière. Il permet de sélectionner les photons ayant été moins impactés par le phénomène de diffusion. Ce signal est utilisé pour calculer un signal d'absorbance étant une bonne approximation de l'absorbance de Beer-Lambert.Ce dispositif, appelé PoLiS, a été validée expérimentalement sur des milieux modèles liquides et particulaires. Appliquée des sols pour prédire la teneur en carbone organique, les modèles de prédictions sont meilleurs avec l'absorbance calculée par PoLiS qu'avec l'absorbance calculée classiquement à partir de la mesure de réflectance.

With the goal of reducing the amount of greenhouse gases in the atmosphere, policy makers encourage practices intended to sequester carbon in soils (reforestation, changes in farming practices). New methods are required to rapidly and accurately measure soil C at field- and landscape-scales. Near infrared spectroscopy (NIRS) is an analytical technology adapted to these specifications but remains experimental research in soil science.This thesis has focused on the first step of this analytical method: signal formation. The soils are very complex materials, in terms of chemical composition and physical structure. Hence, the spectroscopic signal is negatively impacted by light scattering. Consequently, the conditions of the Beer-Lambert are no longer fulfilled, and the chemometric models to predict the carbon content of soils are less accurate and robust. We develop an original optical method based on light polarization spectroscopy to measure the absorbance of highly scattering materials. By selecting photons being less scattered, we compute a new absorbance signal which is a good approximation of the Beer-Lambert absorbance.This method, called Polis, was experimentally validated on model materials in liquid and powdered form. Applied on soils to predict Total Organic Content, the model built with the PoLiS absorbance outperform the models built with the classical absorbance computed from the diffuse reflectance signal.