Soutenance mémoire
Extraction des RU moyennes par parcelles
Couplage des données de télédétection dans la modélisation de croissance
Simulation des efficiences d’interception par MOSICAS
Présentation MOSICAS
Le modèle MOSICAS est composé d’un module de croissance de la canne à sucre ( sur la figure 9), relié à un bilan hydrique .Le module de croissance est basé sur l’interception du rayonnement, sa conversion en biomasse puis la partition de cette dernière en ses différentes composantes que sont les tiges (rendement) et le sucre (qualité). Il prend en compte dans ces processus les stress thermiques et hydriques (Martiné, 2003). Le module de bilan hydrique permet de moduler la simulation de la croissance grâce à des coefficients de stress calculés selon les disponibilités de l’eau dans le sol. Le fonctionnement est basé sur le remplissage et la vidange de la réserve utile du sol (réserve facilement utilisable et difficilement utilisable) en fonction des entrées et des sorties d’eau (pluie, irrigation, drainage et évapotranspiration).
Les applications réalisées jusqu’à présent concernent la prévision des productions (Todoroff, 2000) ; le diagnostic agronomique sur les exploitations (Pouzet et al., 2004) ; et les potentialités de l’irrigation sur la production (Todoroff et al., 2002).
Données d’entrées de simulation
Les entrées sont réunies dans une base de données de type Access. Cette base contient les tables correspondantes aux différents types d’entrée. Les paramètres nécessaires à notre étude sont les suivants :
– Le climat renseigné à l’aide des données pluviométriques de la station Grand-Hazier et des données climatiques de la station de La Mare (cf paragraphe 2.1.1) ;
– Parcelles / essai : C’est dans cette table que l’on va entrer les paramètres descriptifs des parcelles : ses coordonnées géographiques, son altitude, le sol auquel elle est associée, les stations climatiques et pluviométriques associées et les poids relatifs correspondants. Sur l’onglet ou dans la table traitement, on intégrera les données relatives à l’année de culture étudiée avec la date de début correspondant au début de la repousse suite à la coupe précédente, et la date de fin correspondant à la date de coupe, ou dans le cadre de cette étude la date de l’image SPOT à partir de laquelle les efficiences d’interception ont été calculées. Ceci dans le but d’avoir les résultats de simulations jusqu’à cette date. Cette table intègre également les conditions initiales de simulation : le coefficient cultural (Kc de 0.2 pour un sol couvert à 0.4 pour un sol nu) ; l’humidité du sol, fraction de la réserve utile remplie (0 si la réserve est vide, 1 si elle est remplie) ; on peut également indiquer la profondeur d’enracinement; l’écartement entre ligne, choisi à 1,5 m ; et le code du cycle.
– Sol : On traitera de sols monocouches uniquement, faisant appel au module hydrique pFactor (Allen et al., 1998). Ce modèle classique à deux réservoirs considèrent que la réserve utile se compose de deux parties, la réserve facilement utilisable (RFU) et la réserve difficilement utilisable (RDU) avec RU=RDU+RFU. La RFU concerne l’eau de rétention la plus rapidement mobilisable pour répondre à la demande de la plante. Cette eau se trouve donc à des succions proches de la capacité de rétention. Le module hydrique considère que tant que la RFU n’est pas épuisée, la plante évapotranspire à l’ETM (ETR/ETM=1). Sinon ETR/ETM=valRDU/capaRDU. Ce
modèle remplit prioritairement la RDU avant la RFU. On peut également paramétrer le Po ou seuil de stress hydrique, c’est le rapport entre la Réserve difficilement utilisable et la Réserve Utile (Po=RDU/RU). En général : RFU= 2/3 RU. Donc Po=0,33.
Calcul de l’Efficience d’interception par télédétection
Radiométrie de la Canne à sucre
Le cycle de la canne à sucre étant variable dans le temps et dans l’espace (au sein même de la parcelle), la culture est difficile à caractériser au travers d’une seule image satellite. En revanche, son profil temporel radiométrique est caractéristique.
Sur les images SPOT, les canaux Rouge(R), Proche Infra Rouge (PIR) et Moyen Infra Rouge (MIR) permettent de différencier au mieux la réponse spectrale de la canne (Begué et al., 2006). Plus de 90% de l’information sur un couvert végétal est contenue dans les canaux rouges et PIR (Baret et al., 1988). Dans le visible (380-700 nm), les végétaux présentent une réflectance faible. Cela est dû aux pigments, principalement les chlorophylles a et b, qui présentent respectivement une bande d’absorption dans le bleu (450 nm) et le rouge (660 nm).
Dans le PIR (700 nm – 1,3 µm), les pigments n’interviennent plus dans le comportement spectral, la quantité de rayonnement absorbée par la feuille est très faible. C’est la structure du feuillage, principalement les différents tissus et les arrangements de cellules et d’espaces intercellulaires qui sont responsables des valeurs de réflectances.
Les changements physiologiques qui accompagnent les phénomènes de maturation et de sénescence sont responsables de changements importants du comportement spectral dans le visible et le PIR. Au champ, à ces variations de réflectances en fonction de l’état physiologique de la plante, se rajoute les effets du sol, qui selon la couverture plus ou moins grande de la canopée et le port des feuilles (angle d’inclinaison de la feuille par rapport à l’horizontale), aura un effet plus ou moins important sur la réflectance. La canne est une plante érectophylle (angle de 90° par rapport à l’horizontale) et présente donc une sensibilité à l’effet de rang dans le PIR pour des visées inclinées de plus ou moins de 30° par rapport à la verticale (Girard et Girard, 1999).
Dans le MIR (1,3 – 2,5 µm), le comportement spectral des feuilles est principalement affecté par la teneur en eau des cellules. L’eau présente trois bandes d’absorption dans ce domaine. Ainsi le MIR permet de détecter les résidus de culture et donc les parcelles coupées.
Choix des images
Trois paramètres ont motivés le choix des images :
– La présence d’un stress hydrique proche de la date de l’image (cf paragraphe 2.1.1), et ayant lieu pendant la période de croissance de la biomasse
– La disponibilité des données de l’exploitant pour l’année de l’image
– L’âge de la canne à la date de l’image. En effet, comme nous l’avons vu dans le paragraphe 2.1.1, l’efficience d’interception déduite des valeurs de NDVI est un paramètre très sensible et faible en début de croissance. L’évolution du NDVI au cours du cycle (cf figure 8) montre que pour une repousse, la valeur maximale est atteinte en mai.
Nous avons donc sélectionné quatre images SPOT prise au mois de mai, alors que le couvert végétal de la canne est déjà avancé. Ceci pour 2000, 2006, 2007 et 2008. Les caractéristiques des images figurent dans l’ANNEXE 4.Les images utilisées sont de type tc (top of canopy, correction des effets atmosphériques). Elles sont importées et traitées sous ERDAS Imagine. On traduit l’image brute en « image des NDVI ». On calcule la moyenne des valeurs de NDVI de chaque parcelle, c’est-à-dire la moyenne des pixels contenus dans chacune des parcelles (grâce à la fonction ZONAL Attributes).Calcul de l’efficience d’interceptionL’efficience d’interception conditionne la production de biomasse d’une culture. Le modèle de Monteith (1977), adapté à l’utilisation de données radiométriques (Kumar et Monteith, 1981) calcule la production de matière sèche en fonction du rayonnement solaire incident par l’intermédiaire de trois efficiences. Parmi celles-ci, l’efficience d’interception du rayonnement représente la capacité du couvert à intercepter le rayonnement photosynthétique. Dépendante des propriétés optiques du couvert, elle peut ainsi être dérivée des mesures de réflectances ou de combinaisons de réflectances.L’étude menée sur les estimations de rendement en canne à sucre à partir des données de télédétection (Pellegrino, 2004) considère que l’efficience d’interception est nulle lorsque le NDVI est égal à celui d’un sol nu ou couvert de paillis, et égale à 1 lorsque le NDVI atteint sa valeur maximale. Ainsi nous calculerons les valeurs des efficiences d’interception des parcelles étudiées à l’aide d’une régression linéaire simple.Pour établir cette relation, nous avons pris en considération les moyennes des valeurs de NDVI par parcelle sur la totalité de la sole cannière pour les images de mai 2007 et mai 2008. Nous avons également vérifié les fréquences par valeur de NDVI pour éliminer les valeurs aberrantes ou non représentatives (parcelles sous nuages ou présence de bâtiments sur le parcellaire).
Interpolation et calcul de la réserve utile
Pour la simulation, il est possible de faire varier un paramètre afin d’obtenir les résultats correspondants. C’est ainsi que nous allons chercher à obtenir des efficiences d’interception simulées les plus proches possible des valeurs observées par télédétection. En faisant varier le paramètre réserve utile de 50 à 200 mm, avec une valeur centrale de 125 mm et un pas de 10%, nous obtenons une sortie de simulation à la date choisie (dates des images SPOT) pour chacun des 85 traitements avec les valeurs d’efficience simulées pour chaque valeur de réserve utile.
Ainsi, nous obtenons des distributions RU=f(Ei) pour chaque traitement. A partir de ces graphiques, nous allons utiliser les efficiences d’interception observées par télédétection pour avoir une estimation de la réserve utile pour chaque traitement. Les courbes ne répondant pas à un modèle mathématique précis, nous avons choisi d’interpoler les valeurs de RU de manière linéaire, par portions de segment, pour chaque traitement (exemple : figure 10).
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Table des matières
RESUME
REMERCIEMENTS
SOMMAIRE
INTRODUCTION
1 CONTEXTE DE L’ETUDE
1.1. Milieu naturel
1.1.1. Généralités sur l’île de la Réunion
1.1.2. Un climat contrasté
1.1.3. Pédologie : une distribution caractéristique
1.2. La production de Canne à sucre
1.2.1. La plante
1.2.2. Economie de la filière
Contexte international et Européen
La canne à sucre à la Réunion
1.2.3. La recherche menée par le CIRAD et objectifs de l’étude
2. MATERIEL ET METHODE
2.1. Présentation du site d’étude
2.1.1. Données climatiques
2.1.2. Morpho-pédologie de la zone
2.1.3. Informations sur le parcellaire agricole
2.2. Couplage des données de télédétection dans la modélisation de croissance
2.2.1. Simulation des efficiences d’interception par MOSICAS
Présentation MOSICAS
Données d’entrées de simulation
2.2.2. Calcul de l’Efficience d’interception par télédétection
Radiométrie de la Canne à sucre
Choix des images
Calcul de l’efficience d’interception
2.2.3. Interpolation et calcul de la réserve utile
3. RESULTATS ET DISCUSSION
3.1. Extraction des RU moyennes par parcelles
3.1.1. Efficiences d’interception observées par télédétection
3.1.2. Comparaison des RU en fonction des années
Présentation des résultats
Effet année et repousse sur l’estimation de la RU des sols
3.1.3. Comparaison des P-ETP moyens
P-ETP moyens
Test de Wilcoxon sur l’année 2006
RU moyennes par parcelle
3.2. Validation des résultats
3.2.1. Simulation avec les RU moyennes
3.2.2. Comparaison des efficiences d’interception
3.2.3. Comparaison entre rendements simulés et observés
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
INDEX DES ABREVIATIONS
LISTE DES ILLUSTRATIONS
LISTE DES TABLEAUX
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
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