Posté par be Api, le 7 décembre 2016

L’imagerie aérienne appliquée à l’agriculture n’est pas un phénomène nouveau. Elle a connu un essor important en France durant les dix dernières années pour diagnostiquer l’état des cultures à l’échelle intra-parcellaire. Elle permet aujourd’hui de suivre pas loin d’un million d’hectares de cultures de blé et de colza sur l’hexagone (dont 90 % grâce à l’utilisation de satellites et 10 % avec des drones, ULM ou capteurs embarqués sur les tracteurs). L’utilisation récente des drones en agriculture pour piloter les cultures, si elle a connu un engouement médiatiques sans précédent, nécessite encore de nombreux travaux pour la rendre totalement opérationnelle.

 Notion de longueur d’onde

La lumière naturelle provenant du soleil est composée d’un ensemble de longueurs d’onde, chacune correspondant à une couleur donnée. Lorsque l’on décompose la lumière naturelle en la difractant par exemple, on observe dans le domaine du visible par l’œil humain les principales couleurs de l’arc en ciel :

L’ensemble de ces lumières élémentaires (ou radiations élémentaires, chacune étant relative à une longueur d’onde donnée) constitue le spectre de la lumière visible. L’œil humain ne perçoit que les longueurs d’onde comprise dans ce spectre (du violet au rouge) car le cristallin humain n’est pas assez transparent pour laisser passer les radiations des ultraviolets et ne possède pas les pigments capables de détecter l’infrarouge, contrairement à certains capteurs optiques.

Notion de couleur

Tout objet absorbe une partie des longueurs d’onde de la lumière naturelle et réfléchit les autres. C’est ce phénomène qui explique les couleurs :

• Un objet blanc réfléchit toutes les longueurs d’onde de la lumière naturelle et apparaît donc de la même couleur que la lumière qui l’éclaire :
• Un objet noir absorbe toutes les longueurs d’onde :
• Un objet vert réfléchit les longueurs d’onde vertes et absorbe toutes les autres :

Notion de réflectance

Ainsi tout corps réfléchit une partie de la lumière qu’il reçoit. La réflectance est une grandeur physique qui se définit comme le rapport entre le flux lumineux incident et celui réfléchi :

La réflectance varie en fonction de nombreux paramètres :

• Des propriétés de la surface (nature, couleur, rugosité…)
• De la lumière incidente
• De l’inclinaison et de la rugosité de la surface

Elle peut être mesurée globalement ou, longueur d’onde par longueur d’onde.

Réflectance d’un peuplement végétal

Lorsque l’on étudie la végétation par télédétection, les variations de la réflectance mesurées par le capteur dépend de nombreux facteurs comme la surface foliaire, l’état physiologique des feuilles, leur angle d’inclinaison, l’organisation spatiale du peuplement (agencement, densité…) ainsi que le taux de recouvrement du sol selon le stade de développement du couvert végétal. Lorsque la végétation est peu couvrante, la réponse spectrale des plantes est affectée par la réflectance des sols. D’autres facteurs peuvent intervenir comme la position du soleil (heure de mesure), l’inclinaison et l’orientation de la parcelle, la présence de rosée ou de gouttelettes de pluie :

Observation par télédétection d’une surface végétale

La télédétection repose sur le principe de mesure de la réflectance de la lumière émise par le couvert végétale, et ce, dans différentes gammes de longueurs d’onde. Ces dernières se situant à la fois dans le domaine du visible (bleu, vert et rouge, de 480 à 680 nm) mais surtout sur des domaines hyper-spectraux tel que le Red Edge (720-740 nm) ou le Proche-Infrarouge (750-850 nm).

La signature spectrale d’un couvert végétal résulte d’une combinaison complexe des spectres de réflectance des parties végétales et celle du sol. Il est aussi important de noter que la réflectance d’un feuillage mesuré par un capteur dépend aussi des angles horizontaux et verticaux entre la radiation réfléchie et le capteur (et donc de l’heure de mesure qui détermine la position du soleil). Elle est en outre fortement influencé par l’angle du port des feuilles. Ce facteur a un impact important entre des plantes dites éroctophiles (65°) et planophiles (25°).

Mise en œuvre de la télédétection pour le pilotage des cultures

L’utilisation de la télédétection pour le pilotage des cultures vise à mesurer certaines propriétés optiques du couvert végétal afin d’apprécier des caractéristiques utiles pour élaborer un conseil. Le processus qui conduit à l’élaboration de la carte de conseil nécessite de mesurer la réflectance de certaines longueurs d’onde de la culture, d’acquérir des données au sol, de mettre en œuvre des traitements géomatiques et d’utiliser des règles de décision pertinentes.

La mesure de réflectance met en œuvre un (ou plusieurs) capteur(s) optique(s), un véhicule qui transporte le capteur et qui permet d’acquérir des données sur toute la zone à étudier (un champ, une exploitation agricole, un territoire par exemple).

• CAPTEUR OPTIQUE

La mise en œuvre de la télédétection nécessite l’utilisation de capteurs permettant de mesurer les longueurs d’onde utiles pour l’application envisagée. Les capteurs peuvent être « actifs » : ils émettent un signal lumineux et mesurent la partie réfléchie par la surface végétale. Ils sont capables de calculer réellement la réflectance de la surface que l’on souhaite caractériser puisqu’ils connaissent la valeur du signal incident, celui qu’ils émettent, et celle du signal réfléchi, celui qu’ils mesurent. Le capteur dit « passif » mesure le signal spectral émis par la surface étudiée. Pour déterminer la réflectance, il est donc nécessaire de connaître la lumière incidente qui arrive sur la surface à caractériser. La plupart des capteurs transportés par satellite, aéronef, drone sont passifs et donc tributaires des conditions d’éclairement lors de la période de mesure.

Selon l’image et les indicateurs que l’on souhaite produire (établir un plan de masse de la parcelle, cartographier les zones à faible croissance, mesurer la fraction de sol non couvert par la culture en place, estimer la biomasse produite, la quantité d’azote absorbée par la culture ou la teneur en chlorophylle du peuplement, déterminer la date de floraison du colza ou localiser les infestations de coquelicot…), on utilise des capteurs spécifiques capables de mesurer les longueurs d’onde pertinentes et qui doivent être préalablement calibrés et étalonnés.

Les capteurs optiques selon leur origine offrent différentes possibilités. Certains acquièrent des images dans le visibles, d’autres sont capables de mesurer entre 2 et 6 longueurs d’onde spécifiques. Les plus sophistiqués sont capables de mesurer un plus grand nombre de longueurs d’onde. Ces capteurs souvent plus onéreux et plus lourds sont utilisés par le milieu de la recherche scientifique. L’utilisation d’un capteur est donc conditionné aux longueurs d’onde qu’il est capable de mesurer. Sa précision de mesure dépend de la largeur de la plage pour chaque longueur d’onde. Plus elles sont étroites, plus le capteur est spécifique.

Les longueurs d’onde les plus utiles pour caractériser un sol sont le rouge et le proche infrarouge. La réflectance dans le bleu d’un sol est généralement faible (<10%) et augmente de façon quasi linéaire jusqu’au proche infrarouge. Pour s’affranchir de l’effet de l’humidité qui modifie les valeurs de réflectance, on établit pour chaque type de sol une relation qui lui est spécifique, reliant la réflectance dans le proche infrarouge (PIR) et le rouge (R) de type :

PIR = a R + b

Les coefficients a et b étant indépendants des conditions d’humidité. La droite ainsi obtenue est appelée « droite des sols ». La connaissance de cette droite des sols est nécessaire pour atténuer l’effet du type de sol lorsque l’on souhaite mesurer la réflectance du couvert végétal, notamment lorsque celui-ci ne couvre pas tout le sol. Les sols qui ont une teneur en eau et en matière organique élevées absorbent plus et auront une réflectance plus faible.

Le signature spectrale d’un couvert végétal se présente de façon très différente. La réflectance dans le proche infrarouge est beaucoup plus élevée que celle dans le domaine du visible qui est minimale dans le bleu (450 nm) et le rouge (650 nm). Les longueurs d’onde les plus utiles pour caractériser la croissance ou le fonctionnement photosynthétique du couvert végétal d’une culture sont : vert (550 nm), rouge (660 nm), Red edge (735 nm) et le proche infrarouge (790 nm)

• Véhicule transportant le capteur

Pour disposer d’une cartographie de toute la zone géographique à caractériser, le capteur est installé sur un véhicule qui peut le transporter à des altitudes variables (satellites à 400 km d’altitude, avion à 1 km d’altitude, ULM à 500 m d’altitude, drone de type aile volante à 120 m d’altitude, drone de type hexacoptère à 30 m d’altitude, matériel agricole à 2 m au-dessus du sol, technicien).

Le choix du véhicule détermine la précision de la mesure (on parle de résolution au sol ; les satellites utilisées en agriculture ont une résolution au sol de 5 à 10 mètres, les drones de quelques centimètres, les capteurs utilisés au sol de l’ordre du centimètre voire moins), d’étendue spatiale de la mesure (les satellites ont une fauchée au sol de l’ordre de 50 km voire plus, un capteur transporté par un drone pour acquérir des données sur une parcelle de 20 hectares prend une rafale de photos de quelques mètres carrées qu’il faut ensuite réassembler entre elles pour établir la carte de la parcelle et de fréquence de retour. Cette fréquence de retour peut être un facteur important si l’on souhaite suivre dans le temps l’évolution du phénomène étudié par télédétection.

Tout comme les capteurs, les performances des satellites et des drones évoluent rapidement. Citons, à titre d’exemple, le programme SENTINEL financé par l’Agence Spatiale Européenne. Les « SENTINEL » sont des satellites dédiés à l’observation de la terre, présentant une grande fauchée au sol (350 km) avec des résolutions au sol variant de 5 à 25 mètres. Certains d’entre eux transportent des capteurs radar capable de prendre des images par tout temps, d’autres des caméras mesurant jusqu’à 13 bandes spectrales !

• Traitement des images

La traitement des images poursuit plusieurs objectifs principaux :

• Préparer les images

De nombreuses opérations sont nécessaires pour préparer et corriger les images. De la qualité de ce travail dépendra la pertinence des images. Pour le satellite, le principal travail consiste à récupérer les photos des différents passages et à supprimer, si nécessaire, certains artefacts dus aux déformations atmosphériques et/ou l’effet des nuages si nécessaire. Pour les drones par contre, beaucoup plus de facteurs sont à prendre en compte (l’ombre des nuages, le changement de luminosité pendant le vol et au cours de la journée, l’angle de prise d’images suivant la stabilité du vol, le recouvrement des photos suivant la hauteur de vol et les paramètres d’orthomosaïquage). Rappelons que le capteur transporté par drone prend une rafale de photos qu’il faut ensuite assembler pour avoir une image de la parcelle.

Selon l’état de développement de la culture et donc la proportion de sol non couverte par la culture, le traitement des images devra minimiser l’impact du sol pour faire ressortir de la façon la plus importante possible l’effet du couvert végétal en place. Ce traitement d’image vise aussi à s’affranchir le plus possible des variations d’éclairement pendant la phase d’acquisition des mesures. La durée d’acquisition des mesures est d’autant plus longue que le véhicule qui transporte le capteur est proche du sol et de ce fait tributaire de modifications d’éclairement.

• Calculer les indicateurs

Une fois les images préparées, il est alors possible de convertir ces images de réflectance en indicateurs utiles. En agronomie, ces indicateurs sont souvent appelés indicateurs biophysiques. La production de ces indicateurs nécessite un traitement plus spécifiques des informations. Ce traitement spécifique peut être conduit de deux façons différentes

• Calcul d’indices de végétation

Lorsque l’on s’intéresse à la végétation et que l’objectif est de caractériser la quantité de biomasse photosynthétiquement active, l’un des indicateurs couramment utilisé est le NDVI (Normalized Difference Vegetative Index) :

NIR étant la réflectance dans le proche infrarouge et R la réflectance dans le rouge. Cet indice, calculé à partir d’un rapport de combinaison de longueurs d’onde, atténue l’impact des variations d’éclairement pendant la prise de vue. Ses valeurs varient entre [+1, -1]. Les couverts végétaux présentent des valeurs positives d’autant plus fortes que le couvert est photosynthétiquement actif; les sols des valeurs faibles. Les valeurs négatives correspondent à des surfaces autres comme la neige ou l’eau pour lesquelles la réflectance dans le rouge est supérieure à celle du proche infrarouge.

Le schéma ci-dessus illustre l’impact du stress sur la valeur NDVI d’un couvert végétal :

Les indices de végétation sont souvent utilisés pour suivre l’évolution temporelle des couverts végétaux ou évaluer certains paramètres du couvert comme la biomasse produite, la surface foliaire verte. Ces indices sont calculés soit à partir de mesures de réflectance sur le terrain ou par aéronef et satellites. De nombreux autres indices de végétation ont été définis :

Le NDVI est probablement l’indice qui a été le plus utilisé ; il présente trois limites principales :

• Il est sensible aux propriétés optiques du sol sous-jacent, ce qui peut conduire à des erreurs importantes si la végétation que l’on souhaite caractériser n’est pas assez dense.
• Il sature à partir d’une surface foliaire foliaire par unité de surface (LAI) de l’ordre de 2 (les cultures présentent des valeurs de LAI généralement comprises entre 4 et 6 lorsqu’elles sont totalement développées) ; le graphe ci-dessous illustre le phénomène de saturation ; La relation NDVI – Biomasse marque une rupture de pente marquée à partir d’une biomasse fraîche de 1500g/m² :

• Il varie en fonction de l’angle de la visée et selon la position vis-à-vis du soleil. Ce phénomène est particulièrement marqué lorsque le véhicule est un drone dont l’inclinaison peut varier pendant le vol.

Quel que soit l’indice de végétation, son utilisation nécessite un étalonnage-terrain préalable pour établir la relation entre l’indice et l’indicateur biophysique ou agronomique que l’on cherche à estimer :

• Inversion de modèles radiatifs

Un modèle biophysique de transfert radiatif de culture est utilisé pour prévoir la réflectance du couvert végétal. Ce modèle utilise les paramètres culturaux que l’on cherche à estimer (surface foliaire, état qualitatif de la surface foliaire). Ce modèle mécaniste intègre le port des feuilles, l’effet du sol, les conditions de mesures et bien d’autres facteurs encore. Ce modèle permet de produire une table de références qui associe les valeurs des paramètres que l’on cherche à estimer aux valeurs de réflectance obtenues par modélisation. Une fois la réflectance mesurée, un algorithme mathématique permet de rechercher dans la table de références les valeurs des paramètres simulés qui s’apparentent le mieux aux données mesurées. La précision d’estimation des paramètres culturaux sera d’autant meilleure que le nombre de longueurs d’onde pour lesquelles la réflectance a été mesurée est important.

L’estimation des paramètres par cette technique est plus précise que celle obtenue par l’utilisation d’indice de végétation. Cette approche est celle mise en œuvre par le service FARMSTAR qui permet de suivre plus de 800 000 ha de cultures en télédétection par an en France.

• La validation terrain des différents paramètres agronomiques

Quelle que soit l’approche retenue (utilisation d’indices de végétation, inversion de modèle), la mise en œuvre de la télédétection (par satellite, drone, capteur embarqué) doit impérativement s’accompagner de dispositif de calage au sol. Ces dispositifs de calage au sol permettent d’affiner l’estimation des paramètres culturaux.

Les utilisateurs, souvent plus préoccupés par ce qu’ils voient (le drone, la photo du satellite, la carte qu’on leur remet) n’appréhendent pas toujours l’importance de la qualité du traitement de données et du dispositif de recalage au sol. Pourtant, bien plus que le capteur optique, le type de véhicule, la présentation de la carte, c’est bien ces deux facteurs-là qui détermine la qualité du service global !

Les cartes de végétation et de conseil doivent être interprétées en fonction de la connaissance que l’agriculteur ou que son technicien a de la parcelle. Un déficit de croissance, une mauvaise réflectance peuvent être causés par de nombreux facteurs (peuplement, azote, soufre, carence en phosphore, excès d’acidité, viroses, champignons, pathogènes, adventices, …). Pour les services de pilotage de l’azote par télédétection, il est donc nécessaire de bien s’assurer que les zones identifiées et les différences d’état de végétation sont bien dues à un déficit d’alimentation azotée avant de démarrer l’épandeur ou le pulvérisateur !

Conclusion

Les avancées scientifiques permises par l’utilisation des satellites dans le domaine de l’observation des cultures, d’abord à l’échelle du territoire puis à l’échelle de la parcelle, depuis près de 30ans, sont en cours d’adaptation pour des usages avec les drones.

Les services de pilotage des cultures par télédétection satellitaire ont pris leur envol. Ils sont proposés aux agriculteurs avec des dispositifs de recalage au sol et de validation. Leur utilisation se développe régulièrement et représentent en France près de 900 000 ha par an. La multitude de satellites aujourd’hui disponibles permet d’assurer la délivrance du service avec un taux supérieur à 95%. Par leur fauchée au sol de plusieurs dizaines de kilomètres, le coût d’acquisition des images est faible. Leur résolution de quelques mètres est largement suffisant pour gérer la fertilisation azotée. Ils profitent des travaux scientifiques extrêmement abondants qui rendent leur utilisation de plus en plus fiable et de plus en plus précise.

Les drones par leur souplesse d’utilisation ouvrent de nouvelles perspectives intéressantes dans les zones géographiques où leur utilisation n’est pas interdite (proximité d’habitation, d’aéroport et diverses autres installations). La spécificité de ce véhicule et des capteurs qu’ils sont capables de transporter nécessite encore de nombreux travaux de calage et peut-être le développement de travaux complémentaires à ceux menés sur l’utilisation des satellites. La précision que la télédétection par drone apporte doit être maîtrisée pour éviter que des phénomènes autres que ceux étudiés viennent interférer et obligent à un traitement des images complexes nécessitant l’utilisation de mesures au sol de recalage. Leur utilisation nécessite de bien maîtriser leur conditions de vol (heure et position du soleil, inclinaison de l’aéronef, condition d’éclairement suffisante et constante pendant toute la phase d’acquisition de mesures qui peut durer plus de 30 mn pour les grandes parcelles).

Peut-être serait-il intéressant de généraliser leur utilisation pour le suivi des dispositifs d’essais pour intensifier les travaux d’acquisition de références et produire les indicateurs agronomiquement intéressants. Le survol répété d’un même lieu à des dates différentes permet de mieux appréhender l’ensemble des facteurs influençant les valeurs de réflectance du couvert végétal et du sol.  Le tableau ci-dessous présente l’impact de traitements insecticides sur la virose de l’orge d’hiver. L’indice de végétation montre l’effet variétale et l’efficacité des stratégies de traitement.