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14 octobre 2019

Estimation de variables de biodiversité d’une forêt méditerranéenne pour les deux missions spatiales hyperspectrales française et américaine (CNES et NASA)


Catégorie : Stagiaire


Intitulé: "Estimation de variables de biodiversité d’une forêt méditerranéenne pour les deux missions spatiales hyperspectrales française et américaine (CNES et NASA)"

Thématiques: télédétection et transfer radiatif, environnement

Type de stage: Master 2 et fin d'études bac+5

Durée et date de début: 6 mois à partir de mars 2020 (négociables)

Contexte:

Ce stage financé par le CESBIO et se déroulant dans les locaux de l'ONERA centre de Toulouse s’inscrit dans le cadre du projet TOSCA CNES HyperMED – « Evaluation des caractéristiques fonctionnelles des essences d’arbres pour le suivi de leur état de santé pour des écosystèmes de forêts méditerranéennes pour un imageur hyperspectral » et en soutien de la thèse de Thomas Miraglio [5]. Ce stage pourra éventuellement se poursuivre sur une thèse à l'automne 2020.

Encadrement:

Responsable principal: Karine Adeline (ONERA)

Co-encadrant: Thomas Miraglio (doctorant ONERA)

Collaborations: Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry (CESBIO), Susan Ustin et Margarita Huesca (Université de Davis, Californie, CSTARS)

 

Description du sujet de stage:

La rapide dégradation de la biodiversité de la végétation ces dernières décennies a mené les écologues à définir des variables essentielles pour la caractériser (EBV : Essential Biodiversity Variables). Elles sont déterminées à plusieurs échelles : écosystème, population et individu. La télédétection permet le suivi de certaines de ces EBV sur de grandes surfaces comme celles caractérisant les espèces d'arbres à l'échelle de la population (abondance, richesse, distribution) et l'évaluation des caractéristiques fonctionnelles pour chaque espèce d'arbres, dont leurs propriétés biophysiques et biochimiques. Ces derniers sont des indicateurs pertinents du fonctionnement des plantes, intervenant sur leur productivité et leurs fonctions écosystémiques. D’une part, les propriétés biochimiques les plus étudiées par télédétection sont les pigments foliaires (chlorophylle et caroténoïdes), le contenu en eau et en matière sèche, qui interviennent respectivement dans le cycle phénologique de la plante, son stress hydrique et sa biomasse. D’autre part parmi les propriétés biophysiques, celle la plus communément étudiée est la densité foliaire de l’arbre ou LAI (Leaf Area Index).

A partir de données de télédétection, l'estimation de ces propriétés nécessite une forte richesse spectrale dans le domaine optique 0.4-2.5um (notamment les propriétés biochimiques) et une résolution spatiale adaptée à l'échelle d'étude. Les futures missions satellitaires hyperspectrales d'observation de la Terre prévoient un choix de capteurs à une résolution spatiale de 30m avec un rapport signal-à-bruit élevé (PRISMA, EnMAP, SBG) et à 8m avec un rapport signal-à-bruit plus faible (HYPXIM/BIODIVERSITY). Pour une résolution de 8m, les études pourront être conduites aux échelles individu/population (1 à 2 arbres dans un pixel), alors que pour une résolution de 30m, uniquement celle de la population (plusieurs arbres dans un pixel) pourra être envisagée. Pour des écosystèmes de savanes boisées (forêts éparses de climat méditerranéen), l’estimation des propriétés biophysico-chimiques sera sensible dans le premier cas aux caractéristiques relatives aux individus composant le couvert végétal dont particulièrement la structure des arbres (faible LAI, forte présence d'éléments ligneux, forme du houppier) tandis que dans le second cas s’ajouteront les caractéristiques générales de l'écosystème (faibles taux de couverture boisée et impact du sol).

L’objectif de ce stage est d’évaluer et inter-comparer les performances des futures missions satellitaires française et américaine, respectivement HYPXIM/BIODIVERSITY et SBG, pour élaborer une cartographie de propriétés biophysico-chimiques des arbres en forêt méditerranéenne afin de pouvoir suivre leur état de santé au cours du temps, notamment en contexte de sécheresse.

Du fait des spécificités du milieu étudié, l’estimation de ces propriétés repose sur l’utilisation d’un outil de transfert radiatif DART [1] et une méthode d’inversion par LUT – Look up Table [2]. DART permet de simuler la réflectance de la canopée (simulant le spectre d'un pixel d'une image de télédétection) à partir de maquettes de modélisation 3D de l’arbre et de ses caractéristiques structurelles et biochimiques, en prenant en compte les contributions du sol et les conditions d’illumination. Une base de simulation correspondant à des réflectances de canopée simulées est générée à partir de la variation des paramètres d'intérêt qu'on cherche à estimer. Ensuite, l'inversion consiste à minimiser spectralement la correspondance entre cette base de données de simulation et la réflectance mesurée (provenant de l'image de télédétection) afin de remonter à l'estimation des propriétés biochimiques. Le site de savane boisé étudié se situe dans la Sierra Nevada en Californie, sur lequel plusieurs campagnes de mesures terrain ont été menées [3], complétées par une acquisition hyperspectrale aéroportée AVIRIS-Next- Generation à 2 m de résolution spatiale.

Les travaux de stage porteront sur (1) la simulation d’images synthétiques satellitaires HYPXIM/BIODIVERSITY et SBG à partir de l’image aéroportée, (2) la génération de la base de simulation avec DART dont la stratégie de modélisation 3D de la scène va différer selon la résolution spatiale, (3) l’application de l’inversion pour l’estimation et la cartographie des propriétés biophysico-chimiques. A l’ONERA, des outils sont d’ores et déjà disponibles et devront potentiellement être mis à jour pour répondre à ces 3 étapes de travail en prenant en compte les configurations instrumentales (spatiales, spectrales et bruit) des capteurs [4], et en adaptant la chaîne de traitement à des résolutions spatiales plus fines.

Références :
[1] Gastellu-Etchegorry et al., Modeling radiative transfer in heterogeneous 3-D vegetation canopies. Remote sensing of environment, 58(2), 131-156, 1996.
[2] Adeline et al., the Role of Species, Structure, and Biochemical Traits in the Spatial Distribution of a Woodland Community, AGU Fall meeting, 2015.
[3] Ustin et al., Multiyear Multiseasonal Changes in Leaf and Canopy Traits Measured by AVIRIS over Ecosystems with Different Functional Type Characteristics Through the Progressive California Drought 2013-2015, AGU Fall meeting, 2015.
[4] Roussel et al., Comparison of two atmospheric correction methods for the classification of spaceborne urban hyperspectral data depending on the spatial resolution, IJRS, 39(5), 1593-1614, 2018.
[5] Thèse 2018-2021 ONERA-Région Occitanie "Suivi de la résilience du patrimoine arboré méditerranéen par télédétection hyperspectrale"

Profil du stagiaire:

Ecoles ou établissements souhaités : MR2 ou 3ième année d’école d’ingénieur

Connaissances et niveau requis : traitement du signal/image, transfert radiatif, physique, python

Comment candidater:

Envoyez votre CV et lettre de motivation à karine.adeline@onera.fr (mettre en copie thomas.miraglio@onera.fr)

 

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