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Mesure active, passive et altimétrique pour l’interprétation de la fluorescence des couverts végétaux – CALSIF

Détection avionnée de la photosynthèse : apport de la combinaison de mesures de fluorescence actives, passives et altimétriques

Le projet CALSIF (CAnopy Laser and Sun Induced Fluorescence) a pour objectif d'améliorer les estimations de l'activité photosynthétique terrestre par l'observation de la fluorescence de la végétation.

Interprétation des mesures de fluorescence pour l'estimation de la photosynthèse globale

La végétation terrestre joue un rôle fondamental dans le fonctionnement de la surface continentale. Dans le contexte du changement climatique, prévoir la réponse du couvert végétal aux modifications de l’environnement est essentiel pour pouvoir décider des stratégies d’adaptation de nos sociétés. L’étude de la végétation est donc l’un des domaines important de la recherche en télédétection. Les techniques de télédétection de la végétation se sont essentiellement concentrées sur l’analyse de la lumière solaire réfléchie dans le domaine optique afin d’estimer les variables biophysiques comme la surface foliaire, la fraction de rayonnement réfléchie et absorbée (FAPAR) ou le contenu en chlorophylle. La fluorescence de la chlorophylle est considérée comme une technique très prometteuse, car elle permet de caractériser le fonctionnement photosynthétique, un élément clé dans le cycle du carbone. Comme l’émission de fluorescence se produit par un mécanisme inverse de l’absorption directement en compétition avec la conversion photochimique, les variations du rendement de fluorescence sont étroitement liées aux variations d’efficience photosynthétique. Ce rendement de fluorescence peut être suivi par des méthodes de détection actives, car les conditions d’illumination sont bien déterminées. Cependant, ces méthodes sont limitées en télédétection par la puissance de la source. Au cours de la dernière décennie, une technique passive de mesure de la fluorescence induite par le soleil a été développée, et appliquée avec succès sur les données de la mission spatiale GOSAT. Récemment, l’ESA a sélectionné la mission FLEX dédiée à la mesure de la fluorescence. Cependant, si la faisabilité de la mesure de fluorescence depuis l’espace est démontrée, l’interprétation des signaux de fluorescence du couvert en termes de caractéristiques éco-physiologiques reste encore incertaine, et constitue le verrou au développement et à la diffusion de cette technique.

Nous proposons de développer un instrument de mesure avionné pour mesurer simultanément sur la même cible la fluorescence induite par le soleil et celle induite par une excitation laser. Cette dernière permettra d’accéder aux variations du rendement de fluorescence directement lié à l’efficience de la photosynthèse. Elle sera ainsi utilisée pour valider et étalonner les méthodes d’interprétation des mesures passives. L’instrument mesurera également : (i) la réflectance dans des bandes spectrales particulières pour estimer l’indice foliaire, FAPAR et le contenu en chlorophylle, (ii) la structure verticale du couvert en analysant l’impulsion laser rétrodiffusée. En parallèle, nous proposons de développer un modèle de la fluorescence des couverts végétaux pour interpréter les données de fluorescence induite par le soleil et par laser. Une première phase d’études expérimentales aura lieu sur des cultures bien caractérisées ayant des métabolismes carbonés différents (C3, C4) afin d’étudier la relation entre la fluorescence du couvert et la photosynthèse. Cette relation sera ensuite étendue et testée sur la végétation naturelle à l’aide de mesures aéroportées. A l’issu du projet, les outils permettant de mesurer et simuler de manière précise le signal de fluorescence des couverts seront mis à la disposition de la communauté scientifique. Ceci sera particulièrement utile dans le contexte des missions FLEX, GOSAT et OCO-2 pour développer les algorithmes d’interprétation des signaux de fluorescence acquis depuis l’espace.

à suivre

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La végétation terrestre joue un rôle fondamental dans le fonctionnement de la surface continentale. Dans le contexte du changement climatique, prévoir la réponse du couvert végétal aux modifications de l’environnement est essentiel pour pouvoir décider des stratégies d’adaptation de nos sociétés. L’étude de la végétation est donc l’un des domaines important de la recherche en télédétection. Les techniques de télédétection de la végétation se sont essentiellement concentrées sur l’analyse de la lumière solaire réfléchie dans le domaine optique afin d’estimer les variables biophysiques comme la surface foliaire, la fraction de rayonnement réfléchie (albédo) et absorbée (FAPAR) ou le contenu en pigments chlorophylliens. La fluorescence de la chlorophylle est considérée comme une observation complémentaire de la réflectance, et très prometteuse, car elle permet de caractériser le fonctionnement photosynthétique, un élément clé dans le cycle du carbone. L’émission de fluorescence se produit par un mécanisme inverse de l’absorption directement en compétition avec la conversion photochimique. De ce fait, les variations du rendement de fluorescence sont étroitement liées aux variations d’efficience photosynthétique. Ce rendement de fluorescence peut être suivi par des méthodes de détection actives, car les conditions d’illumination sont bien déterminées. Cependant, ces méthodes sont limitées en télédétection par la puissance de la source. Au cours de la dernière décennie, une technique passive de mesure de la fluorescence induite par le soleil a été développée, et appliquée avec succès sur les données de la mission GOSAT pour la mesure de la fluorescence depuis l’espace. Cette technique est basée sur l’analyse des bandes d’absorption du rayonnement solaire dans le rouge et le rouge lointain. Récemment, l’ESA a sélectionné la mission FLEX dédiée à la mesure de la fluorescence. Cependant, si les mesures par avion et les études de simulation ont démontré la faisabilité de la mesure de fluorescence depuis l’espace, l’interprétation des signaux de fluorescence du couvert en termes de caractéristiques éco-physiologiques reste encore incertaine, et constitue le verrou au développement et à la diffusion de cette technique. Le but de la présente proposition est de développer les outils expérimentaux et théoriques qui permettront de lever ce verrou. Nous proposons de développer un instrument de mesure avionné pour mesurer simultanément sur la même cible la fluorescence induite par le soleil et celle induite par une excitation laser. Cette dernière permettra d’accéder aux variations du rendement de fluorescence directement lié à l’efficience de la photosynthèse. Elle sera ainsi utilisée pour valider et étalonner les méthodes d’interprétation des mesures passives. L’instrument mesurera également : (i) la réflectance dans des bandes spectrales particulières pour estimer l’indice foliaire, FAPAR et le contenu en chlorophylle, (ii) la structure verticale du couvert en analysant l’impulsion laser rétrodiffusée. En parallèle, nous proposons de développer un modèle de la fluorescence des couverts végétaux pour interpréter les données de fluorescence induite par le soleil et par laser. Une première phase d’études expérimentales aura lieu sur des cultures bien caractérisées ayant des métabolismes carbonés différents (C3,C4) afin d’étudier la relation entre la fluorescence du couvert et la photosynthèse. Cette relation sera ensuite étendue et testée sur la végétation naturelle à l’aide de mesures aéroportées. A l’issu du projet, les outils permettant de mesurer et simuler de manière précise le signal de fluorescence des couverts seront mis à la disposition de la communauté scientifique. Ceci sera particulièrement utile dans le contexte des missions FLEX, GOSAT et OCO-2 pour développer les algorithmes d’interprétation des signaux de fluorescence acquis depuis l’espace.

Coordinateur du projet

Monsieur Yves Goulas (Laboratoire de Météorologie Dynamique) – yves.goulas@lmd.polytechnique.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS Laboratoire de Météorologie Dynamique
CNRS DR ILE DE FRANCE SUD
INRA/EMMAH Unité Environnement Méditerranéen et Modélisation des Agro-Hydrosystèmes
INRA EGC UMR 1091 Environnement et Grandes Cultures

Aide de l'ANR 362 905 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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