Simulation of the measurement of vegetation fluorescence from a geostationnary orbit
Simulation de la fluorescence de la végétation mesurée depuis une orbite géostationnaire
Résumé
This thesis is about remote sensing of the chlorophyll fluorescence to monitor the vegetation from space. Recent work shows that the diurnal variation of the chlorophyll fluorescence is the most discriminative criterion to assess vegetation physiological state, especially water stress. To ensure several measurements in a day, a geostationary orbit is considered.
We created a passive imager to assess the diurnal cycles of fluorescence in the O2-A absorption band. It employs an interferential filter wheel as in the case of the Goci satellite, but providing higher resolution.
After proof of concept, we have been facing difficulties defining the fluorescence yield at canopy scale. Indeed, the complexity of vegetation structure takes part in the radiative transfer within the vegetation cover. It is therefore impossible to define in all cases a fluorescence yield working for passive measurement. Nevertheless, we propose proxies to approach it in some cases.
Modelling the radiative transfer of fluorescence enabled us to show the accessibility of the fluorescence yield for covers with high leaf density and horizontal leaf distribution.
This modelling has been extended in order to simulate geostationary measurements in O2-A and O2-B bands. The results show the possibility to measure in the O2-A band with an uncertainty of less than 10 % on fluorescence fluxes and a temporal repeatability lower than one hour to monitor diurnal cycles of vegetation fluorescence, in order to detect a stress. In favourable cases, measurement in the O2-B band could be envisaged.
Cette thèse porte sur l’étude de la télédétection de la fluorescence chlorophyllienne pour le suivi de la végétation depuis l’espace. Des travaux récents montrent que c’est la variation naturelle du cycle diurne de la fluorescence qui constitue le critère le plus discriminatif de l’état physiologique. En particulier, il est possible de détecter un stress hydrique réversible dans plusieurs espèces. Pour assurer une mesure plusieurs fois par jour, un satellite en orbite géostationnaire (36 000 km) est envisagé.
Nous avons réalisé un instrument imageur passif au sol pour la mesure des cycles diurnes de la fluorescence détectée dans la bande O2-A d’absorption de l’O2 atmosphérique. Il utilise une roue à filtres interférentiels comme dans le cas du satellite Goci, mais avec une résolution spectrale plus de dix fois meilleure (chap. 2).
Après validation du concept, nous avons été confrontés aux difficultés de la définition d’un rendement de fluorescence
au niveau du couvert. En effet, la structure de la végétation intervient dans le transfert radiatif de la fluorescence et de la lumière solaire absorbée au sein du couvert végétal. Il n’est donc pas possible de définir dans tous les cas un rendement de fluorescence au sein du couvert par des mesures passives, néanmoins nous proposons des indices qui permettent d’approcher celui-ci dans certains cas (chap. 3).
Une étude a été menée sur le transfert radiatif de la fluorescence dans le couvert végétal jusqu’au capteur spatial,
à l’aide de modèles connus. Les résultats ont montré l’accessibilité du rendement pour des couverts à forte densité de feuilles et lorsque la distribution de l’orientation des feuilles est centrée sur l’horizontale (chap. 4).
Cette modélisation a été étendue pour simuler des mesures spatiales de fluorescence depuis une orbite géostationnaire dans les bandes O2-A et O2-B. Ces simulations montrent la possibilité de mesure dans la bande
O2-A avec une incertitude inférieure à 10 % sur les flux de fluorescence et une répétabilité temporelle inférieure à l’heure pour le suivi des cycles diurnes de la fluorescence de la végétation, ce qui permet d’envisager la détection de stress. Dans les cas favorables la mesure dans la bande O2-B serait aussi possible (chap. 5).