Mesure et modélisation des propriétés optiques spectrales et directionnelles des feuilles

Measurement and modelling of leaf spectral and directional optical properties

• Auteur / Autrice : Laurent Alain Bousquet
• Direction : Stéphane Jacquemoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Méthodes physiques en télédétection
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Feuilles

Lumière -- Diffusion

Réflexion (optique)

Résumé

Cette thèse est consacrée à la mesure et la modélisation du facteur de réflexion bi-directionnel des feuilles. Les feuilles sont des objets qui diffusent la lumière : l'énergie réfléchie ou transmise se répartit dans toutes les directions. Cependant, les différents mécanismes à l'origine de la réflexion produisent des structures dans les variations directionnelles du facteur de réflexion des feuilles. La réflexion de surface, ou spéculaire, produit de fortes variations directionnelles qui sont indépendantes de la longueur d'onde et déterminées par l'indice de réfraction et la rugosité de la surface foliaire. La réflexion de volume est marquée spectralement par l'absorption des principaux constituants foliaires et ne varie que faiblement avec les directions d'éclairement ou d'observation. La modélisation physique de ces deux composantes est utilisée pour caractériser la structure et le contenu biochimique des feuilles. Elle est couplée au modèle Prospect pour fournir un modèle spectral et directionnel des propriétés optiques des feuilles. Les applications concernent la biospectroscopie, l'écophysiologie et la simulation du transfert radiatif dans le couvert végétal, avec notamment l'estimation de la quantité de lumière réfléchie spéculairement et de l'angle solide dans lequel cette réflexion s'effectue.

Plant leaves are the main organs where photosynthesis takes place. Their anatomy is adapted to this role, leading to particular optical properties. Leaf structure and biochemical content determine their reflectance, transmittance, and absorptance. Spectral properties are explained by absorption features of pigments, water and dry matter. Directional properties are associated with the numerous air spaces inside the blade causing isotropic scattering and leaf surface roughness affecting the specular reflection of light. Reciprocally, light climate influences leaf growth. Measurements and models are needed to describe thé light-leaf interaction. Our research is based on laboratory measurements. We designed a device to measure the leaf optical properties in the optical range from 500 nm to 880 nm and 200 viewing directions. The water, dry matter and chlorophyll contents have been determined using destructive methods. We examined the leaf tri-dimensional structure under a microscope to measure the cell size and the air space fraction for each tissue. We used these data to develop a physical model of light-leaf interaction based on geometric optics. Inversion of this model allowed us to estimate leaf anatomy and biochemistry, two parameters useful in remote sensing. From microscope observations, a virtual tri-dimensional leaf was built and its optical properties studied with ray-tracing techniques. Both the hemispherical and bidirectional reflectance, together with the transmittance, have been simulated and compared to measurements. As an original result, the tri-dimensional light fluxes within the leaf tissues have been determined.