Potentiel de l'imagerie hyperspectrale de proximité comme outil de phénotypage : application à la concentration en azote du blé

Potentiality of close-range hyperspectral imaging as a tool for phenotyping : applying to wheat nitrogen concentration

• Auteur / Autrice : Nathalie Vigneau
• Direction : Gilles Rabatel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 13/12/2010
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ITAP - information et technologie pour les agro-procédés
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Rabatel, Jean-Baptiste Pierre, Agnès Bégué, Pierre Roumet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christelle Gée, Bruno Andrieu

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie hyperspectrale de proximité

Réflectance

Concentration en azote

Blé

Close-range hyperspectral imaging

Reflectance

Nitrogen concentration

Wheat

Résumé

Le phénotypage consiste à caractériser les plantes et leur comportement en vue de la sélection génétique. Cette étude a évalué le potentiel de l'imagerie hyperspectrale de proximité pour répondre à ces besoins. Elle s'appuie sur le lien existant entre la physiologie des plantes et leurs propriétés optiques. Cette étude a montré qu'il est possible de retrouver la réflectance des feuilles en dépit d'un éclairage naturel variable. La procédure de correction mise en place permet de retrouver la réflectance vraie de feuilles à plat et introduit un effet additif (dû à la réflexion spéculaire), un effet multiplicatif (dû au niveau d'éclairement) et un effet non linéaire (dû aux réflexions multiples) sur les feuilles inclinées des plantes au champ. Cependant, nous avons montré également que, grâce à des pré-traitements des spectres adéquats et à la PLS (Partial Least Square regression), la concentration en azote est accessible à partir de la réflectance (400-1000~nm) de feuilles fraîches sur pied. L'étude de spectres simulés a montré que la non prise en compte des réflexions multiples dans l'étalonnage d'un modèle conduisait à une surestimation de la concentration en azote des feuilles subissant des réflexions multiples. Enfin, cette étude a illustré l'intérêt de l'imagerie hyperspectrale de proximité par rapport à la spectrométrie ponctuelle. Le fait d'avoir une image, combiné à la haute résolution spatiale permet d'obtenir des données plus représentatives de la parcelle et de calculer une vitesse de fermeture de couvert. La réalisation de cartographies d'azote permet de suivre la concentration en azote dans différents étages foliaires ou parties d'une même feuille.

Henotyping consists in characterising plants and their behavior with the aim of the genetic selection. This study estimated the potential of the close-range hyperspectral imaging to meet these needs. It leans on the link existing between plant physiology and their optical properties. This study showed that it is possible to find leaf reflectance in spite of a variable natural lighting. The developed correction procedure allows finding the true reflectance of flat leaves and introduces an additive effect (due to specular reflection), a multiplicative effect (due to illumination level) and a not linear effect (due to the multiple reflections) on inclinated leaves of plants in the field. However, we also showed that, thanks to adequate preprocessing of the spectra and to PLS (Partial Least Square regression), the nitrogen concentration is accessible from the reflectance (400-1000~nm) of fresh leaves on standing plants. The study of simulated spectra showed that the not consideration of the multiple reflections in the calibration of a model lead to an overestimation of the nitrogen concentration leaves undergoing multiple reflections. Finally, this study illustrated the interest of close-range hyperspectral imaging with regard to the punctual spectrometry. The fact of having an image, combined with the high spatial resolution allows to obtain more representative data of the plot and to calculate a speed of cover closure. Nitrogen mappings allow following the nitrogen concentration in various leaf level or parts of the same leaf.