Simulation de la réflectance de la végétation et inversion des propriétés bio-optiques basées sur un modèle de transfert radiatif tridimensionnel

Vegetation reflectance simulation and bio-optical property inversion based on three-dimensional radiative transfer model

• Auteur / Autrice : Zhijun Zhen
• Direction : Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry, Shengbo Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Jilin University (Changchun, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études spatiales de la biosphère (Toulouse ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Kaishan Song
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry, Shengbo Chen, Zbynĕk Malenovský, Abdelaziz Kallel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Durrieu, Suhong Liu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Végétation -- Télédétection

Transfert radiatif

Réflectance

Mots clés libres

Simulation de la réflectance de la canopée

Véritable structure tridimensionnelle

Indice de végétation

Propriété optique des feuilles

Simulation of canopy reflectance

True three-dimensional structure

Vegetation index

Leaf optical property

Résumé

Les données de télédétection sont de plus en plus utilisées, en particulier via les méthodes d'inversion, pour la surveillance de la végétation en raison de l'amélioration de la précision des mesures et de la résolution spatiale/spectrale/temporelle, ainsi que des progrès des méthodes d'interprétation des données de télédétection. Les modèles de transfert radiatif unidimensionnels simulent souvent avec une mauvaise précision la réflectance de la végétation, si bien que leur utilisation dans des procédures d'inversion des mesures de télédétection en termes de paramètres bio-optiques conduit à des paramètres estimés qui peuvent être très imprécis. Les modèles de transfert radiatif tridimensionnels sont beaucoup plus précis, car ils peuvent prendre en compte de manière réaliste l'architecture des couverts végétaux (FC), si bien qu'ils peuvent modéliser avec précision les mécanismes radiatifs complexes qui surviennent au sein des FC. Cependant, l'emploi des modèles 3D, et en particulier leur inversion, se heurte à trois problèmes majeurs. (1) Les modèles de simulation actuels ne permettent pas de simuler de manière continue l'évolution de la végétation du fait de la méconnaissance de la variation spatiale et temporelle des paramètres clés du sol. Cette difficulté est une contrainte importante pour la mise en œuvre de l'inversion de séries temporelles d'images de télédétection. (2) Les méthodes d'inversion spectrale foliaire existantes sont principalement applicables aux couverts homogènes tels que chaque unité spatiale d'inversion comprend plusieurs éléments de paysages (e.g., arbres). Cependant, l'observation de scènes qui comportent de nombreuses composantes dont la dimension est du même ordre de grandeur ou inférieure à la résolution spatiale du capteur, conduit à l'apparition de nombreux pixels mixtes. C'est en particulier le cas des villes, où la précision de l'inversion des propriétés optiques foliaires des arbres tend à être imprécise, voire très imprécise. (3) Les indices de végétation existants sont facilement saturés dans les zones à forte couverture végétale, ce qui limite fortement leur capacité d'inversion. Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus concernant l'inversion des images de télédétection, nous avons couplé le modèle DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) de transfert radiatif 3D avec un modèle de croissance. Cette approche permet de simuler avec une meilleure précision l'évolution de la réflectance des couverts en fonction de leur développement. L'inversion de la végétation en milieu urbain est particulièrement complexe du fait de sa distribution éparse et de l'impact de l'architecture urbaine. Nous avons résolu ce problème via le développement de la méthode appelée "Etalonnage de DART". Nous avons aussi analysé les comportements des isolignes de végétation et proposé un décalage vers la droite du point d'intersection des isolignes calculé à partir de simulations DART pour atténuer l'effet de saturation de l'indice de végétation ajusté au sol (SAVI) dans les zones à fort FC. [...]

Remote sensing data are increasingly used, particularly through inversion methods, for vegetation monitoring due to its improved measurement accuracy and spatial/spectral/temporal resolution and the advances in remote sensing data interpretation methods. Traditional one-dimensional radiative transfer models are often inaccurate when simulating the reflectance of vegetation, which translates into inaccurate inversion of remote sensing observations in terms of bio-optical parameters. Three-dimensional radiative transfer models are usually much more accurate because they consider a realistic architecture of foliage coverage (FC). However, the application of 3D radiative transfer simulation and inversion encounters three major problems. (1) Existing simulation models do not have continuous-time phase simulation capability due to the lack of knowledge of the spatial and temporal variation of key ground parameters. However, remote sensing images are mostly time series data, making it difficult to use together with time series of remote sensing data. (2) Existing leaf spectral inversion methods are mainly applicable to densely vegetated areas. However, in scenes with complex components and many mixed pixels, such as cities, the inversion accuracy of leaf optical properties is seriously degraded. (3) Existing vegetation indices are easy to saturate in high FC areas, severely limiting their inversion capability. The problems mentioned above are addressed with the coupling of the Discrete Anisotropic Radiative Transfer (DART) model and a growth model. Also, the accurately inverting of the spectral signatures of leaves in urban areas is achieved by introducing an innovative calibration of DART. Finally, we analyze the vegetation isolines behaviours and propose the intersection point right shift phenomenon based on the DART simulation data to mitigate the soil-adjusted vegetation index (SAVI) saturation effect in high FC areas. In this thesis, vegetation reflectance simulation and bio-optical property inversion based on a three-dimensional radiative transfer model is the research object in terms of both simulation and inversion. The first half of this thesis focuses on the modelling and reflectance simulation of a 3D vegetation scene with a coupled growth model. The second half focuses on the inversion of vegetation bio-optical parameters using the 3D radiative transfer model. Potential applications include providing high-quality analytical validation data for sensor design and adequate data support for quantitative remote sensing inversion modelling, spatial and temporal scale conversion.