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Theses Year : 2021

Contribution of physical modeling for plant biodiversity mapping in tropical forests using optical remote sensing

Apport de la modélisation physique pour la cartographie de la biodiversité végétale en forêts tropicales par télédétection optique

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Abstract

Preserving biodiversity is a major challenge for sustainable development. Faced with the needs of nature conservation needs on a global scale, the development and implementation of operational methods to assess biological diversity are necessary for the orientation of environmental policies. Optical remote sensing has great potential for studying multiple dimensions of biodiversity. Imaging spectroscopy has been widely used with success. Despite its potential, imaging spectroscoppy cannot cover large areas (regional or global scale) due to logistical and financial constraints. Current and forthcoming hyperspectral satellite missions (PRISMA, EnMAP, Biodiversity, CHIME, SBG…) offer the possibility of studying biodiversity on a large scale. There is however a need to improve the physical interpretation of existing methods, based on airborne data, to assess their potentials. Radiative transfer modeling tools allow a better understanding of the interactions between incident radiation and the physical surfaces and environments it encounters. Our aims to define a framework to produce realistic simulations using the 3D radiative transfer model DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) in a perspective of methodological development support for the assessment of biodiversity and the preparation of future satellite missions using 3D modeling (suitable for complex environments such as tropical forests). To do so, we performed sensitivity studies to understand the influence of two factors on the reflectance simulated by DART, corresponding to the spatial variability of leaf optical properties, as well as the consideration of non-photosynthetic elements of the vegetation. We then compared these simulations to imaging spectroscopy experimental data by describing the corresponding forest scenes in the finest possible way using information on structure, species composition and selected leaf functional traits. Several approaches based on leaf optical properties and on the inclusion of a woody fraction were tested for the integration of non-photosynthetic elements in the scene. Spatial variability of leaf optical properties was tested using spatialized inventory data, allowing to take into account variability at the pixel scale, or by standardizing optical properties at the crown scale of each individual, or at the species scale. Our results showed that the simulations closest to the experimental data, considered to be the most realistic, were obtained by integrating non-photosynthetic elements through a family of leaf chemical constituents, the brown pigments, combined with taking into account the variability of optical properties at the pixel scale. Differences between experimental data and simulations were investigated based on different criteria, such as spectral difference, interspecific and interspecific spectral dissimilarity, and spectral discrimination ability of species. We obtained a good agreement between the simulation from the most realistic scenario and the experimental data.
La préservation de la biodiversité est un enjeu majeur pour le développement durable. Face aux besoins de conservation à l’échelle globale, la définition des méthodes opérationnelles qui permettent d’évaluer la diversité biologique est nécessaire pour l’orientation des différentes politiques environnementales. La télédétection optique a montré un potentiel pour étudier la biodiversité. L’imagerie hyperspectrale aéroportée a été largement utilisée avec succès. Malgré son potentiel, l’imagerie hyperspectrale aéroportée ne permet pas de couvrir des vastes étendues (échelle régionale ou globale) suite à des contraintes logistique et financière. Les missions satellites hyperspectrales actuelles et futures (PRISMA, EnMAP, Biodiversity, CHIME, SBG…) offrent la possibilité d’étudier la biodiversité à grande échelle. Il existe cependant un besoin d’améliorer l’interprétation physique des méthodes existantes, basées sur les données aéroportées, pour évaluer leurs potentiels. Les outils de modélisation du transfert radiatif permettent de mieux comprendre l’interaction entre un rayonnement incident et les milieux physiques qu’ils traversent et de ce fait d’interpréter le signal. Ce projet de thèse vise à définir un cadre pour produire des simulations réalistes à l’aide du modèle de transfert radiatif 3D DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) dans une perspective de soutien au développement méthodologique pour l'évaluation de la biodiversité et la préparation de futures missions satellites à l'aide de la modélisation 3D (adapté aux milieux complexes tels que les forêts tropicales). Pour ce faire, nous avons réalisé des études de sensibilité pour comprendre l’influence de deux facteurs sur la réflectance simulée par DART : la variabilité spatiale des propriétés optiques foliaires, la prise en compte des éléments non photosynthétiques de la végétation. Puis nous avons comparé ces simulations à des données hyperspectrales aéroportées expérimentales en décrivant les scènes forestières correspondantes de la manière la plus fine à l’aide d’information relatives à la structure, à la composition en espèces et à une sélection de traits fonctionnels foliaires. Plusieurs approches s’appuyant sur les propriétés optiques foliaires, et sur la prise en compte d’une fraction ligneuse ont été testées pour l’intégration des éléments non photosynthétique dans la scène. La variabilité spatiale des propriétés optiques foliaires a été testée en s’appuyant sur les données d’inventaires spatialisées, permettant de prendre en compte la variabilité à l’échelle du pixel, ou en opérant une uniformisation des propriétés optiques à l’échelle de la couronne de chaque individu, ou à l’échelle des espèces. Nos résultats ont montré que les simulations les plus proches des données expérimentales, jugées les plus réalistes, étaient obtenues par l’intégration des éléments non photosynthétiques par le biais d’une famille de constituants chimiques foliaires, les pigments bruns, combinée à une prise en compte de la variabilité des propriétés optiques à l’échelle du pixel. Les différences entre données expérimentales et simulations ont été étudiées en s’appuyant sur différents critères, comme la différence spectrale, la dissimilarité spectrale interspécifique et interspécifique et la capacité de discrimination spectrale des espèces. Nous avons obtenu une bonne concordance entre les simulations issues du scénario le plus réaliste et les données expérimentales.
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  • HAL Id : tel-03520758 , version 1

Cite

Dav Ebengo Mwampongo. Apport de la modélisation physique pour la cartographie de la biodiversité végétale en forêts tropicales par télédétection optique. Sciences de la Terre. AgroParisTech, 2021. Français. ⟨NNT : 2021AGPT0016⟩. ⟨tel-03520758⟩
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